材料科學基礎緒論第一章

材料科學基礎導論材料科學的重要地位工程材料的分類及性能特點材料性能與內部結構的關系材料制備和加工工藝對性能的影響本課程的任務課程的主要內容教學和考核方式2一、材料科學的重要地位

人類使用材料的7個時代的開始時間：公元前10萬年→石器時代公元前3000年→青銅器時代公元前1000年→鐵器時代公元0年→水泥時代1800年→鋼時代1950年→硅時代1990年→新材料時代：以人造為特征；為特定的需要設計和加工而成。3二、工程材料的分類及性能特點按使用性能分：結構材料：主要用其力學性能。功能材料：主要用其物理性能。按屬性分：金屬材料陶瓷材料高分子材料（復合材料）41、金屬材料使用量最大，使用面最廣。高強度，良好的延展性、導電性、導熱性。黑色金屬有色金屬52、陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷：由粘土、石英、長石等成分組成，用于建筑材料。新型結構陶瓷：Al2O3、SiC、Si3N4等成分。優(yōu)點:①重量輕；②壓縮強度高；③熔點高；④耐磨性好；⑤化學穩(wěn)定；⑥電、熱絕緣。但脆、不易成形63、高分子材料又稱聚合物。低密度，高彈性，絕緣性，低導熱，低強度，低彈性模量，易老化。按用途分：塑料合成纖維橡膠4、復合材料高比強度，高比模量，抗疲勞。塑料基金屬基陶瓷基75、功能材料電功能材料磁功能材料形狀記憶合金

。。。各種特殊的物理、化學性能。8三、材料性能與內部結構的關系各種材料的性能是由其內部結構決定的。內部結構分四個層次：原子結構結合鍵原子的排列方式（晶體和非晶體）顯微組織9四、材料的制備與加工工藝對性能的影響鋼材→零件：冶煉、澆鑄、軋制、鍛造、熱處理、表面處理液態(tài)→固態(tài)凝固：

發(fā)動機葉片：傳統(tǒng)為熔模鑄造，通常凝固葉片組織為任意取向小單晶；定向凝固為一定方向的柱狀晶，甚至單晶。工作溫度由850℃提高到1100℃。

研究各種材料的制備與加工工藝是材料工程類各專業(yè)的任務。10五、本課程的任務（什么是材料科學？）

是研究各種材料的結構、制備加工工藝與性能之間關系的科學。材料科學與工程四要素11六、課程的主要內容ⅠⅡ材料結構的基本知識材料中的晶體結構晶體缺陷材料的相結構及相圖材料的凝固高分子材料的結構固態(tài)擴散材料的變形與斷裂固體材料的電子結構與物理性能12七、教學和考核方式1、教學方式課堂講授課堂討論課堂練習課外作業(yè)考勤2、考核方式期末閉卷考試30%平時成績+70%期末成績13第一章材料結構的基本知識結構分4個層次：原子結構結合鍵原子的排列顯微組織14第一節(jié)原子結構一、原子的電子排列1、原子的核式結構原子由原子核及核外電子構成原子核：體積小，質量大，帶正電電子：質量可忽略，在一定軌道繞核旋轉，帶負電2、電子分布（1）4個量子數(shù)：①主量子數(shù)n

：電子能級的殼層序數(shù)。n=1,2,3,…7；②次量子數(shù)l(角量子數(shù)、軌道量子數(shù))：l=0,1,2,…,確定每一殼層的亞殼層數(shù)目(spdf)15③磁量子數(shù)m：確定每一亞殼層中空間取向不同的軌道數(shù)目。m=0,±1，±2，…,軌道空間取向（spdf→1357）④自旋量子數(shù)ms

：確定每一軌道中能容納的電子數(shù)目。ms=+1/2,-1/2各殼層能夠容納的電子總數(shù)：2n2(n-主量子數(shù))16（2）兩個基本原理：①泡利不相容原理；一個原子中不可能存在有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子。②最低能量原理：電子總是優(yōu)先占據能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。（3）能級的重疊相鄰主殼層的能量范圍有重疊17例題

：寫出原子序數(shù)為11的鈉原子及原子序數(shù)解：

Na:1s22s22p63s1

Ca:1s22s22p63s23p64s23、原子的活潑程度主要取決于外殼層（S層和P層）填滿與否例如：為20的鈣原子的電子分布

He：1s2

Ne：…2s22p6

Ar：…3s23p6

Kr：…4s23d104p6

Xe：…5s24d105p6Rn：…6s24f145d106p6

Na：…3s118二、元素周期表及性能的周期性變化191、周期對應于電子主殼層2、同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)和相似的化學性質3、過渡族元素具有未滿的內殼層和典型的金屬性4、ⅠB族和ⅡB族的內殼層填滿，ⅠA族和ⅡA族的內殼層未滿，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和ⅡA族活潑例如：Cu：…3p63d104s1K：…3p64s1205、電負性呈周期性變化：同周期自左至右逐漸增強，同族自上而下逐漸減弱21第二節(jié)原子的結合鍵一次鍵二次鍵混合鍵結合鍵的本質及原子間距結合鍵與性能22按結合力強弱分：一次鍵：通過電子的轉移或共享使原子結合的結合鍵．包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵，結合力較強．二次鍵：通過偶極吸引力使原子結合的結合鍵．包括氫鍵、范德瓦爾斯鍵，結合力較弱．一、一次鍵1、離子鍵通過正負離子間相互吸引力

