材料科学重要知识点.doc

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晶体结构的基本特征:原子(或分子、离子)在三维空间呈周期性重复排列,即存在长程有序性。
阵点:将晶体中的原子(分子、离子或原子团)抽象为在空间规则排列的几何点,叫做阵点
空间点阵:所有的阵点在三维空间呈周期性的规则排列
晶胞:在空间点阵中取一个最具代表性的基本小单元(最小平行六面体)作为点阵的组成单元。
选取晶胞的原则:Ⅰ)要充分反映整个空间点阵的周期性和对称性;Ⅱ)平行六面体内相等的棱和角的数目应最多;Ⅲ)以上两点的基础上,直角的数目应最多;Ⅳ)在满足上条件,晶胞应具有最小的体积。
7种晶系;立方,四方,六方,三斜,单斜,棱方,正交。
能够反映这7种晶系中空间点阵全部特征的单位平行六面体共有14种类型
晶向;;晶面:。
晶向族:晶向上原子排列规律相同但空间方位不同的晶向属于同一晶向族,具有等同性质的晶向,用<uvw>表示。
判断有无隐藏面的条件
点阵
类型
无隐藏晶面
的条件
有隐藏晶面
的条件
体心立方bcc
h+k+l=偶数
h+k+l=奇数
面心立方fcc
h、k、l全奇
数或全偶数
h、k、l不全奇数或不全偶数
典型金属晶体结构:面心立方结构(fcc或A1);体心立方结构(bcc或A2);密排六方结构(hcp或A3)。
配位数:距任一原子最近邻且等距离的原子个数
致密度:晶体中原子体积占总体积的百分比。
fcc、,为什么却具有两种晶体结构?主要是因为:“密排晶面”不同;“堆垛次序”不同。
缺陷:点缺陷;线缺陷;面缺陷
空位:由于某种原因,原子脱离正常格点,在原来的位置上留下原子空位,或者说空位就是未被占领的原子位置。
肖脱基缺陷:离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面(只形成空位而不形成等量的间隙原子。
弗兰克尔缺陷:离位原子进入晶体间隙(形成等量的间隙原子)。
位错:是一种线缺陷,它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律错排现象;错排区是细长的管状畸变区,长度可达几百至几万个原子间距,宽仅几个原子间距。位错分为刃位错、螺位错和混合位错
刃位错;晶体在大于屈服值的切应力t作用下,以ABCD面为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线,犹如砍入晶体的一把刀的刀刃,
刃型位错的特征:①刃型位错有一个额外的(多余)半原子面。正刃型位错用“⊥”表示,负刃型位错用“┬”表示;其正负只是相对而言。②刃型位错是直线、折线或曲线。它与滑移方向、柏氏矢量垂直。
位错密度柏氏矢量:描述位错
位错的攀移:在垂直于滑移面方向上运动.
攀移的特点:a)刃位错垂直于滑移面运动——非守恒运动。b)属扩散过程——需热激活——高温易出现
交滑移;对于螺型位错,由于所有包含位错线的晶面都可以成为它的滑移面,因此当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时,有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移
攀移与交滑移比较。攀:只能刃位错非守恒运动(原子扩散或外力作用或温度作用)。交:只能螺位错守恒运动(无原子扩散)。
晶界:不同取向的晶粒之间的界面,由于晶界原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向,就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向,成为不同晶粒之间的过渡层,因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折中位置上。
相界:具有不同结构的两相之间的分界面。按结构特点,相界面可分为共格、半共格和非共格相界三种类型。
金属的结晶:金属凝固时,通常是由原子不规则排列的液体向规则排列的晶体转变的过程,称为金属的结晶。
结晶的必要条件:过冷;结构起伏。
晶核的形成有两种方式:均匀形核和非均匀形核。
均匀形核是靠自身的结构起伏和能量起伏等条件在均匀的母相中无择优位置,任意地形成核心。这种晶核由母相中的一些原子团直接形成,不受其它外界影响。
非均匀形核是在母相中利用自有的杂质、模壁等异质作为基底,择优形核。这种晶核受杂质等外界影响。
形核率是单位时间内单位体积液态金属中形成的晶核数。=KN1N2
晶核长大机制:垂直长大机制,二维长大机制,晶体缺陷长大机制。
