四川大學(xué)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)期中總結(jié)

材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)SichuanUniversityFundamentalsofMaterialsScienceandEngineering主講教師：冉起超四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院期中總結(jié)2016.5.6第一、二章總結(jié)（共五講，15學(xué)時）材料？用來制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)

具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質(zhì)。材料分類？---組成

金屬材料

無機(jī)非金屬材料

有機(jī)高分子材料

復(fù)合材料材料科學(xué)與工程？1960關(guān)于材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝與其性能及使用過程間相互關(guān)系的知識開發(fā)及應(yīng)用的科學(xué)PerformancePropertiesSynthesisandProcessingCompositionsandStructures四要素第二章共性第三章個性第四章第五章各章材料科學(xué)與工程學(xué)科？

1960材料結(jié)構(gòu)？：是影響材料性能的基本因素，隨化學(xué)組成及外界條件改變第二章材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

第三章組成與結(jié)構(gòu)

四個層次：

宏觀組織結(jié)構(gòu)：＞10-4m肉眼可見復(fù)合材料

顯微組織結(jié)構(gòu)：10-4~10-8m顯微鏡觀察相、形態(tài)

原子或分子排列結(jié)構(gòu)：10-10m排列方式

原子中的電子結(jié)構(gòu)：

10-13m狀態(tài)、相互作用材料----原子---原子核+電子原子的性質(zhì)--電子----數(shù)量+狀態(tài)量子化、幾率分布(電子云)、四個量子數(shù)、能級、價電子原子間相互作用------電子交換的方式和程度（鍵合方式）距離、結(jié)合強(qiáng)度、

空間排布方式，配位數(shù)（一）原子中的電子結(jié)構(gòu)多原子體系中電子的相互作用-----有機(jī)分子、金屬、固體原子雜化軌道，分子軌道

費(fèi)米能級，能帶probabilitydistributionorelectroncloud.Figure2.3bothwavelikeandparticle-likecharacteristics.波-粒軌道非固定，幾率最大的分布構(gòu)成電子云層。

Wave-mechanicalmodel電子的填充及能級泡利不相容原理能量最低原則洪特規(guī)則四個量子數(shù)，電子云，價電子，穩(wěn)定性結(jié)合方式：基本結(jié)合：離子鍵、金屬鍵、共價鍵派生結(jié)合：分子間作用力、氫鍵原子之間的相互作用和結(jié)合

要點(diǎn)電子交換的方式和程度相互作用的飽和性和方向性

孤立原子（非鍵合）的半徑——范氏半徑

結(jié)合原子：原子間作用方式和作用力的不同，a，不同，半徑不同

(a)金屬半徑：金屬鍵結(jié)合的原子距離的一半：a，/2

(b)離子半徑：a，=r++R-

原子半徑和離子半徑元素金屬原子離子共價鍵CN半徑(nm)價

CN半徑(nm）)

鍵長/2（nm）碳

單鍵雙鍵三鍵0．0770．0650．06硅

4+6

4+40．0420．038

單鍵

0．117氧

2-8

2-6

2-40.0420.0380.444

單鍵雙鍵

0.0750.065氯

2-2

1-8

1-60.1400.1270.181

單鍵

0．099鈉80.01875

1+60.097

鎂120.161

2+60.066

鋁120.1431

3+6

3+40.0540.046

鐵8120.12410.127

2+6

3+60.0740.064

銅120.1278

1+60.096

配位數(shù)：

①共價，一個原子的共價鍵數(shù)取決于原子的價電子數(shù)目

②原子的有效堆積，體積大小，離子電荷量鍵長：

①金屬鍵和離子鍵：無方向性，無鍵長，三維空間（集體效

應(yīng)），體積和電荷

②

共價鍵：有方向性(和飽和性)，鍵長為相連原子間的距離，

共價半徑之和。鍵能：

化學(xué)鍵>物理鍵（分子鍵）化學(xué)鍵中:共價鍵≈離子鍵>金屬鍵有序結(jié)構(gòu)

晶體：原子(團(tuán))沿三維空間呈周期性長程有序

(longrangeorder)排列的固體物質(zhì)（金屬，大多陶瓷

及一些聚合物）。（二）原子或分子排列結(jié)構(gòu)無序結(jié)構(gòu)

