材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件

基礎(chǔ)材料與新材料

基礎(chǔ)材料與新材料1緒論木工教研室于曉芳緒論2第一節(jié)材料發(fā)展概述材料:人類用來制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。能源、信息和材料被稱為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。歷史學(xué)家將人類早期歷史劃分為石器時(shí)代、陶器時(shí)代、青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代等.現(xiàn)在人類已進(jìn)入人工合成材料的新時(shí)期。第一節(jié)材料發(fā)展概述3一、石器時(shí)代石器是人類最先使用的工具。在新石器時(shí)代，出現(xiàn)了玉器、陶器和瓷器。如金鏤玉衣，秦始皇兵馬俑等。我國是生產(chǎn)瓷器最早的的國家。一、石器時(shí)代石器是人類最先使用的工4二、青銅器時(shí)代青銅（銅錫合金）——人類歷史上發(fā)明的第一種合金。晚商和西周是我國青銅器時(shí)代的鼎盛時(shí)期。如“司母戊”大方鼎，越王勾踐的兩把寶劍等。二、青銅器時(shí)代青銅（銅錫合金）——人類歷史上5三、鐵器時(shí)代

春秋戰(zhàn)國時(shí)期已開始大量使用鐵器。春秋晚期出土的鐵器：江蘇六合程橋楚墓的鐵丸、長沙楚墓的鐵鼎。戰(zhàn)國時(shí)期已有韌性鑄鐵生產(chǎn)工藝。在漢代冶鐵遺址中，發(fā)掘出20多座冶鐵爐和鍛爐，爐型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并有鼓風(fēng)裝置和鑄造坑。三、鐵器時(shí)代春秋戰(zhàn)國時(shí)期已開始大量使用鐵器。6四、鋼鐵工業(yè)和有色金屬的發(fā)展鑄鐵——用來制作農(nóng)具、兵器等。瓦特發(fā)明蒸氣機(jī)以后，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。煉鋼技術(shù)是在蒸氣機(jī)出現(xiàn)、能夠提供強(qiáng)大的鼓風(fēng)和動(dòng)力以后才發(fā)展起來的。目前我國的鋼產(chǎn)量已躍居世界首位。四、鋼鐵工業(yè)和有色金屬的發(fā)展鑄鐵——用來制作7五、非金屬材料的發(fā)展絲綢是一種天然高分子材料。有機(jī)合成材料每年以14％的速度增長，而金屬材料的年增長率僅為4％。陶瓷材料在冶金、建筑、化工以及尖端技術(shù)領(lǐng)域，已成為耐高溫、耐腐蝕和各種功能材料的主要材料。五、非金屬材料的發(fā)展絲綢是一種天然高分子材料。8六、復(fù)合材料及新材料技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求，復(fù)合材料和新材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。

新材料

是指那些對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重大推動(dòng)作用的材料，這些材料具有傳統(tǒng)材料所沒有的或無法比擬的優(yōu)異性能，它的出現(xiàn)將極大地促進(jìn)生產(chǎn)力的提高，推動(dòng)社會(huì)飛速發(fā)展。六、復(fù)合材料及新材料技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)的單一材料已9第二節(jié)材料應(yīng)用現(xiàn)狀與

新材料的發(fā)展趨勢一、材料應(yīng)用的現(xiàn)狀目前，用量最大的材料是鋼鐵材料和鋁合金、銅合金、鈦合金及鎳合金等有色金屬。工程塑料常用于計(jì)算機(jī)外殼、接線板、控制按鈕、窗玻璃、容器等。傳統(tǒng)陶瓷主要用于建筑行業(yè)，而先進(jìn)陶瓷材料則在高新技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。復(fù)合材料尤其是金屬基復(fù)合材料在航空航天部門得到了廣泛應(yīng)用。第二節(jié)材料應(yīng)用現(xiàn)狀與

新材料的發(fā)展10二、新材料的發(fā)展趨勢新材料的研制與開發(fā)應(yīng)用和一個(gè)國家的工業(yè)實(shí)力及經(jīng)濟(jì)、軍事力量的增長都有十分密切的關(guān)系。二、新材料的發(fā)展趨勢11

1.先進(jìn)復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料是當(dāng)前先進(jìn)復(fù)合材料研究中引人注目的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。如碳纖維增強(qiáng)鋁，粉末顆粒增強(qiáng)鋁、硼纖維增強(qiáng)鋁等。陶瓷復(fù)合材料尚處于研究試制開發(fā)階段，研究的品種包括陶瓷纖維增強(qiáng)陶瓷和玻璃材料、金屬纖維增強(qiáng)陶瓷和玻璃材料、晶須增強(qiáng)陶瓷和玻璃材料等。1.先進(jìn)復(fù)合材料122.光電子信息材料

