材料科学基础教程教案1

材料科学基础教程主编：赵品等哈尔滨工业大学出版社讲授人：王永忠电话程设置基础课：材料科学基础、材料结构与性能测试专业主干课：材料化学、材料物理、高分子化学与物理、材料化学实验、高分子化学与物理实验专业拓展课：材料科学导论、无机功能材料、高分子材料、无机材料合成化学、配位化学、高分子化学、专业英语、文献查阅等绪论0-1材料在国民经济中的重要地位与作用

材料是用来制造各种有用物件的物质。它是人类生存与发展、征服和改造自然的物质基础，也是人类社会现代文明的重要支柱。因此史学家将人类发展分为石器时代、青铜器时代、铁器时代、水泥时代、钢时代、硅时代和新材料时代。材料科学的发展及进步成为衡量一个国家科学技术发展的重要标准。材料科学的发展在国民经济中占有极其重要的地位，因此，材料、能源、信息被誉为现代经济发展的三大支柱。

邓小平：科学技术是第一生产力。政治学家：生产力的进步是社会发展的根本原因，而劳动工具的发展是生产力进步的主要因素。材料学家：材料是时代进步的标志。材料是时代进步的标志认识工具材料制造工具使用工具TheIronAge----铁合金TheStoneAge

-------硅酸盐TheBronzeAge---铜合金材料的发展，时代的进步????Age----硅？碳？。。。石器时代青铜器时代铁器时代认识材料制造工具使用工具工艺过程0-2材料观成分组织结构性能用途

青銅器合金比例

◆铜：熔点高，1083℃，可塑性佳◆锡：熔点低，232℃◆85%Cu，15%Sn：熔点960℃，延展性增加，硬度增加，具光泽度0-2材料观-----成分0-2材料观-----结构宏观结构微观结构不同加工方法的工件组织与性能使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能0-2材料观-----性能常用的加工工艺：常见的加工工艺：常见的加工工艺：常见的加工工艺：常见的加工工艺：典型塑性加工0-3材料的分类1.按材料的化学成分组成分类（1）金属材料（黑色金属、有色金属）（2）无机非金属材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷）天然高分子材料（蛋白、淀粉、纤维素）3）高分子材料人工合成高分子材料（合成橡胶、合成塑料、合成纤维）（4）复合材料2.按材料的使用性能分类（1）结构材料（2）功能材料0-4材料的发展历史1.1808～1871年，研究并实现了金相分析的方法。2.1871～1903年，收集、分析及总结了大量实验结果，导致了系统的理论研究3.1903～1945年，由研究合金相的平衡状态过渡到从动力学角度研究相的变化。4.1946～现在，继续向金属材料因状态不同导致性能差异的方向发展，进一步弄清相变和强化的机理，在更深的层次上研究结构与性能的关系。0-5材料科学的发展方向

精细化超高性能化高功能化复杂化（复合化、杂化）生态环境化智能化

材料科学是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是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。

材料科学基础包含绪论、材料的结构、晶体缺陷、纯金属的凝固、二元相图、三元相图、固体材料的变形与断裂、回复与再结晶、扩散、固态相变（金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料、功能材料）。0-6本课程的任务与内容0-7与其它课程的关系材料科学基础”是以化学、物理、物理化学、材料力学、金属工艺学和金工教学实习为基础的课程，在学习时应联系上述基础课程的有关内容，以加深对本课程内容的理解。同时本课程是材料科学与工程的基础，在今后学习有关专业课程时，还应经常联系本书的有关内容，以便进一步掌握所学的知识。

第1章材料的结构1.1材料的结合方式1.1.1化学键

1.离子键

2.共价键

3.金属键

4.范德华键

1.1.2工程材料的键性

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。图硅原子四个价键和硅的键角离子键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。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.具有共价键物质的特性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金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光的能量）。范德瓦尔键(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。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，具体材料的键特性见图。1.2晶体学基础

1.2.1晶体与非晶体1.2.2空间点阵1.2.3晶向指数与晶面指数1.2.4晶体的晶体的极射赤面投影1.2.1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。3.