晶體：缺陷（點(diǎn)、線、面、體）和固溶體（合金）非晶體：原子(團(tuán))無周期性長程有序排列的物質(zhì)（多數(shù)聚合物、

玻璃等）。晶體結(jié)構(gòu)特征：有序性和對稱性對稱元素：

a．對稱中心（點(diǎn)）——反演（倒反）操作

b．旋轉(zhuǎn)軸——旋轉(zhuǎn)操作、可旋360°/n，n（軸次）:僅1，2，3，4，6

c．鏡面——反映操作

d．反軸——旋轉(zhuǎn)反演操作（旋轉(zhuǎn)與反演的復(fù)合）軸次同旋轉(zhuǎn)軸

e．平移對稱——點(diǎn)陣(Lattice）——平移操作（平移軸）

f.螺旋軸——旋轉(zhuǎn)平移操作（旋轉(zhuǎn)與平移的復(fù)合）

g．滑移面——平（滑）移反映操作（反映與平移的復(fù)合）晶胞、晶系和空間點(diǎn)陣型式

晶胞(UnitCell)：代表晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本重復(fù)單位

（平行六面體）

晶胞的基本要素：A．大小和形狀；B．各原子坐標(biāo)位置

晶格常數(shù)

(Latticeparameters):晶軸上晶胞三個邊的長度

a

,b,c

和其夾角α,β,γ

7個晶系(點(diǎn)陣常數(shù)+對稱性），14種空間點(diǎn)陣型式（晶系+點(diǎn)陣）

晶胞定位：原點(diǎn)（0,0,0），點(diǎn)的位置（x,y,z）分?jǐn)?shù)坐標(biāo):x，y，z≤1點(diǎn)在晶胞內(nèi),無符號

晶向：是原點(diǎn)出發(fā)通過某點(diǎn)的射線（或過若干結(jié)點(diǎn)的直線方向）晶向指數(shù)：用晶胞各軸上投影的最低整

數(shù)標(biāo)明，

[uvw]、〈uvw〉族晶面：晶體內(nèi)的陣點(diǎn)（組成的）平面晶面組：晶體所有陣點(diǎn)被劃成平行等距的一組晶面晶面指數(shù)：晶面在三個晶軸上的截距倒數(shù)，最小整數(shù)。

（hkl）、{hkl}族晶面間距(dhkl)

：晶面組中最近兩晶面間的距離

金屬晶體

金屬鍵；無方向性；原子呈圓球狀密堆積

最緊密堆積體心立方面心立方密排六方結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)類型

體心立方（bcc）

面心立方（fcc）

密排六方（hcp）點(diǎn)陣類型體心立方面心立方簡單六方點(diǎn)陣常數(shù)a（4R/√3）a（4R/√2）a，c，c/a=1．633(2R)最近的原子間距（原子直徑）晶胞中原子數(shù)6配位數(shù)81212致密度0.74典型金屬結(jié)構(gòu)晶體學(xué)特點(diǎn)2間隙

四面體間隙(Tetrahedralposition)

八面體間隙（Octahedralposition）晶胞類型四面體間隙八面體間隙配位數(shù)數(shù)量間隙大小配位數(shù)數(shù)量大小面心立方(密排六方)48(12)0.225R64(6)0.414R體心立方4120.291R66〈001〉方向0.154R〈110〉方向0.633R表2-13面心立方、密排六方與體心立方晶胞中的間隙

離子晶體：離子鍵，無方向性。正離子周圍配位多個負(fù)離子，離子的堆積受鄰近質(zhì)點(diǎn)異號電荷及化學(xué)量比限制，堆積形式?jīng)Q定于正負(fù)離子的電荷數(shù)和相對大小。Section3.6（等電荷時，負(fù)離子密堆）正、負(fù)離子半徑比越大，配位（負(fù)離子）數(shù)越高多由非金屬元素組成(Ⅳ—ⅥA族)共價晶體的配位數(shù)為（8－N）共價晶體

分子晶體

:

