材料結構與性能

1、編輯課件1材料結構與性能材料結構與性能 參考教材：參考教材： 材料結構與性能材料結構與性能 李宗全李宗全 陳湘明編陳湘明編 浙江大學出版社浙江大學出版社v 授課教師：王耐艷v 聯(lián)系地址：17-243v 聯(lián)系電話: 86843265編輯課件2第一章第一章 緒緒 論論課程的性質：課程的性質： 材料材料結構與性能是材料類各類各專業(yè)碩士研究生必修的一門專業(yè)碩士研究生必修的一門專業(yè)專業(yè)基礎課基礎課。編輯課件3課程任務：課程任務： 獲得材料結構的基本理論和知識；掌獲得材料結構的基本理論和知識；掌握材料握材料成分成分組織組織性能性能應用應用之間關系之間關系的一般規(guī)律。的一般規(guī)律。編輯課件4一、什么是材料？一

2、、什么是材料？ 材料是指人類社會可接受的，能經濟的制造有用器件（物品）的固體物質。材料材料天然生成材料天然生成材料人工合成材料人工合成材料礦物煤炭鋼鐵陶瓷塑料復合材料編輯課件5二、材料的發(fā)展二、材料的發(fā)展 人類社會的歷史是一部利用材料和制造材料的歷史，材料更新推動社會進步。人類使用材料已經歷了人類使用材料已經歷了7個時代：個時代：種類種類使用的材料使用的材料存儲容量存儲容量特點特點軟盤氧化鐵1.44 Mb容量小，文本文件存儲CDRW以ZnS等為主的陶瓷材料650 MbCD光盤，價低，用量大MO(磁光盤)TbFeCo合金磁光材料650 Mb，1.3Gb需專用驅動器，價格高，局限在廣告圖形用戶DV

3、DRWZnS等為主的陶瓷材料單面單層為4.7 GbCDRW和CD光盤，用量大編輯課件6材料科學材料科學材料科學材料科學 ： 是從事材料本質的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研是從事材料本質的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結構的統(tǒng)一描繪或模型，究，其目的在于提供材料結構的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結構與性能之間的關系。它包括下面以及解釋這種結構與性能之間的關系。它包括下面的三個環(huán)節(jié)，核心是結構和性能。的三個環(huán)節(jié)，核心是結構和性能。編輯課件7材料科學材料科學 材料科學是在物理化學數(shù)學工程等學科的材料科學是在物理化學數(shù)學工程等學科的基礎上發(fā)展起來的一個交叉學科?；A上發(fā)展起來的一個交叉學科。

4、 材料科學以材料的分子材料科學以材料的分子結構結構、分子聚、分子聚集態(tài)、構筑成材料的外形集態(tài)、構筑成材料的外形結構結構為研究內容為研究內容，探討材料的微觀結構與宏觀性能之間的，探討材料的微觀結構與宏觀性能之間的內在聯(lián)系的學科。內在聯(lián)系的學科。編輯課件81.原子、分子結構：原子、分子結構：屬于原始基礎結構，決定材料屬于原始基礎結構，決定材料所具有的潛在功能。所具有的潛在功能。2.原子的排列方式即分子聚集態(tài)結構原子的排列方式即分子聚集態(tài)結構相結構：相結構：決決定材料具有某種可表現(xiàn)的實際功能。定材料具有某種可表現(xiàn)的實際功能。3.顯微組織顯微組織各相的組合體：各相的組合體：構筑材料的外形結構：構筑材料

5、的外形結構：決定材料具有某種特定的有效功能。決定材料具有某種特定的有效功能。編輯課件9四、材料與工程四、材料與工程 材料是機械、電子、化工等工程領域的物材料是機械、電子、化工等工程領域的物質基礎，是工程技術的突破口。質基礎，是工程技術的突破口。 工程技術的高速發(fā)展為材料的改型和工程技術的高速發(fā)展為材料的改型和新材料的研制提出更高的要求。新材料的研制提出更高的要求。編輯課件10材料工程材料工程 材料工程是著重把基礎知識應用于材料的研制、生產、改性、和應用的學課。 材料工程是整個工程學中的一個重材料工程是整個工程學中的一個重要領域。要領域。編輯課件11材料工程學科的目的：材料工程學科的目的： 解決

6、技術上、社會（環(huán)境）上不斷出解決技術上、社會（環(huán)境）上不斷出現(xiàn)的新問題現(xiàn)的新問題。 能經濟地、為社會所能接受的控制能經濟地、為社會所能接受的控制材料的結構、性能和形狀。材料的結構、性能和形狀。 全面考慮材料的經濟性、資源性、全面考慮材料的經濟性、資源性、環(huán)保性、能源性、內在和表面的質量。環(huán)保性、能源性、內在和表面的質量。編輯課件12材料科學與工程的關系材料科學與工程的關系 材料科學為材料工程指明方向、為更好地材料科學為材料工程指明方向、為更好地選擇材料、使用材料、發(fā)揮材料的潛力提供理選擇材料、使用材料、發(fā)揮材料的潛力提供理論基礎。論基礎。 材料工程為材料科學的發(fā)展提出了材料工程為材料科學的發(fā)展

7、提出了豐富的研究課題。豐富的研究課題。 材料科學和材料工程之間的區(qū)別主要在于材料科學和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點的不同或者說各自強調的重點不同。著眼點的不同或者說各自強調的重點不同。編輯課件13五、材料性能與結構的關系五、材料性能與結構的關系 材料性能：材料性能： 是一種參量，用于表征材料在給定外界條件是一種參量，用于表征材料在給定外界條件（溫度、載荷、電磁場、化學介質等）下的行為。（溫度、載荷、電磁場、化學介質等）下的行為。編輯課件14材料性能材料性能 外界條件的改變涉及體系能量的改變，能量控制結構的形成和過程的進行，導致性能改變。條件條件能量能量結構結構性能性能編輯課件15材料結構材

