材料科学导论复习要点完结篇Word下载.docx
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2×
1／2=1
原子堆积系数APF=0.7
原子堆积系数
密度计算：
其中：
Vc=a3（FCC和BCC），a=2R√2（FCC）；
a=4R√3（BCC）；
n—原子中的结构基元数；
A---分子量；
NA=6.023×
1023atoms/mol.
晶面指数
结晶取向
◆PPT第四讲（英文参考书第四、五章）
点缺陷：
包括（空缺，间隙，杂质）晶体中的点缺陷是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷。
空缺数目
NV=NSexp（-QV/KBT）,NS:
规则晶格位置的数目；
QV：
形成完整晶格空位所需的能量；
KB：
玻尔兹曼常量；
T：
开尔文温度
位错：
晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。
位错对材料的力学性能如塑性形变、强度、断裂等起着决定性作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。
位错分类：
刃位错、螺位错、混合位错
伯格矢量b:
表征位错线的性质、总畸变的积累、位错强度
刃位错的伯格矢量与位错线垂直；
螺位错的伯格矢量与位错线平行
晶界：
晶界是结构相同而取向不同晶体之间的界面。
晶界分类：
根据相邻晶粒间位向差的大小不同分为：
（1）小角度晶界：
相邻晶粒的位向差小于10°
的晶界。
（2）大角度晶界（占90%以上）：
相邻晶粒的位向差大于10°
孪晶界：
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”，此公共晶面称为孪晶面。
扩散机制
扩散：
质点通过热运动进行定向位移。
扩散机制：
（1）间隙机制：
间隙质点沿晶格间隙进行的迁移。
间隙扩散机制适用于间隙固溶体中间隙质点的扩散。
（2）空位机制：
在置换固溶体中，一个处于阵点上的原子通过空位交换位置而迁移。
（3）换位机制：
指两个相邻原子直接换位而达到原子迁移的效果。
扩散方程
菲克第一定律：
物质从高浓度区向低浓度区迁移所遵循的规律：
在单位时间内通过垂直于扩散方向单位截面的物质流量（扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。
设扩散沿x方向进行，Fick第一定律表达式：
D:
扩散系数，单位为m2·
s-1；
C：
扩散组元的体积浓度，单位为㎏·
m-3或mol·
m-3；
菲克第二定律：
在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率
等于该处的扩散通量随距离变化率
的负值，即
，将
代入上式，得
。
如果扩散系数D与浓度无关，则上式可以写成
◆PPT第五讲（英文参考书第六章）
应力和应变
张力:
受到拉力作用时，物体内部任一截面两侧存在的相互牵引力。
弹性变形
弹性模量:
材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。
泊松比:
材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。
塑性变形
屈服强度:
材料开始产生宏观塑性形变时的应力。
◆PPT第六讲（英文参考书第七章）
脱位和塑性变形
塑性变形：
材料在外力作用下产生而在外力去除后不能恢复的那部分变形。
单晶
单晶的滑动,分解施加到滑动系统上的外加应力。
多晶材料：
比单晶强
加强机制
减少晶粒尺寸
晶界是位错运动的障碍：
小角度晶界阻止位错效果不大；
大角度晶界阻止滑移，增加材料的强度。
固溶强化
填隙式或替代式杂质引起晶格应变，因此，这些杂质与位错应变场作用，阻止了位错运动。
应变硬化
通过增加位错密度来增强。
在适当熔点以下的塑性形变，使韧性金属变强。
应变硬化的原因：
塑性形变使位错密度增加。
回复、再结晶和晶粒长大
当外力移除，大部分位错、晶粒变形和应变能被保留了。