基本材料的研究（如超高純玻璃、新型半導(dǎo)體材料、先進(jìn)薄膜材料等）。2.光電子信息材料133.低維材料

所謂低維材料就是指超微粒子（零維）、纖維（一維）和薄膜（二維）材料，這是近年來發(fā)展最快的材料領(lǐng)域。

通過溶膠—凝膠法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級(jí)的陶瓷或金屬粉末，其大小只有幾個(gè)原子到幾百個(gè)原子，一般稱為納米級(jí)超細(xì)微粉。納米級(jí)金屬顆粒是電的絕緣體及吸光的黑體；以納米顆粒制成的陶瓷具有較高的韌性和超塑性；納米級(jí)金屬鋁的硬度是塊狀鋁的8倍等。3.低維材料14

一維纖維中最重要的是光導(dǎo)纖維，可用于通信工程材料。光導(dǎo)纖維的特點(diǎn)是其信息傳輸量遠(yuǎn)比用銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強(qiáng)的保密性。

二維材料（薄膜）的發(fā)展也很快，特別是電子技術(shù)的發(fā)展，需要各種類型的薄膜材料，當(dāng)前發(fā)展最快的是金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜和半導(dǎo)體薄膜等。

154.新型金屬材料高性能金屬新材料近期發(fā)展方向，主要是通過新技術(shù)、新工藝，提高合金化程度或改變組織，從而大幅度提高材料的性能，開發(fā)出新的品種。例如，可以通過對(duì)合金成分的合理設(shè)計(jì)及微量元素的控制，研制出了高比強(qiáng)度與高比模量的AL—Li合金；通過快速冷卻（104K/s～105K/s）可使某些合金成為非晶態(tài)，或可以得到微晶，提高合金化程度，從而使合金得到強(qiáng)化。4.新型金屬材料165.高性能塑料

新型的高性能高分子材料，強(qiáng)度可比金屬更高，且更耐腐蝕，生產(chǎn)過程耗能低，成型加工工藝性能良好，成本較低，所以發(fā)展較快。目前高性能塑料主要應(yīng)用于家用器皿、建筑構(gòu)件以及軍用品，以及汽車及飛機(jī)工業(yè)上。5.高性能塑料17

6.先進(jìn)陶瓷材料先進(jìn)陶瓷材料可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。目前人們關(guān)注的是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用研究，它將使熱機(jī)效能大大提高，減少環(huán)境污染，擴(kuò)大燃料使用范圍。6.先進(jìn)陶瓷材料187.超導(dǎo)材料目前研制的重點(diǎn)是高溫超導(dǎo)材料的研制。7.超導(dǎo)材料19第三節(jié)材料的分類

按使用性能分類，可分為以力學(xué)性能為主的結(jié)構(gòu)材料和以物理、化學(xué)性能為主的功能材料。按用途分類，可分為機(jī)械材料、信息材料、電子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、電工電器材料、農(nóng)用材料等。目前材料通常是按其組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料四大類。（見下表）第三節(jié)材料的分類按使用性能分類，可分為以力20工程

材料金屬材料高分子材料陶瓷材料復(fù)合材料鑄鐵鋼有色金屬及其合金碳鋼合金鋼工程塑料合成橡膠膠粘劑普通陶瓷特種陶瓷金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料合成纖維

工程材料的分類工程金屬高分陶瓷復(fù)合鑄鐵鋼有色金碳鋼合21一、金屬材料金屬材料：是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料。合金：是在純金屬中，有意地加入一種或多種其他元素，通過冶金或粉末冶金方法制成的具有金屬特性的材料。金屬材料可以分為兩大部分：①黑色金屬：鐵和以鐵為基的合金，包括鋼、鑄鐵和鐵合金。②有色金屬：黑色金屬金屬以外的所有金屬及其合金。一、金屬材料金屬材料：是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料。22二、高分子材料高分子材料由大量相對(duì)分子質(zhì)量特別大的大分子化合物組成，每個(gè)大分子皆包含有大量結(jié)構(gòu)相同、相互連接的鏈節(jié)。高分子化合物具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性，較強(qiáng)的耐腐蝕性能，很好的絕緣性，以及重量輕等性能，在工程上是發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材料。二、高分子材料高分子材料由大量相對(duì)分子質(zhì)量特23

