材料科学基础(总结)

第一部分材料结构的基本知识离子键由原子通过相互得失价电子形成正、负离子，正、负离子的相互吸引而形成的键。共价键通过相邻原子间形成共用电子的方式使每个原子的最外层电子数都达到稳定的八个，其形成的键为共价键。金属键金属很容易失去最外层的价电子而形成正离子和自由电子，当许多金属结合时，失去价电子的金属正离子常在空间整齐排列，而自由电子则在正离子之间自由运动，依靠这种方式结合起来的键称金属键。晶体其基本粒子（原子、分子、原子团等）在三维空间内周期性地重复排列的材料。具有各向异性。可分为金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体四种结晶由液体转变为晶体的过程。有体积的突变。通过形核和长大两个过程实现。凝固由液体转变为非晶体的过程。无体积的突变。单晶体由一个晶核生长而形成的晶体称为单晶体。多晶体由许多个晶核同时生长而形成的许多个微小单晶体组成的。单晶体具有各向异性而多晶体具有伪各向同性。第二部分材料中的晶体结构晶胞构成晶格的最基本单元称为晶胞。简单晶胞只在晶胞的角顶上有阵点，而每个角顶上的阵点又分属八个简单晶胞。每个晶胞中只含一个阵点。又称初级晶胞。复合晶胞。除晶胞的角顶外，在其体心、面心或底心等位置上也有阵点，晶胞含有一个以上的阵点。晶胞的选取原则及表示方法。①充分反映整个空间点阵的对称性；②在满足①的基础上，晶胞要有尽可能多的直角；③在满足①、②的基础上，所选取的晶胞体积要小。表示方法。以晶胞一角为原点，以晶胞三个棱为轴（六方晶胞除外），建立坐标系。用三个棱边的长度a，b，c(点阵常数)及其夹角α，β，γ共六个参数来描述晶胞及整个点阵面向立方结构与密排六方结构的异同性比较:同配位数与致密度相同;密排面上原子排列相同;八面体间隙和四面体间隙几何特点一致。异堆垛方式：‘A-B-C-A……’的堆垛方式形成面心立方结构！‘A-B-A-B……’的堆垛方式形成密排六方结构！面心立方γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag、Au、Pt、Mn体心立方α-Fe、V、Nb、Mo、Cr、W密排六方Mg、Zn、Be、α-Ti、α-Co鲍林关于离子晶体结构的三大规则：1、鲍林第一规则离子晶体中，正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子之间的平衡距离取决于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子半径之比。2、鲍林第二规则---电价规则鲍林第二规则回答了负离子配位多面体的顶点上的负离子的共有关系问题。即该负离子连接的负离子配位多面体的数量。3、鲍林第三规则：在一配位结构中，负离子配位多面体之间共用棱特别是共用面的存在，会使这个结构的稳定性降低。对于电价高、配位数低的正离子来说，这个效应尤为显著。即负离子配位多面体之间尽可能采用顶点的连接，然后是棱的连接，最后是面的连接。第三部分晶体缺陷1、点缺陷的平衡特性。①点缺陷在晶体中必然会存在。在一定的温度条件下，晶体中存在一定浓度的点缺陷以使其处于最低的能量状态，使结构最稳定。②在一定温度下并非所有的原子都能离开衡位置形成缺陷，只有比原子的平均能量高出缺陷形成能μ的那部分原子才能形成点缺陷。③温度升高，则晶体中原子的热运动加剧，点缺陷浓度增大位错滑移①位错滑移的滑移面为位错线与柏氏矢量所决定的平面，对刃型位错而言是唯一的，而对螺型位错来说却不是唯一的。②不论刃位错或螺位错，使位错滑移的切应力方向与位错的柏氏矢量方向必须一致。③位错的滑移必须在某一滑移面上切应力达到某一临界值后才能发生。④位错滑移时其位错线实际运动方向为位错线的法线方向，位错通过后晶体所产生的滑移方向与柏氏矢量方向相同。攀移1）位错的攀移存在正攀移（原子离开半原子面）和负攀移两种情况。（2）位错的攀移受应力和温度的影响3）只有刃型位错才能进行攀移，螺型位错不能攀移。4）位错的攀移比滑移困难得多，因此位错的主要运动形式为滑移。（5）位错攀移时常常形成许多割阶。2、小角度晶界的本质。