使原子結合的結合鍵．

23例如：NaCl,MgO對于NaCl：Na：1S22S22P63S1Cl：1S22S22P63S23P5Na原子失去一個外層電子，變成正離子，帶正電Cl原子得到一個外層電子，變成負離子，帶負電24252、共價鍵通過共用電子對使原子結合的結合鍵．例如，金剛石…26(1)具有方向性和結構穩(wěn)定性．金剛石109.5°(2)8-N定律—一個原子周圍的共用電子對的數(shù)目，其中，Ｎ為原子的價電子數(shù)ⅣA族，4個共用電子對，空間網絡狀結構ⅤA族，3個共用電子對，空間層狀結構ⅥA族，2個共用電子對，空間鏈狀結構273、金屬鍵通過正離子與自由電子之間相互吸引力使原子結合的結合鍵。價電子脫離原子成為“電子氣”，正離子整齊地排列在“電子氣”的海洋中．金屬具有高的密度，良好的塑性，導電，導熱，固態(tài)溶解28二、二次鍵1、范德瓦耳斯鍵具有穩(wěn)定電子結構的原子或分子通過電偶極矩相互吸引而結合的結合鍵。如石蠟、塑料…292、氫鍵含氫的分子具有極性，與另一個具有較強電負性的原子通過氫離子而結合的結合鍵。如冰…

X-H--YX-H:離子鍵H--Y：氫鍵30三、混合鍵

大部分材料的內部原子結合鍵往往是各種鍵的混合。1、一次鍵混合（1）共價鍵與金屬鍵混合如ⅣA族中，

CSiGeSnPb共價鍵共價鍵＋金屬鍵金屬鍵再如，過渡族元素，有時會出現(xiàn)少量共價鍵31（2）金屬鍵與離子鍵混合如金屬間化合物中（3）共價鍵與離子鍵混合如陶瓷化合物中AB化合物中離子鍵的比例取決于組成元素的電負性差，差越大，離子鍵比例越高：

XA,XB–A,B的電負性數(shù)值。（表1-2，P17）32例題:

計算化合物(1)MgO、(2)GaAs中離子鍵結合的比例．解：(1)MgO查電負性表得XMg

=1.31,XO

=3.44代入公式得,離子鍵結合比例＝68%(2)GaAs查電負性表得,XGa

=1.81,XAs

=2.18代入公式得,離子鍵結合比例＝4%33由表可見，A、B原子間的電負性差越大，所形成的AB化合物中離子鍵結合的比例越高342、一次鍵與二次鍵混合例如：石墨:片層中為共價鍵,片層間

為范德瓦爾斯鍵高分子:分子鏈中為共價鍵,鏈

與鏈之間為二次鍵35四、結合鍵的本質及原子間距1、結合鍵的本質

—結合鍵的強弱反映了原子或分子間結合時互作用能降低的程度．離子鍵、共價鍵最強，金屬鍵次之，氫鍵再次之，范德瓦爾斯鍵最弱。362、原子間的互作用力及結合能（1）雙原子模型固體原子間總存在著

兩種力：吸引力、排斥力引力與斥力相等時，

r0稱原子間距。平衡距離下的作用能定義為原子的結合能Ｅ0結合能越大，原子結合越穩(wěn)定。37（2）原子結合能的實驗測定及理論計算實驗測定原理

測定固體的蒸發(fā)熱理論計算(自學P24例題)五、結合鍵與性能1、對物理性能的影響1)熔點：共價鍵、離子鍵的最高，高分子材料

的最低．2)密度：金屬鍵的最高，共價鍵、離子鍵的較

低，高分子材料的最低．3)導電導熱性：金屬鍵最好，共價鍵、離子鍵最差。382、對力學性能的影響（1）強度：結合鍵強，則強度也高，但還受組織的影響．（2）塑韌性：金屬鍵最好，共價鍵、離子鍵最低.（3）彈性模量：共價鍵、離子鍵最高，金屬鍵次之，二次鍵最低39第三節(jié)原子排列方式晶體與非晶體原子排列的研究方法一、晶體與非晶體1、晶體

原子(原子團或分子)在空間有規(guī)則的周期性重復排列的固體。

一般情況下，金屬、大多數(shù)陶瓷、少數(shù)高分子材料為晶體。40非晶體：

排列無序，不存在長程的周期規(guī)則排列。二氧化硅結構示意圖a)晶體b)非晶體412、結晶過程晶核形成晶核長大423、晶體與非晶體性能的主要差別晶體：

有確定熔點

單晶體各向異性

多晶體各向同性非晶體：

無確定熔點

各向同性43二、原子排列的研究方法X射線或電子束衍射原理布拉格定律：

根據衍射分布圖，可分析晶體中原子排列的特征（排列方式、原子面間距等）44第四節(jié)晶體材料的組織1、結晶過程及多晶組織452、材料的組織各種晶粒的組合特征。即各種晶粒的相對量、尺寸大小、形狀及分布等特征。

組織是影響材料性能的極為敏感而重要的結構因素。463、組織的顯示與觀察宏觀組織：肉眼能觀察顯微組織：用金相顯微鏡或電子顯微鏡才能看到。磨光→拋光→浸蝕→顯微鏡下觀察：474、單相與多相組織（1）單相組織

所有晶粒的化學組成相同，晶體結構也相同。

描述單相組織特征的主要用晶粒尺寸及形狀。（2）多相組織兩相以上的晶體材料，各個相具有不同的成分和晶體結構。兩相例子：48第五節(jié)材料的穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結構穩(wěn)態(tài)結構（平衡態(tài)結構）

能量最低的結構。亞穩(wěn)態(tài)結構

能量相對較高的結構。材料最終得到什么結構，必須綜合考慮結構形成的熱力學條件和動力學條件。1、熱力學條件

結構形成時必須沿著能量降低的方向進行，或者說結構轉變必須存在一個推動力。49等溫等容過程：亥姆霍茲自由能變化，自發(fā)過程等溫等壓過程：吉布斯自由能變化，