材料科学与工程基础教案第一章绪论课件

材料科学与工程基础TheFundamentals(Elements,Principles)ofMaterialsScience&EngineeringAnIntroductionto

MaterialsScience绪论

Introduction材料(Materials)是国民经济的物质基础。广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)材料无处不在，无处不有我国材料的历史进程

(Historicalperspective)漫长而又曲折的历程：石斧

湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑古代科技名著：“考工记”（先秦）、“梦溪笔谈”（宋代沈括）、

“天工开物”（明代宋应星）明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展停滞状态解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。一整套材料体系门类全齐数量质量钢铁突破2亿吨大关世界第一原子弹、氢弹、人造卫星、火箭长征三号运载火箭在发射架上的图片宝钢高炉材料分类(ClassificationofMaterials)材料科学与工程基础是研究材料的成分、组织结构与性能之间关系第一章材料的结构

StructureofMaterial材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。第一节结合键

BindingBond一、结合力与结合能双原子模型：

d0dcAB结合力排斥力吸引力原子间距d排斥力＋F－F吸引力d0dcAB结合能排斥能吸引能原子间距d排斥能吸引能EAB（a）（b）图1－1双原子作用模型二、结合键离子键氯钠

NaCl的晶体结构

Si形成的四面体109°金属离子金属键模型电子气共价键金属键分子键和氢键第二节晶体学基础

Fundamentalsofcrystallogphy一、晶体的概念晶体的特性晶体的三大特征：原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。空间点阵和晶胞caXb

βα

γYZ（a）（b）（c）简单立方晶体（a）晶体结构（b）晶格（c）晶胞二、配位数和致密度配位数所谓配位数是指晶体中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。

致密度若把原子看成刚性球，则原子之间必有空隙存在，可用原子刚球所占体积与晶体体积之比来表示晶体结构排列的紧密程度，称为致密度或密集系数。可用下式表示：

例：计算简单立方晶体的致密度解：简单立方：晶格常数为a，原子半径为一个晶胞内所含的原子数；；所以：致密度三、晶向指数和晶面指数

在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中的空间位向，就需要引入一个统一的规则来标志它们，这种统一的标志，叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用的是密勒（Miller）指数。晶向指数晶向指数的确定步骤如下：（1）以晶胞中的某一阵点为原点，以三条棱边为X、Y、Z轴，并以晶胞棱边的长度为单位长度；（2）如果所求晶向未通过坐标原点，过原点引一条平行于所求晶向的有向直线；（3）在所引直线上取离原点最近的那个原子，求出其在X、Y、Z轴上的坐标；（4）将三个坐标值按比例化为最小整数，依次记入方括号[]中，即得所求晶向指数。通常以[uvw]表示晶向指数的普遍形式，若其中某数为负值，应将负号标注在该数的上方，例如。

[110][110][111][100]

XYZ图1－7立方晶系中的三个重要晶向如图给出了立方晶系中的一些主要晶向的晶向指数。对于一个晶向指数，表示的不是一个具体的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果两个晶向指数数值大小相等，符号相反，则这两组晶向相互平行但是方向相反。

晶面指数

晶面指数的一般表达式为（hkl），其确定步骤如下：（1）与确定晶面指数类似建立坐标系，但坐标原点应位于待定晶面之外，以避免出现零截距。（2）以晶格常数为长度单位求出待定晶面在各轴上的截距。若晶面与某轴平行，则认为该晶面在该轴上的截距为无穷大，其倒数为零。

（3）取截距的倒数，将其化为最小整数，置于圆括号内，写成（hkl）的形式，即得晶面指数。

如图给出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指数。

XXXYYYZZZ（100）（111）（110）立方晶格中的三种重要晶面与晶向指数类似，如果有截距为负值，应将负号记在相应的指数上面。晶面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表一组相互平行的晶面。当两个晶面指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行。

晶面族在同一晶体结构中，有些晶面上的原子排列和晶面间距完全相同，但具有不同的空间位向，这些晶面均归并为一个晶面族，用表示。例如，在立方晶系中：｛100｝包括（100）,（010）,（001）｛110｝包括（110）,（101）,（011）,（110）,（101）,（011）｛111｝包括（111）,（111）,（111）,（111）晶面族不仅包括了相互平行的一组晶面，而且也包括了位向不同，但晶面间距相等、原子排列相同的若干组平行晶面。

