第二章-材料学纲要课件

材料科学与工程导论主讲人：黄艳琴南京邮电大学材料科学与工程学院2011年11月17日1.材料科学与工程的核心问题材料科学与工程的核心问题是揭示材料成分-结构-工艺-性能的关系。材料的性能是材料研究的出发点和目标。材料的化学成分和组织结构是影响材料性能的直接因素。加工过程通过改变材料的组织结构影响性能。下图为材料科学与工程四要素：

材料性能化学成分组织结构制备加工2.第二章材料学纲要一、材料的成分与组织结构3.铸铁（含碳量2.11﹪～4%）锰钢（增加强度和韧性）碳钢（含碳量0.3﹪～2.11%）不锈钢（Cr18%,Ni8%，提高耐腐蚀和抗氧化性）材料的化学成分

指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数表示。

4.质谱仪：可测量分子的分子量。根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。

用于材料成分结构检测的仪器元素分析仪：根据被测样品在燃烧后得到的二氧化碳、水和氮气含量定量测量样品中的碳、氢、氮等元素的含量。

5.核磁共振仪：将被检测物置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被接受器收录，经电子计算机处理获得图像。用于材料成分结构检测的仪器6.材料结构关系

材料的结构包括：原子结构、原子排列的方式（晶体和非晶体）、结构缺陷、相结构、显微组织（显微镜下的微观结构）等。哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。7.材料科学诞生的理论基础相平衡原子和晶体学说显微组织研究8.1、显微组织眼见为实：一个证据的可见性质要比任何理论具有更高的价值

钢锭缓慢冷却凝固时得到的长柱状晶粒（宏观组织）：钢锭快速冷却凝固时得到的细小晶粒（显微组织）：宏观组织显微组织显微技术的进步：

显微镜发展至今可以说是有了三代显微镜。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。9.光学显微镜

1830年代后期，由M.Schleide和T.Schmann所发明；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具。但光学显微镜分辨率取决于光的波长，因此受到可见光波长的限制。10.电子显微镜1924年，德布罗意发现单能量的电子束具有波的特性，几千伏的加速电压得到的波长比可见光小许多，可用于成像，提高分辨率；后来发现电子束可被x射线衍射，证实了德布罗意的理论。20世纪三十年代，卢斯卡（E.Ruska）发明了电子显微镜，使人类能“看”到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。11.扫描探针显微镜也可称为纳米显微镜。1981年，IBMZurich实验室的比尼格和罗勒发明了扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope,简称STM)，使人类实现了观察单个原子的原望；1985年比尼格应奎特（C.F.Quate）发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜（AFM），也具有原子分辨率，与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜（SPM）系列。GerdBinnigHeinrichRohrer12.扫描隧道显微镜的原理1、隧道电流根据量子力学中电子的隧道效应，金属中电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质（称为样品）的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近（距离＜1nm）时，两者的电子云略有重叠。这样，通过电子云的电子流就会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。

金属表面与针尖的电子云图13.2、样品表面的扫描隧道电流I对针尖与样品表面之间的距离S极为敏感，如果S减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机的反馈，在屏幕上即显示出样品表面的高分辨率三维图像。3、STM的工作模式金薄膜的扫描照片14.2、相平衡相的定义：在相同的温度、压力和成分条件下，系统中单个均匀部分称为相；相是空间区域均匀的部分，原则上它们可以与系统中其它相机械的分离出来；一个相与系统中的其它部分有清晰的界限；可以含有一种或多种化学组元，在系统达到平衡时，相的成分是均匀的。相变：

外界条件发生变化的过程中，物相于某一特定条件下（临界值）时发生突变。从一种结构变成另一种结构，如气、液、固相的转变，或固体中不同晶体结构间的转变。15.水的相图（1）在水、冰、水蒸气三个区域内，体系都是单相，必须同时指定温度和压力两个变量，体系的状态才能完全确定；（2）三条实线是两个区域的交界线，指定了温度就不能指定压力，压力应由体系自定，反之亦然；在交界线分别发生水-冰、冰-水蒸气、水-水蒸气的相变；（3）三条实线的交点称为三相点，该点三相共存，温度和压力都由体系自定，其温度为273.16K，压力为610.62Pa。16.3、原子结构1879年J.JThomson发现电子（electron),揭示了原子内部秘密1911年E.Rutherford提出原子结构有核模型1913年N.Bohr结合Bohr原子模型

M.Plank和A.Einstein量子论Rutherford原子有核模型原子结构的量子理论原子核：位于原子中心，带正电电子:核外高速旋转，带负电，按能量高低排列核外电子的排布规律：能量最低原理保里不相容原理洪特规则17.4、结合键一、金属键（Metallicbonding）典型的金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Freeelectron），形成电子云（electroncloud），金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。性质：良好导电、导热性能，延展性好化学键物理键：亦称范德华键氢键：介于化学键和范德华键之间金属键共价键离子键键能100-800KJ/mol（强相互作用）几到几十KJ/mol（弱相互作用）18.二、离子键（Ionicbonding)

多数盐类、碱类和金属氧化物特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体，但在熔融状态或溶于水后能导电。三、共价键（covalentbonding）亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成

特点：饱和性，方向性性质：熔点高、质硬脆、导电能力差实质：金属原子带正电的正离子非金属原子带负电的负离子e静电作用力19.四、范德华力（Vanderwaalsbonding)属物理键，次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质五、氢键（Hydrogenbonding）极性分子键，存在于HF、H2O、NH3等中，氢原子中唯一的电子被其它电负性大且半径小的原子所共有，裸露原子核将与近邻分子的含孤电子对的负端相互吸引——氢桥，介于化学键与物理键之间，具有饱和性。近邻原子相互作用电荷位移偶极子范德华力电偶极矩的感应作用HF氢键示意图极性分子间的范德华力键示意图20.5、固体结构晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序（long-rangeorder）性能上两大特点：固定的熔点（meltingpoint）

各向异性（anisotropy）固态液态气态晶体非晶体物质21.X射线衍射仪

1895年，著名的德国物理学家伦琴发现了X射线。1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在晶体中的衍射现象，确证了X射线是一种电磁波。1912年，英国物理学家Bragg父子利用X射线衍射测定了NaCl晶体的结构，并发现了x射线的粒子性，即具有波粒二象性，从此开创了X射线晶体结构分析的历史。X射线的波长：10－2~102Å22.晶体的空间点阵（Spacelattice）1.

