材料科学基础（A）上讲稿《材料科学基础（A）上》讲稿2018
材料科学基础（A）上 讲稿 《材料科学基础(A)上》 讲 稿 2018
材料科学基础（A）上讲稿目录第一章绪论第二章金属的晶体结构，5本章重点：第一节晶体学基础5第二节晶体中的缺陷（原子无序ImperfectionsinSolids）.15第三章纯金属及合金的结晶，..23本章重点：..23第一节金属结晶的基本规律23.25第二节金属结晶的热力学条件与结构条件第三节形核.26第四节晶体长大.30第五节金属铸锭的宏观组织与缺陷.36.38第四章二元合金的相结构与结晶，..38本章重点：第一节基本概念.38第二节合金的相结构.39第三节相图.44.47第四节匀晶相图及固溶体的结晶第五节共晶相图及其合金的结晶55.58第六节包晶相图及其合金的结晶.第七节其他类型的二元相图60第八节复杂二元相图的分析方法..61第五章铁碳合金..64.64本章重点：第一节铁碳合金中的基本相..64.64第二节铁碳合金相图分析第三节铁碳合金的结晶过程..65第四节含碳量对铁碳合金组织和性能的影响，.68第六章金属及合金的塑性变形.70本章重点：.70第一节金属的变形特性.70第二节金属的塑性变形与强化.71第三节..78多晶体金属的塑性变形第四节合金的塑性变形.79第五节塑性变形对材料组织和性能的影响81..84第七章金属及合金的回复与再结晶本章重点：.84第一节形变金属与合金在退火过程中的变化...85第二节回复86第三节再结晶.87第四节晶粒长大.90I
材料科学基础（A）上 讲稿 I 目 录 第一章 绪论 . 1 第二章 金属的晶体结构 . 5 本章重点： . 5 第一节 晶体学基础 . 5 第二节 晶体中的缺陷（原子无序 Imperfections in Solids） . 15 第三章 纯金属及合金的结晶 . 23 本章重点： . 23 第一节 金属结晶的基本规律 . 23 第二节 金属结晶的热力学条件与结构条件 . 25 第三节 形核 . 26 第四节 晶体长大 . 30 第五节 金属铸锭的宏观组织与缺陷 . 36 第四章 二元合金的相结构与结晶 . 38 本章重点： . 38 第一节 基本概念 . 38 第二节 合金的相结构 . 39 第三节 相图 . 44 第四节 匀晶相图及固溶体的结晶 . 47 第五节 共晶相图及其合金的结晶 . 55 第六节 包晶相图及其合金的结晶 . 58 第七节 其他类型的二元相图 . 60 第八节 复杂二元相图的分析方法 . 61 第五章 铁碳合金 . 64 本章重点： . 64 第一节 铁碳合金中的基本相 . 64 第二节 铁碳合金相图分析 . 64 第三节 铁碳合金的结晶过程 . 65 第四节 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 . 68 第六章 金属及合金的塑性变形 . 70 本章重点： . 70 第一节 金属的变形特性 . 70 第二节 金属的塑性变形与强化 . 71 第三节 多晶体金属的塑性变形 . 78 第四节 合金的塑性变形 . 79 第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响 . 81 第七章 金属及合金的回复与再结晶 . 84 本章重点： . 84 第一节 形变金属与合金在退火过程中的变化 . 85 第二节 回 复 . 86 第三节 再结晶 . 87 第四节 晶粒长大 . 90
目录第五节金属的热加工。.91习题与思考题：...93.第八章扩散.94本章重点：..4....第一节概述..94第二节扩散定律.6.第三节影响扩散的因素.97习题与思考题....99II
目 录 II 第五节 金属的热加工 . 91 习题与思考题： . 93 第八章 扩 散 . 94 本章重点： . 94 第一节 概 述 . 94 第二节 扩散定律 . 96 第三节 影响扩散的因素 . 97 习题与思考题 . 99
材料科学基础（A）上讲稿第一章 绪论本门课程共96学时（其中实验20），分上下两个学期，上学期64学时为金属学部分，下学期32学时为金属学热处理及工程材料部分。考核方式：期末闭卷考试成绩占70%，实验成续占15%，平时成绩占15%。材料与人类的进步息息相关，而最早进行系统研究的则是金属材料，金属材料的研究方法、手段、技术，很多均可用于其它材料的研究，是材料研究的基础。鉴于本专业特点，选择本教材。一研究对象、任务和目的1研究的对象：金属和合金1）什么是金属？什么是合金？高的导电性和导热性、金属特性：有金属光泽不透明正的电阻温度系数是金属严格定义良好的延展性（塑性）合金定义：一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质电子云（自由电子）2）金属中原子的结合方式金属晶体中原子结合方式为金属键用金属键模型解释→→金属特性正EEC国通金属键模2本课程的主要任务研究金属与合金的化学成分、加工工艺、组织结构和性能四要素及四要素之间的关系与变化规律L此亦为材料科学的研究内容实际中我们最关心的是性能性能取决于什么因素呢？①化学成分不同，性能不同纯铝40MPa纯铜60MPa纯铁200MPa②化学成分相同，处理方式不同，性能不同500MPa40钢(退火态)40钢（调质态）800MPa1