在立方晶系中，{hkl}晶面族所包括的晶面可用改变h、k、l的正负号及数字的排列组合来求得。但是这种方法不适用于其他晶系。晶面指数的几何意义

γβαXYZNO晶面指数与晶面位向间的关系ABCD∴即：从立体几何可知，在正交晶系中：

所以，只要晶面指数一旦确定，晶面位向即可求得。因此，晶面（hkl）的法线矢量为：

即晶面（hkl）的法线与晶向[hkl]的方向平行，这就是晶面指数的几何意义。如图：ON为晶面（hkl）的法线，ON与该晶面交于D点；OA、OB、OC分别为（hkl）在X、Y、Z轴上的截距；ON与X、Y、Z轴之间的夹角分别为α、β、γ；cosα、cosβ、cosγ就是法线ON的方向余弦。立方点阵中晶胞的三个基矢相等，设其为a，则根据晶面指数的确定方法可知：第三节金属及合金的结构特点

StructureCharacteristicofMetal&Alloy

一、常见纯金属的晶格类型

体心立方晶格：记为BCC（a）（b）（c）体心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数属于这种晶格类型的金属有α-Fe、Cr、W、Mo、V等

致密度：晶格常数为a，原子半径为；；；所以：致密度

配位数为8面心立方晶格：记为FCC

属于这种晶格类型的金属有γ－Fe、Cu、Al、Ag、Au、Pb、Ni等。（a）（b）（c）面心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数配位数＝12；致密度＝0.74

面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种，如图所示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙

金属原子八面体间隙金属原子四面体间隙(a)(b)面心立方结构中的间隙(a)八面体间隙(b)四面体间隙原子的堆垛方式

前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度与配位数完全一致，均属于最密排列晶格，但是晶格类型却不同，为了搞清这个问题，就需要了解原子的堆垛方式。面心立方结构的原子堆垛方式密排六方的原子堆垛方式A层B层C层A层B层C层面心立方晶胞原子堆垛方式密排六方晶胞原子堆垛方式二、实际金属的晶体结构单晶体与多晶体

晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体，称为单晶体。在实际应用中金属材料中较少的用单晶体金属，工程上使用的金属材料，几乎都是多晶体材料。

通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。点缺陷

点缺陷是指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小（相当于原子尺寸）的一种缺陷。晶体的点缺陷主要包括三种形式：晶体空位、间隙原子和置换原子，如图所示。

晶体中的点缺陷－空位；－间隙原子；－置换原子线缺陷

线缺陷是指在三维空间中两维方向的尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷，所以又称为一维缺陷。晶体中最普通的线缺陷就是位错。

位错是晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错，最简单、最基本的类型有刃型位错和螺型位错两种，由它们组合可以构成混合位错和不全位错等线缺陷。

刃型位错（a)立体模型（b）平面图刃型位错示意图

G

H

E

F晶体局部滑移造成的刃型位错ττ位错运动示意螺型位错CBAD(b)（a）立体模型；（b）平面图

螺型位错示意图ABCD(a)螺型位错示意图螺型位错示意图柏氏矢量

柏氏矢量是描述位错几何特性最重要的参数之一。柏氏矢量由柏氏回路确定。bllb柏氏矢量的物理意义：

柏氏矢量代表晶体的滑移方向。面缺陷

晶体中的面缺陷是指在两个方向尺寸很大而第三方向尺寸很小，呈面状分布的缺陷。这类缺陷主要是晶粒边界和亚晶界。晶界晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。晶界是晶体中的一种重要的缺陷。由于晶界上的原子排列不规则，脱离平衡位置，所以晶界具有较高的能量，使其具有一系列不同于晶粒内部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蚀，熔点较低；原子沿晶界扩散速度快；在常温下晶界对金属的塑性变形起阻碍作用。因此，金属材料晶粒愈细小，则晶粒愈多，其室温强度愈高。亚晶界实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过2°），如图1－27所示。这些小晶块称为亚结构，。亚结构之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列的位错所组成。亚晶界上原子排列也不规则，具有较高的能量，与晶界类似的特征，故细化亚结构，可显著提高金属的强度。

