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1、材料科学与工程（ MSE ）四要素,贯穿全课程的“纲”,第二章 工程材料的结构与性能控制,对材料内部结构的认识水平：宏观、微观。 广义的讲，它括了成分、相、组织、结构等概念,材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。,What? “组织结构”,相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。 组织：用肉眼或显微镜的观察到的材料的微观形貌，它可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大小和分布方式的多种相组成。,2.1 材料的结构(crystallography),一、理想晶体,1晶体与非晶体,晶体材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。 非
2、晶体材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。,(a)、是否具有周期性、对称性 (b)、是否长程有序 (c)、是否有确定的熔点 (d)、是否各向异性,区 别,2晶体结构的描述,.理想晶体实际晶体的理想化 三维空间无限延续，无边界 严格按周期性规划排列。是完整的、无缺陷 原子在其平衡位置静止不动,晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。,空间规则排列的原子刚球模型晶格(crystal lattice)（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶胞( unit cell )（具有周期性最小组成单元，or能完全反映晶格特征的最小几何单元)。,. 理想晶体的
3、晶体学抽象,3晶胞的描述,晶体学参数：a,b,c, 晶格常数：a,b,c 七个晶系：,晶格常数 ( lattice constant ),布拉菲空间点阵晶胞,晶向(crystal direction): 在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。,晶向指数: 用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。,确定方法: 设置坐标; 求投影坐标; 取最小整数。,晶面(crystal face): 在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。,晶面指数(indices of crystallographic plane): 用密勒(Miller)指数对晶格中 某一晶面进行标定。,
4、确定方法: 设置坐标; 求截距; 取倒数。,4三种典型的金属晶体晶胞(图),属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等,属于此类结构的金属的有：Al、贵重金属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。,属于此类结构的金属有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。,体心立方晶胞bcc,面心立方晶胞fcc,密排六方晶胞hcp,1、体心立方晶胞BCC Body-Centered Cube,2、面心立方晶胞FCC Face-Centered Cube,3、密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed,B
5、CC、FCC、HCP晶胞的重要参数,密排面与密排方向,110, (111) 111,(110) 底面, 底面上任 意相邻原子的连线,二实际晶体,理想晶体+晶体缺陷实际晶体 实际晶体单晶体和多晶体 单晶体：内部晶格位向完全一致各自异性 多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成各自同性,1晶体缺陷( crystal defect ) ： 实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分 。,a、 点缺陷( point defect ) 晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化,空位( vacancy ) ： 晶格结点处无原子 置换原子( gap atom ) ： 晶格结点处为其它原子占据 间
6、隙原子( substitutional atom ) ： 原子占据晶格间隙,间隙原子、置换原子示意图,晶格畸变,置换原子 引起的晶格畸变,空位引起的晶格畸变,B、 线缺陷( line defect ) 位错( dislocation ) ： 二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排,刃型位错( screw dislocation ) 螺型位错 ( blade dislocation ),c、 面缺陷( surface-defect ) 一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域,晶界( grain boundary ) :晶粒与晶粒之间的界面。 亚晶界( sub-boundary ):相邻晶粒位
7、向很小(一般12)的小角度晶界。 表面（surface）等,区域：,Cu-Ni 合金中的亚结构,三、晶体中的扩散(自学、不做重点要求),扩散原子在晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象,1、概念,扩散热激活过程（以克服晶格约束）,2影响扩散的因素：,(1)温度 原子能量提高 （最主要因素） D=Doexp(-Q/RT） Do扩散系数(cm2/s), Q扩散激活能,(2)晶体结构 致密度小克服的能垒小扩散容易,(3)表面及晶体缺陷 晶格畸变高能态原子激活能小（体扩散的0.6-0.7） 扩散快100-1000倍,Do，Q与温度无关，决定于晶体的成分和结构； 温度提高10-15度，D提高一倍。,
8、四、纯金属的结晶及其组织,1结晶与凝固的区别,凝固：LS S可以是非晶 物质由液态转变成固态的过程。 结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程 or物质中的原子由近程有序列向长有序排列的过程。 一次结晶：LS晶态 二次结晶：SS晶态 近程有序 长程有序,纯金属结晶时的冷却曲线,2. 过冷现象与过冷度,过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling ) T = Tm T 过冷是结晶的必要条件。 Why?,结晶驱动力G0,自然界的自发过程进行的热力学条件都是自由能0 体系中各种能量的总和叫做内能，其中
