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材料科学与工程基础教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、材料科学与工程基础材料科学与工程基础The Fundamentals(Elements,Principles)of Materials Science&Engineering An Introduction to Materials Science第1页绪论Introduction材料(Materials)是国民经济物质基础。广义材料包含人们思想意识之外全部物质(substance)第2页材料无处不在,无处不有第3页材料发展过程第4页我国材料历史进程(Historical perspective)漫长而又波折历程漫长而又波折历程:石斧第5页第6页湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑第7页中国古代铁器金
2、相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄第8页古代科技名著:古代科技名著:“考工记考工记”(先秦)、(先秦)、“梦溪笔谈梦溪笔谈”(宋代沈(宋代沈 括)、括)、“天工开物天工开物”(明代宋应星)(明代宋应星)明代后:封建统治、帝国主义侵略束缚了材料发展明代后:封建统治、帝国主义侵略束缚了材料发展 停滞状态停滞状态解放后:材料科学受到重视和发展,被列为当代技术三大支柱之一。解放后:材料科学受到重视和发展,被列为当代技术三大支柱之一。一整套材料体系一整套材料体系 门类全齐门类全齐 数量数量 质量质量 钢铁突破钢铁突破2 2亿吨大关亿吨大关 世界第一世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭原子弹、氢弹、人造卫
3、星、火箭长征三号运载火箭在发射架上图片长征三号运载火箭在发射架上图片宝钢高炉宝钢高炉第9页材料分类(Classification of Materials)第10页 材料科学与工程基础是研究材料成份、组材料科学与工程基础是研究材料成份、组织结构与性能之间关系织结构与性能之间关系第11页学习方法:培养能力为主,学习知识为辅 要掌握正确思维方式,不要死记硬背 认真记好笔记,课后短时复习 抓住根本条,不钻牛角尖 考试前及早复习,不要临阵磨枪 主动参加答疑,不要闭门复习第12页第一章 材料结构Structure of Materialv材料性能取决于材料成份、加工工艺和结构。材料性能取决于材料成份、加
4、工工艺和结构。v材料结构学是材料科学体系中最主要学科之一。材料结构学是材料科学体系中最主要学科之一。第13页第一节 结合键Binding Bond一、结协力与结合能双原子模型:d0dcAB结协力排斥力吸引力原子间距d排斥力FF吸引力d0dcAB结合能排斥能吸引能原子间距d排斥能吸引能EAB(a)(b)图11双原子作用模型第14页二、结合键离子键氯钠NaCl晶体结构Si形成四面体109金属离子金属键模型电子气共价键金属键分子键和氢键第15页三、材料键性 金属材料 金属材料结合键主要是金属键。金属特征:导电性、导热性好;正电阻温度系数;好延展 性;金属光泽等。陶瓷村料 陶瓷材料是包含金属和非金属元
5、素化合物,其结合键主要是离子键和共价键,大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高稳定性,所以陶瓷材料通常含有极高熔点和硬度,但同时陶瓷材料脆性也很大。高分子材料 高分子材料结合键是共价键、氢键和分子键。其中,组成份子结合键是共价键和氢键,而分子间结合键是范德华键。尽管范德华键较弱,但因为高分子材料分子很大,所以分子间作用力也对应较大,这使得高分子材料含有很好力学性能 第16页第二节 晶体学基础 Fundamentals of crystallogphy一、晶体概念晶体特征 晶体三大特征:原子排列有序;有固定熔点;各向异性。空间点阵和晶胞caXb YZ(a)(b)(c)简单立方晶体(a)晶体结构
6、(b)晶格(c)晶胞第17页二、配位数和致密度配位数 所谓配位数是指晶体中与任一个原子最近邻、等距离原子数目。致密度若把原子看成刚性球,则原子之间必有空隙存在,可用原子刚球所占体积与晶体体积之比来表示晶体结构排列紧密程度,称为致密度或密集系数。可用下式表示:例:计算简单立方晶体致密度解:简单立方:晶格常数为a,原子半径为一个晶胞内所含原子数;所以:致密度第18页三、晶向指数和晶面指数 在晶体中,由一系列原子所组成平面称为晶面,任意两个原子之间连线所指方向称为晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中空间位向,就需要引入一个统一规则来标志它们,这种统一标志,叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用是密勒(Mil
