材料科学基础复习资料.docx

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1、材料科学基础复习资料1.化学位与相平衡条件：化学位：偏摩尔吉布斯自由能。用 m表示。化学位的确定：在自由能成分曲线上，过成分点的切线与两纵轴的交点。相平衡的条件：两组元在各相中的化学位分别相等。 mAa = m bA= 在自由能成分曲线上，表现为各曲线间有公切线。 2.固溶体合金的平衡结晶与纯金属结晶的比较：相同点：基本过程：形核长大；热力学条件：T0；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。 不同点：合金在一个温度范围内结晶合金结晶是选分结晶：需成分起伏。 3 固溶体的不平衡结晶：原因:冷速快(假设液相成分均匀、固相成分不均匀)。结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化；结晶的温度范围增大；组

2、织多为树枝状。成分偏析：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。 4.成分过冷及其对晶体生长形态的影响：成分过冷：由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷。形成：界面溶质浓度从高到低液相线温度从低到高。成分过冷形成的条件和影响因素：条件：G/RmC0(1-k0)/Dk0；合金固有参数：m(液相线斜率), k0; 实验可控参数：G(温度梯度), R(凝固速度)。成分过冷对生长形态的影响：G越小，成分过冷越大生长形态：平面状胞状树枝状。 5.成分过冷与固溶体的组织：热温过冷：液体过冷度完全取决于液体中实际温度的分布。纯金属结晶时的过冷。成分过冷：由

3、于结晶过程中液相成分变化而导致熔点变化，从而形成的过冷。合金结晶时存在，由液体中的成分变化及液体中的实际温度分布共同决定。3 成分过冷对固溶体生长形态及组织的影响，G越小，成分过冷越大生长形态：平面状胞状树枝状。 6.共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固，相的转变。 7.共晶组织及其形成机理：共晶组织的基本特征是两相交替排列，但两相的形态却是 - 1 - 多种多样。层片状、针状、螺旋状等。 8.共晶系合金的非平衡凝固和组织：伪共晶：共晶成分附近的非共晶合金所得到的完全共晶组织。 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。 形成原因：位于共晶点附近的合金成分进行不平衡结晶。伪

4、共晶区具有不同的形状。离异共晶：成分位于共晶线上两端点附近的合金形成的两相分离的共晶组织。 离异共晶：成分位于共晶线上两端点附近的合金得到的两相分离的共晶组织。 形成原因：初晶的量很多，共晶体的量很少，共晶体中的相依附在初晶上生长，在晶界析出。 消除：扩散退火。 9.包晶转变：由已结晶出来的一定成分的固相和剩余液相反应生成另一个一定成分固相的转变。包晶相图：具有包晶转变特征的相图。特点：液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生包晶反应。包晶组织：包晶转变产物。 10.共价键的特性：1）饱和性：两个相邻原子间只能共用一对电子）。2）方向性：在共价晶体中，原子以一定的角度相邻接，各键之间有确定

5、的方位。 共价键材料的特性：共价键的结合力很大，所以共价键材料具有强度高、硬度大、熔点高、脆性大、结构稳定等特点。 导电性差：为使电子运动产生电流，必须破坏共价键，需加高温、高压，因此共价键材料具有很好的绝缘性。金刚石中碳原子间的共价键非常牢固，金刚石是世界上最坚硬的固体。 11.离子键材料的特性：1）一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合力很大。因此离子晶体的强度高、硬度大、熔点高、热膨胀系数小、脆性大 。2）在离子晶体中很难产生可以自由运动的电子，因此，离子晶体都是良好的绝缘体。 12.金属材料的各种特征：良好延展性：当金属受力变形，原子之间的相互位置发生改变时，金属正离子始终被包围在电

6、子云中，金属键不被破坏。良好的导电性：在电场作用下，自由电子沿电场方向作定向运动，形成电流。良好的导热性：在热的作用下，正离子震荡加剧并传递热量。金属不透明：金属中的自由电子可以吸收可见光的能量，被激发、跃迁到较高能级。金属光泽：当电子跳回到原来能级时，将所吸收的能量重新辐射出来。 13.晶体材料的共同特点是：1）结构有序，物理性质表现为各向异性；2）具有固定的熔点；3）晶体的排列状态是由构成原子或分子的几何学形状和键的 - 2 - 形式决定的。非晶体材料的共同特点是：1）结构无序，物理性质表现为各向同性；2）无固定熔点。 14.晶向指数与晶面指数 之间的关系：1）指数相同的晶向和晶面垂直；2

7、）当晶向指数点缺陷 ： 在三维空间各方向上尺寸都很小的 缺陷，相当于原子数量级。如：空位、间隙原子、置换原子等。 点缺陷的形成：晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心作热运动。晶体中存在能量起伏，使得某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结点，称空位。空位是一种热平衡缺陷。 温度越高，空位浓度越大。点阵畸变：点缺陷的存在，使得周围原子相互之间的作用力失去平衡，为了达到新的平衡，原子需要重新调整其平衡位置，从而使点阵产生弹性畸变，即点阵畸变，又称晶格畸变。点缺陷周围原子偏离了其平衡位置，形成弹性应力场。 形成点缺陷后

8、，晶体的内能升高，增加的能量称为点缺陷形成能。点缺陷的类型：空位：肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。 点缺陷对晶体性能的影响：结构变化：晶格畸变。性能变化：物理性能 。力学性能。增大扩散系数。 点阵畸变：点缺陷的存在，使得周围原子相互之间的作用力失去平衡，为了达到新的平衡，原子需要重新调整其平衡位置，从而使点阵产生弹性畸变，即点阵畸变，又称晶格畸变。点缺陷周围原子偏离了其平衡位置，形成弹性应

