学生用材料科学基础第5章

弗兰克尔空位
肖脱基空位
2) 为了保持电中性，离子间数量不等的置换会 在晶体内部形成点缺陷。 如：2Ca2+→Zr4+ ，形成氧离子空缺。 3) 陶瓷化合物中存在变价离子，当其电价改变 时，也会在晶体中产生空位。 如：方铁矿中，部分Fe2+被氧化为Fe3+时， 2FeO+O → Fe2O3中，产生阳离子空缺。 同理，TiO2中，部分Ti4+被还原为Ti3+时，产 生阴离子空缺。 这种由于维持电中性而出现的空位，可以 当作电子空穴。欠缺或多出的电子具有一定的 自由活动性，因而降低了化合物的电阻。这种 现象在材料的电性能方面有重要意义。
3．陶瓷材料中的固溶方式
陶瓷材料——一般不具备金属特性，属无机非金属。 无机非金属化合物可以置换或间隙固溶的方式溶入其 它元素而形成固溶体，甚至无限固溶体，但是一般形 成有限固溶体。 如：Mg[CO3] → (Mg,Fe)[CO3] →(Fe,Mg)[CO3] →Fe[CO3] 菱镁矿 含铁菱镁矿 含镁菱铁矿 菱铁矿 不改变原来的晶格类型，晶格常数略有改变。
(3) 多为金属间或金属与类金属间的化合物， 以金属键为主，具有金属性，所以也称金属 间化合物。 (4) 晶体结构复杂。 (5) 在材料中是少数相，分布在固溶体基体 上，起到改善材料性能、强化基体的作用。 中间相可分为以下几类： 正常价化合物；电子化合物；间隙相；间隙 化合物；拓扑密堆相。
1. 正常价化合物 • 通常是由金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、 Ⅵ族元素形成，它们具有严格的化合比， 成分固定不变，符合化合价规律，常具有 AB、AB2、A2B3分子式。 • 它的结构与相应分子式的离子化合物晶体 结构相同，如分子式具有AB型的正常价化 合物其晶体结构为NaCl型。正常价化合物 常见于陶瓷材料，多为离子化合物。如 Mg2Si、Mg2Pb、MgS、AuAl2等。 • 在合金材料中，起弥散强化的作用。

材料科学基础 第5章1 材料科学基础第5章1 材料科学基础 第五章晶体生长与晶体缺陷概述§5.1液体的性质和结构§5.2凝固的热力学条件§5.3形核过程§5.4晶体的长大§5.5铸锭的组织§5.6单晶体的凝固

材料科学基础 第五章晶体生长与晶体缺陷§5.7玻璃态与金属玻璃§5.8点缺陷§5.9线缺陷§5.10面缺陷

材料科学基础 概述 大多数金属产品在加工和制造的初始阶段，在熔化后铸造，以凝固成锭或铸件。铸锭和铸件的组织和性能与其凝固过程密切相关：本章首先介绍了凝固过程的相关知识，其中将讨论晶核形成和晶体生长过程的基本理论和规律，这些基本概念被用来分析金属铸造湖泊结构的形成过程。实际晶体并不是第一章讨论的绝对规则的理想晶体，但有不同的形式，但有一些规则的缺陷。这些缺陷对晶体的性能以及许多物理和化学过程有重要影响。然后简单介绍了晶体中的点缺陷、线缺陷和表面缺陷及其主要特征。

材料科学基础 晶体形成的一般过程是晶体的生长和凝聚固体的结构成核 材料科学基础 §5.1晶体形成的一般过程1。晶体形成的一般过程1。凝固和结晶简介：自然界中的物质通常可以气态、液态或固态存在。简介：自然界中的物质通常可以气态、液态或固态存在。在某些条件下，它们可以相互改变。在某些条件下，它们可以相互改变。

凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。凝结-蒸发结晶：晶体的形成形成过程。结晶：晶体的形成形成过程。凝固-熔化凝华-升华液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。晶体的形成过程包括，原始相可以是气体凝华凝华)、晶体的形成过程包括，原始相可以是气体(凝华、意义：材料中使用较广泛的有金属材料，意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态，得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关，从而也影响材料的性能。程有关，从而也影响材料的性能。 材料科学基础 第一节晶体形成的一般过程 2.影响凝固状态的因素介绍：固态原子的排列有无规则排列的非晶态。简介：固态原子的排列有无规则排列的非晶态，也可以成为规则排列的晶体。有三个决定因素。形成规则的晶体。有三个决定因素。物质的本质：原子以何种方式结合使系统吉布斯自由

