材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、1材料科學(xué)： 研究材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間關(guān)系及變化規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。材料科學(xué)基礎(chǔ)的任務(wù)： 根據(jù)工程和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要設(shè)計(jì)研制新型工程材料；解決材料制備原理和工藝方法，獲取可供使用的工程材料；解決材料在加工和使用過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)和性能變化的微觀機(jī)理，從中找出合宜的加工工藝、強(qiáng)化工藝和延壽措施；創(chuàng)新測(cè)試材料成分、組織結(jié)構(gòu)和性能的方法，完善測(cè)試技術(shù)；合理地選擇和使用工程材料。 緒 論2材料的分類(lèi)1、按材料的化學(xué)成分組成分類(lèi)： v金屬材料（黑色金屬、有色金屬）v無(wú)機(jī)非金屬材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷） v高分子材料 天然高分子材料（蛋白、淀粉、纖維素） 人工合成高分子材料（合成

2、橡膠、合成塑料、合成纖維） v復(fù)合材料 2、按原子排列情況分類(lèi)： 晶體 ：短程有序，長(zhǎng)程有序，具有周期對(duì)稱(chēng)性非晶體：短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序，不具有周期對(duì)稱(chēng)性準(zhǔn)晶體：介于晶體和非晶體之間的固體。準(zhǔn)晶體具有與晶體相似的長(zhǎng)程 有序的原子排列；但是準(zhǔn)晶體不具備晶體的平移對(duì)稱(chēng)性。 石英玻璃準(zhǔn)晶合金3 第第1章章 材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu) 41.1 1.1 材料的結(jié)合方式材料的結(jié)合方式化學(xué)鍵化學(xué)鍵v組成物質(zhì)整體的質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力。組成物質(zhì)整體的質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力。v質(zhì)點(diǎn)間相互作用時(shí)，吸引和排斥質(zhì)點(diǎn)間相互作用時(shí)，吸引和排斥 情況不同，形成不同類(lèi)型的化學(xué)鍵有：情況不同，形成不同類(lèi)型的化學(xué)鍵有： 共價(jià)鍵；離子鍵；共價(jià)

3、鍵；離子鍵； 金屬鍵；范德瓦爾鍵。金屬鍵；范德瓦爾鍵。5共價(jià)鍵共價(jià)鍵1 1、形成、形成 元素周期表中的元素周期表中的AA、AA、AA族大多數(shù)元素或電負(fù)性不大的原族大多數(shù)元素或電負(fù)性不大的原子相互結(jié)合時(shí)，原子間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，以共價(jià)電子形成穩(wěn)定子相互結(jié)合時(shí)，原子間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，以共價(jià)電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)合。這種由公用電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵的電子滿殼層的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)合。這種由公用電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵稱(chēng)為共價(jià)鍵。稱(chēng)為共價(jià)鍵。2 2、特性、特性 方向性，飽和性，結(jié)合力很大方向性，飽和性，結(jié)合力很大3 3、具有共價(jià)鍵物質(zhì)的特性、具有共價(jià)鍵物質(zhì)的特性 共價(jià)晶體強(qiáng)度、硬度高，脆性大，共價(jià)晶體強(qiáng)

4、度、硬度高，脆性大， 熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，揮發(fā)性低熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，揮發(fā)性低 。 6離子鍵離子鍵1、形成 當(dāng)兩種電負(fù)性相差很大（如元素周期表相隔較遠(yuǎn)的元素）的原子相互結(jié)合時(shí)，其中電負(fù)性較小的原子失去電子成為正離子，電負(fù)性較大的原子獲得電子成為負(fù)離子，正、負(fù)離子靠靜電引力結(jié)合在一起而形成的結(jié)合鍵。2、特性 無(wú)方向性，無(wú)飽和性，結(jié)合力很大3、具有離子鍵物質(zhì)的特性 離子晶體的硬度高、強(qiáng)度大、熱膨脹系 數(shù)小，但脆性大。離子晶體具有很好的 絕緣性。因不吸收可見(jiàn)光，典型的離子 晶體是無(wú)色透明的。 7金屬鍵金屬鍵 1、形成 金屬原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是外層電子少，原子容易失去其價(jià)電子而成為正離子。當(dāng)金屬原子相互結(jié)合時(shí)，金屬原

5、子的外層電子（價(jià)電子）就脫離原子，成為自由電子，為整個(gè)金屬原子所共有。這些公有化的自由電子在正離子之間自由運(yùn)動(dòng)形成所謂電子氣（或電子云）。這種由金屬正離子與電子氣之間相互作用而結(jié)合的方式稱(chēng)為金屬鍵。 2、具有的特性、良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性。、正的電阻溫度系數(shù)，即隨 溫度升高電阻增大。、良好的強(qiáng)度及塑性。、具有金屬光澤。8范德華鍵范德華鍵 1 1、形成、形成 有些物質(zhì)的分子具有極性，其中分子的一部分帶有正電荷，而有些物質(zhì)的分子具有極性，其中分子的一部分帶有正電荷，而分子的另一部分帶有負(fù)電荷，一個(gè)分子的正電荷部位和另一分子分子的另一部分帶有負(fù)電荷，一個(gè)分子的正電荷部位和另一分子的負(fù)電荷部位間，以微弱

