材料科學重要知識點

1、金屬的特性：延展性，導電性，正的電阻溫度系數(shù)，導熱性，金屬光澤。 晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復排列，即 存在長程有序性。陣點：將晶體中的原子（分子、離子或原子團）抽象為在空間規(guī)則排列的幾何點， 叫做陣點空間點陣：所有的陣點在三維空間呈周期性的規(guī)則排列晶胞：在空間點陣中取一個最具代表性的基本小單元（最小平行六面體）作為點 陣的組成單元。選取晶胞的原則：I ）要充分反映整個空間點陣的周期性和對稱性；U）平行六 面體內(nèi)相等的棱和角的數(shù)目應最多；m）以上兩點的基礎(chǔ)上，直角的數(shù)目應最多； W）在滿足上條件，晶胞應具有最小的體積。7種晶系；立方，四方，六方，三斜，單斜，棱

2、方，正交。能夠反映這7種晶系中空間點陣全部特征的單位平行六面體共有14種類型晶向；任意兩個原子之間連線構(gòu)成的原子列及所指的方向.用晶向指數(shù)來描述；晶面：由原子所組成的平面.晶面用晶面指數(shù)來描述。晶向族：晶向上原子排列規(guī)律相同但空間方位不同的晶向?qū)儆谕痪蜃?，具有等同性質(zhì)的晶向，用uvw表示。判斷有無隱藏面的條件點陣類型無隱藏晶面 的條件有隱藏晶面 的條件體心立方beeh + k+l =偶數(shù)h+ k+l =奇數(shù)面心立方feeh、k、l全奇數(shù)或全偶數(shù)h、k、丨不全奇數(shù)或不全偶數(shù)典型金屬晶體結(jié)構(gòu)：面心立方結(jié)構(gòu)（fee或A1 ）；體心立方結(jié)構(gòu)（bee或A2）；密 排六方結(jié)構(gòu)（hep或A3 ）。配位數(shù)

3、：距任一原子最近鄰且等距離的原子個數(shù)致密度：晶體中原子體積占總體積的百分比。fee、hep結(jié)構(gòu)的致密度0.74和配位數(shù)12相同，為什么卻具有兩種晶體結(jié)構(gòu)？主 要是因為：1.原子的 密排晶面”不同；2.密排晶面的 堆垛次序”不同。缺陷：點缺陷；線缺陷；面缺陷空位：由于某種原因，原子脫離正常格點，在原來的位置上留下原子空位，或者 說空位就是未被占領(lǐng)的原子位置。肖脫基缺陷：離位原子進入其它空位或遷移至晶界或表面（只形成空位而不形成 等量的間隙原子。弗蘭克爾缺陷：離位原子進入晶體間隙（形成等量的間隙原子）。位錯：是一種線缺陷，它是晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律錯排現(xiàn)象； 錯排區(qū)是細長的管狀畸變

4、區(qū)，長度可達幾百至幾萬個原子間距，寬僅幾個原子間 距。位錯分為刃位錯、螺位錯和混合位錯刃位錯；晶體在大于屈服值的切應力 作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。 EF是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃， 刃型位錯的特征：刃型位錯有一個額外的（多余）半原子面。正刃型位錯用7” 表示，負刃型位錯用 午”表示；其正負只是相對而言。刃型位錯是直線、折線 或曲線。它與滑移方向、柏氏矢量垂直。位錯密度V（cm cm）柏氏矢量：描述位錯位錯的攀移：在垂直于滑移面方向上運動.攀移的特點：a刃位錯垂直于滑移面運動一一非守恒運動。b）屬擴散過程一一 需熱激活一一高溫易出現(xiàn)交滑移；對于螺型

