材料结构与性能

1、2021/3/10讲解：XX1 材料结构与性能材料结构与性能 参考教材：参考教材： 材料结构与性能材料结构与性能 李宗全李宗全 陈湘明编陈湘明编 浙江大学出版社浙江大学出版社 v 授课教师：王耐艳 v 联系地址：17-243 v 联系电话: 86843265 2021/3/10讲解：XX2 第一章第一章 绪绪 论论 课程的性质：课程的性质： 材料材料结构与性能是材料类各类各 专业硕士研究生必修的一门专业硕士研究生必修的一门专业专业 基础课基础课。 2021/3/10讲解：XX3 课程任务：课程任务： 获得材料结构的基本理论和知识；掌获得材料结构的基本理论和知识；掌 握材料握材料成分成分组织组织

2、性能性能应用应用之间关系之间关系 的一般规律。的一般规律。 2021/3/10讲解：XX4 一、什么是材料？一、什么是材料？ 材料是指人类社会可接受的，能经济的制 造有用器件（物品）的固体物质。 材料材料 天然生成材料天然生成材料 人工合成材料人工合成材料 矿物 煤炭 钢铁 陶瓷 塑料 复合材料 2021/3/10讲解：XX5 二、材料的发展二、材料的发展 人类社会的历史是一部利用材料和制造 材料的历史，材料更新推动社会进步。 人类使用材料已经历了人类使用材料已经历了7个时代：个时代： 种类种类使用的材料使用的材料存储容量存储容量特点特点 软盘氧化铁1.44 Mb容量小，文本文件存储 CDRW

3、以ZnS等为主的 陶瓷材料 650 MbCD光盘，价低，用量大 MO(磁光盘)TbFeCo合金磁光 材料 650 Mb，1.3Gb需专用驱动器，价格高，局限 在广告图形用户 DVDRWZnS等为主的陶 瓷材料 单面单层为4.7 Gb CDRW和CD光盘，用量大 2021/3/10讲解：XX6 材料科学材料科学 材料科学材料科学 ： 是从事材料本质的发现、分析和了解方面的是从事材料本质的发现、分析和了解方面的 研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模 型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包 括下面的三个环节

4、，核心是结构和性能。括下面的三个环节，核心是结构和性能。 2021/3/10讲解：XX7 材料科学材料科学 材料科学是在物理化学数学工程等学科材料科学是在物理化学数学工程等学科 的基础上发展起来的一个交叉学科。的基础上发展起来的一个交叉学科。 材料科学以材料的分子材料科学以材料的分子结构结构、分子聚、分子聚 集态、构筑成材料的外形集态、构筑成材料的外形结构结构为研究内容为研究内容 ，探讨材料的微观结构与宏观性能之间的，探讨材料的微观结构与宏观性能之间的 内在联系的学科。内在联系的学科。 2021/3/10讲解：XX8 1.原子、分子结构：原子、分子结构：属于原始基础结构，决定材料属于原始基础结

5、构，决定材料 所具有的潜在功能。所具有的潜在功能。 2.原子的排列方式即分子聚集态结构原子的排列方式即分子聚集态结构相结构：相结构：决决 定材料具有某种可表现的实际功能。定材料具有某种可表现的实际功能。 3.显微组织显微组织各相的组合体：各相的组合体：构筑材料的外形结构：构筑材料的外形结构： 决定材料具有某种特定的有效功能。决定材料具有某种特定的有效功能。 2021/3/10讲解：XX9 四、材料与工程四、材料与工程 材料是机械、电子、化工等工程领域的材料是机械、电子、化工等工程领域的 物质基础，是工程技术的突破口。物质基础，是工程技术的突破口。 工程技术的高速发展为材料的改型和工程技术的高速