9、力场。 形成点缺陷后，晶体的内能升高，增加的能量称为点缺陷形成能。 线缺陷： 在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很大的缺陷，主要指位错。位错主要有两种模型 ：一种为刃型位错，一种为螺型位错。位错对材料的塑性变形、强度、断裂等力学性能起着决定性的作用。同时，位错对扩散、相变等过程也有较大的影响。1）刃型位错:在位错线周围一个有限区域内，原子离开了其平衡位 - 3 - 置，即产生了点阵畸变。点阵畸变区出现弹性应力场。点阵畸变在多余半原子面两侧左右对称。在含有半原子面部分，晶体受压应力；在不含半原子面部分，晶体受拉应力。螺型位错:模型：1）无多余半原子面；2）位错线/晶体滑移方向。分类：左螺

10、型位错；右螺型位错。 全位错：柏氏矢量的模等于该晶向上原子间距的整数倍的位错称为全位错。单位位错：柏氏矢量的模等于该晶向上原子间距的位错称为单位位错。不全位错：柏氏矢量的模小于该晶向上原子间距的位错称为不全位错。 位错的性质：1）是已滑移区和未滑移区的边界。2）刃型位错可以是各种形状的曲线，螺型位错只能是一条直线。3）位错线不能在晶体内部中断。在晶体内，位借可以自成闭合的位错环，或者和其他位错相连接，或者穿过晶体终止在晶界或晶体表面。位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移作用在位错上的力F的特征：1）F力的方向始终垂直于位错线，并指向滑移面上的未滑移区；2）刃型位错上的力F与切应力的方向一致，螺

11、型位错上的力F与切应力的方向垂直；3）F力不是切应力的分力，是位错附近原子实际受到的力，F 只是作用在位错这种特殊组态上的假想力。4）任意形状的位错线，各点处所受外力F始终等于b，且力F的方向始终垂直于该点处的位错线。位错攀移以后，晶体的体积一般会发生变化，把这类位错运动称为非守恒运动；而位错滑移以后，晶体的体积不会发生变化，把这类位错运动称为守恒运动。 位错的增殖、塞积与交割:位错的交割:晶体中位错线的方位各式各样，不同滑移面上运动的位错在运动中相遇就有可能发生位错互相切割现象，称之为位错的交割位错的交割的结果在原来是直的位错线上形成一段一个或几个原子间距大小的折线，使原来的位错线变长，能量

12、增加，因此交割过程对位错运动具有阻碍作用，使变形过程中产生应变硬化。 以面心立方为例：在面心立方晶体中有两种类型的不全位错：肖克莱不全位错和弗兰克不全位错。肖克莱不全位错：通过滑移形成弗兰克不全位错：在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成。. 面缺陷： 在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很大的缺陷。晶体的面缺陷包括晶体的外表面和晶体的内界面。面缺陷对金属的物理性能、化学性能和力学性能都有着重要影响。 - 4 - 晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面.将两个相邻晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸后，再经过微小的调整后，其中一些阵点将出现有规律的相互重合。由这些重合阵点构成的新点阵

13、称为“重合位置点阵”。重合位置的原子占晶体原子的比例称为重合位置密度。界面处包含的重合位置密度越高，两晶粒在界面上的配合越好，界面能越低。 界面特性:界面能会引起界面吸附。界面上原子扩散速度较快。对位错运动有阻碍作用。易被氧化和腐蚀。 原子的混乱排列利于固态相变的形核。 16.过冷现象过冷：金属的实际开始结晶温度Tn总是低于理论结晶温度Tm的现象。过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际温度之差。T=Tm-Tn .过冷是结晶的必要条件 (结晶过程总是在一定的过冷度下进行),改变过冷度可以控制铸件晶粒的大小。影响过冷度的因素：金属的纯度越高，过冷度越大。冷却速度越快，过冷度越大。 17.

14、冷却曲线的几个特点：1.冷却曲线上出现温度回升现象.在实际开始结晶温度，大量晶核形成释放的结晶潜热多于金属向外界散失的热量，导致出现温度的回升。2. 在纯金属的冷却曲线上出现“平台”.液态金属在结晶过程中释放的结晶潜热与金属向外界散失的热量达到平衡。3.“平台”的温度与熔点的关系.“ 平台”的温度低于熔点。冷却速度越慢，“ 平台”的温度越接近理论结晶温度。 18.晶胚的形成受到两个力的作用：结晶的驱动力：在过冷条件下，固相的自由能低于液相的自由能。当过冷液体中出现晶胚时，原子由液态转变为固态，使系统自由能降低；结晶的阻力：由于晶胚构成新的表面，形成表面能，使系统的自由能升高 。晶胚形成时总的自

15、由能变化决定着晶胚能否长大。 19.影响非均匀形核的因素:a 过冷度：与均匀形核相同，提高冷却速度可增加形核率。b 外来物质表面结构：越小越有利。点阵匹配原理：结构相似， 点阵常数相近。c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。d 物理方法：振动 20.晶核长大的条件.动态过冷度：晶核长大所需的过冷度. 21.晶体长大机制:粗糙界面：垂直长大。光滑界面：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。 几种晶体长大机制的比较:1.垂直长大是一种连续长大方式，长大速度快；需要过冷度小。但由于只能在台阶侧面生长，长大速度也较慢；需在较大的过冷度下进行。 22.晶体的长大形态:a.固-液前沿液相中的温度梯度:正温度梯度;负温度梯度.b.平面状长大形态.粗糙界面：平面状。光滑界面：台阶状。C.树枝状长大形态.粗糙界面：树枝状。光滑界面： 较小时，呈树枝状多面体台阶状。 很大时，规则形状。 - 6 -