材料科学基础

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：金属材料（黑色金属、有色金属）无机非金属材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷）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（合成橡胶、合成塑料、合成纤维）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1章材料的结构

1.1

材料的结合方式

1.2

晶体学基础

1.3

材料的晶体结构41.1材料的结合方式化学键组成物质整体的质点间的相互作用力。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：共价键；离子键；金属键；范德瓦尔键。5共价键1、形成元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA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。2、特性方向性，饱和性，结合力很大3、具有共价键物质的特性共价晶体强度、硬度高，脆性大，熔点、沸点高，挥发性低。6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①、良好的导电性及导热性。②、正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。③、良好的强度及塑性。④、具有金属光泽。8范德华键1、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，以微弱静电引力相引，使之结合在一起称为范德华键（或分子键）。2、特性结合力较弱3、具有共价键物质的特性硬度低、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

材料的键性不同，表现出不同的特性。金属材料：是以金属键结合为主的材料，具有好的导电、导热、延展性和金属光泽，是应用最广泛的工程材料。陶瓷材料：是以共价键和离子键结合为主的材料，性能特点是熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大。高分子材料：是以范德瓦尔键结合为主的材料，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应用。11

1.2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.晶体：物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间呈规则的周期性重复排列的物质。2.空间点阵：把质点看成空间的几何点，点所形成的空间阵列。3.晶格：用假想的空间直线，把这些点连接起来，所构成的三维空间格架。4.晶胞：从晶格中取出具有代表性的最小几何单元。5.晶格参数：描述晶胞的六个参数a、b、c、13晶胞选取应满足的条件

(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。147个晶系、14种布拉菲点阵根据6个点阵参数的相互关系，可将空间点阵分为7个晶系：立方、四方、正交、六方、单斜、三斜、菱方。按照“每个阵点周围环境相同”的要求，布拉菲用数学方法导出能反映空间点阵全部特征的单位平行六面体只有14种，也称为布拉菲点阵。立方四方正交六方单斜三斜菱方15底心单斜三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠90°简单单斜单斜a≠b≠cα=γ=90°≠β表1.2十四种布拉菲点阵简单三斜16底心正交简单正交面心正交体心正交正交a≠b≠cα=β=γ=90°17简单菱方简单六方简单四方体心四方四方a=b≠cα=β=γ=90°菱方a=b=cα=β=γ≠90°六方a=b≠cα=β=90°γ=120°18简单立方体心立方面心立方立方a=b=cα=β=γ=90°19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

201．晶面指数

晶体中各种方位上的原子面叫晶面，表示晶面的符号叫晶面指数。确定晶面指数的方法：1）定坐标：原点不能过所求晶面；2）求截距：确定晶面在三个坐标轴上的截距；3）变倒数：将所求截距变为倒数；4）化为最小整数：hkl；5）加圆括号（hkl）即为晶面指数。21例如：定坐标如图

ABCD面ABE面截距：1，1，∞1，1，1/2倒数：1，1，01，1，2指数：（110）（112）（110）（112）22截距为负值时，在其指数上冠以负号。（hkl）代表一组互相平行的晶面。{hkl}代表原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面，称为晶面族。如{100}包括（100）（010）（001）。立方晶格中三个重要晶面：

{100}，{110}，{111}。

注意：23

晶体中各个方向上的原子列叫晶向，表示晶向的符号叫晶向指数。2．晶向指数确定晶向指数的方法：1）定坐标（原点过所求直线）；2）过原点引直线，平行于所求晶向；3）求该直线上任一点的坐标值；4）化为最小整数：uvw；5）加方括号[uvw]即为晶向指数。24

例如：

求AB晶向指数。定坐标如图，作OP∥AB，求P点坐标为1，1，0AB晶向指数为[110]。

求OB晶向指数。求B点坐标为1，1，1OB晶向指数为[111]。[110][111]25已知图形，会求指数；已知指数，会画图形。如：已知（123）晶面和[123]晶向，画其图形。小结(123)[123]26相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带，此直线称晶带轴。立方系某晶面（hkl）以[uvw]为晶带轴必有：hu+kv+lw=0称为晶带定律。如有两个不平行的晶面（h1k1l1），（h2k2l2）的交线[uvw]可利用上式求得：

u=k1l2-k2l1；v=l1h2-l2h1；w=h1k2-h2k1。例如：（110）与（111）其交线为?3．晶带273．晶面间距

对于不同的晶面族{hkl}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1—13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