工程上通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)將高分子材料分為四大類：

⑴塑料：強(qiáng)度、韌性和耐磨性較好，可制造某些機(jī)器零件或構(gòu)件的工程塑料，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。⑵合成纖維：由單體聚合而成的、強(qiáng)度很高的聚合物，通過機(jī)械處理所獲得的纖維材料。⑶橡膠：經(jīng)硫華處理的、彈性特別優(yōu)良的聚合物，有通用橡膠和特種橡膠兩種。⑷膠粘劑：通過粘附作用，使同質(zhì)或異質(zhì)材料連接在一起，并在膠接面上有一定強(qiáng)度的物質(zhì)。又叫黏合劑或黏結(jié)劑。工程上通24三、陶瓷材料陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬（通常為氧）的化合物，其中尺寸較大的氧原子為陶瓷的基質(zhì)，較小的金屬（或半]金屬如硅等）原子處于氧原子之間的空隙中。陶瓷的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、硬度大、耐腐蝕。缺點(diǎn)是脆性大。陶瓷材料屬于無機(jī)非金屬材料，由于大部分無機(jī)非金屬材料含有硅和其他元素的化合物，所以又叫做硅酸鹽材料。它一般包括無機(jī)玻璃（硅酸鹽玻璃）、玻璃陶瓷（或稱微晶玻璃）和陶瓷等三類。三、陶瓷材料陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金25按照成分和用途，工業(yè)陶瓷材料可分為：⑴普通陶瓷：即傳統(tǒng)陶瓷，主要為硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料。⑵特種陶瓷：又叫新型陶瓷，主要為高熔點(diǎn)的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等的燒結(jié)材料。⑶金屬陶瓷：主要指由金屬和陶瓷性非金屬組成的燒結(jié)材料。按照成分和用途，工業(yè)陶瓷材料可分為：26四、復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同材料組合的材料，其性能優(yōu)于它的組成材料。復(fù)合材料在強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，是一類特殊的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。四、復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同27第一章材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)木工教研室于曉芳第一章材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)28

第一節(jié)固體材料中的原子排列

固體分為晶體與非晶體兩大類。晶體的特點(diǎn)：原子排列有規(guī)則，有固定的熔點(diǎn)，各向異性；

非晶體的特點(diǎn)：原子排布沒有規(guī)律，沒有固定的熔點(diǎn)，各向同性。

第一節(jié)固體材料中的原子排列29一、短程有序與長程有序

1.短程有序：原子僅在很小的范圍（幾個(gè)原子的尺度）內(nèi)呈一定的規(guī)則排列。2.長程有序：原子在很大的范圍內(nèi)是按一定的規(guī)則排列的。具有長程有序排列的材料稱為晶體材料。金屬、半導(dǎo)體、大部分陶瓷材料都是晶體材料。某些高分子材料也是晶體材料。材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件30二、晶體中原子的結(jié)合化學(xué)鍵分離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵和分子鍵四種。1.離子鍵和離子晶體離子鍵：由正負(fù)離子通過強(qiáng)烈的化學(xué)作用而形成的化學(xué)鍵，稱為離子鍵。

離子晶體：離子鍵構(gòu)成的晶體。離子晶體的特點(diǎn)：硬度大、強(qiáng)度高。熱膨脹系數(shù)小，絕緣性好，脆性大。氯化鈉離子晶體結(jié)構(gòu)二、晶體中原子的結(jié)合化學(xué)鍵分312.共價(jià)鍵

共價(jià)鍵：由共用電子對(duì)產(chǎn)生的化學(xué)鍵稱為共價(jià)鍵。

共價(jià)晶體（原子晶體）：共價(jià)鍵構(gòu)成的晶體。共價(jià)晶體的特點(diǎn)：強(qiáng)度高，硬度大，熔點(diǎn)高，揮發(fā)性低，脆性大，是良好的絕緣體。金剛石共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)2.共價(jià)鍵金剛石共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)323.金屬鍵和金屬晶體金屬鍵：在金屬中，正離子與自由電子之間的強(qiáng)烈的化學(xué)作用.

金屬晶體：金屬鍵構(gòu)成的晶體。

金屬晶體的特點(diǎn)：具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，塑性好，強(qiáng)度高，不耐腐蝕。銅的晶體結(jié)構(gòu)3.金屬鍵和金屬晶體銅的晶體結(jié)構(gòu)33

4.分子鍵和分子晶體

分子鍵：存在于中性分子或原子之間的結(jié)合力，稱為分子鍵。分子晶體：依靠分子鍵結(jié)合的晶體。分子晶體的特點(diǎn)：熔點(diǎn)低，硬度低。Br2的晶體結(jié)構(gòu)4.分子34

★熔點(diǎn)、強(qiáng)度、硬度和分子之間的作用力有密切的關(guān)系，作用力越大，則熔點(diǎn)、強(qiáng)度、硬度越大。塑性與脆性與分子間的作用力有關(guān)，離子晶體和原子晶體脆性大，金屬晶體塑性大。★熔點(diǎn)、強(qiáng)度、硬度和分子之間的作用力有密切的35三、晶體結(jié)構(gòu)的一些重要概念