組元為分子；范氏力和氫鍵.若僅有范氏力：無方向性、飽和性、趨于密堆，常還受分子非球性及永久偶極相互作用影響，有氫鍵時：有方向性、飽和性，堆積密度低。從分子排列的有序性分：

A.絲狀相（向列相nematic）分子具長程取向有序，質(zhì)心無長程有序B.螺旋狀相（膽甾相cholesteric）螺旋式改變?nèi)∠蚍较虻慕z狀相

液晶C.層狀相（近晶相smectic）二維有序更接近晶體（質(zhì)心仍

無遠(yuǎn)程有序），排列呈層狀結(jié)構(gòu)。晶體中的無序缺陷：點(diǎn)：金屬---空位、間隙原子

離子---肖基特、弗蘭克爾線：棱位錯壓力

螺旋位錯剪切力面：體；固溶體：合金---兩種組份及以上置換型間隙型非化學(xué)計(jì)量化合物（離子）EF⊥BB’AD∥B’B非晶體：結(jié)構(gòu)在體積范圍內(nèi)缺乏重復(fù)性的材料（非晶型、無定形amorphous）

無平移對稱，無長程有序（短程有序），原子位置排布完全無周期性，具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

硬球密亂堆垛，共價無規(guī)網(wǎng)絡(luò)

分布函數(shù)：

徑向分布函數(shù)：J(r)=4πr2ρ(r)可求兩個參數(shù)：

配位數(shù)：第一峰面積

原子間距：峰位置統(tǒng)計(jì)學(xué)，描述非晶體和晶體雙體分布函數(shù)：以某原子為原點(diǎn)，距離r處找到另一原子的幾率

g(r)=ρ(r)/ρ0

ρ(r)

為r處原子的數(shù)目密度；

ρ0為整個樣品的平均原子數(shù)密度Nv=Nexp(-)Qv

kT

空位數(shù)Nv與溫度和空位形成能有關(guān)。擴(kuò)散系數(shù)與溫度和擴(kuò)散激活能相關(guān)：D=Doe–Q/RTFick第一定律（穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散）：

Jx=-DΔc/Δx

Jx

：擴(kuò)散通量

金屬晶體體積擴(kuò)散與t無關(guān)1.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

晶體結(jié)構(gòu)變化所有晶體材料外界條件變化固體中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變熱力學(xué)和動力學(xué)因素2.非晶態(tài)的晶化

有序程度變化所有結(jié)晶性的材料

3.結(jié)構(gòu)弛豫

有序程度變化

弛豫：偏離了原平衡態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的體系回復(fù)到原狀態(tài)的過程。

高分子與時間相關(guān)4.相分離

多組元體系分離成不同組份和結(jié)構(gòu)的幾相化學(xué)成分變化所有多組分材料晶體、非晶體拐點(diǎn)分解Spinodal△GN

－△Gn

＜0△GM

－△Gm

＞

0機(jī)制：自發(fā)

形核和生長

（三）顯微組織結(jié)構(gòu)

（相形態(tài)結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu)類型有序與無序程度化學(xué)組成差異相：物理化學(xué)性質(zhì)相同、完全均勻、可含多種物質(zhì)相圖：多相系統(tǒng)平衡狀態(tài)與其影響變數(shù)的關(guān)系圖。二元相圖：

勻晶

共晶

共析包晶

杠桿法則（LeverRule）：

QL/QS=l(cb)/l(ac)SFigure10.2QL

=l(cb)/l(ab)Qs

=l(ac)/l(ab)表面力和表面力場固體內(nèi)部：質(zhì)點(diǎn)受到周圍質(zhì)點(diǎn)的控制，靜力平衡，存在力場，力場對稱。固體表面：周期性重復(fù)中斷，力場對稱性破壞，產(chǎn)生指向空間的剩余力場。表面張力