6、发展为材料的改型和 新材料的研制提出更高的要求。新材料的研制提出更高的要求。 2021/3/10讲解：XX10 材料工程材料工程 材料工程是着重把基础知识应用于材料的 研制、生产、改性、和应用的学课。 材料工程是整个工程学中的一个重材料工程是整个工程学中的一个重 要领域。要领域。 2021/3/10讲解：XX11 材料工程学科的目的：材料工程学科的目的： 解决技术上、社会（环境）上不断出解决技术上、社会（环境）上不断出 现的新问题现的新问题。 能经济地、为社会所能接受的控制能经济地、为社会所能接受的控制 材料的结构、性能和形状。材料的结构、性能和形状。 全面考虑材料的经济性、资源性、全面考虑材

7、料的经济性、资源性、 环保性、能源性、内在和表面的质量。环保性、能源性、内在和表面的质量。 2021/3/10讲解：XX12 材料科学与工程的关系材料科学与工程的关系 材料科学为材料工程指明方向、为更好地材料科学为材料工程指明方向、为更好地 选择材料、使用材料、发挥材料的潜力提供理选择材料、使用材料、发挥材料的潜力提供理 论基础。论基础。 材料工程为材料科学的发展提出了材料工程为材料科学的发展提出了 丰富的研究课题。丰富的研究课题。 材料科学和材料工程之间的区别主要在于材料科学和材料工程之间的区别主要在于 着眼点的不同或者说各自强调的重点不同。着眼点的不同或者说各自强调的重点不同。 2021/

8、3/10讲解：XX13 五、材料性能与结构的关系五、材料性能与结构的关系 材料性能：材料性能： 是一种参量，用于表征材料在给定外界条件是一种参量，用于表征材料在给定外界条件 （温度、载荷、电磁场、化学介质等）下的行为。（温度、载荷、电磁场、化学介质等）下的行为。 2021/3/10讲解：XX14 材料性能材料性能 外界条件的改变涉及体系能量的改变，能量 控制结构的形成和过程的进行，导致性能改变。 条件条件 能量能量 结构结构 性能性能 2021/3/10讲解：XX15 材料结构材料结构 材料的结构是表明材料的组元及其排列材料的结构是表明材料的组元及其排列 和运动的方式。和运动的方式。 材料组元

9、材料组元 原子原子 分子分子 离子离子 2021/3/10讲解：XX16 组元的排列方式：组元的排列方式： 取决于组元的结合类型取决于组元的结合类型。 结合类型结合类型 金属键金属键 离子键离子键 共价键共价键 分子键分子键 2021/3/10讲解：XX17 组元的运动方式 电子自旋运动电子自旋运动 原子热运动原子热运动 分子伸缩、弯曲振动分子伸缩、弯曲振动 空穴的扩散空穴的扩散 2021/3/10讲解：XX18 材料结构材料结构 原子结构原子结构:影响材料的电、磁、热、光影响材料的电、磁、热、光 学及耐腐蚀性能。学及耐腐蚀性能。 影响材料的力学性能。影响材料的力学性能。相结构：相结构： 显微

10、组织：显微组织：各相含量和形貌所构成的各相含量和形貌所构成的 图像。如钢和铁。图像。如钢和铁。 结构缺陷：结构缺陷：影响材料性能。影响材料性能。 2021/3/10讲解：XX19 六、材料的分类六、材料的分类 1. 按化学成分、生产过程、结构与性能的特点按化学成分、生产过程、结构与性能的特点 分：分： 材料材料 金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料 金属陶瓷无机有机复合材料 2021/3/10讲解：XX20 2. 按使用功能分类 结构材料：着重考虑材料的力学性能。如：材料的强度、结构材料：着重考虑材料的力学性能。如：材料的强度、 硬度、塑性、韧性等。硬度、塑