材料科学基础（A）上 讲稿 1 第一章 绪论 本门课程共 96 学时（其中实验 20），分上下两个学期，上学期 64 学时为金属学部分， 下学期 32 学时为金属学热处理及工程材料部分。考核方式：期末闭卷考试成绩占 70%， 实验成绩占 15%，平时成绩占 15%。 材料与人类的进步息息相关，而最早进行系统研究的则是金属材料，金属材料的研究方法、手段、 技术，很多均可用于其它材料的研究，是材料研究的基础。鉴于本专业特点，选择本教材。 一 研究对象、任务和目的 1 研究的对象：金属和合金 1) 什么是金属？什么是合金？ 高的导电性和导热性、 金属特性： 有金属光泽不透明 正的电阻温度系数 是金属严格定义 良好的延展性(塑性) 合金定义： 一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的 物质 2) 金属中原子的结合方式 金属晶体中原子结合方式为金属键 用金属键模型解释 →→金属特性 2 本课程的主要任务 研究金属与合金的化学成分、加工工艺、组织结构和性能四要素及四要素之间的关系与变化规律 ┗ 此亦为材料科学的研究内容 ——实际中我们最关心的是性能 性能取决于什么因素呢？ ① 化学成分不同，性能不同 纯铝 40MPa 纯铜 60 MPa 纯铁 200 MPa ② 化学成分相同，处理方式不同，性能不同 40 钢(退火态) 500 MPa 40 钢(调质态) 800 MPa
第一章绪论又如：0.8%C的钢锯条→800℃，冷却方式不同：一根出炉后水冷，性硬而脆，一弯就断：另一根随炉缓慢冷却，性软，弯曲90℃不断为什么会出现这样的变化？1）材料科学研究的四要素及相互关系线化学成分Composition内因性能组织结构PerformanceConstruction外因加工工艺Process提高材料性能的主要途径：·改变材料的化学成分二改进材料的生产工艺，进而改变材料内部的组织结构与性能组织结构有哪些？材料不同层次的结构（1）原子结构组织结构2）晶体结构取决于原子种类（光学显微组织）原子在空间的排列方式材料的组织结构取决于原子种类12内部原子排列的方式3合金元素的存在方式4内部不同尺度的各种结构缺陷2
第一章 绪论 2 又如：0.8℅C 的钢锯条→800℃，冷却方式不同: 一根出炉后水冷，性硬而脆，一弯就断； 另一根随炉缓慢冷却，性软，弯曲 90 ℃不断 为什么会出现这样的变化？ 1） 材料科学研究的四要素及相互关系线 提高材料性能的主要途径: 一 改变材料的化学成分 二 改进材料的生产工艺，进而改变材料内部的组织结构与性能 组织结构有哪些？ 材料不同层次的结构 （1）原子结构 2）晶体结构 组织结构 取决于原子种类 原子在空间的排列方式 （光学显微组织） 材料的组织结构取决于 1 原子种类 2 内部原子排列的方式 3 合金元素的存在方式 4 内部不同尺度的各种结构缺陷 性 能 Performance 加工工艺 Process 化学成分 Composition 组织结构 Construction 内因 外因
材料科学基础（A）上讲稿3学习目的利用上述四要素关系和规律（1）进行科学研究（2）指导生产实践（3）研制新合金材料材料科学渗透各个领域，如磁悬浮列车、斜拉索桥、航空母舰与航天飞机、神七飞船等神舟七号飞船成功问鼎苍写神七外形结构与组成高校科技功不可没年爱压气用品统系电设（气翻）本润滑材料哈尔滨工业大学养整帮摩大室出能门舱外航天服低压试验舱的研制郑州大学返回能?太空出舱头盔面窗的研制东华大学阳电油推进宇航员的生活设施装备等的研制插修机上海海洋大学时口飞船返回舱海上应急打捞网的研制材料微观结构研究x1000010203040506020/deg微米与纳米尺度组织形貌X射线衍射物相结构分析材料微观研究Janopa10μmChristmas TreeNano-MedicineNano-Mobile F1Nano-Fighter JetF35