：擴(kuò)張表面時單位長度上所需要的力；單位N/m表面能：增加單位面積的表面所需要做的功；單位J/m2

大小與物質(zhì)原有的鍵合方式相關(guān)固體表面結(jié)構(gòu)：微觀質(zhì)點(diǎn)排列狀態(tài)——原子、分子

表面幾何形態(tài)——顯微結(jié)構(gòu)排列狀態(tài)：

原子密堆，離子極化和位移，雜質(zhì)遷移降低表面能吸附——?dú)怏w-潤濕——液體-固體固體表面特性接觸角

：三相交界處，自固液界

面經(jīng)液體內(nèi)部至液氣界面的夾角

潤濕方程：

SG-SL=LGcos

粘附——固體-固體粘附功：分開單位面積粘附表面所

需要的功或能

WAB=A+B-AB3-1金屬材料金屬原子的電子結(jié)構(gòu)與其晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的關(guān)系(應(yīng)用2-5-1中的公式計(jì)算不同金屬晶體的有關(guān)參量)金屬合金的三種結(jié)構(gòu)類型的特點(diǎn)鐵碳合金相圖中點(diǎn)、線、區(qū)域的物理意義、微相結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及隨溫度和C含量的變化規(guī)律銅的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非晶態(tài)合金的三T圖金屬再結(jié)晶的物理意義及T、t、l的影響金屬原子的電子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)有何關(guān)系？金屬晶體結(jié)構(gòu)（CrystalStructuresofMetals）（a）隨溫度變化（b）室溫下有三種：

體心立方結(jié)構(gòu)面心立方密堆六方較高強(qiáng)度、硬度和熔具有良好塑性強(qiáng)度低，塑點(diǎn)但塑性和韌性差和韌性性和韌性差

Li,Na,K(S1)Au,Ag,Cu(d10s1)Mg,Ti,Zr(d2s2)Cr,Mo,W(d5s1)Ni,Pd,Pt(d8s2)

合金材料的組成與結(jié)構(gòu)（1）固溶體

取代型，間隙型（2）金屬間化合物

正常價化合物、電子化合物、間隙化合物（3）機(jī)械混合物

奧氏體

austenite

碳溶解在鐵中的固溶體，C%2.11%（1148℃）

鐵素體

ferrite

碳溶解在鐵中的固溶體，C%0.02%（727℃）

滲碳體

cementite

鐵和碳以化合物形態(tài)出現(xiàn)的碳化鐵C%=6.67%

珠光體

pearlitic

鐵素體和滲碳體二者組成的共析混合物,727℃

萊氏體奧氏體和滲碳體的共晶混合物,1148℃

馬氏體

Martensite

鋼和鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急冷（淬火），得到碳在鐵中的過飽和固溶體鐵碳合金的基本組織（texture）：5個單相區(qū)7個兩相區(qū)三條水平線三條特征線(1)鐵-滲碳體相圖L5個單相區(qū)7個兩相區(qū)三條水平線三條特征線L5個單相區(qū)7個兩相區(qū)三條水平線三條特征線L5個單相區(qū)7個兩相區(qū)三條水平線三條特征線(2)典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析（1）共析鋼

eutectoidsteel0.77%C（2）亞共析鋼hypoeutectoidsteel0.0218~0.77%C（3）過共析鋼

hypereutectoidsteel0.77~2.11%C（4）共晶白口鑄鐵eutecticcastiron4.3%C（5）亞共晶白口鑄鐵

hypoeutecticcastiron2.11~4.3%C（6）過共晶白口鑄鐵hypereutecticcastiron

4.3~6.67%C快速淬火技術(shù)（過冷）。TTT曲線（TimeTemperatureTransition）越過C曲線的頂部即可得到非晶體。

Tm-Tn

臨界冷卻速率

Rc=--------------τn

熔化溫度ΔTg=Tm-TgΔTg↓形成非晶的趨向愈大過渡金屬、貴金屬、類金屬的合金低的冷卻速率是易于制備非晶的有利條件主要特點(diǎn)：高硬度和強(qiáng)度，延伸率低但不脆，很好的軟磁性和優(yōu)越耐腐蝕性。Tn3-2-5

非晶態(tài)合金（Noncrystallinemetallicalloy）3-2無機(jī)非金屬組成和結(jié)合鍵性質(zhì)簡單晶體的結(jié)構(gòu)類型：AX,AmXp,AmBnXp密度計(jì)算典型晶體：單晶硅、NaCl,CsCl,ZnS,鈣鈦礦、尖晶石硅酸鹽的五種晶體結(jié)構(gòu)、橋氧原子和非橋氧原子玻璃的組成、特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)凝膠與陶瓷的組成與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)碳黑、石墨、金剛石、C60碳納米管的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)單晶硅

silicon

sp3雜化，

8個原子幾種典型晶體結(jié)構(gòu)?面心立方四面體間隙立方晶系，共價晶體2.氯化鈉與氯化銫

AXSodiumchloride(Rocksalt)andCesiumchloride

正負(fù)離子半徑比配位數(shù)

