材料科学基础总结

材料科学是研究各种材料成分、结构、组织和性能以及它们之间关系的科学。 材料的分类：用途分（机构材料和功能材料）属性（金属、非金属、有机高分子）

材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。

金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键

特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构 性质：良好导电、导热性能，延展性好

离子键：正负离子依靠它们之间的静电力结合在一起形成的键 特点：无方向性、饱和性

性质：熔点硬度较高、良好的电绝缘体

共价键：两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子队形成的化学键 特点：饱和性、配位数较小、方向性 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差

晶体：原子（离子或分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物质（各向异性、固定熔点）

空间点阵：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

晶胞：在空间点阵中取出一个具有代表性的基本单元作为点阵的组成单元。 选取原则：1.选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性 2.平行六面体的棱和角相等的数目应最多

3.当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多 4.晶胞应具有最小体积 晶格：为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为结点，人为地将结点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格。

晶向：空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。

晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子面的方向。 常见的金属晶体结构：体心立方、面心立方、密排六方 配位数：晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。 致密度（K）：晶胞中原子所占的体积分数 nvK? Vn为晶胞原子数，v原子体积，V晶胞体积

合金:两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。

相:合金中具有同一聚集状态,同一化学成分、同一晶体晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。

固溶体:以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。 电负性相近有利于形成固溶体。

中间相:溶质含量超过其溶解度时，将会出现新相，其晶体结构类型既不同于溶质也不同于溶剂，其成分处于A在B中和B在A中的最大溶解度之间，故称作中间相。 置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。 间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙中。（有限固溶体）

条件：△r＞41%；杂质质点大小；晶体结构；电价因素,间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式溶质原子更显著。

有限固溶体：在一定条件下,溶质原子在溶剂中的溶解量有一个上限,超过这个限度就形成新相。

无限固溶体：溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格中形成的固溶体。晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。否则只能形成有限固溶体。 无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布,无规律性。

有序固溶体：溶质原子按一定比例和有规律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里。 一次固溶体：以纯金属为基形成的固溶体。 二次固溶体：以化合物为基形成的固溶体。 固溶度：溶质在溶剂中的极限溶解度。 形成固溶体后对晶体性质的影响

1. 稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生 2. 活化晶格

3. 形成固溶体后对材料物理性质的影响，电阻率升高 4. 固溶强化

固溶强化：固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低，称为固溶强化。 结合能：原子结合时克服原子间相互作用力外力所做的功。

弗兰克尔空位：能量大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为弗兰克尔空位

肖特基空位:如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖脱基空位， 点缺陷：间隙原子、空位、杂质原子

特点：使金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小。同时能加速与扩散有关的相变、化学热处理及高温下的塑性变形和断裂等。另外，过饱和点缺陷还可以提高金属的屈服强度。

滑移：各部分晶体相对滑动的结果使晶体的尺 寸沿着受力方向拉长，直径变细，这样的过程称为滑移，

刃位错：位错线与原子滑移方向相垂直 特征：（1）有一额外原子面

（2）位错线垂直于滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的面是滑移面，刃位错滑移面唯一 （3）原子面向上为正刃位错，向下为负刃位错 （4）刃位错线不一定是直线

（5）刃位错周围晶体产生畸变，近大远小 （6）位错周围畸变区一般只有几个原子宽

螺位错：位错线与原子滑移方向相平行，位错线周围原子的配置是螺旋状的。 特征（1）无额外原子面，位错排列轴对称 （2）位错线与滑移矢量平行，直线

（3）凡是以螺位错为晶带轴的晶带由所有晶面都可以为滑移面 （4）螺位错的运动方向与滑移矢量垂直 （5）左右螺位错符合右手法则 （6）几个原子宽的线缺陷 柏氏矢量的守恒性

一条位错线只有一个伯氏矢量 如果几条位错线在晶体内部相交，则指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和 。 位错线的连续性

位错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交于节点，要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面。

位错运动的特点：

①位错运动的方向总是与位错线相垂直。 ②作用在单位长度位错线上的力Fd=F/L=τb ③利用虚功原理导出

滑移面：位错的滑移面是由位错线L和柏氏矢量b决定的平面。 刃位错滑移面唯一 螺型位错滑移面不唯一 滑移：在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的滑移面的一定滑移方向相对于晶体的另一部分发生的相对滑动。 特点

（1）刃位错滑移方向与外力?及伯氏矢量b平行，正、负刃位错滑移方向相反。 （2）螺位错滑移方向与外力?及伯氏矢量b垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。 （3）混合位错滑移方向与外力?及伯氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。 （4）晶体的滑移方向与外力?及位错的伯氏矢量b相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。 （5） 螺型位错在某一滑移面上的滑移受阻时，位错可以离开滑移面到与其相交的其他滑移面上继续滑移。螺型位错的这种运动称为交滑移 刃、螺型位错滑移的比较： ①因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个滑移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移。

②晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向，与位错线的移动方向无关。 攀移：所谓攀移是指位错垂至于滑移面的移动，只有刃型位错才能进行攀移。 多余半原子面向上移动称正攀移，向下移动称负攀移，

位错反应：位错间存在相互作用力，可能发生相互转化或相互作用，此即位错反应。 位错能否发生反应，取决于两个条件：

其一，必须满足伯氏矢量的守恒性（几何条件）；

∑b前＝∑b后 其二，必须满足能量条件。

∑b2前﹥∑b2后

表面是指固体材料与真空或气体、液体等外部介质相接触的界面

表面能：晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能（原子密排的表面具有最小的表面能） 大角度晶界特点