晶界示意图

亚晶界示意图固溶体固溶体是指固态下以某一合金组元为溶剂，在其晶格中溶入其他组元原子（溶质）后形成的一种合金相，其特点是固溶体具有溶剂组元的晶格类型。置换固溶体

溶剂原子溶质原子置换固溶体示意图固溶体中溶质原子引起的晶格畸变示意图（a）正畸变（b）负畸变(a)(b)间隙固溶体当溶质与溶剂原子半径的比值rb/ra＜0.59时，形成间隙固溶体。溶质原子填充到溶剂晶格的间隙中形成间隙固溶体，如图所示。形成间隙固溶体的溶质原子通常都是一些原子半径小的非金属元素，如氢（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm）、硼（0.097nm），溶剂则大多数是过渡族元素。溶剂原子溶质原子间隙固溶体示意图金属间化合物在合金中，溶质原子浓度超过固溶体的固溶极限时，将会形成一种晶格结构，特性完全不同任一组元的新相，因其具有金属性质，称之为金属间化合物。由于它们常处在相图的中间位置，所以又被称为中间相。中间相分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三种。正常价化合物正常价化合物就是符合原子价规律的，受电负性控制的一种金属化合物。如MnS、MgS、Mg2Si等。正常价化合物的熔点，硬度及脆性均较高。电子化合物电子化合物通常是IB族或过渡族元素与ⅡB、ⅢA、ⅣA和ⅤA族元素所组成，它们不遵守化合价规律而是按照一定电子浓度比值形成金属间化合物。电子浓度不同，晶体结构类型也不同。间隙相间隙相具有比较简单的晶体结构，如面心立方、密排六方和简单六方等。金属占据晶格中的正常结点位置，而非金属位于晶格的间隙之中。间隙化合物间隙化合物主要是过渡族元素和碳原子所形成的碳化物。在合金钢中常见的主要是M3C型（如F3C），M7C3型（如Cr7C3）等。间隙化合物的晶体结构都很复杂，部分金属元素往往会被另外一种或几种元素所置换，而形成更为复杂的化合物，如(Fe、Mn)3C等。V原子C原子

(a) (b)间隙相和间隙化合物的晶体结构（a）间隙相VC（b）间隙化合物第四节高分子材料的结构特点

PolymerStructures一、高分子材料概述高分子的含义高分子化合物是经常用到和见到的各种塑料、橡胶、纤维等非金属材料的总称。所谓高分子是是指分子量特别大的有机化合物，是由一种或者多种单体，通过聚合反应形成的相对分子质量很大的化合物，它是相对于低分子而言。一般地说，低分子化合物没有什么强度和弹性，而高分子化合物则具有一定的强度和弹性。高分子的组成由一种或几种简单的低分子有机化合物结以重复的方式连接而成，就像一根链条由众多链环连接在一起一样。大分子链中的重复结构单元称之为“链节”。组成大分子链时，链节的数目（n）叫做聚合度。聚合度和高分子的分子量有如下关系：M=m×n