材料科学基础（A）上 讲稿 3 3 学习目的 利用上述四要素关系和规律 （1）进行科学研究 （2）指导生产实践 （3）研制新合金材料 材料科学渗透各个领域，如磁悬浮列车、斜拉索桥、航空母舰与航天飞机、神七飞船等 神舟七号飞船成功问鼎苍穹 高校科技功不可没 哈尔滨工业大学 舱外航天服低压试验舱的研制 郑州大学 太空出舱头盔面窗的研制 东华大学 宇航员的生活设施装备等的研制 上海海洋大学 飞船返回舱海上应急打捞网的研制 材料微观结构研究 微米与纳米尺度组织形貌 X 射线衍射物相结构分析 材料微观研究 15000 10000 5000 0 Intensity 10 20 30 40 50 60 70 80 2 / deg
第一章绪论二、本课程内容金属学：第一～第八章→（本学期64学时）金属热处理：第九～第十章（下学期32学时）第十一章~第十三章了金属材料学：三要求(1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实验方法(2)掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、性能间关系的一般规律(3)了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分析方法四参考文献（1）材料科学基础，西安交通大学，石德珂(2）工程材料，朱张校，清华大学出版社，2000(3）工程材料，丁厚福，武汉理工大学出版社，20014
第一章 绪论 4 二、本课程内容 金属学： 第一 ~ 第八章 （本学期 64 学时） 金属热处理： 第九 ~ 第十章 金属材料学： 第十一章~第十三章 三 要求 (1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实验方法 (2)掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、性能间关系的一般规律 (3)了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分析方法 四 参考文献 (1) 材料科学基础，西安交通大学，石德珂 (2) 工程材料，朱张校，清华大学出版社， 2000 (3) 工程材料， 丁厚福，武汉理工大学出版社，2001 （下学期 32 学时）
材料科学基础（A）上讲稿第二章金属的晶体结构前面知识回顾金属材料的性能取决于其原子种类，排列方式，合金中异类原子存在方式，还有晶体中的缺陷。因此，本章主要对金属材料的排列方式即晶体结构进行了解，进而知道材料的强化方式，挖掘材料的潜力。本章目的：》掌握晶体学基础、金属的晶体结构以及合金相结构；》认识晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质；》注意位错线与柏氏矢量，位错线移动方向、晶体滑移方向与外加切应力方向之间的关系。本章重点：》晶体结构的周期性及表示方法》三种典型晶体结构：》、合金相结构及固溶体的形成规律、位错、柏氏矢量。第一节晶体学基础一、结晶的特性与晶体的性质(SpecialityandPropertiesofCrystals)1.结晶特性晶体：原子(团)沿三维空间呈周期性长程有序 (long range order)排列的固体物质（金属，大多陶瓷及一些聚合物）非晶体：原子（团）无周期性长程有序排列的物质（包括气体，液体和部分固体）2.晶体的性质:熔点确定与非晶体典型区别.各向异性（物理性质不同）有自发形成规则多面体外形的能力.稳定性（晶体能量最低）.均匀性（周期小，宏观连续）5
材料科学基础（A）上 讲稿 5 第二章 金属的晶体结构 前面知识回顾 金属材料的性能取决于其原子种类，排列方式，合金中异类原子存在方式，还有晶体中的缺陷。 因此，本章主要对金属材料的排列方式即晶体结构进行了解，进而知道材料的强化方式，挖掘材料的 潜力。 本章目的： 掌握晶体学基础、金属的晶体结构以及合金相结构； 认识晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质； 注意位错线与柏氏矢量，位错线移动方向、晶体滑移方向与外加切应力方向之间的关系。 本章重点： 晶体结构的周期性及表示方法； 三种典型晶体结构； 、合金相结构及固溶体的形成规律、位错、柏氏矢量。 第一节 晶体学基础 一、 结晶的特性与晶体的性质 (Speciality and Properties of Crystals) 1．结晶特性 晶 体：原子(团)沿三维空间呈周期性长程有序 (long range order)排列的固体物质 （金属，大多陶瓷及一些聚合物） 非晶体： 原子(团)无周期性长程有序排列的物质 （包括气体，液体和部分固体） 2 . 晶体的性质 • 熔点确定 • 各向异性（物理性质不同） • 有自发形成规则多面体外形的能力 • 稳定性 （晶体能量最低） • 均匀性（周期小，宏观连续） 与非晶体典型区别
