第二章-材料學(xué)綱要課件

材料科學(xué)與工程導(dǎo)論主講人：黃艷琴南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2011年11月17日1.材料科學(xué)與工程的核心問(wèn)題材料科學(xué)與工程的核心問(wèn)題是揭示材料成分-結(jié)構(gòu)-工藝-性能的關(guān)系。材料的性能是材料研究的出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)。材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)是影響材料性能的直接因素。加工過(guò)程通過(guò)改變材料的組織結(jié)構(gòu)影響性能。下圖為材料科學(xué)與工程四要素：

材料性能化學(xué)成分組織結(jié)構(gòu)制備加工2.第二章材料學(xué)綱要一、材料的成分與組織結(jié)構(gòu)3.鑄鐵（含碳量2.11﹪～4%）錳鋼（增加強(qiáng)度和韌性）碳鋼（含碳量0.3﹪～2.11%）不銹鋼（Cr18%,Ni8%，提高耐腐蝕和抗氧化性）材料的化學(xué)成分

指組成材料的元素種類及其含量，通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。

4.質(zhì)譜儀：可測(cè)量分子的分子量。根據(jù)帶電粒子在電磁場(chǎng)中能夠偏轉(zhuǎn)的原理，按物質(zhì)分子碎片的質(zhì)量差異進(jìn)行分離和檢測(cè)物質(zhì)組成的一類儀器。質(zhì)譜儀以離子源、質(zhì)量分析器和離子檢測(cè)器為核心。

用于材料成分結(jié)構(gòu)檢測(cè)的儀器元素分析儀：根據(jù)被測(cè)樣品在燃燒后得到的二氧化碳、水和氮?dú)夂慷繙y(cè)量樣品中的碳、氫、氮等元素的含量。

5.核磁共振儀：將被檢測(cè)物置于特殊的磁場(chǎng)中，用無(wú)線電射頻脈沖激發(fā)氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號(hào)，并將吸收的能量釋放出來(lái)，被接受器收錄，經(jīng)電子計(jì)算機(jī)處理獲得圖像。用于材料成分結(jié)構(gòu)檢測(cè)的儀器6.材料結(jié)構(gòu)關(guān)系

材料的結(jié)構(gòu)包括：原子結(jié)構(gòu)、原子排列的方式（晶體和非晶體）、結(jié)構(gòu)缺陷、相結(jié)構(gòu)、顯微組織（顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)）等。哪些主要因素能夠影響和改變結(jié)構(gòu)？只有了解了這些才能實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的目的。7.材料科學(xué)誕生的理論基礎(chǔ)相平衡原子和晶體學(xué)說(shuō)顯微組織研究8.1、顯微組織眼見(jiàn)為實(shí)：一個(gè)證據(jù)的可見(jiàn)性質(zhì)要比任何理論具有更高的價(jià)值

鋼錠緩慢冷卻凝固時(shí)得到的長(zhǎng)柱狀晶粒（宏觀組織）：鋼錠快速冷卻凝固時(shí)得到的細(xì)小晶粒（顯微組織）：宏觀組織顯微組織顯微技術(shù)的進(jìn)步：

顯微鏡發(fā)展至今可以說(shuō)是有了三代顯微鏡。這也使得人們對(duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，從微米級(jí)，亞微米級(jí)發(fā)展到納米級(jí)乃至原子分辨率。9.光學(xué)顯微鏡

1830年代后期，由M.Schleide和T.Schmann所發(fā)明；它使人類“看”到了致病的細(xì)菌、微生物和微米級(jí)的微小物體，對(duì)社會(huì)的發(fā)展起了巨大的促進(jìn)作用，至今仍是主要的顯微工具。但光學(xué)顯微鏡分辨率取決于光的波長(zhǎng)，因此受到可見(jiàn)光波長(zhǎng)的限制。10.電子顯微鏡1924年，德布羅意發(fā)現(xiàn)單能量的電子束具有波的特性，幾千伏的加速電壓得到的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光小許多，可用于成像，提高分辨率；后來(lái)發(fā)現(xiàn)電子束可被x射線衍射，證實(shí)了德布羅意的理論。20世紀(jì)三十年代，盧斯卡（E.Ruska）發(fā)明了電子顯微鏡，使人類能“看”到病毒等亞微米的物體，它與光學(xué)顯微鏡一起成了微電子技術(shù)的基本工具。11.掃描探針顯微鏡也可稱為納米顯微鏡。1981年，IBMZurich實(shí)驗(yàn)室的比尼格和羅勒發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope,簡(jiǎn)稱STM)，使人類實(shí)現(xiàn)了觀察單個(gè)原子的原望；1985年比尼格應(yīng)奎特（C.F.Quate）發(fā)明了可適用于非導(dǎo)電樣品的原子力顯微鏡（AFM），也具有原子分辨率，與掃描隧道顯微鏡一起構(gòu)建了掃描探針顯微鏡（SPM）系列。GerdBinnigHeinrichRohrer12.掃描隧道顯微鏡的原理1、隧道電流根據(jù)量子力學(xué)中電子的隧道效應(yīng)，金屬中電子云密度并不在表面邊界處突變?yōu)榱?。在金屬表面以外，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減長(zhǎng)度約為1nm。用一個(gè)極細(xì)的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)（稱為樣品）的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品表面與針尖非常靠近（距離＜1nm）時(shí)，兩者的電子云略有重疊。這樣，通過(guò)電子云的電子流就會(huì)在表面和探針間的距離變化極為靈敏。

