材料科學基礎教程教案1

材料科學基礎教程主編：趙品等哈爾濱工業(yè)大學出版社講授人：王永忠電話程設置基礎課：材料科學基礎、材料結構與性能測試專業(yè)主干課：材料化學、材料物理、高分子化學與物理、材料化學實驗、高分子化學與物理實驗專業(yè)拓展課：材料科學導論、無機功能材料、高分子材料、無機材料合成化學、配位化學、高分子化學、專業(yè)英語、文獻查閱等緒論0-1材料在國民經濟中的重要地位與作用

材料是用來制造各種有用物件的物質。它是人類生存與發(fā)展、征服和改造自然的物質基礎，也是人類社會現(xiàn)代文明的重要支柱。因此史學家將人類發(fā)展分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代、水泥時代、鋼時代、硅時代和新材料時代。材料科學的發(fā)展及進步成為衡量一個國家科學技術發(fā)展的重要標準。材料科學的發(fā)展在國民經濟中占有極其重要的地位，因此，材料、能源、信息被譽為現(xiàn)代經濟發(fā)展的三大支柱。

鄧小平：科學技術是第一生產力。政治學家：生產力的進步是社會發(fā)展的根本原因，而勞動工具的發(fā)展是生產力進步的主要因素。材料學家：材料是時代進步的標志。材料是時代進步的標志認識工具材料制造工具使用工具TheIronAge----鐵合金TheStoneAge

-------硅酸鹽TheBronzeAge---銅合金材料的發(fā)展，時代的進步????Age----硅？碳？。。。石器時代青銅器時代鐵器時代認識材料制造工具使用工具工藝過程0-2材料觀成分組織結構性能用途

青銅器合金比例

◆銅：熔點高，1083℃，可塑性佳◆錫：熔點低，232℃◆85%Cu，15%Sn：熔點960℃，延展性增加，硬度增加，具光澤度0-2材料觀-----成分0-2材料觀-----結構宏觀結構微觀結構不同加工方法的工件組織與性能使用性能力學性能物理性能化學性能工藝性能0-2材料觀-----性能常用的加工工藝：常見的加工工藝：常見的加工工藝：常見的加工工藝：常見的加工工藝：典型塑性加工0-3材料的分類1.按材料的化學成分組成分類（1）金屬材料（黑色金屬、有色金屬）（2）無機非金屬材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷）天然高分子材料（蛋白、淀粉、纖維素）3）高分子材料人工合成高分子材料（合成橡膠、合成塑料、合成纖維）（4）復合材料2.按材料的使用性能分類（1）結構材料（2）功能材料0-4材料的發(fā)展歷史1.1808～1871年，研究并實現(xiàn)了金相分析的方法。2.1871～1903年，收集、分析及總結了大量實驗結果，導致了系統(tǒng)的理論研究3.1903～1945年，由研究合金相的平衡狀態(tài)過渡到從動力學角度研究相的變化。4.1946～現(xiàn)在，繼續(xù)向金屬材料因狀態(tài)不同導致性能差異的方向發(fā)展，進一步弄清相變和強化的機理，在更深的層次上研究結構與性能的關系。0-5材料科學的發(fā)展方向

精細化超高性能化高功能化復雜化（復合化、雜化）生態(tài)環(huán)境化智能化

材料科學是研究材料的化學成分、組織結構、加工工藝與性能之間關系及變化規(guī)律的一門科學。

材料科學基礎的任務是根據(jù)工程和科學技術發(fā)展的需要設計研制新型工程材料；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程中組織結構和性能變化的微觀機理，從中找出合宜的加工工藝、強化工藝和延壽措施；創(chuàng)新測試材料成分、組織結構和性能的方法，完善測試技術；合理地選擇和使用工程材料。

材料科學基礎包含緒論、材料的結構、晶體缺陷、純金屬的凝固、二元相圖、三元相圖、固體材料的變形與斷裂、回復與再結晶、擴散、固態(tài)相變（金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復合材料、功能材料）。0-6本課程的任務與內容0-7與其它課程的關系材料科學基礎”是以化學、物理、物理化學、材料力學、金屬工藝學和金工教學實習為基礎的課程，在學習時應聯(lián)系上述基礎課程的有關內容，以加深對本課程內容的理解。同時本課程是材料科學與工程的基礎，在今后學習有關專業(yè)課程時，還應經常聯(lián)系本書的有關內容，以便進一步掌握所學的知識。