冷加工前的恢复原状可通过热处理实现，包括两个过程：
修复和重结晶。
然后是晶畴生长。
修复过程：
加热-增加扩散-增加位错运动-减少位错密度，形成低能位错结构-减少内部应变能
重结晶:
固态金属及合金在加热（或冷却）通过相变点时，从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
晶畴生长:
驱动力：
整个晶界区域的减少导致系统能量的减少，大晶粒形成。
◆PPT第七讲（英文参考书第八章）
韧性与脆性断裂
脆性固体的断裂强度与原子间的凝聚力有关。
韧性材料-广泛的塑性变形和断裂前能量吸收（“韧性”）
脆性材料-小的塑性变形和断裂前的低能量吸收
脆性断裂过程：
无明显的塑性变形→裂纹扩展速度非常快→裂缝传播几乎垂直于外加应力方向→裂缝往往沿原子键的特定晶面解理面方向传播裂解。
断裂力学的原理
应力集中
对于一个长的裂缝面向垂直外加应力裂纹尖端附近的最大应力是：
σ0—外加应力，a—裂缝的半长，ρT—裂纹尖端的曲率半径。
（注意，a是内部缺陷的半长，是表面缺陷的全长）
应力集中系数是：
疲劳（循环应力）
材料、零件、构件在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤而产生裂纹，经一定循环次数后，裂纹扩展突然完全断裂的过程。
影响疲劳的因素：
应力大小；
表面质量
蠕变（随时间变化的变形）
蠕变是在高温的恒定负载时，材料随着时间的变化发生永久变形的现象。
例如：
涡轮叶片，蒸汽发生器。
蠕变的过程：
1、瞬时变形，主要是弹性的。
2、初级/瞬态蠕变。
应变、斜率随时间的变化而变化：
加工硬化。
3、二次/稳态蠕变。
劳损率是常数：
加工强度平衡和回复
第三。
应变率迅速增加直至破坏：
内部裂缝，空洞，晶界分离形成等。
◆PPT第八讲（英文参考书第九章）
定义和基本概念
相和微观结构
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。
）
相图：
用来表示相平衡系统的组成与一些参数（如温度、压力）之间关
系的一种图。
它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。
相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量强度变量的轨迹的稽核表达，相图表达的是平衡态，严格说是相平衡图。
二元匀晶系统（完整的固体溶解度）
杠杆规则
杠杆定律是一种机械的比喻的质量平衡计算。
在两相间的联络线是类似
于一个支点平衡的杠杆。
1）所有材料必须是在某一个相或其他相：
Wα+WL=1
2）混合相质量=一相的质量＋另一相的质量：
WαCα+WLCL=Co
3）由上述方程得到杠杆定律。
WL=（Cα-Co）/（Cα-CL）；
Wα=（Co-CL）/（Cα-CL）
◆PPT第九讲金属的相变（英文参考书第十章）
相变（微结构的变化）能被分为三种：
1相变成分和相的数量呈现出无变化的扩散型相变（熔化，纯金属固化，再结晶）
2相变成分和相的数量呈现出变化的扩散型相变（共晶或共晶的变化）
3非扩散相变（结构中所有原子的相对位移）
相变动力学
相变涉及到结构和成分（对多相系统）的变化，所以会使原子重新整理和再分布。
相变过程包括：
新相的成核、在原相基础上新相的生长（s形曲线，时间的对数为x轴，材料的变化百分比为y轴）。
成核：
均相（在过冷的相中固体颗粒自发的形成）和非均相（新相出现在容器壁上、杂质颗粒等）成核
吉布斯自由能G=H-TS,H=U+PV，h是焓，s是熵
r*是临界核的大小,一个临界尺寸r*固体核的形成会有一个
的屏蔽能
阿伦尼乌斯方程：
Vd是原子从液体依附到固体核的频率。
△G*太高，成核被抑制
△G*-1/△T2随着TD的下降，均相成核显著增加
太小，低原子的移动能力抑制了成核速率。
对于非均相成核：
非均相成核在一个更低的过冷温度下
核屏障
临界核的大小
相变速率和相的增长
一旦新相的一个稳定的核超过了临界尺寸，它将开始增长，并利用原子能不断向粗糙界面迁移。
相变速率由成核速率和增长速率共同决定的。
