材料科学基础-1

材料科学基础主讲教师：吴伟总学时：72讲授学时：64课内实验：8考核方式：考试教材及参考书教材：材料科学基础主编陈立佳冶金工业出版社参考书：材料科学基础主编赵品哈尔滨工业大学出版社材料科学基础主编胡赓祥上海交通大学出版社课程性质、目的和任务《材料科学基础》是材料科学与工程各专业的一门重要的学科基础课。本课程的教学目的和任务是以材料的成分、组织结构与性能间的关系及其变化规律为主线，着重介绍固体材料的结构、晶体缺陷、平衡相图、凝固和原子扩散过程诸方面的基本概念和基础理论，以及有关的加工工艺对材料的组织结构和性能的影响，使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学的相关基础知识，为后续专业课程的学习以及将来解决材料的生产、加工等问题和探索新材料、新技术、新工艺打下比较系统而坚实的理论基础。

第一章材料中的晶体结构

1.1晶体固态物质分为两大类：晶体和非晶体。与非晶体相比较，晶体具有一些明显不同的特征和性质。一、晶体及其性质1、晶体具有规则多面体的对称外形（自范性）2、晶体具有固定的熔点（凝固点）非晶体无固定的熔点，它的熔化过程中温度随加热不断升高。3、晶体具有各向异性非晶体是各向同性

晶体与非晶体的本质区别在于粒子的排列规律；验证方法当单一波长的X射线通过非晶体时，不会在记录仪上看到分立的斑点或明锐的谱线，而同一条件下摄取的晶体图谱中能看到分立的斑点或明锐的谱线。二、晶体中的结合键1、金属键定义：自由电子与金属正离子之间的静电吸引金属键既无饱和性又无方向性；金属大多依靠金属键将原子结合在一起；金属具有良好的延展性、导电性、导热性、正的电阻温度系数等特性。图1-1金属键示意图二、晶体中的结合键2、共价键定义：原子给出电子作为二者共有，依靠原子对电子对的吸引而结合的；共价键结合具有饱和性和方向性；无机非金属材料和高分子材料多依靠共价键将原子结合在一起；共价键结合的晶体材料具有结构稳定、熔点高、硬而脆、导电性差等特点图1-2SiO2中硅和氧原子间的共价键示意图二、晶体中的结合键3、离子键定义：正离子与负离子依靠静电吸引而结合；离子键没有方向性；有饱和性；离子键结合的晶体具有高熔点、高硬度、低的热膨胀系数、固态下不导电；大多数无机非金属材料是离子键结合的；图1-3NaCl离子键的示意图二、晶体中的结合键4、分子键（范德华键）定义：组成晶体的中性原子或中性分子，当它们互相靠近时，出现电子的不均匀分布，从而使正、负电荷的中心发生偏离，形成电偶极子，电偶极子的异极相吸，使原子（分子）结合在一起，称之为分子键或范德华键.分子键没有方向性和饱和性；分子键的结合比较弱，分子晶体的熔点较低；极性分子间的范德华力示意图二、晶体中的结合键5、氢键定义:是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（O、F、N等）相结合而产生的结合键

氢键具有饱和性和方向性；氢键主要存在于高分子材料中。HF氢键示意图图1-1金属键示意图图1-2SiO2中硅和氧原子间的共价键示意图图1-3NaCl离子键的示意图图1-4极性分子间的范德华力示意图图1-5HF氢键示意图三、晶体中原子间作用力及结合能原子间的相互作用力：吸引力与排斥力原子的结合能：

图1.6原子间的相互作用(a)互作用能,(b)互作用力晶体中原子排列的作用原子排列研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。组织性能1.2晶体学基础晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序晶体和非晶体的两大性能区别：各向同性各向异性固定熔点熔化范围熔点：方向性：晶体非晶体一、空间点阵和晶胞

阵点：空间点阵：晶格：晶胞：简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点复杂晶胞：除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点晶胞选取的原则同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞晶胞选取的原则选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。晶胞、晶轴和点阵矢量点阵矢量：点阵常数：a,b,c棱边夹角,,,,,,

晶系晶系晶系三斜Triclinica≠b≠c，α≠β≠γ单斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90º≠β正交Orthogonala≠b≠c，α=β=γ＝90º四方（正方）Tetragonala=b≠c,α=β=γ＝90º立方Cubica=b=c，α=β=γ＝90º六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90º，γ=120º菱方Rhombohedrala=b=c,α=β=γ≠90º根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型，即7个晶系。14种布拉菲点阵按照“每个阵点的周围环境相同“的要求，布拉菲（BravaisA．）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平行六面体只有14种，这14种空间点阵也称布拉菲点阵。三斜：简单三斜单斜：简单单斜

底心单斜正交：简单正交

底心正交

体心正交

面心正交菱方：简单菱方六方：简单六方四方：简单四方

体心四方立方：简单立方

体心立方

面心立方体心立方和面心立方晶胞的不同取法

晶体结构和空间点阵的区别空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型。晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。晶体结构和空间点阵的区别晶体结构和空间点阵的区别Cu3Au,simplecubicg-Fe,fcc二、阵点坐标、晶向指数和晶面指数阵点坐标：阵点的位置晶向：晶体中阵点列的方向晶面：阵点构成的平面Miller（密勒）指数统一标定晶向指数和晶面指数原子（点阵）坐标O至P点的点阵矢量OP为：P点坐标可表示为：[x,y,z]或[xyz]晶向指数晶向指数：[uvw]任意阵点P的位置可以用矢量或者坐标来表示。OP=u+v+w晶向指数的确定步骤1)以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O的晶轴为坐标轴x,y,z,以晶胞点阵矢量的长度作为坐