11、性、韧性等。 功能材料：着重考虑材料的电磁学、光学、功能材料：着重考虑材料的电磁学、光学、 热学等等的性能。热学等等的性能。 功能材料功能材料 热电材料 激光材料 压电材料 光电材料 声光材料 智能材料 非线性光学材料 2021/3/10讲解：XX21 3. 按用途分类 电子材料电子材料 电工材料电工材料 研磨材料研磨材料 建筑材料建筑材料 光学材料光学材料 感光材料感光材料 耐酸材料耐酸材料 包装材料包装材料 2021/3/10讲解：XX22 4. 按结构分类按结构分类 A 晶态材料：晶态材料：单晶、多晶、微晶、液晶、孪晶。单晶、多晶、微晶、液晶、孪晶。 B 非晶态材料非晶态材料 C 准晶材

12、料准晶材料 2021/3/10讲解：XX23 第二章第二章 原子结构与晶体结合力原子结构与晶体结合力 2-1 原子结构原子结构 原子（直径原子（直径 ) 原子核原子核(直径直径10-3 ) 核外电子核外电子 2021/3/10讲解：XX24 原子和核外电子的作用原子和核外电子的作用 作用力作用力 静电引力（库仑力）静电引力（库仑力） 万有引力万有引力 2021/3/10讲解：XX25 原子之间的作用原子之间的作用 原子中的电子受到原子中的电子受到 自身原子核的作用自身原子核的作用 原子中的电子受到其原子中的电子受到其 他原子的电子、原子他原子的电子、原子 核的作用。核的作用。 电子态发电子态发

13、 生改变生改变 2021/3/10讲解：XX26 粒子的总能量 可以经典地表达为动能动能 T 与 势能 V 的和： E = T + V = P2/2m +V ； 其中，P 是动量， m 是质量。 2021/3/10讲解：XX27 2021/3/10讲解：XX28 2021/3/10讲解：XX29 2021/3/10讲解：XX30 自由电子模型自由电子模型的Schrdinger方程: 2021/3/10讲解：XX31 2021/3/10讲解：XX32 稳态原子量子数 1. 主量子数主量子数 n : 与特定态的电子能量有关。与特定态的电子能量有关。 2. 角量子数角量子数L: 量子角动量的量度。量

14、子角动量的量度。 3. 磁量子数磁量子数m: 角动量在磁场方向的分量。角动量在磁场方向的分量。 4. 自旋量子数自旋量子数ms 2021/3/10讲解：XX33 、主量子数、主量子数n 常用符号：常用符号： K, L, M, N, O, P, Q n： 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 1）主量子数确定电子运动的能量。 n值越大 电子所具有的能量 越大。 2）电子出现概率最大的离核的平均距离 。 3）代表电子层或能层。在一个原子内，具有相同 主量子数的电子，几乎在同样的空间范围运动， 故称为主量子数。n相同的电子为一个电子层。 2021/3/10讲解：XX34 2、角量子数、角量子数l

15、1)l 对应的能级表示亚层，决定原子轨 道形状 2) 在多电子原子中l和主量子数一起决定 电子的能级 。 spdfg 如： 当 n=2, l=0 的状态就为2s电子； 处在 n=2, l=1 的状态为2p电子。 常用符号：常用符号： s， p， d, f l : 0, 1, 2, 3(n-1) 2021/3/10讲解：XX35 3、磁量子数、磁量子数m 磁量子数m 取值受角量子数的限制。 m = （2l+1 ） 或者或者0, 1, 2, 3,l。 1） m 决定原子轨道在空间的取向。某种形状 原 v 子轨道，可以在空间取不同的伸展方向， 这 v 是由线状光谱在磁场中还能发生分裂，显示出 v 微小差别的现象得出的结果。 vExample: p orbit have 3 different orientation p x. p y p z 2）磁量子数与电子能量无关。 2021/3/10讲解：XX36 ms 自旋量子数: 表示电子的自旋方向。 ms 取值：取值：+1/2、-1/2。 自旋磁量子数自旋磁量子数ms 2021/3/10讲解：XX37 综上所述， 四个量子数可以