1. 晶界处点阵畸变大 2. 晶界处原子排列不规则 3. 晶界处原子偏离平衡位置 4. 新相易于在晶界处优先形核

5. 由于成分偏析和内吸附现象，往往晶界熔点较低 6. 与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快。

亚晶界：小晶块之间的内界面称为亚晶粒间界，简称亚晶界（小角度晶界）

孪晶之间的界面称为孪晶界。如果孪晶界与孪晶面一致，称为共格孪晶界；如果不一致，称为非共格孪晶界。

孪生 晶体在外力作用下以产生孪晶的方式而进行的切变过程

孪晶是指两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面

通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。

实际开始凝固温度低于理论开始凝固温度的现象称为过冷

金属愈纯，过冷度愈大；冷却速度愈快，过冷度也愈大。

过冷度越大，形核数目越多，结晶后的晶粒就越细小，铸件的机械性能也就越高。 液态金属结构：长程无序，短程有序 结晶过程：形核—长大

形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。

长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。

均匀形核 新相晶核是在母相中均匀地生成，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质或外表面的影响。（靠自身的结构起伏和能量起伏） 非均匀形核 新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。 晶体长大：粗糙界面：垂直长大。光滑界面：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。 固溶体通常以树枝状生长方式结晶，非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝间的成分不同，故称为枝晶偏析。

伪共晶：非共晶成分的合金在非平衡凝固冷却条件下得到100％共晶组织。 晶体生长形态：正温度梯度—平面状生长·负温度梯度—树枝状生长

离异共晶：在共晶体转变中共晶体中与先共晶相相同的相（α）直接长在先共晶相表面上，把共晶体中的另一相（?）推到先共晶相（α）的晶界处呈网状分布，使这部分共晶体失去了共晶组织的两相相间交替分布的特征，呈现两相分离状态，称为离异共晶。 铸件的宏观组织组成

a 表层细晶区的形成 型壁温度低，与型壁接触的很薄一层熔液产生强烈过冷形成由细小的、方向杂乱的等轴晶粒组成的细晶区。

b 柱状晶区 垂直于型壁，各柱状晶的生长方向是相同的

C 中心等轴晶区 散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，熔液中出现许多晶核并沿各个方向长大

成分过冷：当界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷。

影响铸锭组织的因素

通常快的冷却速度，高的浇注温度和定向散热有利于柱状晶的形成；慢的冷却速度，低的浇注温度，加入有效形核剂等均有利于形成中心等轴晶。 柱状晶的优点是组织致密，柱状晶的缺点是相互平行的柱状晶接触面，尤其是相邻垂直的柱状晶区交界面较为脆弱，并常聚集易熔杂质和非金属夹杂物，所以铸锭热加工时极易沿这些弱面开裂，或铸件在使用时也易在这些地方断裂。

等轴晶无择优取向，没有脆弱的分界面，同时取向不同的晶粒彼此咬合，裂纹不易扩展， 铸锭（件）的缺陷

a.缩孔 由于多数金属在凝固时发生体积收缩，使铸锭内形成收缩孔洞，或称缩孔 b.偏析 偏析是指化学成分的不均匀性

c.气孔（气泡） 气体溶解在液体中，存在于液固界面形核并长大，形成气泡，或称气孔 正常偏析：先凝固的外层中溶质含量较后凝固的内层低，因此合金铸件中心所含溶质质量浓度较高的现象是凝固过程的正常现象

反偏析：反偏析与正偏析相反，溶质质量浓度在铸件中的分布是表层比中心高。 枝晶偏析：枝晶偏析是由于非平衡凝固造成的，这使先凝固的枝干和后凝固的枝干间的成分不均匀

影响枝晶偏析程度的主要因素有：凝固速度越大，晶内偏析越严重；偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，则晶内偏析越大；凝固温度范围越宽，晶内偏析也越严重。

晶界偏析：晶界偏析是由于溶质原子富集在最后凝固的晶界部分而造成的。控制溶质含量，加入适当的第三种元素可以减小晶界偏析的程度。

组元通常是指构成材料的最简单、最基本、可以独立存在的物质。

系统中成分、结构相同，性能一致且与其它部分以界面分开的均匀的组成部分，称为相 组织：是指由各种不同形貌及含量的相或组元所构成的微观形貌。 相的平衡条件是每一个组元在所有各相中的化学势相等 自由度是指在平衡系统中独立可变的因素，自由度数是指在平衡系统中那些独立可变的强度变量的最大数目。 相律

吉布斯相律：f=c-p+2

C：系统的组元数 P：共存的平衡相数 f：自由度的数目，

不含气相的凝聚系统f=C－P+1

单元系：由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或纯晶体 杠杆定律：WL/Wα=rb / ar WL/W =rb / ab Gibbs相律表达式： f=c-p+n 注意：f≥0 p≥1 f:自由度数 c：独立组分数 p：相数 n：外界因素

共晶相图：两组元在液态互溶，在固态互不相溶或有限互溶，并发生共晶反应的合金相图， 匀晶相图：两组元在液态与固态均可彼此无限溶解的合金相图。 共晶转变要点：

? 共晶转变在恒温下进行。

? 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 ? 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 ? 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。

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