①小角度晶界的位向差θ小于10度。均由位错组成，晶界上位错密度随位相差的增大而增大。②对称倾侧晶界的结构模型：晶界由位错按一定的距离对称均匀的排列而构成，为最简单的小角度晶界模型。位错的间距D与晶界角度θ有下列关系：D=b/θ第四部分纯金属的结晶均匀形核晶体结晶时，晶核的形成不借助于任何的外界帮助、而仅靠液态金属内部存在的结构和能量及成分起伏来完成非均匀形核液体形核时，依靠存在于液体金属中的各种固体颗粒或依附于母相中某些界面上的形核过程液态金属的结构特点：“长程无序、短程有序、此起彼伏、时聚时散”液态金属中存在着浓度、结构和能量三大起伏粗糙（光滑）型界面晶体的生长固/液界面上所有位置对于由液体向固体转移的原子都是等效的，长大过程为：通过液相原子向界面上所有位置同时转移的方式进行，使整个界面沿其法线方向向液相中移动。固/液界面平面推进，垂直生长光滑型界面晶体液/固界面基本为完整的平面，单个原子的附着会提高能量，增加表面积。其生长方式为：首先在有台阶的地方原子不断添加到台阶上，从而使晶核不断长大；在无台阶时，则首先在平整的界面上形成二维晶核，随后原子在二维晶核的侧面台阶处添加不断扩展直至覆盖整个界面，然后再形成二维台阶，如此往复。减小晶粒尺寸的方法：①增加环境冷却能力，控制过冷度。②化学变质法。③增强液体流动。④外加振动。第五部分二元合金的相结构与结晶用热分析法建立二元相图：①选择典型成分的合金②作出所选合金的冷却曲线；③根据冷却曲线确定相变关键点的温度；④在“成分—温度”图上确定相应点的位置；⑤将同类型点的连接成线，构成相应的区域。相图与性能的关系：1、使用性能使用性能包括力学性能、物理性能、化学性能等。2、工艺性能工艺性能包括铸造性能、焊接性能、热处理性能、压力加工性能、切削加工性能等。第六部分铁碳合金含碳量对铁碳合金平衡组织、力学性能的影响规律。（1）随着碳含量的逐渐增高，其相应的组织变化（1）随着合金中碳含量的增加，硬度几乎呈直线增加。（2）随着合金中碳含量的增加，强度先增加而后下降，在共析成分附近达到最大值。（3）随着合金中碳含量的增加，塑性、韧性下降。第八部分材料的变形和断裂再结晶：加工硬化的金属加热至某一临界温度以上，通过在畸变的加工硬化基体上重新形成新的、等轴状的、无畸变的晶核并长大，直至加工硬化基体完全消失，金属由等轴状的、无畸变的晶粒所构成，而性能也恢复到加工硬化前的状态的过程。滑移变形与孪晶变形的比较滑移和孪生是金属在常温下发生塑性变形的两种主要方式，但滑移比孪生更常见。滑移是在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分在一特定的晶面（滑移面）上沿特定的方向（滑移方向）所进行的相对滑动.晶体滑移时，滑动的晶体中所有质点的移动距离相同。孪生是晶体在切应力作用下，沿一定的晶面（孪晶面）和晶向（孪生方向），在一个区域内发生连续顺序的切变，孪生时孪生区中质点移动的距离并不相等。晶体进行交滑移的过程指螺型位错在两个相交的滑移面上的滑移。如图8-15所示，由于螺位错的滑移面可在与位错线相平行的无数个平面上进行，当螺位错在A面上的滑移受阻后转移到B面上进行滑移，其后又重新回到A面上进行滑移，这样的滑移称为交滑移。发生交滑移后，其滑移线呈波纹状。双交滑移进行位错增殖的机制对高层错能的面心立方和体心立方金属，变形时位错的增殖主要靠双交滑移。图8-21，在（110）面上有一位错环，环段S表示螺位错，环段E表示刃位错。如螺位错CD线段遇到某种阻碍可交滑移到（101）面上，滑过一段距离后又交滑移回到（110）平面，在新的（110）面上又扩展为位错环。在（101）面上的两段位错线都为刃型位错，只能在（101）面上滑动，这样，在两个平行的（110）面上可形成两个F-R源，两个F-R源通过两段刃型位错相连接。若这一过程在一系列平行的（110）面上重复进行，则可形成许多F-R位错源，使位错密度迅速增殖。金属热变形及对组织与性能的影响铸态下的粗大柱状晶和等轴晶破坏，重新再结晶形成细小的等轴晶粒；减小显微偏析，使铸锭内原有的内部气孔（未被氧化）和疏松等焊合，均化成分，减少缺陷；第二相和夹杂物沿流变方向分布，出现热纤维组织，使金属产生各向异性。