1.3材料的晶体结构1.3.1典型金属的晶体结构体心立方晶格：BCC(BodyCenteredCubiclattice)面心立方晶格：FCC(FaceCenteredCubiclattice)密排六方晶格：HCP(HexagonalClosePacked)29

1．BCC（见图1.18，P10）1)晶胞尺寸：八个原子构成立方体，体中心还有一个原子。a=b=c，α=β=γ=90°。302)晶胞原子数：指一个晶胞内所含的原子个数。

BCC晶胞原子数为：3)原子半径：指晶胞中原子密度最大方向上相邻两个原子之间距离的一半，与晶格常数有关。

BCC原子半径为：

4)配位数：指晶格中任一原子周围所具有的最近且等距的原子数。

BCC配位数为：831

5）致密度：

BCC：

即晶格中有68％体积被原子占据，其余为空隙。6）属于这种晶格的金属：α-Fe、Cr、Mo、W、V。K=nv/V32立方体对角面上和体对角线上原子排列最紧密。

密排面：{110}

密排方向：<111>体心立方晶格密排面7）原子密排面和密排方向33

2．FCC（见图1.19，P11）1)晶胞尺寸：八个原子构成立方体，每个面心上还各有一个原子。a=b=c，α=β=γ=90°。342）晶胞原子数：3）原子半径：

4）配位数：12。5）致密度：6）具有FCC的金属：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb。35

密排面：{111}

密排方向：<110>7）原子密排面和密排方向363．HCP（见图1.20，P11）1）晶胞尺寸：由12个原子构成简单六方体，上下两个六方面中心还各有一个原子，两个六方面之间还有三个原子，晶格常数比值c/a=1.633时，排列最紧密。372）晶胞原子数：3）原子半径：

4）配位数：125）致密度：6）属于这种晶格的金属：Mg、Zn、Cd、Be。38394．晶体中原子的堆垛方式FCC与HCP晶体结构不同，但配位数、致密度相同，为搞清其原因，必须研究晶体中原子的堆垛方式。FCC的密排面为（111）其堆垛方式是ABCABC…，见图1-24，P13。40HCP的密排面为（0001）其堆垛方式是ABAB…，见图1-23，P12。41六方晶系晶面及晶向指数三坐标系四轴坐标系a1，a2，ca1，a2，a3，c120°

120°

120°

（hkil)i=-(h+k)[uvtw]t=-(u+v)4243

分析间隙的数量、大小和位置对了解材料的相结构、扩散、相变等问题都是很重要的。金属的三种典型晶体结构的间隙如图1-25、图1-26、图1-27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法可算出晶胞所包含的间隙数目。

5．晶体结构中的间隙44（1）体心立方晶格间隙间隙:八面体和四面体间隙。八面体间隙位于晶胞中每个面的中心和每个棱的中心，数量为6。四面体间隙由两个体心原子和两个顶角原子所围成，数量为12。45体心立方八面体间隙46体心立方四面体间隙47八面体间隙

间隙半径的计算：

间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径，原子中心到间隙中心的距离皆为a/2，所以间隙半径为：48四面体间隙间隙半径的计算：体心立方晶格四面体间隙的棱边长度不全相等，为不对称的间隙。间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径，原子中心到间隙中心的距离皆为

，所以间隙半径为：

49间隙：四面体间隙和八面体间隙八面体间隙位于晶胞体中心和每个棱边的中点，由6个面心原子所围成,间隙数量为4个。四面体间隙由一个顶点原子和三个面心原子围成，间隙数量为8个。（2）面心立方晶格间隙50八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成的，属于正八面体间隙。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，间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径，原子中心到间隙中心的距离皆为a/2，原子半径为，所以间隙半径为：51面心立方八面体间隙52面心立方八面体间隙53正四面体间隙半径的计算：面心立方晶格四面体间隙属于正四面体间隙，间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径，原子中心到间隙中心的距离皆为，所以间隙半径为：54面心立方四面体间隙55面心立方四面体间隙56小结体心立方晶格间隙有两种：八面体间隙间隙半径为：间隙个数为：6四面体间隙间隙半径为：间隙个数为：12面心立方晶格间隙有两种：八面体间隙间隙半径为：间隙个数为：4四面体间隙间隙半径为：间隙个数为：8