M----高分子的分子量

n----高分子的聚合度

m----链节的分子量高分子的基本特点高分子具有和低分子截然不同的结构特征：（1）大分子的可分割性：低分子物质的分子不能用一般的机械方法把它分开。如果把它分开，它就改变性质（即分解）成另外的物质。高分子则不然，因为它分子很大。一个分子量很大的分子用外力把它拉断或切开，变成两个分子后，高分子化合物的性质一般没有明显的改变。高分子结构的这种特征称为可分割性。（2）具有弹性：高分子化合物在外力作用下容易发生变形，当外力解除，这种变形就可以恢复到原状。（3）具有可塑性：高分子化合物受热以后先是经过一个较长的软化过程，而后才能变为可流动的液体。因为高分子化合物是由很长的大分子链所构成，当链的某一部分受热时，这一部分链的运动能量增加，但由于大分子链不易传热，因此，除了这一部分受热外，链的其他部分则受热不多，这些部分的运动能量就不大。只有经过一个较长的时间和温度间隔，分子链受热部分不断扩大，整个大分子链才会变软。总之，高分子化合物不可能一下子达到由固体状态变为液体状态。这是高分子化合物具有可塑性的原因。（4）具有绝缘性：高分子化合物对电、热、声具有良好的绝缘性能。从结构上看这是因为高分子化合物大都是有机化合物，分子中的化学键都是共价键，不能电离，因此不能传递电子，又因为大分子呈蜷曲状态，互相纠缠在一起，在受热，受声作用之后，分子不易振动起来，因而它对热、声也具有绝缘性。二、大分子链的分子量及其分布高聚物分子量的多分散性高聚物的分子量有两个特点，一是分子量很大，二是分子量多分散性。对于低分子化合物而言，每种分子都有确定的分子量，分子大小一样，所以都有固定的分子量。而绝大多数高分子聚合物都是分子量不等的同系物的混合物。例如通常所说分子量10万的聚乙烯，可能是由分子量2万－20万大小不同的聚乙烯分子组成的，这种现象称为分子量的多分散性。高聚物材料是数量众多的大分子链的聚集体，由于大分子链长短不同，每根大分子链的分子量也不同。高聚物的分子量用“平均分子量”表示，高聚物分子量不是一个确定值，而是一个数值范围。根据统计平均方法不同，其分子量的表示也不同。如果按高聚物中各级分的分子数平均叫“数均分子量”，以表示；如果按高聚物中各级分的重量平均，得到的是“重均分子量”，用表示。此外还有粘均分子量和Z均分子量等。

常用统计平均分子量的表示数均分子量按分子数的统计平均，定义为：

式中：Mi：第i组分子的单分子质量；Ni：第i组分子的分子数。重均分子量按重量的统计平均，定义为：式中：Wi：第i组分子的总质量。分子量的分布若要确切地描绘高聚物试样的分子量，除了给出分子量的统计平均值外，还应给出试样的分子量分布，最理想的是能知道该试样的分子量分布曲线。如图所示为高聚物的分子量分布，它表示该高聚物中具有各种分子量的大分子链的重量是不同的。

高聚物重量W

分子量M高聚物分子量分布及重均分子量三、大分子链的组成和构造组成大分子链的元素（1）碳链聚合物

主链由碳原子一种元素组成。其主链结构如下：—C—C—C—C—C—C—乙烯基聚合物就是属于碳链聚合物的一种。其链节结构如下：

其中，R叫做官能团或侧基，官能团不同，得到的聚合物也不同。如R换为Cl，得到氯乙烯；R换为OH（羟基），得到乙烯醇；R换为CH3，得到丙烯。

HHCCHR（2）杂链聚合物

主链除碳外，还有其它元素。如：

—C—C—O—C——C—C—H—C——C—C—S—C—聚酯就是一种典型的杂链聚合物，其特征是在碳主链中嵌入一个酯键：

O—C—O—（3）元素有机聚合物

主链由氧和其它元素组成，如：—O—Si—O—Si—O—

在大分子链中常见的C、H、O、N等元素都是原子量较小的轻元素。这就决定了高聚物材料比重较小（一般只有0.9～2.0），只有钢铁的1/4～1/7。高分子链结构单元的键接方式和构型

大分子链形成后，由共价键固定的链内原子和原子团的几何排列即固定不变。任何大分子链都是由链节按一定的方式连接而成的。

键接方式：结构单元在链中的连接方式和顺序决定于单体及合成反应的性质。空间构型：高分子中结构单元由化学键所固定的原子在空间的几何排列称为分子链的构型。即使分子链组成相同，但由于取代基的位置不同，也可有不同的立体构型。如乙烯类高分子链一般有以下三种立体构型：1）全同立构取代基R全部处于主链的同一侧。2）间同立构取代基R相间地分布在主链的两侧。3）无规立构取代基R在主链的两侧作不规则的分布。高分子链的构象及柔顺性

（1）高分子链的构象单键内旋转

由于单键内旋转所引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象，称为高分子链的构象。（2）高分子链的柔顺性由构象变化获得不同卷曲程度的特性，称为高分子链的柔顺性。高分子链的柔顺性与单键内旋转难易程度有关。