8、料結構 材料的結構是表明材料的組元及其排列材料的結構是表明材料的組元及其排列和運動的方式。和運動的方式。材料組元材料組元原子原子分子分子離子離子編輯課件16組元的排列方式：組元的排列方式：取決于組元的結合類型取決于組元的結合類型。結合類型結合類型金屬鍵金屬鍵離子鍵離子鍵共價鍵共價鍵分子鍵分子鍵編輯課件17組元的運動方式電子自旋運動電子自旋運動原子熱運動原子熱運動分子伸縮、彎曲振動分子伸縮、彎曲振動空穴的擴散空穴的擴散編輯課件18材料結構材料結構原子結構原子結構:影響材料的電、磁、熱、光影響材料的電、磁、熱、光學及耐腐蝕性能。學及耐腐蝕性能。影響材料的力學性能。影響材料的力學性能。相結構：相結構

9、：顯微組織：顯微組織：各相含量和形貌所構成的各相含量和形貌所構成的圖像。如鋼和鐵。圖像。如鋼和鐵。結構缺陷：結構缺陷：影響材料性能。影響材料性能。編輯課件19六、材料的分類六、材料的分類1. 按化學成分、生產過程、結構與性能的特點按化學成分、生產過程、結構與性能的特點分：分：材料材料金屬材料金屬材料無機非金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料有機高分子材料金屬陶瓷無機有機復合材料編輯課件202. 按使用功能分類結構材料：著重考慮材料的力學性能。如：材料的強度、結構材料：著重考慮材料的力學性能。如：材料的強度、硬度、塑性、韌性等。硬度、塑性、韌性等。 功能材料：著重考慮材料的電磁學、光學、功能材料

10、：著重考慮材料的電磁學、光學、 熱學等等的性能。熱學等等的性能。功能材料功能材料熱電材料激光材料壓電材料光電材料聲光材料智能材料非線性光學材料編輯課件213. 按用途分類電子材料電子材料電工材料電工材料研磨材料研磨材料建筑材料建筑材料光學材料光學材料感光材料感光材料耐酸材料耐酸材料包裝材料包裝材料編輯課件224. 按結構分類按結構分類A 晶態(tài)材料：晶態(tài)材料：單晶、多晶、微晶、液晶、孿晶。單晶、多晶、微晶、液晶、孿晶。B 非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料C 準晶材料準晶材料編輯課件23第二章第二章 原子結構與晶體結合力原子結構與晶體結合力2-1 原子結構原子結構原子（直徑原子（直徑 )原子核原子核(直徑直徑

11、10-3 )核外電子核外電子編輯課件24原子和核外電子的作用原子和核外電子的作用作用力作用力靜電引力（庫侖力）靜電引力（庫侖力）萬有引力萬有引力編輯課件25原子之間的作用原子之間的作用 原子中的電子受到原子中的電子受到自身原子核的作用自身原子核的作用原子中的電子受到其原子中的電子受到其他原子的電子、原子他原子的電子、原子核的作用。核的作用。電子態(tài)發(fā)電子態(tài)發(fā)生改變生改變編輯課件26 粒子的總能量 可以經典地表達為動能動能 T 與勢能 V 的和： E = T + V = P2/2m +V ； 其中，P 是動量， m 是質量。編輯課件27編輯課件28編輯課件29編輯課件30自由電子模型自由電子模型的

12、Schrdinger方程:編輯課件31編輯課件32穩(wěn)態(tài)原子量子數(shù)1. 主量子數(shù)主量子數(shù) n : 與特定態(tài)的電子能量有關。與特定態(tài)的電子能量有關。 2. 角量子數(shù)角量子數(shù)L: 量子角動量的量度。量子角動量的量度。3. 磁量子數(shù)磁量子數(shù)m: 角動量在磁場方向的分量。角動量在磁場方向的分量。4. 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)ms編輯課件33、主量子數(shù)、主量子數(shù)n 常用符號：常用符號： K, L, M, N, O, P, Q n： 1, 2, 3, 4, 5, 6, 71）主量子數(shù)確定電子運動的能量。 n值越大 電子所具有的能量 越大。2）電子出現(xiàn)概率最大的離核的平均距離 。3）代表電子層或能層。在一個原子內

13、，具有相同 主量子數(shù)的電子，幾乎在同樣的空間范圍運動，故稱為主量子數(shù)。n相同的電子為一個電子層。編輯課件342、角量子數(shù)、角量子數(shù)l 1)l 對應的能級表示亞層，決定原子軌 道形狀 2) 在多電子原子中l(wèi)和主量子數(shù)一起決定 電子的能級 。 spdfg 如： 當 n=2, l=0 的狀態(tài)就為2s電子； 處在 n=2, l=1 的狀態(tài)為2p電子。 常用符號：常用符號： s， p， d, f l : 0, 1, 2, 3(n-1) 編輯課件353、磁量子數(shù)、磁量子數(shù)m磁量子數(shù)m 取值受角量子數(shù)的限制。 m = （2l+1 ）或者或者0, 1, 2, 3,l。 1） m 決定原子軌道在空間的取向。某種形狀 原v 子軌道，可以在空間取不同的伸展方向， 這v 是由線狀光譜在磁場中還能發(fā)生分裂，顯示出v 微小差別的現(xiàn)象得出的結果。vExample: p orbit have 3 different orientation p x. p y p z2）磁量子數(shù)與電子能量無關。編輯課件36ms 自旋量子數(shù): 表示電子的自旋方向。 ms 取值：取值：+1/2、-1/2。自旋磁量子數(shù)自旋磁量子數(shù)ms編輯課件37綜