金屬表面與針尖的電子云圖13.2、樣品表面的掃描隧道電流I對(duì)針尖與樣品表面之間的距離S極為敏感，如果S減小0.1nm，隧道電流就會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)針尖在樣品表面上方掃描時(shí)，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過(guò)其隧道電流顯示出來(lái)。借助于電子儀器和計(jì)算機(jī)的反饋，在屏幕上即顯示出樣品表面的高分辨率三維圖像。3、STM的工作模式金薄膜的掃描照片14.2、相平衡相的定義：在相同的溫度、壓力和成分條件下，系統(tǒng)中單個(gè)均勻部分稱為相；相是空間區(qū)域均勻的部分，原則上它們可以與系統(tǒng)中其它相機(jī)械的分離出來(lái)；一個(gè)相與系統(tǒng)中的其它部分有清晰的界限；可以含有一種或多種化學(xué)組元，在系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，相的成分是均勻的。相變：

外界條件發(fā)生變化的過(guò)程中，物相于某一特定條件下（臨界值）時(shí)發(fā)生突變。從一種結(jié)構(gòu)變成另一種結(jié)構(gòu)，如氣、液、固相的轉(zhuǎn)變，或固體中不同晶體結(jié)構(gòu)間的轉(zhuǎn)變。15.水的相圖（1）在水、冰、水蒸氣三個(gè)區(qū)域內(nèi)，體系都是單相，必須同時(shí)指定溫度和壓力兩個(gè)變量，體系的狀態(tài)才能完全確定；（2）三條實(shí)線是兩個(gè)區(qū)域的交界線，指定了溫度就不能指定壓力，壓力應(yīng)由體系自定，反之亦然；在交界線分別發(fā)生水-冰、冰-水蒸氣、水-水蒸氣的相變；（3）三條實(shí)線的交點(diǎn)稱為三相點(diǎn)，該點(diǎn)三相共存，溫度和壓力都由體系自定，其溫度為273.16K，壓力為610.62Pa。16.3、原子結(jié)構(gòu)1879年J.JThomson發(fā)現(xiàn)電子（electron),揭示了原子內(nèi)部秘密1911年E.Rutherford提出原子結(jié)構(gòu)有核模型1913年N.Bohr結(jié)合Bohr原子模型

M.Plank和A.Einstein量子論Rutherford原子有核模型原子結(jié)構(gòu)的量子理論原子核：位于原子中心，帶正電電子:核外高速旋轉(zhuǎn)，帶負(fù)電，按能量高低排列核外電子的排布規(guī)律：能量最低原理保里不相容原理洪特規(guī)則17.4、結(jié)合鍵一、金屬鍵（Metallicbonding）典型的金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子（valenceelectron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Freeelectron），形成電子云（electroncloud），金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好化學(xué)鍵物理鍵：亦稱范德華鍵氫鍵：介于化學(xué)鍵和范德華鍵之間金屬鍵共價(jià)鍵離子鍵鍵能100-800KJ/mol（強(qiáng)相互作用）幾到幾十KJ/mol（弱相互作用）18.二、離子鍵（Ionicbonding)

多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物特點(diǎn)：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，且無(wú)方向性，無(wú)飽和性性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體，但在熔融狀態(tài)或溶于水后能導(dǎo)電。三、共價(jià)鍵（covalentbonding）亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無(wú)機(jī)非金屬材料實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子間通過(guò)共用電子對(duì)而成