9、可以对外做功或向外释放的能量叫自由能,3结晶热力学,a 当温度TTm时，FsFL, 液相稳定 b 当温度TTm时，FsFL, 固相稳定 c 当温度T=Tm时，Fs=FL, 平衡状态 Tm：理论结晶温度 Tn：实际结晶温度,液、固两相的自由能 随温度变化示意图,过冷度：T=Tm-Tn, F用来克服界面能,实验证明，纯金属液体被冷却到熔点Tm（理论结晶温度）时保温，无论保温多长时间结晶都不会进行，只有当温度明显低于Tm时，结晶才开始。也就是说，金属要在过冷 (Undercooled)的条件下才能结晶。,可见，过冷度越大，结晶的驱动力也就越大；过冷度等于0，Gv也等于0，没有驱动力结晶不能进行。,结
10、论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度,过冷度与冷却曲线,冷速越快，过冷度越大,在恒温、恒压的条件下，单位体积的液体与固体的自由能之差为：,式中，负号表示由液态转变为固态自由能降低；Lm为熔化潜热; T = Tm-T, 称为过冷度(Undercooling)。,4、结晶的过程,结晶动力学,形核 长大,结晶过程,a.形核：自发形核、非自发形核,b.长大：平面长大、树枝状长大,树枝状长大,平面长大,5、晶粒尺寸的控制,（1）晶粒度 单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。 形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。 （2）过冷度对形核一长大的影响,过冷度T提高，N提高、G提
11、高 过冷度 T太高，D降低N降低、G降低,（3）控制晶粒度的因素,提高过冷度 过冷度 T，N，GN/G增大，晶粒细化 变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。 振动，搅拌等,2.2 合金的晶体结构和组织,一、合金相结构,相： 凡是化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。 合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。,1、固溶体 组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂 B：溶质,固溶体的分类,固溶强化 由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有
12、明显降低。,溶质原子溶入晶格畸变位错远动阻力上升金属塑性变形困难强度、硬度升高。,2、金属间化合物 金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。 熔点、硬度高、脆性大。 机械混合物 单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆 机械混合物不是一种单一相,二、合金相图概述,1、相图： 描述平衡条件下，相和相变与温度、成份、压力之间的关系图称为相图平衡图。,2、相图的建立,：纯铜 ：75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：纯Ni,三、二元合金相图（重点）,1、匀晶相图 两组元在液态无限互溶，在固
13、态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变的合金系匀晶相图（L），Cu-Ni，Fe-Cr,Au-Ag,（1）相图分析 点：凝固点 线：液相线 固相线 区：L L+ （2）匀晶转变的结晶过程：LL+a a,(3)匀晶转变的特点 a.形核、长大 ，树枝状长大 b.变温过程 c.两相区内，温度一定，两相成分确定 d.两相区内，温度一定，两相相对量一定,QL% ab = Qa % bc,杠杆定律,证明： Q合金，其Ni含量b%，T1温度时：L相中Ni%=a%，a相中Ni%=c%；,Q合金% b%=QL% a%+Qa % c%,又因为：Q合金=QL+Qa 所以（QL+Qa ）% b%=QL% a%+Qa % c%
14、,e. 枝晶偏析,冷速快原子扩散不充分成分不均。,扩散退火消除,2、共晶转变：,两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶的结晶转变。共晶转变的合金系构成共晶相图，Pb-Sn,Al-Si,Ag-Cu,（1）相图分析,三个单相区： L、（、是有限固溶体） 共晶点：d 共晶成分的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度），共同结晶出C、e 。 液相线 adb 固相线 acdeb 共晶反应线 cde 溶解度线：cf，eg T过饱和固溶体析出另一相脱溶转变,f,g,（2）典型合金的结晶过程,合金I：,相组成物：, 组织组成物：,II,析出,合金II：（ 共晶合金）Ld a c+ e,室温下： 相组成物，,组织组
15、成物： （+）共晶体 （+）%=100%,合金III：（ 亚共晶合金）,L-L+a初-L+a初+（ ac+e)- a初+（ ac+e) -a +II+（ a+）,亚共晶合金组织,f,g,组织标注相图,四、合金性能与相图的关系,1、合金的使用性能与相图的关系,溶质元素晶格畸变大强度、硬度，（50%最大） 复相组织区域内（如共晶转变范围内），合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。HB=HBa * a% + HB * % 对组织较敏感的性能强度，与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达最高值。）,1、合金的使用性能与相图的关系,2、合金的工艺性能,a. 铸造性能液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的倾向性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好有利于浇注。 液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化，所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度间隙最小的成分。 b.锻造、轧制性能 单相固溶体合金 单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好,2、合金的工艺性能,2.3 金属的塑性变形,本节要点 塑性变形（滑移