晶體的剛性球模型1.晶體、晶格、晶胞及晶系晶體中原子（離子或分子）在空間呈規(guī)則排列，規(guī)則排列的方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。三、晶體結(jié)構(gòu)的一些重要概念36晶格：假設(shè)通過原子（分子或離子）的中心劃出許多空間直線，構(gòu)成空間格架。這種假想的格架稱為晶格。晶胞：晶格中能夠反映晶格幾何特征的最小幾何組成單元。晶格常數(shù)：a、b、c、α、β、γ晶胞晶格：假設(shè)通過原子（分子或離子）的中心劃晶胞37晶體結(jié)構(gòu)的七種晶系十四種點(diǎn)陣

晶體結(jié)構(gòu)的七種晶系十四種點(diǎn)陣

382.晶格尺寸晶格尺寸是指晶胞的大小，用晶格常數(shù)表達(dá)。晶格常數(shù)的單位為nm，晶體的晶格常數(shù)多為0.1～0.7nm。3.晶胞原子數(shù)是指一個(gè)晶胞所含的原子數(shù)目。4.原子半徑晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半。5.致密度晶胞中原子所占體積的百分?jǐn)?shù)。致密度＝晶胞中原子的體積/晶胞的體積6.配位數(shù)晶格中，與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)目稱為配位數(shù)。配位數(shù)越大，則致密度越高。2.晶格尺寸39材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件405.三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格：原子分布在立方晶胞的中心和八個(gè)角上。典型的有α—Fe、Cr、Mo、W等。面心立方晶格：原子分布在立方晶胞的六個(gè)面的中心和八個(gè)角上。典型的有Au、Ag、Cu、Al、Ni、Pb等。密排六方晶格：原子分布在六方晶胞的十二個(gè)角，上下底面的中心以及兩底之間三個(gè)均勻分布的間隙里。當(dāng)c/a＝1.633時(shí)，結(jié)構(gòu)最緊密。屬于這種晶格的有Mg、Zn、Be等。5.三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)41常見金屬晶體的晶胞結(jié)構(gòu)（a）面心立方（b）體心立方（c）密排六方常見金屬晶體的晶胞結(jié)構(gòu)（a）面心立方（b）體心立方（c）密排42材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件43

四、晶體中的晶面和晶向

晶面：通過晶體中原子（分子或離子）中心的平面。

晶向：通過原子（分子或離子）中心的直線。在晶體學(xué)中經(jīng)常用晶面指數(shù)和晶向指數(shù)來表示晶面和晶向。1.立方晶系晶面指數(shù)的確定方法

四、晶體中的晶面和晶向

44確定立方晶系晶面指數(shù)的步驟如下：（1）選定不在預(yù)定晶面上的晶格中任一節(jié)點(diǎn)為空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)；以晶格三棱邊為坐標(biāo)軸ox、oy、oz；以晶格常數(shù)a、b、c分別作為ox、oy、oz軸的長度度量單位。（2）求出預(yù)定晶面在三個(gè)軸上的截距。（3）取欲定晶面的三軸截距的倒數(shù)，并將其化為最小整數(shù)。（4）把三正數(shù)寫在圓括號(hào)內(nèi)，并將其化為最小整數(shù)。注意：當(dāng)某一平面與某軸平行時(shí)，該晶面與該軸的截距為無窮大。確定立方晶系晶面指數(shù)的步驟如下：452.立方晶系晶向指數(shù)的確定方法確定晶向指數(shù)的步驟如下：（1）選定坐標(biāo)系，其方法與晶面指數(shù)的方法相同。（2）過坐標(biāo)原點(diǎn)作一平行于欲求晶向的直線，求出該直線上任一節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)軸，并將其化為最小整數(shù)。（3）將整數(shù)記在方括號(hào)內(nèi)，整數(shù)之間不用標(biāo)點(diǎn)分開。這樣，即得到晶向指數(shù)［uvw］。材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件46立方晶系中的重要晶面立方晶系中的重要晶面473.晶面和晶向的原子密度晶面原子密度是指晶面單位面積中的原子數(shù)。晶向指數(shù)密度是指該晶向單位長度上的原子數(shù)。體心立方與面心立方晶體各主要晶面和晶向的原子密度如下圖：體心立方與面心立方晶體各主要晶面的原子排列與密度3.晶面和晶向的原子密度體心立方與面心立方晶體各主要晶面48體心立方與面心立方晶體各主要晶向的原子排列與密度體心立方與面心立方晶體各主要晶向的原子排列與密度497.堆垛方式

