材料科学基础

1、1材料科学： 研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系及变化规律的一门科学。材料科学基础的任务： 根据工程和科学技术发展的需要设计研制新型工程材料；解决材料制备原理和工艺方法，获取可供使用的工程材料；解决材料在加工和使用过程中组织结构和性能变化的微观机理，从中找出合宜的加工工艺、强化工艺和延寿措施；创新测试材料成分、组织结构和性能的方法，完善测试技术；合理地选择和使用工程材料。 绪 论2材料的分类1、按材料的化学成分组成分类： v金属材料（黑色金属、有色金属）v无机非金属材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷） v高分子材料 天然高分子材料（蛋白、淀粉、纤维素） 人工合成高分子材料（合成

2、橡胶、合成塑料、合成纤维） v复合材料 2、按原子排列情况分类： 晶体 ：短程有序，长程有序，具有周期对称性非晶体：短程有序，长程无序，不具有周期对称性准晶体：介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有与晶体相似的长程 有序的原子排列；但是准晶体不具备晶体的平移对称性。 石英玻璃准晶合金3 第第1章章 材料的结构材料的结构 41.1 1.1 材料的结合方式材料的结合方式化学键化学键v组成物质整体的质点间的相互作用力。组成物质整体的质点间的相互作用力。v质点间相互作用时，吸引和排斥质点间相互作用时，吸引和排斥 情况不同，形成不同类型的化学键有：情况不同，形成不同类型的化学键有： 共价键；离子键；共价

3、键；离子键； 金属键；范德瓦尔键。金属键；范德瓦尔键。5共价键共价键1 1、形成、形成 元素周期表中的元素周期表中的AA、AA、AA族大多数元素或电负性不大的原族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由公用电子对产生的结合键的电子满壳层的方式实现结合。这种由公用电子对产生的结合键称为共价键。称为共价键。2 2、特性、特性 方向性，饱和性，结合力很大方向性，饱和性，结合力很大3 3、具有共价键物质的特性、具有共价键物质的特性 共价晶体强度、硬度高，脆性大，共价晶体强

4、度、硬度高，脆性大， 熔点、沸点高，挥发性低熔点、沸点高，挥发性低 。 6离子键离子键1、形成 当两种电负性相差很大（如元素周期表相隔较远的元素）的原子相互结合时，其中电负性较小的原子失去电子成为正离子，电负性较大的原子获得电子成为负离子，正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键。2、特性 无方向性，无饱和性，结合力很大3、具有离子键物质的特性 离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系 数小，但脆性大。离子晶体具有很好的 绝缘性。因不吸收可见光，典型的离子 晶体是无色透明的。 7金属键金属键 1、形成 金属原子结构的特点是外层电子少，原子容易失去其价电子而成为正离子。当金属原子相互结合时，金属原

5、子的外层电子（价电子）就脱离原子，成为自由电子，为整个金属原子所共有。这些公有化的自由电子在正离子之间自由运动形成所谓电子气（或电子云）。这种由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。 2、具有的特性、良好的导电性及导热性。、正的电阻温度系数，即随 温度升高电阻增大。、良好的强度及塑性。、具有金属光泽。8范德华键范德华键 1 1、形成、形成 有些物质的分子具有极性，其中分子的一部分带有正电荷，而有些物质的分子具有极性，其中分子的一部分带有正电荷，而分子的另一部分带有负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子分子的另一部分带有负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱

6、静电引力相引，使之结合在一起称为范的负电荷部位间，以微弱静电引力相引，使之结合在一起称为范德华键（或分子键）。德华键（或分子键）。2 2、特性、特性 结合力较弱结合力较弱3 3、具有共价键物质的特性、具有共价键物质的特性 硬度低、沸点低，绝缘性硬度低、沸点低，绝缘性 。 9工程材料的键性 实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多的是几种键的结合。如果以四种键为顶点作一个四面体，就可以把材料的结合键范围示意地表示在这个四面体上，具体材料地键特性见图。10：是以：是以结合为主的材料，具有结合为主的材料，具有 好的导电、导热、延展性和金属光泽，是应用好的导电、导热、延展性和金属光泽，是应用最广

7、泛的工程材料。最广泛的工程材料。：是以：是以结合为主的材结合为主的材料，性能特点是熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆料，性能特点是熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大。性大。：是以：是以结合为主的材料，结合为主的材料，主要包括塑料、橡胶及合成纤维等，在机械、主要包括塑料、橡胶及合成纤维等，在机械、电气、纺织、汽车、飞机等许多工业中被广泛电气、纺织、汽车、飞机等许多工业中被广泛应用。应用。11 1.2 晶体学基础晶体学基础晶体与非晶体1、晶体： 物质的质点(分子、原子或离子)在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。2、非晶体： 非晶体在整体上是无序的，但原子间也靠化学键结合在一起，所以在有限的小