7、ler)指数。晶向指数晶向指数确实定步骤以下:(1)以晶胞中某一阵点为原点,以三条棱边为X、Y、Z轴,并以晶胞棱边长度为单位长度;(2)假如所求晶向未经过坐标原点,过原点引一条平行于所求晶向有向直线;(3)在所引直线上取离原点最近那个原子,求出其在X、Y、Z轴上坐标;(4)将三个坐标值按百分比化为最小整数,依次记入方括号 中,即得所求晶向指数。通常以uvw表示晶向指数普遍形式,若其中某数为负值,应将负号标注在该数上方,比如 。110110111100XYZ图17立方晶系中三个主要晶向如图给出了立方晶系中一些主要晶向晶向指数。对于一个晶向指数,表示不是一个详细方向,而是全部相互平行,方向一致晶向
8、。假如两个晶向指数数值大小相等,符号相反,则这两组晶向相互平行不过方向相反。第19页晶向族 在立方晶系中:111、111、111、111、111、111、111、111八个晶向,指是立方体中四个对角线方向。从晶体对称关系来看,这一组晶向在性质上是等同,故总称之为晶向族。原子排列情况相同,但空间位向不一样全部晶向称为晶向族,用表示,上述八个晶向即可用表示。同 理,代 表:100、010、001、100、010、001六个晶向。应该指出,只有在立方晶系中晶向族各晶向指数能够经过改变指数和正负号排列组合方式求出。对于其它晶系并不一定适用。第20页晶面指数 晶面指数普通表示式为(hkl),其确定步骤以
9、下:(1)与确定晶面指数类似建立坐标系,但坐标原点应位于待定晶面之外,以防止出现零截距。(2)以晶格常数为长度单位求出待定晶面在各轴上截距。若晶面与某轴平行,则认为该晶面在该轴上截距为无穷大,其倒数为零。(3)取截距倒数,将其化为最小整数,置于圆括号内,写成(hkl)形式,即得晶面指数。如图给出了一些立方晶系中一些主要晶面晶面指数。XXXYYYZZZ(100)(111)(110)立方晶格中三种主要晶面 与晶向指数类似,假如有截距为负值,应将负号记在对应指数上面。晶面指数(hkl)不是指一个晶面,而是代表一组相互平行晶面。当两个晶面指数数字和次序完全相同而符号相反时,则这两个晶面相互平行。第21
10、页晶面族在同一晶体结构中,有些晶面上原子排列和晶面间距完全相同,但含有不一样空间位向,这些晶面均归并为一个晶面族,用表示。比如,在立方晶系中:100包含(100),(010),(001)110包含(110),(101),(011),(110),(101),(011)111包含(111),(111),(111),(111)晶面族不但包含了相互平行一组晶面,而且也包含了位向不一样,但晶面间距相等、原子排列相同若干组平行晶面。在立方晶系中,hkl晶面族所包含晶面可用改变h、k、l正负号及数字排列组合来求得。不过这种方法不适合用于其它晶系。第22页晶面指数几何意义XYZNO晶面指数与晶面位向间关系AB
11、CD即:从立体几何可知,在正交晶系中:所以,只要晶面指数一旦确定,晶面位向即可求得。所以,晶面(hkl)法线矢量为:即晶面(hkl)法线与晶向hkl方向平行,这就是晶面指数几何意义。如图:ON为晶面(hkl)法线,ON与该晶面交于D点;OA、OB、OC分别为(hkl)在X、Y、Z轴上截距;ON与X、Y、Z轴之间夹角分别为、;cos、cos、cos就是法线ON方向余弦。立方点阵中晶胞三个基矢相等,设其为a,则依据晶面指数确实定方法可知:第23页晶带 平行或相交于同一直线一组晶面组成一个晶带。这一组晶面叫做共带面,而该直线(用晶向指数表示)叫做晶带轴。同一晶带中各晶面法线均与晶带轴垂直。在立方晶系
12、中,晶向指数与晶面指数数字和次序相同时,该晶向垂直于该晶面,则有hkl(hkl),就是说该晶向即为该晶面法线。若晶带轴指数为uvw,由矢量代数能够证实,该晶带轴中任一晶面(hkl)与晶带轴指数间含有以下关系:该式又称为晶带方程。第24页第三节 金属及合金结构特点Structure Characteristic of Metal&Alloy 一、常见纯金属晶格类型 体心立方晶格:记为BCC(a)(b)(c)体心立方晶胞(a)模型;(b)晶胞;(c)晶胞原子数属于这种晶格类型金属有-Fe、Cr、W、Mo、V等 致密度:晶格常数为a,原子半径为;所以:致密度 配位数为8第25页面心立方晶格:记为FC