假設(shè)原子同是半徑相等的剛性球，面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)密排面上原子堆垛方式有很大的相似之處。面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)中原子堆垛方式7.堆垛方式面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)中原子堆垛方式50FCC按（111）面的堆垛次序FCC按（111）面的堆垛次序518.各種金屬晶體的四面體間隙和八面體間隙體心立方結(jié)構(gòu)的間隙8.各種金屬晶體的四面體間隙和八面體間隙體心立方結(jié)構(gòu)的間隙52面心立方結(jié)構(gòu)的間隙（a）八面體間隙（b）四面體間隙面心立方結(jié)構(gòu)的間隙53

密排六方結(jié)構(gòu)的間隙（a）八面體間隙（b）四面體間隙密排六方結(jié)構(gòu)的間隙54

第二節(jié)晶體中的缺陷實(shí)際晶體并非是由晶胞規(guī)則地重復(fù)排列而成的理想晶體結(jié)構(gòu)。由于種種原因，在金屬中存在著缺陷。晶體中的缺陷有三種，分別是點(diǎn)缺陷、線缺陷以及面缺陷。點(diǎn)缺陷影響材料的物理性能，線缺陷影響材料的力學(xué)性能，各種缺陷均影響材料的冶金性能。一、點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很?。ú怀^幾個(gè)原子直徑）的缺陷。主要有以下三種。

551.空位空位：晶格上沒有原子的節(jié)點(diǎn)稱為空位?？瘴划a(chǎn)生的原因：晶體中的熱運(yùn)動(dòng)。塑性變形以及高能離子輻射等也能形成空位。2.間隙原子間隙原子：在晶格節(jié)點(diǎn)以外位置上的原子稱為間隙原子。間隙原子一般為原子半徑小的異類原子（如C、N、O、B、H）等。間隙原子產(chǎn)生的原因：金屬中存在著空隙。1.空位563.置換原子

置換原子：占據(jù)晶格節(jié)點(diǎn)的異類原子稱為置換原子。一般說來，置換原子的半徑和基體原子相當(dāng)，或比基體原子大。產(chǎn)生原因：晶體中存在著大量空隙。注：由間隙原子或置換原子融入基體晶格內(nèi)，可形成間隙固溶體或置換固溶體。由于形成固溶體會(huì)造成彈性應(yīng)力場，從而使金屬的強(qiáng)度增加，電阻率增大（即固溶強(qiáng)化，金屬強(qiáng)化的一種方式）。3.置換原子57

晶體中的點(diǎn)缺陷

（a）空位（b）置換原子（c）間隙原子晶體中的點(diǎn)缺陷

584.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)

點(diǎn)缺陷并非固定不動(dòng)，而是處于不斷的運(yùn)動(dòng)變化之中。例如，當(dāng)空位周圍的原子跳入空位后，在原子的原來位置上就形成了一個(gè)新的空位，這相當(dāng)于空位移動(dòng)了一定距離，此過程不斷進(jìn)行，即形成了空位的運(yùn)動(dòng)。同理，間隙原子也可由一個(gè)間隙位置遷移到另一個(gè)間隙位置。當(dāng)間隙原子與空位相遇時(shí)，它填入此空位而使兩者都消失，這一過程稱為復(fù)合?？瘴缓烷g隙原子的運(yùn)動(dòng)是晶體中原子擴(kuò)散的重要方式。4.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)59晶體的理論切變強(qiáng)度：一般金屬：

τm=104~105MPa實(shí)際金屬單晶：1~10MPa線缺陷（位錯(cuò)）晶體的理論切變強(qiáng)度：一般金屬：實(shí)際金屬單晶：線缺陷（位錯(cuò)）60滑移面滑移臺(tái)階ττ1934年提出位錯(cuò)的概念滑移面滑移臺(tái)階ττ1934年提出位錯(cuò)的概念61位錯(cuò)滑移的比喻位錯(cuò)滑移的比喻62

位錯(cuò)的基本類型

1.刃型位錯(cuò)

位錯(cuò)線和滑移方向垂直的位錯(cuò)。通常稱晶體上半部多出原子面的位錯(cuò)為正刃型位錯(cuò)，用符號(hào)“┴”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用“┬”表示。

刃型位錯(cuò)的滑移過程示意圖

位錯(cuò)的基本類型

1.刃型位錯(cuò)

位錯(cuò)線和滑移方向垂直63正刃型位錯(cuò)位錯(cuò)線正刃型位錯(cuò)位錯(cuò)線64負(fù)刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)652.螺型位錯(cuò)

位錯(cuò)線和滑移方向平行的位錯(cuò)。螺旋位錯(cuò)分為左旋和右旋。

以大拇指代表螺旋面前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋面的旋轉(zhuǎn)方向，符合右手法則的稱右旋螺旋位錯(cuò)，符合左手法則的稱左旋螺旋位錯(cuò)。