8、范围内观察还有一定规律，可将非晶体的这种结构称为近程有序。 121. ：物质的：物质的质点质点（分子、原子或离子）（分子、原子或离子）在三在三 维空间呈规则的周期性重复排列的物质维空间呈规则的周期性重复排列的物质。 2. ：把质点看成空间的几何点，：把质点看成空间的几何点，点所形点所形 成的空间阵列成的空间阵列。3. ：用假想的空间直线，把这些：用假想的空间直线，把这些点连接起点连接起 来，来， 所构成的三维空间格架所构成的三维空间格架。4. ：从晶格中取出：从晶格中取出具有代表性的最小几何单具有代表性的最小几何单 元元。5. ：描述晶胞的六个参数：描述晶胞的六个参数a、b、c、13晶胞选取应

9、满足的条件 (1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性。(2)平行六面体内相等的棱和角数目最多。(3)当棱间呈直角时，直角数目应最多。(4)满足上述条件，晶胞体积应最小。1415底心单斜三斜三斜abc90简单单斜单斜单斜abc=90 简单三斜16底心正交简单正交面心正交体心正交正交正交abc=9017简单菱方简单六方简单四方体心四方四方四方a=bc=90菱方菱方a=b=c=90六方六方a=bc=90=12018简单立方体心立方面心立方立方立方a=b=c=9019晶向指数与晶面指数 1.晶面指数和标定 2.晶向指数的标定 3.晶面族与晶向族 4.六方晶面及晶向的指数标定 5.晶带 6.晶面间距 20

10、21例如：定坐标如图例如：定坐标如图 ABCD面面 ABE面面截距：截距： 1，1， 1，1，1/2倒数：倒数： 1，1，0 1，1，2指数：指数： （110） （112）（110）（112）22 注意注意：23 24 11011125(123)1232627 对于不同的晶面族h k l其晶面间距也不同。总的来说，低指数晶面的面间距较大，高指数晶面的面间距较小、如图113所示。由晶面指数的定义、可用数学方法求出晶面间距，见公式。 28 29 1BCC（见图（见图1.18，P10）3031 32v立方体对角面上和体对角线上原子排列最紧密。立方体对角面上和体对角线上原子排列最紧密。 密排面密排面：

11、110110 密排方向密排方向：7）原子密排面和密排方向）原子密排面和密排方向33 2FCC（见图（见图1.19，P11）3435 密排面：密排面：111111 密排方向：密排方向：7）原子密排面和密排方向）原子密排面和密排方向363HCP（见图（见图1.20，P11）3738394晶体中原子的堆垛方式晶体中原子的堆垛方式vFCC的密排面为（的密排面为（111）其堆垛方式是）其堆垛方式是ABCABC，见图，见图1-24，P13。40vHCP的密排面为（的密排面为（0001）其堆垛方式是）其堆垛方式是ABAB，见图，见图1-23，P12。 41三坐标系 四轴坐标系a1，a2，c a1，a2，a3

12、，c120 120 120 （h k i l ) i= -( h+k ) u v t w t= -( u+v )4243 如图如图1- 25、图图1-26 、图、图1-27 所示。由图可清晰地判所示。由图可清晰地判定间隙所处位置。按计算晶胞原子数的方定间隙所处位置。按计算晶胞原子数的方法可算出晶胞所包含的间隙数目。法可算出晶胞所包含的间隙数目。 5晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙44间隙间隙: : 八面体和八面体和四面体间隙。四面体间隙。八面体间隙八面体间隙位于位于晶胞中每个面的晶胞中每个面的中心和每个棱的中心和每个棱的中心，数量为中心，数量为6 6。四面体间隙四面体间隙由两由两个体心原子和两

13、个体心原子和两个顶角原子所围个顶角原子所围成，数量为成，数量为1212。 454647v八面体间隙八面体间隙 间隙半径的计算：间隙半径的计算： 间隙半径为顶点原子间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去至间隙中心的距离减去原子半径原子半径，原子中心到，原子中心到间隙中心的距离皆为间隙中心的距离皆为a/2a/2，所以，所以间隙半径为间隙半径为：aaa067. 0432/48四面体间隙四面体间隙间隙半径的计算：间隙半径的计算：体心立方晶格四面体间隙的体心立方晶格四面体间隙的棱边长度不全相等，为不对棱边长度不全相等，为不对称的间隙。称的间隙。间隙半径为顶点间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子至间

14、隙中心的距离减去原子半径原子半径，原子中心到间隙，原子中心到间隙中心的距离皆为中心的距离皆为 ，所，所以以间隙半径间隙半径为：为： a45aaa126. 0434549（2）面心立方晶格间隙）面心立方晶格间隙50v八面体间隙八面体间隙 面心立方晶格的八面体间隙是由六个面的面心组面心立方晶格的八面体间隙是由六个面的面心组成的，属于正八面体间隙。成的，属于正八面体间隙。v间隙半径的计算：间隙半径的计算： 面心立方晶格八面体间隙属于正八面体间隙，面心立方晶格八面体间隙属于正八面体间隙，间间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径径，原子中心到间隙中心的距离皆为，原子中心到间隙中心的距离皆为a/2a/2，原子，原子半径为半径为 ，所以，所以间隙半径间隙半径为：为： a42aaa146. 0422515253v正四面体间隙半径的计算正四面体间隙半径的计算：v面心立方晶格四面体间隙属面心立方晶格四面体间隙属于正四面体间隙，于正四面体间隙，间隙半径间隙半径为顶点原子至间隙中心的距为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径离减去原子半径，原子中心，原子中心到间隙中心的距离皆到间隙