材料科学基础重点笔记 下载本文

b 表示晶体滑移的方向和大小。 c 柏氏矢量的守恒性(唯一性):一条位错线具有唯一的柏氏矢量。 d 判断位错的类型。 (3) 柏氏矢量的表示方法

a 表示: b=a/n[uvw] (可以用矢量加法进行运算)。

2221/2

b 求模:/b/=a/n[u+v+w]。

4 位错密度

(1) 表示方法:ρ=K/V ρ=n/A

(2) 晶体强度与位错密度的关系(τ-ρ图)。 (3) 位错观察:浸蚀法、电境法。 5 位错的运动

(1) 位错的易动性。 (2) 位错运动的方式

a 滑移:位错沿着滑移面的移动。 刃型位错的滑移:具有唯一的滑移面 螺型位错的滑移:具有多个滑移面。 位错环的滑移:注重柏氏矢量的应用。

b 攀移:刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。

机制:原子面下端原子的扩散――位错随半原子面的上下移动而上下运动。 分类:正攀移(原子面上移、空位加入)/负攀移(原子面下移、原子加入)。

应力的作用:(半原子面侧)压应力有利于正攀移,拉应力有利于负攀移。

(3) 作用在位错上的力(单位距离上)

滑移:f=τb; 攀移:f=σb。

6 位错的应变能与线张力

(1) 单位长度位错的应变能:W=αGb2。

(α=0.5~1.0, 螺位错取下限,刃位错取上限。) (2) 位错是不平衡的缺陷。

(商增不能抵销应变能的增加。)

2(3) 位错的线张力:T=αGb。

(4) 保持位错弯曲所需的切应力:τ=Gb/2r。 7 位错的应力场及其与其它缺陷的作用

(1) 应力场

螺位错:τ=Gb/2πr。(只有切应力分量。) 刃位错:表达式(式1-9)

晶体中:滑移面以上受压应力,滑移面以下受拉应力。 滑移面:只有切应力。 (2) 位错与位错的交互作用

f=τb ,f=-σb (刃位错)。 同号相互排斥,异号相互吸引。(达到能量最低状态。) (3) 位错与溶质原子的相互作用

间隙原子聚集于位错中心,使体系处于低能态。 柯氏气团:溶质原子在位错线附近偏聚的现象。 (4) 位错与空位的交互作用

导致位错攀移。

8 位错的增殖、塞积与交割

(1) 位错的增殖:F-R源。 (2) 位错的塞积

分布:逐步分散。

位错受力:切应力作用在位错上的力、位错间的排斥力、障碍物的阻力。 (3) 位错的交割

位错交割后结果:按照对方位错柏氏矢量(变化方向和大小)。 割阶:位错交割后的台阶不位于它原来的滑移面上。 扭折:――――――――位于―――――――――。 对性能影响:增加位错长度,产生固定割阶。

9 位错反应

(1) 位错反应:位错的分解与合并。 (2) 反应条件

几何条件:∑b前=∑b后;反应前后位错的柏氏矢量之和相等。

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能量条件:∑b前>∑b后; 反应后位错的总能量小于反应前位错的总能量。

10 实际晶体中的位错

(1)全位错:通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错或单位位错。 (实际晶体中的典型全位错如表1-7所示) (2)不全位错:柏氏矢量小于点阵矢量的位错。 (实际晶体中的典型不全位错如表1-7所示)

(3) 肖克莱和弗兰克不全位错。

肖克莱不全位错的形成:原子运动导致局部错排,错排区与完整晶格区的边界线即为肖克莱不全位错。(结合位错反应理解。可为刃型、螺型或混合型位错。) 弗兰克不全位错的形成:在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成。(只能攀移,不能滑移。)

(4) 堆垛层错与扩展位错

堆垛层错:晶体中原子堆垛次序中出现的层状错排。 扩展位错:一对不全位错及中间夹的层错称之。

三 面缺陷

面缺陷主要包括晶界、相界和表面,它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。 1 晶界

(1) 晶界:两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。 (2) 分类

大角度晶界:晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围 内的原子的混乱排列,可视为一个过渡区。

小角度晶界:晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位错列,又分 为对称倾侧晶界和扭转晶界。

亚晶界:位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。

孪晶界:两块相邻孪晶的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。

2 相界

(1) 相界:相邻两个相之间的界面。 (2) 分类:共格、半共格和非共格相界。 3 表面

(1) 表面吸附:外来原子或气体分子在表面上富集的现象。 (2) 分类

物理吸附:由分子键力引起,无选择性,吸附热小,结合力小。 化学吸附:由化学键力引起,有选择性,吸附热大,结合力大。 4 界面特性

(1) 界面能会引起界面吸附。 (2) 界面上原子扩散速度较快。 (3) 对位错运动有阻碍作用。 (4) 易被氧化和腐蚀。

(5) 原子的混乱排列利于固态相变的形核。

第二章 固体中的相结构

合金与相

1 合金

(1)合金:两种或两种以上的金属,或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。

(2)组元:组成合金最基本的物质。(如一元、二元、三元合金〕

(3)合金系:给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。 2 相

(1)相:材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。(如单相、两相、多相合金。)