第二章金属的晶体结构二、晶体几何学基础（FundamentalsofCrystalGeometry)1.晶体的对称元素生长良好的晶体外形常有某些对称性（symmetry）（对称：相同部分有规律重复）2.点阵：晶体结构的微观特征1)空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列一空间点阵特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境基元：原子、分子、离子或原子团(组成、位形、取向均同）动画演示某种结构单元（基元）在三维空间作周期性规则排列抽象为抽象为基元★几何点空间点阵基元的三维空间周期排列点阵+基元晶体结构-点阵反映晶体结构的平移对称点阵是抽象的几何图形点阵中每个阵点的周围环境均相同2）晶胞代表性的基本单元（最小平行六面体）6
第二章 金属的晶体结构 6 二、 晶体几何学基础 (Fundamentals of Crystal Geometry) 1． 晶体的对称元素 生长良好的晶体外形常有某些对称性（symmetry） （对称：相同部分有规律重复） 2．点阵： 晶体结构的微观特征 1） 空间点阵的概念 将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则 的阵列—空间点阵 特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境 基元：原子、分子、离子或原子团 (组成、位形、取向均同) 某种结构单元（基元）在三维空间作周期性规则排列 动画演示 抽象为 抽象为 基元 几何点 基元的三维空间周期排列 空间点阵 点阵 + 基元 = 晶体结构 • 点阵反映晶体结构的平移对称 • 点阵是抽象的几何图形 • 点阵中每个阵点的周围环境均相同 2）晶胞 代表性的基本单元（最小平行六面体）
材料科学基础（A）上讲稿选取晶胞的原则：I)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性IⅡI）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；III）当平行六面体的棱角存在直角时，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。举例，右图：简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点复杂晶胞：除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点3.空间点阵类型晶胞（UnitCell)：代表晶体内部结构的基本重复单位（平行六面体）晶胞的基本要素：A.大小和形状B.各原子坐标位置晶轴上晶胞三个边的长度a，b，c和其夹角α，β，称为晶格常数(Latticeparameters）晶胞中原子的坐标可由原点指向原子的向量表示x，y，z≤1，称为分数坐标r=xa+yb+zc按晶格常数的不同组合可将晶胞分为7种类型，对应7个晶系（Crystal system)7个晶系中，共有14种空间点阵型式（TypesofSpacialLattices）口
材料科学基础（A）上 讲稿 7 选取晶胞的原则： Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性； Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多； Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，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。 举例，右图： 简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点 复杂晶胞： 除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点 3．空间点阵类型 晶胞(Unit Cell)：代表晶体内部结构的基本重复单位（平行六面体） 晶胞的基本要素： A．大小和形状 B．各原子坐标位置 晶轴上晶胞三个边的长度 a， b，c 和 其夹角 α，β，γ 称为 晶格常数 (Lattice parameters) 晶胞中原子的坐标可由原点指向原子的向量表示: r = x a + y b + z c x，y，z ≤ 1，称为 分数坐标 按晶格常数的不同组合可将晶胞分为 7 种类型，对应 7 个晶系 (Crystal system) 7 个晶系中，共有 14 种空间点阵型式 (Types of Spacial Lattices)