高温条件下，接近Tm时，成核速率低，增长速率高，低温是相反。
定量描述相变率rate=1/t0.5
亚稳态和平衡状态
均相和非均相成核
◆PPT第十讲（英文参考书第十一章）
金属合金的类型
金属制备
金属合金的热加工
退火，消除应力
钢的热处理
沉淀硬化
合金的类型：
金属合金根据组成不同分为两类：
铁合金和非铁合金。
铁合金中铁是主要成分，包括钢和铸造铁
铁合金的产量远大于其他种类的金属，主要原因有三个：
（1）地壳中含铁的化合物产量大
（2）金属铁和钢合金可以通过相对节约的提炼，合金和制造技术生产
（3）金属合金功能多样，适应于广泛的机械和物理性能
铁合金最大的缺陷是容易腐蚀。
合金的分类：
一．铁合金
1.钢
（1）钢是一种可能含有明显其他元素的铁碳合金，成千上万的合金具有不同的组成和热处理。
（2）机械性质随碳元素含量不同而较敏感，含量基本少于1.0%；
一些更相近的钢通过含碳量的不同而被命名为低碳，中碳和高碳型。
（3）简单碳钢含有的杂质较少，含有少量的锰。
1.1低碳钢
（1）总体碳含量低于0.25%，对于热处理不敏感，强度通过冷处理而加强。
（2）微结构由铁素体和珠光体组成。
（3）因此，这些合金相对较软且脆弱但是却具有杰出的可塑性和韧性；
除此之外，它们易于焊接，是所有钢中生产成本最低的。
（4）典型的应用包括自动化躯体组成，结构塑型,薄板被用于管道，建筑物，桥梁和罐头盒。
1.2中碳钢
（1）碳含量在0.25~0.60%之间，基本需要经过热处理用于提高机械强度。
（2）主要用于温和条件。
（3）经过热处理的合金强度高于低碳钢，但是可塑性和韧性却降低。
（4）应用主要是车轮，跑道，齿轮和其他机器部件。
1.3高碳钢
（1）碳含量在0.60~1.40%之间
（2）主要用于温和和坚硬条件，通常用于切割工具和工具成型模具。
1.4不锈钢
不锈钢在不同条件下都具有很高的耐腐蚀性，最显著的元素是铬，至少含有11%
2.铸铁
总体上铸铁中碳含量高于2.14%，实际上大部分含量在3.0%~4.5%之间，易于融化和铸造。
二．非铁合金
1.铜合金：
拥有良好的物理性能
2.铝合金：
具有低密度，高导电性和热传导性，某些情况下较好的耐腐性。
3.镁合金：
最突出的性质是低密度，所有金属中最低的
4.钛合金：
是一种新工程材料，具有一些特有性质，强度很高，具有较高的可塑性，易于锻造。
5.难熔金属：
熔点很高。
金属制造方法：
制造方法一般包括精炼，合金和热处理。
一．成型处理
成型处理时通过塑性变形改变金属片段的方法，当温度很高的情况下结晶出现从而实现形变。
金属变形通过锻造，摇晃，喷出和定型。
二．铸造
金属热处理
1.退火：
使材料在高温下停留一段时间然后以一定速率冷却的过程。
目的：
（1）释放内部压力
（2）增加可塑性，韧性和柔软度
（3）产生特殊微结构
2.钢的热处理
问题：
在冷却过程中很难保持钢铁所有部分保持相同的环境，表面冷却快于内部。
相同结构马氏散铁的产量取决于：
组成，熄火环境，样本尺寸和形状。
回火处理：
马氏散铁是最硬和最易碎的钢铁微结构。
沉淀硬化
可硬化性不同于硬度。
可硬化曲线：
可硬化性：
可硬化性随碳含量的增加而增加。
影响因素：
（1）熄灭方式：
在中冷却速度快于油中，空气中较慢
（2）样本的形状和尺寸：
降温速度取决于从物体表面出去热量的速度，表面积越大速度越快
析出硬化
◆PPT第十一讲（英文参考书第十二、三章）
陶瓷纤维的结构和性质
晶体结构
稳定的陶瓷晶体结构：
阳离子周围的阴离子与之接触。
有一个特定的阴阳离子半径比RC/RA，可以使结构稳定。
例：
岩盐结构
NaCl的结构:
rC=rNa=0.102nm,
rA=rCl=0.181nm
⇒rC/rA=0.56
配位数CN=6;
FCC结构
NaCl,MgO,LiF,FeO
都是这种晶体结构。
氯化铯的结构：
rC=rCs=0.170nm,
rA=rCl=0.181nm⇒
rC/rA=0.94
（ZincBlende）锌的结构：
配位数CN=4
ZnS,ZnTe,SiC都是这种晶体结构。
Fluorite（CaF2）:
rC=rCa=0.100nm,
rA=rF=0.133nm