可见，面心立方八面体间隙比体心立方中间隙半径较大的四面体间隙半径还大，因此面心立方结构的γ-Fe的溶碳量大大超过体心立方结构的α-Fe。571．合金的基本概念由于纯金属的机械性能较低，所以工程上使用的材料都是合金。合金：是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。如：黄铜，Cu、Zn合金；碳钢，Fe、C

合金。组元：组成合金最基本的独立物质（组成合金的元素、稳定化合物）。组元间相互作用会形成各种不同的相。相：成分结构相同并以界面分开的均匀部分。在合金中，由于形成条件不同，各相可以不同的数量、形状、大小互相组合，我们将组织：在显微镜下所看到的相的分布形态。

1.3.2合金相结构58(1)固溶体：指溶质组元溶于溶剂晶格中，并保持溶剂组元晶格类型而形成的均匀固体。按溶质在溶剂晶格中的位置不同可分为：①置换固溶体

溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。例如：纯铜与黄铜。

②间隙固溶体

溶质原子占据溶剂晶格间隙而形成的固溶体。例如：C→α-Fe=F

，见图1-35，P19。形成条件：只有当r溶质/r溶剂＜0.59时，才能形成间隙固溶体。2．合金的相结构

固溶体中间相59固溶体的两种类型置换固溶体间隙固溶体60按固溶度不同可分为：①有限固溶体

具有有限固溶度的固溶体。如黄铜：Zn<39%可溶，形成固溶体；Zn>39%出现化合物。②无限固溶体

溶质能以任意比例溶入溶剂的固溶体。如Cu-Ni合金：浓度<50%的为溶质；浓度>50%的为溶剂。

61按溶质原子与溶剂原子的相对分布不同可分为：①无序固溶体

溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。②有序固溶体

溶质原子占据溶剂晶格的一定位置。

62有序固溶体－短程有序固溶体－偏聚63固溶体的性能点阵常数改变：置换固溶体：r质>r剂，a增大；r质<r剂，a减小。间隙固溶体：a始终随溶质原子溶入而增大。

产生固溶强化：由于溶质原子的溶入，产生晶格畸变，使固溶体强度、硬度升高的现象。物理性能改变：溶质↑，电阻↑，电阻温度系数↓。

64影响固溶体固溶度的因素：1)晶体结构因素：溶质与溶剂晶格结构类型相同，固溶度↑.2)原子尺寸因素：溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差（rA-rB）/rA<15%有利于固溶，固溶度↑。3)电负性因素：两元素间的电负性差越小，越易形成固溶体，固溶度↑。电负性大小看其在周期表中的位置：同一周期的元素，电负性随原子序数↑而↑；同一族的元素，电负性随原子序数↑而↓。所以，元素在周期表中相距越远，电负性相差↑，越不利于形成固溶体，固溶度↓。4)电子浓度因素：电子浓度越高，固溶度越小。见图1-34，P18

电子浓度为合金中价电子数目与原子数目的比值。65

（2）中间相中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体，它具有金属的性质，又称金属间化合物合金中各组元之间发生相互作用而形成的一种新相，叫金属间化合物。具有较高熔点、高硬度，常作强化相，种类很多。根据形成条件和结构特点不同金属间化合物可分为：①正常价化合物：符合一般化合物原子价规律，成分固定并可用分子式表示，如AB、AB2、A2B3，主要受电负性控制的一种中间相。常见于陶瓷材料，多为离子化合物。66②电子化合物：符合电子浓度规律的化合物。一定的电子浓度形成一定晶格类型的化合物。（见表1-6，P21）如：电子浓度为3/2时，形成体心立方结构的β相；电子浓度为21/13时，形成复杂立方结构的γ相；电子浓度为7/4时，形成密排六方结构的ε

相。电子化合物以金属键为主，具有熔点高、硬度高、脆性大的特点，是有色金属的重要强化相67

③