6、靜電引力相引，使之結(jié)合在一起稱(chēng)為范的負(fù)電荷部位間，以微弱靜電引力相引，使之結(jié)合在一起稱(chēng)為范德華鍵（或分子鍵）。德華鍵（或分子鍵）。2 2、特性、特性 結(jié)合力較弱結(jié)合力較弱3 3、具有共價(jià)鍵物質(zhì)的特性、具有共價(jià)鍵物質(zhì)的特性 硬度低、沸點(diǎn)低，絕緣性硬度低、沸點(diǎn)低，絕緣性 。 9工程材料的鍵性 實(shí)際上使用的工程材料，有的是單純的一種鍵，更多的是幾種鍵的結(jié)合。如果以四種鍵為頂點(diǎn)作一個(gè)四面體，就可以把材料的結(jié)合鍵范圍示意地表示在這個(gè)四面體上，具體材料地鍵特性見(jiàn)圖。10：是以：是以結(jié)合為主的材料，具有結(jié)合為主的材料，具有 好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性和金屬光澤，是應(yīng)用好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性和金屬光澤，是應(yīng)用最廣

7、泛的工程材料。最廣泛的工程材料。：是以：是以結(jié)合為主的材結(jié)合為主的材料，性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆料，性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆性大。性大。：是以：是以結(jié)合為主的材料，結(jié)合為主的材料，主要包括塑料、橡膠及合成纖維等，在機(jī)械、主要包括塑料、橡膠及合成纖維等，在機(jī)械、電氣、紡織、汽車(chē)、飛機(jī)等許多工業(yè)中被廣泛電氣、紡織、汽車(chē)、飛機(jī)等許多工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。應(yīng)用。11 1.2 晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體與非晶體1、晶體： 物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)(分子、原子或離子)在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形成的物質(zhì)叫晶體。2、非晶體： 非晶體在整體上是無(wú)序的，但原子間也靠化學(xué)鍵結(jié)合在一起，所以在有限的小

8、范圍內(nèi)觀察還有一定規(guī)律，可將非晶體的這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為近程有序。 121. ：物質(zhì)的：物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)（分子、原子或離子）（分子、原子或離子）在三在三 維空間呈規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)維空間呈規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)。 2. ：把質(zhì)點(diǎn)看成空間的幾何點(diǎn)，：把質(zhì)點(diǎn)看成空間的幾何點(diǎn)，點(diǎn)所形點(diǎn)所形 成的空間陣列成的空間陣列。3. ：用假想的空間直線，把這些：用假想的空間直線，把這些點(diǎn)連接起點(diǎn)連接起 來(lái)，來(lái)， 所構(gòu)成的三維空間格架所構(gòu)成的三維空間格架。4. ：從晶格中取出：從晶格中取出具有代表性的最小幾何單具有代表性的最小幾何單 元元。5. ：描述晶胞的六個(gè)參數(shù)：描述晶胞的六個(gè)參數(shù)a、b、c、13晶胞選取應(yīng)

9、滿足的條件 (1)晶胞幾何形狀充分反映點(diǎn)陣對(duì)稱(chēng)性。(2)平行六面體內(nèi)相等的棱和角數(shù)目最多。(3)當(dāng)棱間呈直角時(shí)，直角數(shù)目應(yīng)最多。(4)滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。1415底心單斜三斜三斜abc90簡(jiǎn)單單斜單斜單斜abc=90 簡(jiǎn)單三斜16底心正交簡(jiǎn)單正交面心正交體心正交正交正交abc=9017簡(jiǎn)單菱方簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單四方體心四方四方四方a=bc=90菱方菱方a=b=c=90六方六方a=bc=90=12018簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方立方立方a=b=c=9019晶向指數(shù)與晶面指數(shù) 1.晶面指數(shù)和標(biāo)定 2.晶向指數(shù)的標(biāo)定 3.晶面族與晶向族 4.六方晶面及晶向的指數(shù)標(biāo)定 5.晶帶 6.晶面間距 20

10、21例如：定坐標(biāo)如圖例如：定坐標(biāo)如圖 ABCD面面 ABE面面截距：截距： 1，1， 1，1，1/2倒數(shù)：倒數(shù)： 1，1，0 1，1，2指數(shù)：指數(shù)： （110） （112）（110）（112）22 注意注意：23 24 11011125(123)1232627 對(duì)于不同的晶面族h k l其晶面間距也不同?？偟膩?lái)說(shuō)，低指數(shù)晶面的面間距較大，高指數(shù)晶面的面間距較小、如圖113所示。由晶面指數(shù)的定義、可用數(shù)學(xué)方法求出晶面間距，見(jiàn)公式。 28 29 1BCC（見(jiàn)圖（見(jiàn)圖1.18，P10）3031 32v立方體對(duì)角面上和體對(duì)角線上原子排列最緊密。立方體對(duì)角面上和體對(duì)角線上原子排列最緊密。 密排面密排面：