螺型位錯(cuò)的滑移過程示意圖2.螺型位錯(cuò)

位錯(cuò)線和滑移方向平行的位錯(cuò)。螺旋位錯(cuò)66螺型位錯(cuò)的滑移

螺型位錯(cuò)的滑移67混合位錯(cuò)示意圖3.混合位錯(cuò)混合位錯(cuò)示意圖3.混合位錯(cuò)68

4.柏氏矢量

（1）柏氏矢量的確定方法

先確定位錯(cuò)的方向（一般規(guī)定位錯(cuò)線垂直紙面時(shí)，由紙面向外為正），按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位錯(cuò)正方向，回路方向按右手螺旋方向確定。從實(shí)際晶體中任一原子M出發(fā)，避開位錯(cuò)附近的嚴(yán)重畸變區(qū)作一閉合回路MNOPQ，回路每一步連結(jié)相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數(shù)，方向與上述回路一致，這時(shí)終點(diǎn)Q和起點(diǎn)M不重合，由終點(diǎn)Q到起點(diǎn)M引一矢量QM即為柏氏矢量b。柏氏矢量與起點(diǎn)的選擇無關(guān)，也與路徑無關(guān)。

4.柏氏矢量

（1）柏氏矢量的確定方法

69刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定(a)有位錯(cuò)的晶體(b)完整晶體

MNOPQMNOPQ柏氏矢量刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定MNOPQMNOPQ柏氏矢量70螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定(a)有位錯(cuò)的晶體(b)完整晶體

柏氏矢量螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定柏氏矢量71位錯(cuò)的特點(diǎn)：①易動(dòng)性；②增殖性；③纏結(jié)性。3.螺形位錯(cuò)和刃型位錯(cuò)的力學(xué)模型螺位錯(cuò)的力學(xué)模型刃位錯(cuò)的力學(xué)模型位錯(cuò)的特點(diǎn)：①易動(dòng)性；②增殖性；③纏結(jié)性。螺位錯(cuò)的力學(xué)模型刃72（a）刃位錯(cuò)（b）螺位錯(cuò)

（a）刃位錯(cuò)（b）螺73三、面缺陷

面缺陷：指晶體中一維尺度很小而二維尺度較大的缺陷。主要指晶體中晶界和亞晶界。

細(xì)化晶粒、增大晶界的總面積是金屬材料、陶瓷材料重要的強(qiáng)化手段。三、面缺陷74

面缺陷—晶界面缺陷—晶界75四、晶界的特性：（1）常溫下，晶界對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，使材料具有較高的塑性變形抗力。因此，晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度、硬度越高。（2）晶界上原子具有較高的動(dòng)能，而且存在較多的空位、位錯(cuò)等缺陷，因而原子的擴(kuò)散速度比在晶粒內(nèi)部快得多。（3）晶界具有較高的能量，易于滿足相變所需的能量起伏條件，所以在發(fā)生相變時(shí)，新相往往首先在母相的晶界內(nèi)形核。（4）當(dāng)材料中加入某些微量元素時(shí)，那些能降低晶界能的元素，將優(yōu)先富集于晶界于晶界，這種現(xiàn)象叫內(nèi)吸附，以區(qū)別于外表面的吸附。（5）晶界容易被優(yōu)先腐蝕和氧化。四、晶界的特性：76第三節(jié)材料的力學(xué)性能一、強(qiáng)度與塑性

（一）應(yīng)力—應(yīng)變圖（二）彈性模量（三）強(qiáng)度

第三節(jié)材料的力學(xué)性能一、強(qiáng)度與塑性77二、硬度幾種測量硬度方法的比較硬度種類符號(hào)壓頭測量范圍布氏硬度HB鋼球鑄鐵、有色金屬、結(jié)構(gòu)鋼等硬度不高材料洛氏硬度HRAHRBHRC錐角維120℃的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的鋼球淬火鋼、有色金屬、工程塑料等維氏硬度HV金剛石正四棱錐可以測量各種工程材料肖氏硬度HS金剛石大型試件二、硬度硬度種類符號(hào)壓頭測量范圍布氏硬度HB鋼球鑄鐵、有色金78三、韌性定義：材料抵抗裂紋萌生與擴(kuò)展的能力。分沖擊韌性和斷裂韌性兩種。沖擊韌性：材料受沖擊而斷裂的過程中所吸收的沖擊功的大小。斷裂韌性：材料裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值。三、韌性79材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件80四、疲勞特性定義：材料在交變應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力的最大值低于材料的屈服強(qiáng)度，經(jīng)一定的循環(huán)周次材料仍會(huì)斷裂。一般規(guī)定一個(gè)應(yīng)力循環(huán)基數(shù)，超過這個(gè)基數(shù)即認(rèn)為材料不再疲勞破壞。鋼的循環(huán)基數(shù)為107，有色金屬和某些高強(qiáng)度鋼的循環(huán)基數(shù)為108。四、疲勞特性81