第1章材料的結構1.1材料的結合方式1.1.1化學鍵

1.離子鍵

2.共價鍵

3.金屬鍵

4.范德華鍵

1.1.2工程材料的鍵性

共價鍵1.形成元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多數(shù)元素或電負性不大的原子相互結合時，原子間不產生電子的轉移，以共價電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實現(xiàn)結合。這種由公用電子對產生的結合鍵稱為共價鍵。2.特性方向性，飽和性，結合力很大3.具有共價鍵物質的特性共價晶體強度、硬度高，脆性大，熔點、沸點高，揮發(fā)性低。圖硅原子四個價鍵和硅的鍵角離子鍵1.形成當兩種電負性相差很大（如元素周期表相隔較遠的元素）的原子相互結合時，其中電負性較小的原子失去電子成為正離子，電負性較大的原子獲得電子成為負離子，正、負離子靠靜電引力結合在一起而形成的結合鍵。2.特性無方向性，無飽和性，結合力很大3.具有離子鍵物質的特性離子晶體的硬度高、強度大、熱膨脹系數(shù)小，但脆性大。離子晶體具有很好的絕緣性。因不吸收可見光，典型的離子晶體是無色透明的。金屬鍵

1.形成金屬原子結構的特點是外層電子少，原子容易失去其價電子而成為正離子。當金屬原子相互結合時，金屬原子的外層電子（價電子）就脫離原子，成為自由電子，為整個金屬原子所共有。這些公有化的自由電子在正離子之間自由運動形成所謂電子氣（或電子云）。這種由金屬正離子與電子氣之間相互作用而結合的方式稱為金屬鍵。2.具有共價鍵物質的特性①良好的導電性及導熱性。②正的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻增大。③良好的強度及塑性。④金屬不透明、具有金屬光澤（自由電子可吸收可見光的能量）。范德瓦爾鍵(范德華鍵)

1.形成有些物質的分子具有極性，其中分子的一部分帶有正電荷，而分子的另一部分帶有負電荷，一個分子的正電荷部位和另一分子的負電荷部位間，以微弱靜電引力相引，使之結合在一起稱為范德華鍵（或分子鍵）。2.特性結合力較弱3.具有共價鍵物質的特性硬度低、沸點低，絕緣性。工程材料的鍵性

實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合。如果以四種鍵為頂點作一個四面體，就可以把材料的結合鍵范圍示意地表示在這個四面體上，具體材料的鍵特性見圖。1.2晶體學基礎

1.2.1晶體與非晶體1.2.2空間點陣1.2.3晶向指數(shù)與晶面指數(shù)1.2.4晶體的晶體的極射赤面投影1.2.1晶體與非晶體1.晶體：物質的質點(分子、原子或離子)在三維空間作有規(guī)律的周期性重復排列所形成的物質叫晶體。2.非晶體：非晶體在整體上是無序的，但原子間也靠化學鍵結合在一起，所以在有限的小范圍內觀察還有一定規(guī)律，可將非晶體的這種結構稱為近程有序。3.

晶體的特征（1）周期性（不論沿晶體的哪個方向看去，總是相隔一定的距離就出現(xiàn)相同的原子或原子集團。這個距離稱為周期）液體和氣體都是非晶體。（2）有固定的凝固點和熔點（3）各向異性（沿著晶體的不同方向所測得的性能通常是不同的：晶體的導電性、導熱性、熱膨脹性、彈性、強度、光學性質）。1.2.2空間點陣

1.空間點陣：實際晶體中，質點在空間的排列方式是多種多樣的．為了便于研究晶體中原于、分子或離子的排列情況，近似地將晶體看成是無錯排的理想晶體，忽賂其物質性，抽象為規(guī)則排列于空間的無數(shù)幾何點。這些點代表原子(分子或離子)的中心，也可是彼此等同的原于或分子群的中心，各點的周圍環(huán)境相同。這種點的空間排列稱為空間點陣，簡稱點陣，這些點叫陣點。2.晶格：將陣點用一系列平行直線連接起來，構成一空間格架叫晶格。3.晶胞從點陣中取出一個仍能保持點陣特征的最基本單元叫晶胞。在空間點陣中，能代表空間點陣結構特點的是小平行六面體。整個空間點陣可由晶胞作三維的重復堆砌而構成。圖空間點陣晶胞的選取原則：

（1）晶胞幾何形狀能夠充分反映空間點陣的對稱性；（2）平行六面體內相等的棱和角的數(shù)目最多；（3）當棱間呈直角時，直角數(shù)目應最多；（4）滿足上述條件，晶胞體積應最小。圖晶格的選取

描述晶胞的六參數(shù)晶胞的尺寸和形狀可用點陣參數(shù)來描述，它包括晶胞的各邊長度和各邊之間的夾角。圖晶胞、晶軸和點陣參數(shù)14種空間點陣(布拉菲點陣)1.2.3晶向指數(shù)與晶面指數(shù)

1.晶向指數(shù)和標定2.晶面指數(shù)的標定3.晶面族與晶向族4.六方晶面及晶向的指數(shù)標定5.晶帶6.晶面間距

1.晶向指數(shù)和標定(1)以晶格中某結點為原點，取點陣常數(shù)為三坐標軸的單位長度，建立右旋坐標系,如圖。定出欲求晶向上任意兩個點的坐標。(2)“末”點坐標減去“始”點坐標，得到沿該坐標系各軸方向移動的點陣參數(shù)的數(shù)目。(3)將這三個值化成一組互質整數(shù)，加上一個方括號即為所求的晶向指數(shù)[uvw]，如有某一數(shù)為負值，則將負號標注在該數(shù)字上方。