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小角度晶界的界面能随着相邻晶粒位向差的增加 而增大。 而增大。
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5.3.2.2 大角度晶界的界面能
由于大角度晶界的结构模型还不完善， 由于大角度晶界的结构模型还不完善，因此界 面能的理论计算还不可能， 面能的理论计算还不可能，只能用实验的方法加 以测定。 以测定。 大角度晶界的界面能大体上是一常数（ 0.25～ 大角度晶界的界面能大体上是一常数（ 常数 ～ 1.0J/m2范围内），不随相邻晶粒的位向差而变。 范围内） 不随相邻晶粒的位向差而变。
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5.5.1 固溶强化
固溶体合金中的溶质原子， 固溶体合金中的溶质原子 ， 不论是以置换方式或 间隙方式溶入基体金属， 间隙方式溶入基体金属 ， 都会对金属的塑性变形产 生影响， 主要表现是使变形抗力提高， 应力－ 生影响 ， 主要表现是使变形抗力提高 ， 应力 － 应变 曲线升高， 变形能力（ 塑性） 下降， 这就是“ 固溶 曲线升高 ， 变形能力 （ 塑性 ） 下降 ， 这就是 “ 强化” 强化”。
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（ 4） 在固溶体中， 存在溶质原子偏聚区和短程有 ） 在固溶体中 ， 序 。 当位错运动通过这些区域时会使短程有序态和 偏聚区遭到破坏，引起能量升高， 偏聚区遭到破坏 ， 引起能量升高 ， 从而增加位错运 动的阻力，导致强化。 动的阻力，导致强化。 说明：化学交互作用对提高强度的贡献比弹性交互 说明： 作用小，但弹性交互作用随温度上升而减小， 作用小，但弹性交互作用随温度上升而减小，而铃 木效应随温度变化不大， 木效应随温度变化不大，故在高温时化学交互作用 显得比较重要。 显得比较重要。
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5.3.3 晶粒尺寸的测量
美国材料及测试协会（ASTM）的晶粒尺寸级别N， 美国材料及测试协会（ ）的晶粒尺寸级别 ， 由如下方程定义： 由如下方程定义： n = 2N-1 其中， 是在放大倍数 是在放大倍数100×下每 2的晶粒数目。 其中，n是在放大倍数 ×下每in 的晶粒数目。

材料科学基础A习题答案第5章材料科学基础A习题第五章材料的变形与再结晶1某⾦属轴类零件在使⽤过程中发⽣了过量的弹性变形，为减⼩该零件的弹性变形，拟采取以下措施：（1）增加该零件的轴径。

（2）通过热处理提⾼其屈服强度。

（3）⽤弹性模量更⼤的⾦属制作该零件。

问哪⼀种措施可解决该问题，为什么？答：增加该零件的轴径，或⽤弹性模量更⼤的⾦属制作该零件。

产⽣过量的弹性变形是因为该⾦属轴的刚度太低，增加该零件的轴径可减⼩其承受的应⼒，故可减⼩其弹性变形；⽤弹性模量更⼤的⾦属制作该零件可增加其抵抗弹性变形的能⼒，也可减⼩其弹性变形。

2、有铜、铝、铁三种⾦属，现⽆法通过实验或查阅资料直接获知他们的弹性模量，但关于这⼏种⾦属的其他各种数据可以查阅到。

请通过查阅这⼏种⾦属的其他数据确定铜、铝、铁三种⾦属弹性模量⼤⼩的顺序（从⼤到⼩排列），并说明其理由。

答：⾦属的弹性模量主要取决于其原⼦间作⽤⼒，⽽熔点⾼低反映了原⼦间作⽤⼒的⼤⼩，因⽽可通过查阅这些⾦属的熔点⾼低来间接确定其弹性模量的⼤⼩。

据熔点⾼低顺序，此⼏种⾦属的弹性模量从⼤到⼩依次为铁、铜、铝。

3、下图为两种合⾦A B各⾃的交变加载-卸载应⼒应变曲线（分别为实线和虚线），试问那⼀种合⾦作为减振材料更为合适，为什么？答：B合⾦作为减振材料更为合适。

因为其应变滞后于应⼒的变化更为明显，交变加载-卸载应⼒应变回线包含的⾯积更⼤，即其对振动能的衰减更⼤。

4、对⽐晶体发⽣塑性变形时可以发⽣交滑移和不可以发⽣交滑移，哪⼀种情形下更易塑性变形，为什么？答：发⽣交滑移时更易塑性变形。

因为发⽣交滑移可使位错绕过障碍继续滑移，故更易塑性变形。

5、当⼀种单晶体分别以单滑移和多系滑移发⽣塑性变形时，其应⼒应变曲线如下图，问A、B中哪⼀条曲线为多系滑移变形曲线，为什么？答：A曲线为多系滑移变形曲线。

这是因为多滑移可导致不同滑移⾯上的位错相遇，通过位错反应形成不动位错，或产⽣交割形成阻碍位错运动的割阶，从⽽阻碍位错滑移，因此其应⼒应变曲线的加⼯硬化率较单滑移⾼。