5、位錯，由于所有包含位錯線的晶面都可以成為它的滑移面，因此當某一螺型位錯在原滑移面上運動受阻時，有可能從原滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交 的另一滑移面上繼續(xù)滑移攀移與交滑移比較。攀：只能刃位錯非守恒運動（原子擴散或外力作用或溫度作 用）。交：只能螺位錯守恒運動（無原子擴散）。晶界：不同取向的晶粒之間的界面，由于晶界原子需要同時適應相鄰兩個晶粒的 位向，就必須從一種晶粒位向逐步過渡到另一種晶粒位向， 成為不同晶粒之間的 過渡層，因而晶界上的原子多處于無規(guī)則狀態(tài)或兩種晶粒位向的折中位置上。 相界：具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面。按結(jié)構(gòu)特點，相界面可分為共格、半 共格和非共格相界三種類型。金屬的結(jié)晶：金屬凝固時

6、，通常是由原子不規(guī)則排列的液體向規(guī)則排列的晶體轉(zhuǎn) 變的過程，稱為金屬的結(jié)晶。結(jié)晶的必要條件：過冷；結(jié)構(gòu)起伏。晶核的形成有兩種方式：均勻形核和非均勻形核。均勻形核是靠自身的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏等條件在均勻的母相中無擇優(yōu)位置，任意地形成核心。這種晶核由母相中的一些原子團直接形成，不受其它外界影響。 非均勻形核是在母相中利用自有的雜質(zhì)、模壁等異質(zhì)作為基底，擇優(yōu)形核。這種 晶核受雜質(zhì)等外界影響。G QGQ形核率是單位時間內(nèi)單位體積液態(tài)金屬中形成的晶核數(shù)。N Ke RTe RT= K N1 N2 晶核長大機制：垂直長大機制，二維長大機制，晶體缺陷長大機制。金屬鑄錠組織：表層細晶粒區(qū)，柱狀晶粒區(qū)，中心等軸狀

7、晶粒區(qū)。表層細晶粒區(qū)形成機理：由于金屬液注入鑄模后，由于壁模溫度較低，表層金屬 液受到模壁的強烈過冷，形成大量晶核所致。特點：晶粒十分細小，組織致密，機械性能很好。但由于細晶區(qū)的厚度一般都很薄， 有的只有幾個毫米厚，所以沒 有多大的實際意義柱狀晶粒區(qū)形成機理：細晶區(qū)形成的同時，模壁溫度升高，金屬殼與模形成間隙， 金屬液冷卻減慢，減少結(jié)晶前沿過冷度，這是，沿垂直于模壁方向散熱最快，晶 體沿散熱相反方向擇優(yōu)生長就形成柱狀晶粒區(qū)。 特點：晶粒相互平行，組織致密， 缺陷少，柱晶交界處含有雜質(zhì)；性能出現(xiàn)了方向性，在柱狀晶交界處產(chǎn)生 脆弱 面，裂紋易于擴展中心等軸狀晶粒區(qū)形成機理：隨柱狀晶的發(fā)展，經(jīng)過散熱

8、，鑄錠中心部分的液態(tài) 金屬的溫度已比較均勻，全部降至熔點以下，再加上液態(tài)金屬中的雜質(zhì)等因素的 作用，滿足形核時對過冷度的要求，于是在整個剩余液體中同時形核。由于此時 的散熱已經(jīng)失去了方向性，晶核在液體中可以自由生長，在各個方向上的長大速 度差不多相等，于是就長成了等軸晶。當它們長到與柱狀晶相遇，全部液體凝固 完畢后，就形成了明顯的中心等軸晶區(qū)。 特點：各個晶粒在長大時彼此交叉，枝 杈間的搭接牢固。裂紋不易擴展。另外，等軸晶區(qū)不存在明顯的脆弱界面，各晶 粒的取向各不相同，其性能也沒有方向性。這是等軸晶區(qū)的有點。但其缺點是等 軸晶的樹枝狀晶比較發(fā)達，分枝較多，因此組織不夠致密，但對性能的影響不大。