第四節(jié)工程材料的物理性能

一、導(dǎo)電性1.導(dǎo)電性的量度電阻公式:R=ρL/Sσ=1/ρ其中ρ為電阻率，σ為電導(dǎo)率。電阻率與電導(dǎo)率均是評(píng)價(jià)材料導(dǎo)電能力的指標(biāo)。電導(dǎo)率的大小取決于三個(gè)因素：（1）單位體積中的載流子數(shù)目。（2）每個(gè)載流子的電荷數(shù)。（3）每個(gè)載流子的遷移率。

第四節(jié)工程材料的物理性能82

載流子的四種類型：電子、空穴、正離子、負(fù)離子。2.材料的導(dǎo)電性材料按其導(dǎo)電能力可以分為：超導(dǎo)體（ρ→0Ω.m）導(dǎo)體（ρ→10-8Ω.m

～10-5Ω.m）半導(dǎo)體（ρ→10-5Ω.m

～107Ω.m）絕緣體（ρ→107Ω.m

～1020Ω.m）

83二、磁性（一）物質(zhì)按磁性的分類（1）抗磁性物質(zhì)：使磁場減弱。如金、銀、銅以及周期表前18個(gè)元素。（2）順磁性物質(zhì)：使磁場略有增加。如過渡元素、稀土元素、錒系元素以及鋁、鉑等。（3）鐵磁性及亞鐵磁性物質(zhì)：使磁場強(qiáng)烈增加。如鐵、鈷、鎳等。材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件84（二）磁性的量度1.磁矩

物體內(nèi)部所有電子自旋磁矩、軌道磁矩之和為物體的磁矩。物體在未磁化時(shí)磁矩為零。2.磁化強(qiáng)度物質(zhì)在外磁場作用下將被磁化，從而表現(xiàn)一定的磁性。其磁化強(qiáng)度的強(qiáng)弱用磁化強(qiáng)度M來表征：

M=P/V

P—物體的磁矩。V—物體的體積。（二）磁性的量度85三、材料的熱學(xué)性能

熱容：1mol固體溫度升高1K時(shí)吸收的能量，單位為J/（mol.K），單位質(zhì)量物體的熱容稱為比熱。熱導(dǎo)率：單位時(shí)間內(nèi)在1K溫差的1cm3正方體的一個(gè)面向其所對(duì)的另一面流過的熱量，單位為J/（cm.s.K）。熱膨脹系數(shù)：單位長度物體的長度隨溫度的變化率，單位為K-1。材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件86演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！87

基礎(chǔ)材料與新材料

基礎(chǔ)材料與新材料88緒論木工教研室于曉芳緒論89第一節(jié)材料發(fā)展概述材料:人類用來制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。能源、信息和材料被稱為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。歷史學(xué)家將人類早期歷史劃分為石器時(shí)代、陶器時(shí)代、青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代等.現(xiàn)在人類已進(jìn)入人工合成材料的新時(shí)期。第一節(jié)材料發(fā)展概述90一、石器時(shí)代石器是人類最先使用的工具。在新石器時(shí)代，出現(xiàn)了玉器、陶器和瓷器。如金鏤玉衣，秦始皇兵馬俑等。我國是生產(chǎn)瓷器最早的的國家。一、石器時(shí)代石器是人類最先使用的工91二、青銅器時(shí)代青銅（銅錫合金）——人類歷史上發(fā)明的第一種合金。晚商和西周是我國青銅器時(shí)代的鼎盛時(shí)期。如“司母戊”大方鼎，越王勾踐的兩把寶劍等。二、青銅器時(shí)代青銅（銅錫合金）——人類歷史上92三、鐵器時(shí)代