C1

109o28，ˊ

C2

C3C4碳链C—C键的内旋转示意图伸展链无规线团链折叠链螺旋链

单个大分子链的几种构象示意图高分子链的几何形状由于聚合反应的复杂性，在合成聚合物的过程中，可以发生各种各样的反应形式，所以高分子链也会呈现出各种不同的形态。一般说来，高分子链的几何形状有以下三种：（1）线型高分子：由许多链节组成的长链，通常是卷曲成线团状。这类高聚物的特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性高聚物。此类材料加热后软化，冷却后又硬化成型，随温度变化可以反复进行。聚乙烯、聚氯乙烯等烯类聚合物都属于典型的热塑性高聚物。（2）支链型高分子在主链上带有支链。这类高聚物的性能和加工都接近于线型高分子，也属于热塑性高聚物。（3）体型(网状)高分子分子链之间有许多链节互相交联，呈三维网状结构。这类高聚物的硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性高聚物。此类材料受热发生化学变化而固化成型，成型后再受热也不会软化变形，如酚醛树脂、环氧树脂等。

三、高分子材料的聚集态结构组成物质的分子聚集在一起的状态称为物质的聚集态。一般物质的聚集态可分为气体、液体和固体。高分子的聚集态结构，是指高分子材料内部高分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称为超分子结构，它是在高分子材料加工成型过程中形成的。高分子链之间以范德瓦尔斯键或氢键结合，键虽弱，但因分子链很长，故链间总作用力为各链节作用力与聚合度之积，因而大大超过链内共价键。显然，高分子的聚集态结构与高分子材料的性能有着直接关系。

第五节无机非金属材料的结构特点

StructuresofInorganicNonmetallicMaterials(Ceramics)陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶多相固体物质，它实际上是各种无机非金属材料的统称。传统上“陶瓷”是陶器与瓷器的总称。后来，发展到泛指整个硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。

一、陶瓷材料的结构特点

陶瓷材料在热和化学环境中比它们的组元更稳定，通常比相应的金属或聚合物更硬。陶瓷和金属类似，具有晶体构造，但与金属不同的是其结构中并没有大量的自由电子。这是因为陶瓷是以离子键或共价键为主的离子晶体(如MgO、Al2O3等)或共价晶体(如SiC、Si3N4等)。在室温下，陶瓷材料的典型组织是由晶体相、玻璃相和气相组成。二、陶瓷晶体相晶体相是组成陶瓷的基本相，也称主晶相。它往往决定着陶瓷的力学、物理、化学性能。例如由离子键结合的氧化铝晶体组成的刚玉陶瓷，具有机械强度高、耐高温及抗腐蚀等优良性能。氧化物结构和硅酸盐结构是陶瓷晶体中最重要的两类结构。它们的共同特点是：①结合键主要是离子键，或含有一定比例的共价键；②有确定的成分，可以用准确的分子式表示。

氧化物结构

氧化物结构的特点是较大的氧离子紧密排列成晶体结构，较小的正离子填充在它们的空隙内。根据正离子所占空隙的位置和数量的不同，形成各种不同结构的氧化物，如下表所示。

结构类型晶体结构

陶瓷中主要化合物

AX型面心立方碱土金属氧化物MgO、BaO等，碱金属卤化物，碱土金属硫化物AX2型面心立方CaF2(萤石)、ThO2、VO2等简单四方TiO2(金红石)、SiO2(高温方石英)等A2X3型菱形晶体α-Al2O3(刚玉)ABX3型简单立方CaTiO3(钙钛矿)、BaTiO3等菱形晶系FeTiO3(钛铁矿)、LiNbO3等AB2X4型面心立方MgAl2O4(尖晶石)等100多种硅酸盐结构

硅酸盐材料在自然界中大量存在，约占已知矿物的三分之一。许多陶瓷材料都包含硅酸盐，一方面是因为硅酸盐丰富和便宜，另一方面则是因为它们具有在工程上有用的某些独特性能。普通水泥是人们最熟悉的硅酸盐，它最明显的优势是能将岩石骨料结合成整块材料。

（1）硅酸盐四面体单元

O2－Si4+硅氧四面体结构（2）硅酸盐结构分类

硅氧四面体的四个顶点均分布有O2-，所以它能与周围其它阳离子或另一个硅氧四面体连接起来。当整个硅氧四面体连接时由于O2-的排斥作用，