9、 因此，一般的鑄錠，尤其是鑄件，都要求得到發(fā)達的等軸晶組織。金屬鑄錠中的缺陷：縮孔、疏松、氣孔及夾雜物。合金：由兩種或兩種以上的元素（至少一種金屬元素）經(jīng)熔煉、燒結(jié)等組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金最基本的、獨立的物質(zhì)合金系：由給定的組元可以以不同的比例配制成一系列成分不同的合金。 相和相結(jié)構(gòu)：合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并以界面相互分開的組成部分 固溶體：異類原子能夠以不同比例混合，晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同。 金屬化合物：異類原子有固定的比例，晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的組元均不相同。 影響置換固溶體溶解度因素；晶體結(jié)構(gòu)因素，原子尺寸因素，負電性因素，電子 濃度因素。力學性能的

10、指標：強度、硬度HB、塑性3、韌性ak、斷裂韌度KIC等。 材料力學性能的測試技術(shù)：拉伸試驗；彎曲試驗；硬度試驗；沖擊試驗；斷裂韌性；蠕變；疲勞。 材料強化方法：加工硬化；固溶強化和彌散強化；細晶強化和相變強化.固溶強化的機制是：金屬材料的變形主要是依靠位錯滑移完成的，故凡是可以增大位錯滑移阻力的因素都將使變形抗力增大，從而使材料強化。合金組元溶入 基體金屬的晶格形成固溶體后，不僅使晶格發(fā)生畸變，同時使位錯密度增加?；?變產(chǎn)生的應力場與位錯周圍的彈性應力場交互作用，位錯滑移時必須克服交互作用力，使位錯滑移所需的切應力增大。彌散強化也稱為第二相強化。第二相是通過加入合金元素然后經(jīng)過塑性加工和熱

11、處理形成，也可通過粉末冶金等方法獲得。第二相大都是硬脆、晶體結(jié)構(gòu)復雜、 熔點較高的金屬化合物，有時是與基體相不同的另一種固溶體。第二相的存在一 般都使合金的強度升高細晶強化：靠晶界對位錯滑移的阻礙作用。相變強化：通過相變改變基質(zhì)的相結(jié)構(gòu)，達到強化目的。擴散定義：系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)在（濃度梯度，應力梯度）的推動力下，由于質(zhì)點的熱 運動而導致定向遷移，從宏觀上表現(xiàn)為物質(zhì)的定向輸送。下坡擴散-擴散元素由高濃度向低濃度方向擴散，結(jié)果導致成分均勻。上坡擴散-擴散元素由低濃度向高濃度方向擴散，結(jié)果導致成分偏析或形成第二 相。擴散機制：間隙擴散；空位擴散；換位機制。擴散第二定律 擴散C2c擴散系數(shù)：擴散第二方方

12、程的解-適用于非穩(wěn)定態(tài)dc擴散第一定律：J D空 位面積的擴散物質(zhì)流量odX擴散通量（J）:單位時間內(nèi)通過垂直擴散方向的單 擴散系數(shù)（D）：表示粒子從高濃度向低濃度擴散，即逆濃度梯度方向擴散擴散第一定律的適用條件：恒溫常擴散系數(shù)下的“穩(wěn)定 態(tài)擴散”-在擴散中合金各處的濃度（C）為：詈=032形核時能量的變化： 能，G是r的函數(shù)CT -比表面r Gv 4 r GV-單位體積自由能,2 T臨界晶核半徑為：k 丄 <<< 形核的結(jié)構(gòu)條件L m T臨界晶核的形核功- Gk大?。旱湫徒饘倬w結(jié)構(gòu)小結(jié)2G k =4 n r k ck3k晶體結(jié)構(gòu)類型feebeehep晶胞原子數(shù)426 恵I. VI 1原了半徑r a4r =ar = a配位數(shù)12& (8十6)12, (6+6)致密度0.740.680.74最密排面1111100001最密排方向<