11、110110 密排方向密排方向：7）原子密排面和密排方向）原子密排面和密排方向33 2FCC（見(jiàn)圖（見(jiàn)圖1.19，P11）3435 密排面：密排面：111111 密排方向：密排方向：7）原子密排面和密排方向）原子密排面和密排方向363HCP（見(jiàn)圖（見(jiàn)圖1.20，P11）3738394晶體中原子的堆垛方式晶體中原子的堆垛方式vFCC的密排面為（的密排面為（111）其堆垛方式是）其堆垛方式是ABCABC，見(jiàn)圖，見(jiàn)圖1-24，P13。40vHCP的密排面為（的密排面為（0001）其堆垛方式是）其堆垛方式是ABAB，見(jiàn)圖，見(jiàn)圖1-23，P12。 41三坐標(biāo)系 四軸坐標(biāo)系a1，a2，c a1，a2，a3

12、，c120 120 120 （h k i l ) i= -( h+k ) u v t w t= -( u+v )4243 如圖如圖1- 25、圖圖1-26 、圖、圖1-27 所示。由圖可清晰地判所示。由圖可清晰地判定間隙所處位置。按計(jì)算晶胞原子數(shù)的方定間隙所處位置。按計(jì)算晶胞原子數(shù)的方法可算出晶胞所包含的間隙數(shù)目。法可算出晶胞所包含的間隙數(shù)目。 5晶體結(jié)構(gòu)中的間隙晶體結(jié)構(gòu)中的間隙44間隙間隙: : 八面體和八面體和四面體間隙。四面體間隙。八面體間隙八面體間隙位于位于晶胞中每個(gè)面的晶胞中每個(gè)面的中心和每個(gè)棱的中心和每個(gè)棱的中心，數(shù)量為中心，數(shù)量為6 6。四面體間隙四面體間隙由兩由兩個(gè)體心原子和兩

13、個(gè)體心原子和兩個(gè)頂角原子所圍個(gè)頂角原子所圍成，數(shù)量為成，數(shù)量為1212。 454647v八面體間隙八面體間隙 間隙半徑的計(jì)算：間隙半徑的計(jì)算： 間隙半徑為頂點(diǎn)原子間隙半徑為頂點(diǎn)原子至間隙中心的距離減去至間隙中心的距離減去原子半徑原子半徑，原子中心到，原子中心到間隙中心的距離皆為間隙中心的距離皆為a/2a/2，所以，所以間隙半徑為間隙半徑為：aaa067. 0432/48四面體間隙四面體間隙間隙半徑的計(jì)算：間隙半徑的計(jì)算：體心立方晶格四面體間隙的體心立方晶格四面體間隙的棱邊長(zhǎng)度不全相等，為不對(duì)棱邊長(zhǎng)度不全相等，為不對(duì)稱(chēng)的間隙。稱(chēng)的間隙。間隙半徑為頂點(diǎn)間隙半徑為頂點(diǎn)原子至間隙中心的距離減去原子至間

14、隙中心的距離減去原子半徑原子半徑，原子中心到間隙，原子中心到間隙中心的距離皆為中心的距離皆為 ，所，所以以間隙半徑間隙半徑為：為： a45aaa126. 0434549（2）面心立方晶格間隙）面心立方晶格間隙50v八面體間隙八面體間隙 面心立方晶格的八面體間隙是由六個(gè)面的面心組面心立方晶格的八面體間隙是由六個(gè)面的面心組成的，屬于正八面體間隙。成的，屬于正八面體間隙。v間隙半徑的計(jì)算：間隙半徑的計(jì)算： 面心立方晶格八面體間隙屬于正八面體間隙，面心立方晶格八面體間隙屬于正八面體間隙，間間隙半徑為頂點(diǎn)原子至間隙中心的距離減去原子半隙半徑為頂點(diǎn)原子至間隙中心的距離減去原子半徑徑，原子中心到間隙中心的距離皆為，原子中心到間隙中心的距離皆為a/2a/2，原子，原子半徑為半徑為 ，所以，所以間隙半徑間隙半徑為：為： a42aaa146. 0422515253v正四面體間隙半徑的計(jì)算正四面體間隙半徑的計(jì)算：v面心立方晶格四面體間隙屬面心立方晶格四面體間隙屬于正四面體間隙，于正四面體間隙，間隙半徑間隙半徑為頂點(diǎn)原子至間隙中心的距為頂點(diǎn)原子至間隙中心的距離減去原子半徑離減去原子半徑，原子中心，原子中心到間隙中心的距離皆到間隙