特點(diǎn)：飽和性，方向性性質(zhì)：熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差實(shí)質(zhì)：金屬原子帶正電的正離子非金屬原子帶負(fù)電的負(fù)離子e靜電作用力19.四、范德華力（Vanderwaalsbonding)屬物理鍵，次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改變材料性質(zhì)五、氫鍵（Hydrogenbonding）極性分子鍵，存在于HF、H2O、NH3等中，氫原子中唯一的電子被其它電負(fù)性大且半徑小的原子所共有，裸露原子核將與近鄰分子的含孤電子對(duì)的負(fù)端相互吸引——?dú)錁颍橛诨瘜W(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性。近鄰原子相互作用電荷位移偶極子范德華力電偶極矩的感應(yīng)作用HF氫鍵示意圖極性分子間的范德華力鍵示意圖20.5、固體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復(fù)排列，即存在長(zhǎng)程有序（long-rangeorder）性能上兩大特點(diǎn)：固定的熔點(diǎn)（meltingpoint）

各向異性（anisotropy）固態(tài)液態(tài)氣態(tài)晶體非晶體物質(zhì)21.X射線衍射儀

1895年，著名的德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線。1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞厄等人發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，確證了X射線是一種電磁波。1912年，英國(guó)物理學(xué)家Bragg父子利用X射線衍射測(cè)定了NaCl晶體的結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了x射線的粒子性，即具有波粒二象性，從此開(kāi)創(chuàng)了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史。X射線的波長(zhǎng)：10－2~102?22.晶體的空間點(diǎn)陣（Spacelattice）1.

空間點(diǎn)陣的概念將晶體中原子或原子團(tuán)抽象為純幾何點(diǎn)（陣點(diǎn)latticepoint），即可得到一個(gè)由無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間排列成規(guī)則的陣列—空間點(diǎn)陣特征：每個(gè)陣點(diǎn)在空間分布必須具有完全相同的周圍環(huán)境2．晶胞（Unitecells）

描述空間點(diǎn)陣中陣點(diǎn)排列方式的最小體積單元，是平行六面體結(jié)構(gòu)選取晶胞的原則：Ⅰ)選取的平行六面體應(yīng)與宏觀晶體具有同樣的對(duì)稱性；Ⅱ）平行六面體內(nèi)的棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多；Ⅲ）當(dāng)平行六面體的棱角存在直角時(shí)，直角的數(shù)目應(yīng)最多；Ⅳ）在滿足上條件，晶胞應(yīng)具有最小的體積。23.

3.晶系與布拉菲點(diǎn)陣（CrystalSystemandBravaisLattice）

7個(gè)晶系，14個(gè)布拉菲點(diǎn)陣晶系布拉菲點(diǎn)陣晶系布拉菲點(diǎn)陣三斜Triclinica≠b≠c，α≠β≠γ單斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90o≠β正交a≠b≠c，α=β=γ＝90o簡(jiǎn)單三斜簡(jiǎn)單單斜底心單斜簡(jiǎn)單正交底心正交體心正交面心正交六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90o，γ=120o菱方Rhombohedrala=b=c,α=β=γ≠90o四方（正方）Tetragonala=b≠c,α=β=γ＝90o立方Cubica=b=c，α=β=γ＝90o簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單菱方簡(jiǎn)單四方體心四方簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方24.底心單斜簡(jiǎn)單三斜簡(jiǎn)單單斜25.底心正交簡(jiǎn)單正交面心正交體心正交26.簡(jiǎn)單菱方簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單四方體心四方27.簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方28.固溶體化合物：加盟組元與基本組元原子以一定的比值重新組合形成新的晶體結(jié)構(gòu)。單質(zhì)置換型固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)點(diǎn)陣的固溶體間隙型固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)原子間隙的固溶體加盟組元在晶體中的存在形式加盟組元原子占據(jù)基本組元原子晶體中所占位置的一部分或它們之間的某些間隙，而仍然保持基本組元的晶體結(jié)構(gòu)。加盟組元稱為溶質(zhì)，基本組元稱為溶劑。29.6、結(jié)構(gòu)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷體缺陷原子完全規(guī)則排列的晶體只是理想的物質(zhì)，實(shí)際晶體總免不了存在一些原子不規(guī)則排列的局部區(qū)域，根據(jù)這些區(qū)域所占空間的幾何特點(diǎn)，分別稱為：30.一、點(diǎn)缺陷無(wú)機(jī)非金屬材料中最重要也是最基本的結(jié)構(gòu)缺陷是點(diǎn)缺陷。根據(jù)點(diǎn)缺陷相對(duì)于理想晶格位置的偏差狀態(tài)，點(diǎn)缺陷具有不同的名稱：間隙原子（或離子）：指原子（或離子）進(jìn)入正常格點(diǎn)位置之間的間隙位置，成為間隙原子（離子）；空位：正常格點(diǎn)位置出現(xiàn)的原子或離子空缺；雜質(zhì)原子（或離子）：晶體組分以外的原子進(jìn)入晶格中，即為雜質(zhì)。雜質(zhì)原子可以取代晶體中正常格點(diǎn)位置上的原子（離子），稱為置換原子（離子）；也可進(jìn)入正常格點(diǎn)位置之間的間隙位置，成為填隙的雜質(zhì)原子（離子）。