晶体的特征（1）周期性（不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离称为周期）液体和气体都是非晶体。（2）有固定的凝固点和熔点（3）各向异性（沿着晶体的不同方向所测得的性能通常是不同的：晶体的导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学性质）。1.2.2空间点阵

1.空间点阵：实际晶体中，质点在空间的排列方式是多种多样的．为了便于研究晶体中原于、分子或离子的排列情况，近似地将晶体看成是无错排的理想晶体，忽赂其物质性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可是彼此等同的原于或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的空间排列称为空间点阵，简称点阵，这些点叫阵点。2.晶格：将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。3.晶胞从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是小平行六面体。整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。图空间点阵晶胞的选取原则：

（1）晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性；（2）平行六面体内相等的棱和角的数目最多；（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。图晶格的选取

描述晶胞的六参数晶胞的尺寸和形状可用点阵参数来描述，它包括晶胞的各边长度和各边之间的夹角。图晶胞、晶轴和点阵参数14种空间点阵(布拉菲点阵)1.2.3晶向指数与晶面指数

1.晶向指数和标定2.晶面指数的标定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

1.晶向指数和标定(1)以晶格中某结点为原点，取点阵常数为三坐标轴的单位长度，建立右旋坐标系,如图。定出欲求晶向上任意两个点的坐标。(2)“末”点坐标减去“始”点坐标，得到沿该坐标系各轴方向移动的点阵参数的数目。(3)将这三个值化成一组互质整数，加上一个方括号即为所求的晶向指数[uvw]，如有某一数为负值，则将负号标注在该数字上方。

2.晶面指数的标定(1)建立如前所述的参考坐标系，但原点应位于待定晶面之外，以避免出现零截距(2)找出待定晶面在三轴的截距，如果该晶面与某轴平行，则截距为无穷大。(3)取截距的倒数，将其化为一组互质的整数，加固括号．得到晶面指数(hkl)。注：立方系的晶面指数必垂直于晶向指数

3.晶面族与晶向族晶面族：晶面原子排列相同，面间距也相同，只是空间位向不同，用｛hkl｝表示。如｛110｝：（110），（011），（101），（110），（011），（101）晶向族：原子排列相同，空间位向不同的所有晶向，用〈hkl〉表示。立方系：{110}晶面族4.六方系晶面和晶向指数标定六方系晶面指数的标定（四轴制）六方晶系晶面指数的标定原理和方法同立方晶系中的一样，从待标晶面在a1，a2，a3和c轴上的截距可求得相应的指数h，k，i，l，于是晶面指数可写成(hkil)，也必有i=-(h+k)。图六方晶系的一些晶向指数与晶面指数六方系晶向指数的标定：采用四轴坐标系，六方晶系晶向指数的标定方法如下：当晶向通过原点时，把晶向沿四个轴分解成四个分量，晶向OP可表示为：OP=ua1+va2+ta3+wC，晶向指数用[uvtw]表示，其中t=-(u+v)采用三轴坐标系时，C轴垂直底面，a1、a2轴在底面上，其夹角为120o，晶向在底面上的投影的终点分别作a1、a2轴的平行线得到U、V，从而得到[UVW]。采用三轴制虽然指数标定简单，但原子排列相同的晶向本应属于同一晶向族，其晶向指数的数字却不尽相同。一般用四轴坐标系表示u＝[2U－V]v＝[2V－U]/3t＝[U＋V]/3w＝W行走法（1）将底面分成很多边长相等的小等边三角形（2）沿小等边三角形的边走，并要满足u+v+t=0（3）麻烦，而且对一般的晶向，很难求出四指数[uvtw]2.解析法先求出待标晶向在a1，a2和c三个轴下的指数U，V，

W

（这比较容易求得），然后按公式算出四指数u，v，t，w

。5.晶带

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，此直线称为晶带轴。立方系晶面（hkl）以[uvw]为晶带轴必有Hu+kv+lw=0反之也成立。两个不平行的晶面（h1k1l1）,(h2k2l2)的晶带轴[uvw]可如下求得

6.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。

1.3材料的晶体结构

1.3.1典型金属的晶体结构1.3.2共价晶体的晶体结构1.3.3离子晶体的晶体结构1.3.4合金相结构

1.3.1典型金属的晶体结构体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格原子排列特征晶格常数a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

a=b≠c，=1.633，α=β=90º，γ=120º

原子半径r＝0.433ar=0.354ar=0.5a晶胞含原子数246配位数81212致密度0.680.740.74体心立方面心立方体心立方晶胞示意图（bcc）（a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图

面心立方晶胞示意图(fcc)（a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图

密排六方晶胞示意图(hcp）（a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图

1.晶胞中原子数体心立方面心立方密排六方2.原子半径体心立方〈111〉面心立方﹛111﹜密排六方3.配位数与致密度配位数：指晶体结构中，与任一原子最近邻并且等距离的原子数。致密度（K）是晶胞中原子所占的体积分数。

K=nv/Vn为晶胞原子数，v为原子体积，V为晶胞体积体心立方配位数为8BAOOAB[111]面心立方配位数为12密排六方配位数为124.晶体中原子的堆垛方式（等径球）最紧密堆积有面心立方和密排立方，它们的最密排面原子排列情况完全相同，但堆垛方式不一样

六方和立方最紧密堆积情况

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