空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点latticepoint），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境2．晶胞（Unitecells）

描述空间点阵中阵点排列方式的最小体积单元，是平行六面体结构选取晶胞的原则：Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。23.

3.晶系与布拉菲点阵（CrystalSystemandBravaisLattice）

7个晶系，14个布拉菲点阵晶系布拉菲点阵晶系布拉菲点阵三斜Triclinica≠b≠c，α≠β≠γ单斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90º≠β正交a≠b≠c，α=β=γ＝90º简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90º，γ=120º菱方Rhombohedrala=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简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方24.底心单斜简单三斜简单单斜25.底心正交简单正交面心正交体心正交26.简单菱方简单六方简单四方体心四方27.简单立方体心立方面心立方28.固溶体化合物：加盟组元与基本组元原子以一定的比值重新组合形成新的晶体结构。单质置换型固溶体：溶质原子占据点阵的固溶体间隙型固溶体：溶质原子占据原子间隙的固溶体加盟组元在晶体中的存在形式加盟组元原子占据基本组元原子晶体中所占位置的一部分或它们之间的某些间隙，而仍然保持基本组元的晶体结构。加盟组元称为溶质，基本组元称为溶剂。29.6、结构缺陷点缺陷线缺陷面缺陷体缺陷原子完全规则排列的晶体只是理想的物质，实际晶体总免不了存在一些原子不规则排列的局部区域，根据这些区域所占空间的几何特点，分别称为：30.一、点缺陷无机非金属材料中最重要也是最基本的结构缺陷是点缺陷。根据点缺陷相对于理想晶格位置的偏差状态，点缺陷具有不同的名称：间隙原子（或离子）：指原子（或离子）进入正常格点位置之间的间隙位置，成为间隙原子（离子）；空位：正常格点位置出现的原子或离子空缺；杂质原子（或离子）：晶体组分以外的原子进入晶格中，即为杂质。杂质原子可以取代晶体中正常格点位置上的原子（离子），称为置换原子（离子）；也可进入正常格点位置之间的间隙位置，成为填隙的杂质原子（离子）。

31.二、线缺陷晶体内部偏离周期性点阵结构的一维缺陷称为线缺陷。晶体中最重要的一种线缺陷是位错，在电子显微镜下可直接看到。位错在晶体的强度、断裂、相变以及其他结构敏感性问题中起着重要作用。三、面缺陷晶体内偏离周期性点阵结构的二维缺陷称为面缺陷，主要有层错、晶界、相界等，在光学显微镜下即可看到。四、体缺陷晶体内部偏离周期性点阵结构的三维缺陷称为体缺陷，主要有包裹体、空洞、夹杂物，第二相等。32.二、材料的性能33.1、物理性质

材料的物理性质是指材料本身具有的各种物理量(热、电、光、磁等)以及环境变化时它们的变化程度。密度导热性

热膨胀系数α单位体积物质的质量Kg/M3单位质量的物质所占的体积M3/Kg物体内温度梯度为1℃/M时，在单位时间、单位面积内传递的热量温度上升1℃时，单位长度的伸长量比容34.电阻率与电导率电阻温度系数熔点物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻，其倒数称为电导率。温度上升1℃时，电阻率

的变化系数。正电阻温度系数：导体的电阻率随温度的升高而增大。负电阻温度系数：半导体材料的电阻率随温度的升高而减小。如以锰、钴、镍和铜等金属氧化物材料具有半导体性质，温度低时，这些材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。35.2、化学性质

反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。

工程材料主要考虑其耐腐蚀性、耐氧化性，电化学材料主要考察电极电位、储能密度等。材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。有化学腐蚀和电化学腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照……因素有关。腐蚀不仅影响零件质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。36.3、力学性质指材料处于特定环境因素（温度、介质等）时，在外力或能量作用下表现出来的变形和破坏的特征。

通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料的主要力学性能有：塑性强度硬度弹性冲击韧性疲劳特性耐磨性37.三、材料的分类38.材料（以声，光，电，磁，热等物理、化学性能或效应为特征的材料）。按组成和结合健性质分类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料以及复合材料。

按使用领域分类：建筑材料、电子材料、医用材料、仪表材料、能源材料等。按材料的用途分类：结构材料（以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料）和功能39.包括纯金属及其合金。合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有金属性的材料。金属材料的结合健为金属健，熔点较高，延展性大，导热和导电性好，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。钢铁材料(黑色金属)：钢铸铁非铁金属材料(有色金属)：轻金属AlMgCaNa…重金属CuNiPbSnZn…贵金属AgAuPbRbIr稀有金属ZrTiNb…稀土金属Re(YNd…)放射性金属RaUTh…1.金属材料40.2.无机非金属材料主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等按性能和用途分类：传统陶瓷和广义陶瓷

传统陶瓷材料主要由粘土、石英等组成，广义陶瓷也称特种陶瓷、精细陶瓷、高技术陶瓷、先进陶瓷，可分为金属氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷，如碳、氮、硼、硅等的化合物。