31.二、線缺陷晶體內(nèi)部偏離周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一維缺陷稱為線缺陷。晶體中最重要的一種線缺陷是位錯(cuò)，在電子顯微鏡下可直接看到。位錯(cuò)在晶體的強(qiáng)度、斷裂、相變以及其他結(jié)構(gòu)敏感性問(wèn)題中起著重要作用。三、面缺陷晶體內(nèi)偏離周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的二維缺陷稱為面缺陷，主要有層錯(cuò)、晶界、相界等，在光學(xué)顯微鏡下即可看到。四、體缺陷晶體內(nèi)部偏離周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的三維缺陷稱為體缺陷，主要有包裹體、空洞、夾雜物，第二相等。32.二、材料的性能33.1、物理性質(zhì)

材料的物理性質(zhì)是指材料本身具有的各種物理量(熱、電、光、磁等)以及環(huán)境變化時(shí)它們的變化程度。密度導(dǎo)熱性

熱膨脹系數(shù)α單位體積物質(zhì)的質(zhì)量Kg/M3單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積M3/Kg物體內(nèi)溫度梯度為1℃/M時(shí)，在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)傳遞的熱量溫度上升1℃時(shí)，單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量比容34.電阻率與電導(dǎo)率電阻溫度系數(shù)熔點(diǎn)物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，反映固態(tài)下原子間結(jié)合力。電阻率為單位長(zhǎng)度和單位截面積導(dǎo)體的電阻，其倒數(shù)稱為電導(dǎo)率。溫度上升1℃時(shí)，電阻率

的變化系數(shù)。正電阻溫度系數(shù)：導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而增大。負(fù)電阻溫度系數(shù)：半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度的升高而減小。如以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物材料具有半導(dǎo)體性質(zhì)，溫度低時(shí)，這些材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。35.2、化學(xué)性質(zhì)

反映材料與各種化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性和反應(yīng)速度大小的相關(guān)參數(shù)。

工程材料主要考慮其耐腐蝕性、耐氧化性，電化學(xué)材料主要考察電極電位、儲(chǔ)能密度等。材料由于周圍環(huán)境介質(zhì)侵蝕而造成的損傷和破壞均稱為腐蝕。有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕等不同形式。腐蝕速度與材料、介質(zhì)、溫度、應(yīng)力、輻照……因素有關(guān)。腐蝕不僅影響零件質(zhì)量，并且可以造成零件早期損壞，防腐設(shè)計(jì)應(yīng)考慮材料的選擇和防腐措施相結(jié)合。36.3、力學(xué)性質(zhì)指材料處于特定環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)等）時(shí)，在外力或能量作用下表現(xiàn)出來(lái)的變形和破壞的特征。

通常把作用在材料上的外力或能量稱為載荷或負(fù)荷。材料的主要力學(xué)性能有：塑性強(qiáng)度硬度彈性沖擊韌性疲勞特性耐磨性37.三、材料的分類38.材料（以聲，光，電，磁，熱等物理、化學(xué)性能或效應(yīng)為特征的材料）。按組成和結(jié)合健性質(zhì)分類：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料以及復(fù)合材料。

按使用領(lǐng)域分類：建筑材料、電子材料、醫(yī)用材料、儀表材料、能源材料等。按材料的用途分類：結(jié)構(gòu)材料（以強(qiáng)度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征的材料）和功能39.包括純金屬及其合金。合金是由兩種或兩種以上元素組成，其中至少有一種為金屬元素組成具有金屬性的材料。金屬材料的結(jié)合健為金屬健，熔點(diǎn)較高，延展性大，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好，這是由于它的導(dǎo)電是自由電子的運(yùn)動(dòng)所決定的。鋼鐵材料(黑色金屬)：鋼鑄鐵非鐵金屬材料(有色金屬)：輕金屬AlMgCaNa…重金屬CuNiPbSnZn…貴金屬AgAuPbRbIr稀有金屬ZrTiNb…稀土金屬Re(YNd…)放射性金屬RaUTh…1.金屬材料40.2.無(wú)機(jī)非金屬材料主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等按性能和用途分類：傳統(tǒng)陶瓷和廣義陶瓷

傳統(tǒng)陶瓷材料主要由粘土、石英等組成，廣義陶瓷也稱特種陶瓷、精細(xì)陶瓷、高技術(shù)陶瓷、先進(jìn)陶瓷，可分為金屬氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷，如碳、氮、硼、硅等的化合物。