第九部分扩散扩散一定温度下，材料中原子在晶格的平衡位置作热运动，有些原子能量较高可以脱离周围原子的束缚而又原来的平衡位置转移到另一平衡位置，这种原子的迁移的微观过程及由大量原子迁移此而引起的物质的宏观流动称为扩散。第十部分金属材料的热处理原理固态相变的主要特点、基本类型。①相变阻力大②新旧相之间往往存在一定的晶体学位向关系③新相往往优先在旧相(母相)的缺陷处形成.扩散性相变；非扩散性相变；半扩散性相变片状珠光体加热向奥氏体转变的基本过程：铁由体心立方向面心立方的晶体结构的转变；复杂斜方结构的渗碳体分解；碳溶入到奥氏体中；碳在奥氏体中扩散均匀化。片状珠光体和粒状珠光体的性能特点：片状珠光体：钢缓慢冷却时发生共析转变形成的铁素体与渗碳体的机械混合物，由一层铁素体与一层渗碳体交替紧密堆叠而成的珠光体。片状珠光体中，一对铁素体和渗碳体的总厚度称为珠光体片间距。粒状珠光体：以铁素体为基体，其上分部有粒状的渗碳体。一般由片状珠光体经退回而形成。可进一步分为粗粒状珠光体、粒状珠光体和细粒状珠光体及点状珠光体。合金元素对奥氏体→珠光体转变的影响：当合金元素溶入奥氏体中，除Co外，所有常用合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性，使珠光体（先共析铁素体）转变曲线鼻子右移，推迟珠光体转变，降低转变速度。除Ni外，所有常用合金元素均使珠光体（先共析铁素体）转变曲线鼻子右移向高温区移动。马氏体转变的主要特点：（1）表面浮凸与切变共格（2）马氏体转变的无扩散性（3）马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面（4）马氏体转变是在一温度范围内完成的板条马氏体、片状马氏体的显微组织形态、亚结构、性能：板条马氏体：在金相显微镜下由许多成群的板条组成。由于某些钢种板条不易侵蚀出来而呈现为块状，又称为块状马氏体。板条马氏体是低碳钢的典型马氏体组织，又称为低碳马氏体。板条状马氏体的亚结构主要为位错，又称为位错型马氏体。片状马氏体：在金相显微镜下呈针状或竹叶状，常见明显的中脊，又称针状马氏体和竹叶状马氏体。其空间形态呈双凸透镜片状，又称为透镜片状马氏体。是高碳钢中典型的马氏体组织，又称为高碳马氏体片状马氏体的亚结构主要为孪晶，又称为孪晶型马氏体。片状马氏体的惯习面是奥氏体的（225）面或（259）面。片状马氏体与母相的位向关系是K-S关系或西山关系。上贝氏体、下贝氏体的显微组织形态、亚结构、性能：上贝氏体是在贝氏体形成温度区域的高温部分形成。又称高温贝氏体。用B上表示。金相显微镜下上贝氏体呈羽毛状。上贝氏体中成束且大致平行的铁素体板条自奥氏体晶界的一侧或两侧向奥氏体晶粒内生长，而渗碳体呈粒状或链珠状或短杆状分布于铁素体板条之间。下贝氏体形成温度比上贝氏体低，又称低温贝氏体，以B下表示，在金相显微镜下下贝氏体呈针状，其空间形状为透镜片状在电子显微镜下，每片下贝氏体实际是由一片状铁素体和铁素体中呈颗粒状排列成行的碳化物组成。碳化物行以55°-60°的角度与铁素体针的长轴相交。上贝氏体形成时往往产生大致平行的表面浮凸。下贝氏体也会产生表面浮凸，往往呈“V”形。贝氏体转变过程是马氏体转变和碳原子扩散的综合过程。过冷奥氏体等温转变及其影响因素：过冷奥氏体分解的一种方式。将奥氏体迅速冷到A1以下某一温度并保持，过冷奥氏体在该温度下发生的转变（分解）。合金元素除Co外，常用合金元素都增加过冷奥氏体的稳定性，推迟转变和降低转变速度，使C曲线右移，延长过冷奥氏体开始和终了转变时间。非（弱）碳化物形成元素，其影响与碳的影响相似，减慢珠光体和贝氏体的形成，降低Ms点。碳化物形成元素，减慢珠光体的作用大于减慢贝氏体的形成作用，同时降低Ms点。奥氏体晶粒越大则对珠光体转变推迟作用越大，对贝氏体转变的影响则相对较小。原始组织、加热温度和保温时间①在相同的加热条件下，原始组织越细，越易得到均匀的奥氏体，等温转变的C曲线右移，Ms点降低。原始组织相同，提高奥氏体化温度或延长保温时间，将促使碳化物溶解、奥氏体成分均匀，等温转变的C曲线右移，