2.晶面指數(shù)的標定(1)建立如前所述的參考坐標系，但原點應位于待定晶面之外，以避免出現(xiàn)零截距(2)找出待定晶面在三軸的截距，如果該晶面與某軸平行，則截距為無窮大。(3)取截距的倒數(shù)，將其化為一組互質的整數(shù)，加固括號．得到晶面指數(shù)(hkl)。注：立方系的晶面指數(shù)必垂直于晶向指數(shù)

3.晶面族與晶向族晶面族：晶面原子排列相同，面間距也相同，只是空間位向不同，用｛hkl｝表示。如｛110｝：（110），（011），（101），（110），（011），（101）晶向族：原子排列相同，空間位向不同的所有晶向，用〈hkl〉表示。立方系：{110}晶面族4.六方系晶面和晶向指數(shù)標定六方系晶面指數(shù)的標定（四軸制）六方晶系晶面指數(shù)的標定原理和方法同立方晶系中的一樣，從待標晶面在a1，a2，a3和c軸上的截距可求得相應的指數(shù)h，k，i，l，于是晶面指數(shù)可寫成(hkil)，也必有i=-(h+k)。圖六方晶系的一些晶向指數(shù)與晶面指數(shù)六方系晶向指數(shù)的標定：采用四軸坐標系，六方晶系晶向指數(shù)的標定方法如下：當晶向通過原點時，把晶向沿四個軸分解成四個分量，晶向OP可表示為：OP=ua1+va2+ta3+wC，晶向指數(shù)用[uvtw]表示，其中t=-(u+v)采用三軸坐標系時，C軸垂直底面，a1、a2軸在底面上，其夾角為120o，晶向在底面上的投影的終點分別作a1、a2軸的平行線得到U、V，從而得到[UVW]。采用三軸制雖然指數(shù)標定簡單，但原子排列相同的晶向本應屬于同一晶向族，其晶向指數(shù)的數(shù)字卻不盡相同。一般用四軸坐標系表示u＝[2U－V]v＝[2V－U]/3t＝[U＋V]/3w＝W行走法（1）將底面分成很多邊長相等的小等邊三角形（2）沿小等邊三角形的邊走，并要滿足u+v+t=0（3）麻煩，而且對一般的晶向，很難求出四指數(shù)[uvtw]2.解析法先求出待標晶向在a1，a2和c三個軸下的指數(shù)U，V，

W

（這比較容易求得），然后按公式算出四指數(shù)u，v，t，w

。5.晶帶

相交于某一晶向直線或平行于此直線的晶面構成一個晶帶，此直線稱為晶帶軸。立方系晶面（hkl）以[uvw]為晶帶軸必有Hu+kv+lw=0反之也成立。兩個不平行的晶面（h1k1l1）,(h2k2l2)的晶帶軸[uvw]可如下求得

6.晶面間距

對于不同的晶面族{hkl}其晶面間距也不同?？偟膩碚f，低指數(shù)晶面的面間距較大，高指數(shù)晶面的面間距較小、如圖所示。由晶面指數(shù)的定義、可用數(shù)學方法求出晶面間距，見公式。

1.3材料的晶體結構

1.3.1典型金屬的晶體結構1.3.2共價晶體的晶體結構1.3.3離子晶體的晶體結構1.3.4合金相結構

1.3.1典型金屬的晶體結構體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格原子排列特征晶格常數(shù)a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

a=b≠c，=1.633，α=β=90o，γ=120o

原子半徑r＝0.433ar=0.354ar=0.5a晶胞含原子數(shù)246配位數(shù)81212致密度0.680.740.74體心立方面心立方體心立方晶胞示意圖（bcc）（a）剛球模型；（b）質點模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖

面心立方晶胞示意圖(fcc)（a）剛球模型；（b）質點模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖

密排六方晶胞示意圖(hcp）（a）剛球模型；（b）質點模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖

1.晶胞中原子數(shù)體心立方面心立方密排六方2.原子半徑體心立方〈111〉面心立方﹛111﹜密排六方3.配位數(shù)與致密度配位數(shù)：指晶體結構中，與任一原子最近鄰并且等距離的原子數(shù)。致密度（K）是晶胞中原子所占的體積分數(shù)。

K=nv/Vn為晶胞原子數(shù)，v為原子體積，V為晶胞體積體心立方配位數(shù)為8BAOOAB[111]面心立方配位數(shù)為12密排六方配位數(shù)為124.晶體中原子的堆垛方式（等徑球）最緊密堆積有面心立方和密排立方，它們的最密排面原子排列情況完全相同，但堆垛方式不一樣

六方和立方最緊密堆積情況

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