⇒rC/rA=0.75
面心结构（FCC）
晶体结构取决于：
（1）堆叠顺序（HCP或FCC）
（2）由阳离子占据的间隙位
陶瓷纤维的应用和加工工艺
眼镜
微晶玻璃
粘土制品
耐火材料
磨料磨具
水泥
先进陶瓷
◆PPT第十二讲（英文参考书第十四、五章）
聚合物结构
高聚物：
是一种由聚集在一起的重复化学单体的聚合物分子所构成的材料。
一些聚合物分子含有成千上万个单体，即所说的大分子。
高聚物有自然界的，也有人工合成的。
自然界的如：
皮革、橡胶、纤维素或DNA；
人工合成的如：
锦纶或涤纶。
分子量
化学式中各原子的相对原子质量的总和，就是相对分子质（Relativemolecularmass），用符号Mr表示
结晶度
结晶度用来表示聚合物中结晶区域所占的比例，聚合物结晶度变化的范围很宽，一般从30%～80%。
聚合物的特性，应用和加工工艺
应用
塑料
高分子纤维
弹性体/橡胶
硫化橡胶
◆PPT第十三讲（英文参考书第十六、十七章）
复合材料
颗粒增强复合材料
是由一种或多种颗粒均匀分散在基体材料中组成的材料。
包括大颗粒增强和分散颗粒增强复合材料。
两者的区别在于增强机制的差异。
它们采用的是连体力学机制。
大颗粒复合材料
用混合定律预测的弹性模量要在上限值和下限值之间：
上限值
下限值
、
分别为复合材料中颗粒、基体的体积分数
纤维增强复合材料
包括连续取向复合材料和非连续取向复合材料
是由各种基体与纤维增强体符合而成，一般按基体材料分类，如聚合物基体、金属基体和陶瓷基体。
1、纤维长度的影响：
：
纤维的直径
纤维拉伸强度
纤维基质的结合强度
2、纤维取向和浓度的影响
2.1连续取向复合材料
（1）在轴向上连续取向复合材料的弹性模量:
；
（2）纵向加载时，纤维和基体相的负载比例：
在横向上的弹性模量：
水平拉伸强度:
纤维破坏前后基质的应力
纤维的拉伸强力
2.2非连续取向复合材料：
非连续无规取向纤维复合材料纵向的拉伸强度：
I>
Ic时：
非连续无规取向纤维复合材料的弹性模量：
:
纤维的效率参数
结构复合材料：
包括层状复合材料和三明治复合材料
材料的腐蚀与降解
金属腐蚀：
各类金属结构一般在大气干湿交替或浸水条件下工作，金属与水或电解质溶液接触，极易发生电化学反应而受到的破坏。
电化学过程：
金属原子失去电子的过程称氧化反应，也称为阳极反应
M→Mn++ne-
金属原子被氧化成另一种化学物质的一部分的过程称为还原反应。
Mn++ne-→M
腐蚀率：
暴露t时后，试样失去的重量；
密度和暴露试样的面积
：
常数，它的大小取决于单位制的习惯
单位是：
mol/m2-s,n：
电子的数量，与金属原子电离有关，
陶瓷材料的腐蚀
陶瓷腐蚀由金属和非金属元素混合而成，因为已经被腐蚀，所以几乎对所有的环境尤其是室温下，都能够对腐蚀免疫。
陶瓷腐蚀由于多腐蚀的抵抗性而被广泛应用。
聚合物的降解
聚合物也能够通过环境相互作用的方式经历降解。
然而,不良的相互作用被指定为退化而不是腐蚀，因为过程基本上是不一样的。
聚合物通过膨胀和溶解可能降解。
共价原子结合破裂，可能是热能，化学反应和辐射作用的结果，通常还伴随着机械/结构整合性的下降。
还要还必须强调因为聚合物的化学复杂性，他们的降解机制并不是很能被理解。
溶胀和溶解
当聚合物暴露在液体中,降解的主要形式是溶胀和溶解作用。
当溶胀时，液体或溶质扩散，被聚合物吸收；
小的溶质分子进入和占据了聚合物分子的位置。
因此大分子被迫分开，样品溶胀或溶解。
溶胀和溶解的特性也被温度和分子结构所影响。
一般来说，不断增长的分子质量，不断增长的结晶度与交联的程度和不断降低的温度最终导致了这个退化的过程。
键合断裂
聚合物也可能经历退化的过程称为分离--分子链的断裂。
这个引起了在点上的分子链片段的分离和分子质量的减少。
放射物的影响
辐射效应：
某些类型的辐射（电子束、X射线、紫外线辐射），拥有足够的能量穿透聚合物试样组成的原子或电子。
化学反应效应：
氧气、臭氧和其他物质由于化学反应会引起或加速断链。
热效应：
热降解对应于高温下的分子链的断裂，其结果是，一些聚合物在化学反应下产生了气态物质。