金属铸锭组织:表层细晶粒区,柱状晶粒区,中心等轴状晶粒区。
表层细晶粒区形成机理:由于金属液注入铸模后,由于壁模温度较低,表层金属液受到模壁的强烈过冷,形成大量晶核所致。特点:晶粒十分细小,组织致密,机械性能很好。但由于细晶区的厚度一般都很薄,有的只有几个毫米厚,所以没有多大的实际意义
柱状晶粒区形成机理:细晶区形成的同时,模壁温度升高,金属壳与模形成间隙,金属液冷却减慢,减少结晶前沿过冷度,这是,沿垂直于模壁方向散热最快,晶体沿散热相反方向择优生长就形成柱状晶粒区。特点:晶粒相互平行,组织致密,缺陷少,柱晶交界处含有杂质;性能出现了方向性,在柱状晶交界处产生脆弱面,裂纹易于扩展
中心等轴状晶粒区形成机理:随柱状晶的发展,经过散热,铸锭中心部分的液态金属的温度已比较均匀,全部降至熔点以下,再加上液态金属中的杂质等因素的作用,满足形核时对过冷度的要求,于是在整个剩余液体中同时形核。由于此时的散热已经失去了方向性,晶核在液体中可以自由生长,在各个方向上的长大速度差不多相等,于是就长成了等轴晶。当它们长到与柱状晶相遇,全部液体凝固完毕后,就形成了明显的中心等轴晶区。特点:各个晶粒在长大时彼此交叉,枝杈间的搭接牢固。裂纹不易扩展。另外,等轴晶区不存在明显的脆弱界面,各晶粒的取向各不相同,其性能也没有方向性。这是等轴晶区的有点。但其缺点是等轴晶的树枝状晶比较发达,分枝较多,因此组织不够致密,但对性能的影响不大。因此,一般的铸锭,尤其是铸件,都要求得到发达的等轴晶组织。
金属铸锭中的缺陷:缩孔、疏松、气孔及夹杂物。
合金:由两种或两种以上的元素(至少一种金属元素)经熔炼、烧结等组合而成的具有金属特性的物质。
组元:组成合金最基本的、独立的物质
合金系:由给定的组元可以以不同的比例配制成一系列成分不同的合金。
相和相结构:合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分
固溶体:异类原子能够以不同比例混合,晶体结构与组成合金的某一组元相同。
金属化合物:异类原子有固定的比例,晶体结构与组成合金的组元均不相同。
影响置换固溶体溶解度因素;晶体结构因素,原子尺寸因素,负电性因素,电子浓度因素。
力学性能的指标:强度σ、硬度HB、塑性δ、韧性ak、断裂韧度KIC等。
材料力学性能的测试技术:
拉伸试验;弯曲试验;硬度试验;冲击试验;断裂韧性;蠕变;疲劳。
材料强化方法:加工硬化;固溶强化和弥散强化;细晶强化和相变强化.
固溶强化的机制是:金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的,故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大,从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后,不仅使晶格发生畸变,同时使位错密度增加。畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用,位错滑移时必须克服交互作用力,使位错滑移所需的切应力增大。
弥散强化也称为第二相强化。第二相是通过加入合金元素然后经过塑性加工和热处理形成,也可通过粉末冶金等方法获得。第二相大都是硬脆、晶体结构复杂、熔点较高的金属化合物,有时是与基体相不同的另一种固溶体。第二相的存在一般都使合金的强度升高
细晶强化:靠晶界对位错滑移的阻碍作用。
相变强化:通过相变改变基质的相结构,达到强化目的。
扩散定义:系统内部的物质在(浓度梯度,应力梯度)的推动力下,由于质点的热运动而导致定向迁移,从宏观上表现为物质的定向输送。
下坡扩散-扩散元素由高浓度向低浓度方向扩散,结果导致成分均匀。
上坡扩散-扩散元素由低浓度向高浓度方向扩散,结果导致成分偏析或形成第二相。
扩散机制:间隙扩散;空位扩散;换位机制。
扩散第一定律:扩散通量(J):单位时间内通过垂直扩散方向的单位面积的扩散物质流量。扩散系数(D):表示粒子从高浓度向低浓度扩散,:恒温常扩散系数下的“稳定态扩散”-在扩散中合金各处的浓度(C)为:
扩散第二定律扩散系数:扩散第二方方程的解-适用于非稳定态扩散
形核时能量的变化:ΔGV-单位体积自由能,σ-比表面能,ΔG是r的函数。
临界晶核半径为:<<<形核的结构条件
临界晶核的形核功-ΔGk大小:
典型金属晶体结构小结
晶体结构中间隙小结
晶体
结构
八面体间隙
四面体间隙
间隙数/原子数
间隙半径
间隙大小rb/ra
间隙数/原子数
间隙半径
间隙大小rb/ra
fcc
4/4=1


8/4=2


bcc
6/2=3


12/2=6


hcp
6/6=1


12/2=6