Na+/Cl-0.5246正八面體配位

Cs+/Cl-0.9338立方體配位立方晶系，離子晶體面心立方原子數(shù)面心立方八面體數(shù)3.氟化鈣

CalciumFluorite(CaF2)AmXpF原子數(shù):8×1/8+6×1/2+12×1/4+1=8立方晶系，離子晶體Si原子數(shù):4Figure3.7極性共價鍵Zn-S（1.6-2.5）[ZnS4]4-

AX-TYPE

4.面心立方ZnS和六方ZnS共價晶體S配位數(shù)4、位于面心、立方點(diǎn)上Zn配位數(shù)4、位于四面體間隙面心立方ZnS六方ZnSS和Zn兩套密排六方，a,b軸重合，c軸錯位3/83/85.鈣鈦礦晶體CaTiO3

AmBnXp-TYPE

位于八面體間隙

[TiO6]8-八面體

Ti4+八面體中心立方晶系

Ca2+

立方體頂角配位數(shù)12O2-

面心配位數(shù)6Ti4+體心配位數(shù)6O2-

面心立方密堆

立方晶系

A2+

填充在四面體間隙

B3+

填充在八面體間隙單位晶胞包含8個分子，A8B16O32形成

64個四面體空隙、填充率1/8

32個八面體空隙、填充率1/2

A塊中A2+填充1/4的四面體間隙共2個、4*2=8

B塊中B3+填充八面體間隙共4個、4*4=16(棱、心）

共棱小塊的結(jié)構(gòu)相同，

共面小塊的結(jié)構(gòu)不同6．尖晶石型晶體(MgAl2O4—AB2O4)

立方晶系，離子晶體n’thenumberofformulaunits1withintheunitcellAC

thesumoftheatomicweightsofallcationsintheformulaunitAA

thesumoftheatomicweightsofallanionsintheformulaunitVC

theunitcellvolumeNA

Avogadro’snumber,6.023×1023formulaunits/molCalculationofDensity3-3-3

硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)

SilicateCrystallineStructures基本結(jié)構(gòu)單元：[SiO4]四面體。Si4+中心，O2-頂點(diǎn)；[SiO4]每個頂點(diǎn)，即O2-最多為兩個[SiO4]所共用；兩相鄰[SiO4]之間共頂、共棱不能共面連接；[SiO4]中心Si4+可部分被Al3+

所取代.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Silicon-OxygenTetrahedron高砱土

kaoliniteclay網(wǎng)絡(luò)外體氧化物和中間體氧化物對玻璃結(jié)構(gòu)的影響網(wǎng)體氧化物：SiO2,B2O3,P2O5,GeO網(wǎng)體外氧化物：Na2O,K2O,CaO,BaO中間體氧化物：MgO,ZnO,Al2O33-3-4

無機(jī)非金屬材料的非晶體結(jié)構(gòu)（NoncrystallineStructure------Amorphous）

X+Y=ZX+Y/2=RX=2R-ZY=2Z-2RX非橋氧Y橋氧Z氧R氧硅比石英玻璃Y=4（Y—結(jié)構(gòu)參數(shù)—橋氧原子的平均數(shù)）硅酸鹽玻璃Y≥2

SiO2%升高，共價鍵成分增多，膨脹系數(shù)降低—耐熱玻璃結(jié)構(gòu)參數(shù)Y對玻璃性質(zhì)的影響玻璃組成Y值熔融溫度，℃膨脹系數(shù)107Na2O.2SiO231523146P2O531573140Na2O.SiO221323220Na2O.P2O5213732203-3高分子（側(cè)重與金屬和無機(jī)非金屬材料對照）高分子材料結(jié)構(gòu)的多層次性概貌大分子鏈的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)大分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)、柔性和構(gòu)象