这些反应证实了物质重量的损失，聚合物的热稳定性是用来衡量其抵御这种分解的能力。
梯形聚合物
风化作用：
许多聚合物的使用都是在要暴露在户外条件下。
由此产生的任何退化称为风化，其实，这可能是几个不同进程的组合。
◆PPT第十四讲（英文参考书第十八章）
导电
半导
电子和空穴
半导体器件：
p–n结晶体管
导电聚合物和离子材料
介电行为
本征半导体：
导电性由纯物质的电子结构决定。
例子：
Si,Ge,GaP,GaAs,InSb,CdS,ZnTe
导电带中电子的数量随温度指数增加：
n=CT3/2exp（-Eg/2kT）其中C是材料常数，Eg是带缝宽度
受激发进入导电带的电子在价键带留下空穴（正电性）
在电场下，电子与空穴向相反的方向移动，参与导电。
由于在本征半导体中，电子和空穴都是电荷载体，导电率为σ=n|e|μe+p|e|μh。
P是空穴浓度，μh是空穴移动性
对本征半导体而言，电子移动性大于空穴移动性，即：
μe>
μh
在本征半导体中，空穴是由每个受到激发的电子进入导电带时产生的，因此：
n=p，σ=n|e|（μe+μh）=p|e|（μe+μh）（仅适用于本征半导体）
n（或p）随温度指数上升，而μe和μh则随温度（几乎直线）下降。
本征半导体的导电性随温度而增加（与金属不同）
非本征半导体：
导电性由杂原子的电子结构决定。
与本征半导体不同，非本征半导体的电子浓度与空穴浓度不等。
如果空穴浓度p>
n电子浓度，称为p型而n型是n>
p
人们可以通过控制增加杂原子即掺杂（增加小量浓度的杂原子），来设计非本征半导体的导电性，两种常见的掺杂方法为扩散与离子植入。
N型半导体
取代的杂质每个原子比半导体母体有更多的价电子产生额外的电子载体，额外的电子来于杂质。
产生额外导电电子的杂质称为供体。
元素周期表第六列和第五列的元素是第四列元素如硅，锗半导体的供体。
供体状态下产生的的空穴离价谱很远而且不能移动。
导电主要是通过供出的电子传导。
P型半导体
取代的杂质每个原子比母体有较少的价电子产生额外的电子载体，额外的电子来自母体与邻近原子的化合键是不完整的，可以看做是与杂原子微弱键和的空穴，在元素周期表中第三列的元素是第四例半导体硅，锗的供体。
这种类型的杂质称为受体。
与空穴（受体）对应的能态接近最高价带的能态。
电子能很容易地从价带跃迁形成完整的价键留下空穴，导电主要是通过空穴传导。
温度的影响
导电基本方程：
σ=n|e|μe+p|e|μh，
因此，温度依耐型热导率是由温度依耐型载体浓度与移动性决定
外部区：
所有p供体状态的电子是受激发的
冻结区：
热能太低不能激发电子从p供体状态到导电带
内部区：
通过带缝的激发占主要地位
载流子迁移率：
指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；
运动得慢，迁移率小。
同一种半导体材料中，载流子类型不同，迁移率不同，一般是电子的迁移率高于空穴。
迁移率主要影响到晶体管的两个性能：
①载流子浓度决定半导体材料的电导率（电阻率的倒数）的大小。
迁移率越大，电阻率越小，通过相同电流时，功耗越小，电流承载能力越大。
②影响器件的工作频率。
掺杂物是非纯净物，像在金属中一样，载流子的迁移率随杂质浓度下降掺杂水平小于1020，掺杂剂对迁移性的影响是可以忽略的。
对于掺杂浓度在1024m-3以下，由于增强的热分散的作用，电子和空穴的迁移都随温度的增加而下降。
在本征半导体中，温度依耐型的迁移率，μe和μh与强指数温度依耐型的载体浓度相比较弱。
◆PPT第十五讲（英文参考书第十九、二十章）
热容量
热膨胀系数
导热系数
热应力：
温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。
又称变温应力。
能够导致塑性变形和断裂。
一根杆上的轴向变形与约束：
σ=Εα1∆T
E-----弹性模量
α-----线膨胀系数
∆T---温度的改变量
温度梯度快速时的应力造成强烈的温度梯度->
冷的样品膨胀的限制。
同样对于冷却可拉伸应力能够被引入一个表面区域能迅速
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