13、C 属于这种晶格类型金属有Fe、Cu、Al、Ag、Au、Pb、Ni等。(a)(b)(c)面心立方晶胞(a)模型;(b)晶胞;(c)晶胞原子数配位数12;致密度0.74第26页密排六方晶格:记为HCP 密排六方晶格晶胞是一个六方柱体,由六个呈长方体侧面和两个呈六边形底面所组成,如图所表示。属于这种晶格类型金属有Mg、Zn、Be、Cd等。(a)(b)(c)密排六方晶胞(a)模型;(b)晶胞;(c)晶胞原子数配位数:12;致密度:0.74(与面心立方相同)第27页晶胞中间隙 由致密度计算结果可知,晶体中应存在一定数量间隙。比如,对于体心立方,致密度k0.68,说明仅有68体积被原子占有,存在32间隙
14、。这些间隙对金属性能,合金相结构,扩散以及相变等都有主要影响。从几何形状上看,晶格中有两种间隙:八面体间隙和四面体间隙。金属原子八面体间隙金属原子四面体间隙(a)(b)体心立方结构中间隙(a)八面体间隙(b)四面体间隙第28页 面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种,如图所表示,它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙 金属原子八面体间隙金属原子四面体间隙(a)(b)面心立方结构中间隙(a)八面体间隙(b)四面体间隙第29页原子堆垛方式 前面已指出,面心立方晶格和密排六方晶格致密度与配位数完全一致,均属于最密排列晶格,不过晶格类型却不一样,为了搞清这个问题,就需要了解原子堆垛方式。面心立方结
15、构原子堆垛方式密排六方原子堆垛方式A层B层C层第30页A层B层C层 面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式第31页二、实际金属晶体结构单晶体与多晶体 晶体中原子排列规律相同,晶格位向一致晶体,称为单晶体单晶体。在实际应用中金属材料中较少用单晶体金属,工程上使用金属材料,几乎都是多晶体材料。通常使用金属都是由很多小晶体组成,这些小晶体内部晶格位向是均匀一致,而它们之间,晶格位向却彼此不一样,这些外形不规则颗粒状小晶体称为晶粒晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间界面称为晶界晶界。这种由许多晶粒组成晶体称为多晶体多晶体。第32页点缺点 点缺点是指在晶体空间中,其长、宽、高尺寸
16、都很小(相当于原子尺寸)一个缺点。晶体点缺点主要包含三种形式:晶体空位、间隙原子和置换原子,如图所表示。晶体中点缺点空位;间隙原子;置换原子第33页线缺点 线缺点是指在三维空间中两维方向尺寸较小,在另一维方向尺寸相对较大缺点,所以又称为一维缺点。晶体中最普通线缺点就是位错。位错是晶格中某处有一列或若干列原子发生了一些有规律错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成,依据局部滑移方式不一样,能够形成不一样类型位错,最简单、最基本类型有刃型位错刃型位错和螺型位错螺型位错两种,由它们组合能够组成混合位错和不全位错等线缺点。第34页刃型位错(a)立体模型 (b)平面图 刃型位错示意图GHEF晶体局部
17、滑移造成刃型位错第35页位错运动示意位错运动示意第36页螺型位错CBAD(b)(a)立体模型;(b)平面图螺型位错示意图ABCD(a)第37页螺型位错示意图第38页螺型位错示意图第39页柏氏矢量 柏氏矢量是描述位错几何特征最主要参数之一。柏氏矢量由柏氏回路确定。bl第40页lb柏氏矢量物理意义:柏氏矢量代表晶体滑移方向。第41页面缺点 晶体中面缺点是指在两个方向尺寸很大而第三方向尺寸很小,呈面状分布缺点。这类缺点主要是晶粒边界和亚晶界。晶界 晶界是两相邻晶粒间过渡界面。因为相邻晶粒间彼此位向各不相同,故晶界处原子排列与晶内不一样,它们因同时受到相邻两侧晶粒不一样位向综合影响,而做无规则排列或近
18、似于二者取向折衷位置排列,这就形成了晶体中主要面缺点。晶界是晶体中一个主要缺点。因为晶界上原子排列不规则,脱离平衡位置,所以晶界含有较高能量,使其含有一系列不一样于晶粒内部特征。比如,晶界比晶粒轻易被腐蚀,熔点较低;原子沿晶界扩散速度快;在常温下晶界对金属塑性变形起妨碍作用。所以,金属材料晶粒愈细小,则晶粒愈多,其室温强度愈高。亚晶界 试验表明,在实际金属一个晶粒内部晶格位向也并非一致,而是存在一些位向略有差异小晶块(位向差普通不超出2),如图127所表示。这些小晶块称为亚结构,。亚结构之间界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列位错所组成。亚晶界上原子排列也不规则,含有较高能量,与晶界类似特征
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