(2)相的分类

固溶体:晶体结构与其某一组元相同的相。含溶剂和溶质。

中间相(金属化合物):组成原子有固定比例,其结构与组成组元均不相同的相。

按溶质原子位置不同,可分为置换固溶体和间隙固溶体。 按固溶度不同,可分为有限固溶体和无限固溶体。

按溶质原子分布不同,可分为无序固溶体和有序固溶体。

1 置换固溶体

(1) 置换固溶体:溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。 (2) 影响置换固溶体溶解度的因素

a 原子尺寸因素

原子尺寸差越小,越易形成置换固溶体,且溶解度越大。 △r=(rA-rB)/rA

当△r<15%时,有利于大量互溶。 b 晶体结构因素

结构相同,溶解度大,有可能形成无限固溶体。 c 电负性因素

电负性差越小,越易形成固溶体,溶解度越大。 d 电子浓度因素

电子浓度e/a越大,溶解度越小。e/a有一极限值,与溶剂晶体结构有关。一价面心立方金属为1.36,一价体心立方金属为1.48。

(上述四个因素并非相互独立,其统一的理论的是金属与合金的电子理论。)

2 间隙固溶体

(1) 影响因素:原子半径和溶剂结构。

(2) 溶解度:一般都很小,只能形成有限固溶体。 3 固溶体的结构

(1) 晶格畸变。

(2) 偏聚与有序:完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。 4 固溶体的性能

固溶体的强度和硬度高于纯组元,塑性则较低。

(1) 固溶强化:由于溶质原子的溶入而引起的强化效应。 (2) 柯氏气团 (3) 有序强化

第二节 金属间化合物

中间相是由金属与金属,或金属与类金属元素之间形成的化合物,也称为金属间化合物。

1 正常价化合物

(1) 形成:电负性差起主要作用,符合原子价规则。

(2) 键型:随电负性差的减小,分别形成离子键、共价键、金属键。 (3) 组成:AB或AB2。 2 电子化合物(电子相)

(1)形成:电子浓度起主要作用,不符合原子价规则。 (2)键型:金属键(金属-金属)。

(3)组成:电子浓度对应晶体结构,可用化学式表示,可形成以化合物为基的固溶体。 3 间隙化合物

(1) 形成:尺寸因素起主要作用。 (2) 结构

简单间隙化合物(间隙相):金属原子呈现新结构,非金属原子位于其间隙,结构简单。

复杂间隙化合物:主要是铁、钴、铬、锰的化合物,结构复杂。

(3)组成:可用化学式表示,可形成固溶体,复杂间隙化合物的金属元素可被置换。 4 拓扑密堆相

(1) 形成:由大小原子的适当配合而形成的高密排结构。

第一节 固溶体

(2) 组成:AB2。 5 金属化合物的特性

(1) 力学性能:高硬度、高硬度、低塑性。

(2) 物化性能:具有电学、磁学、声学性质等,可用于半导体材料、形状记忆材料、

储氢材料等。

第三节 陶瓷晶体相

1 陶瓷材料简介

(1)分类:结构陶瓷(利用其力学性能):强度(叶片、活塞)、韧性(切削刀具)、硬度(研磨材料)。

功能陶瓷(利用其物理性能)

精细功能陶瓷:导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等。 功能转换陶瓷:压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等。

结合键:离子键、共价键。

硅酸盐陶瓷:主要是离子键结合,含一定比例的共价键。可用分子式表示 其组成。 2 硅酸盐陶瓷的结构特点与分类

(1) 结构特点

a 结合键与结构:主要是离子键结合,含一定比例的共价键。硅位于氧四面体的间隙。

b 每个氧最多被两个多面体共有。氧在两个四面体之间充当桥梁作用,称为氧桥。 (2) 结构分类

a 含有限Si-O团的硅酸盐,包括含孤立Si-O团和含成对或环状Si-O团两类。 b 链状硅酸盐:Si-O团共顶连接成一维结构,又含单链和双链两类。 c 层状硅酸盐:Si-O团底面共顶连接成二维结构。 d 骨架状硅酸盐:Si-O团共顶连接成三维结构。

第四节 分子相

1 基本概念

(1)高分子化合物:由一种或多种化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物。又称聚合物或高聚物。

(2)分类

按相对分子质量:分为低分子聚合物(<5000)和高分子聚合物(>5000)。 按组成物质:分为有机聚合物和无机聚合物。 2 化学组成

(以氯乙烯聚合成聚氯乙烯为例)

(1) 单体:组成高分子化合物的低分子化合物。 (2) 链节:组成大分子的结构单元。

(3) 聚合度n:大分子链中链节的重复次数。 3 高分子化合物的合成

(1) 加聚反应

a 概念:由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。(其产物为聚合物) b 组成:与单体相同。反应过程中没有副产物。 c 分类

均聚反应:由一种单体参与的加聚反应。

共聚反应:由两种或两种以上单体参与的加聚反应。 (2) 缩聚反应

a 概念:由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物,同时析出某种低分子化合物的反应。 b 分类

均缩聚反应:由一种单体参加的缩聚反应。

共缩聚反应:由两种或两种以上单体参加的缩聚反应。

4 高分子化合物的分类

(1) 按性能与用途:塑料、橡胶、纤维、胶黏剂、涂料等。