春秋戰(zhàn)國時(shí)期已開始大量使用鐵器。春秋晚期出土的鐵器：江蘇六合程橋楚墓的鐵丸、長沙楚墓的鐵鼎。戰(zhàn)國時(shí)期已有韌性鑄鐵生產(chǎn)工藝。在漢代冶鐵遺址中，發(fā)掘出20多座冶鐵爐和鍛爐，爐型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并有鼓風(fēng)裝置和鑄造坑。三、鐵器時(shí)代春秋戰(zhàn)國時(shí)期已開始大量使用鐵器。93四、鋼鐵工業(yè)和有色金屬的發(fā)展鑄鐵——用來制作農(nóng)具、兵器等。瓦特發(fā)明蒸氣機(jī)以后，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。煉鋼技術(shù)是在蒸氣機(jī)出現(xiàn)、能夠提供強(qiáng)大的鼓風(fēng)和動(dòng)力以后才發(fā)展起來的。目前我國的鋼產(chǎn)量已躍居世界首位。四、鋼鐵工業(yè)和有色金屬的發(fā)展鑄鐵——用來制作94五、非金屬材料的發(fā)展絲綢是一種天然高分子材料。有機(jī)合成材料每年以14％的速度增長，而金屬材料的年增長率僅為4％。陶瓷材料在冶金、建筑、化工以及尖端技術(shù)領(lǐng)域，已成為耐高溫、耐腐蝕和各種功能材料的主要材料。五、非金屬材料的發(fā)展絲綢是一種天然高分子材料。95六、復(fù)合材料及新材料技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求，復(fù)合材料和新材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。

新材料

是指那些對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重大推動(dòng)作用的材料，這些材料具有傳統(tǒng)材料所沒有的或無法比擬的優(yōu)異性能，它的出現(xiàn)將極大地促進(jìn)生產(chǎn)力的提高，推動(dòng)社會(huì)飛速發(fā)展。六、復(fù)合材料及新材料技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)的單一材料已96第二節(jié)材料應(yīng)用現(xiàn)狀與

新材料的發(fā)展趨勢一、材料應(yīng)用的現(xiàn)狀目前，用量最大的材料是鋼鐵材料和鋁合金、銅合金、鈦合金及鎳合金等有色金屬。工程塑料常用于計(jì)算機(jī)外殼、接線板、控制按鈕、窗玻璃、容器等。傳統(tǒng)陶瓷主要用于建筑行業(yè)，而先進(jìn)陶瓷材料則在高新技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。復(fù)合材料尤其是金屬基復(fù)合材料在航空航天部門得到了廣泛應(yīng)用。第二節(jié)材料應(yīng)用現(xiàn)狀與

新材料的發(fā)展97二、新材料的發(fā)展趨勢新材料的研制與開發(fā)應(yīng)用和一個(gè)國家的工業(yè)實(shí)力及經(jīng)濟(jì)、軍事力量的增長都有十分密切的關(guān)系。二、新材料的發(fā)展趨勢98

1.先進(jìn)復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料是當(dāng)前先進(jìn)復(fù)合材料研究中引人注目的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。如碳纖維增強(qiáng)鋁，粉末顆粒增強(qiáng)鋁、硼纖維增強(qiáng)鋁等。陶瓷復(fù)合材料尚處于研究試制開發(fā)階段，研究的品種包括陶瓷纖維增強(qiáng)陶瓷和玻璃材料、金屬纖維增強(qiáng)陶瓷和玻璃材料、晶須增強(qiáng)陶瓷和玻璃材料等。1.先進(jìn)復(fù)合材料992.光電子信息材料

基本材料的研究（如超高純玻璃、新型半導(dǎo)體材料、先進(jìn)薄膜材料等）。2.光電子信息材料1003.低維材料

所謂低維材料就是指超微粒子（零維）、纖維（一維）和薄膜（二維）材料，這是近年來發(fā)展最快的材料領(lǐng)域。

通過溶膠—凝膠法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級(jí)的陶瓷或金屬粉末，其大小只有幾個(gè)原子到幾百個(gè)原子，一般稱為納米級(jí)超細(xì)微粉。納米級(jí)金屬顆粒是電的絕緣體及吸光的黑體；以納米顆粒制成的陶瓷具有較高的韌性和超塑性；納米級(jí)金屬鋁的硬度是塊狀鋁的8倍等。3.低維材料101

一維纖維中最重要的是光導(dǎo)纖維，可用于通信工程材料。光導(dǎo)纖維的特點(diǎn)是其信息傳輸量遠(yuǎn)比用銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強(qiáng)的保密性。

二維材料（薄膜）的發(fā)展也很快，特別是電子技術(shù)的發(fā)展，需要各種類型的薄膜材料，當(dāng)前發(fā)展最快的是金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜和半導(dǎo)體薄膜等。

1024.新型金屬材料高性能金屬新材料近期發(fā)展方向，主要是通過新技術(shù)、新工藝，提高合金化程度或改變組織，從而大幅度提高材料的性能，開發(fā)出新的品種。例如，可以通過對(duì)合金成分的合理設(shè)計(jì)及微量元素的控制，研制出了高比強(qiáng)度與高比模量的AL—Li合金；通過快速冷卻（104K/s～105K/s）可使某些合金成為非晶態(tài)，或可以得到微晶，提高合金化程度，從而使合金得到強(qiáng)化。4.新型金屬材料1035.高性能塑料

新型的高性能高分子材料，強(qiáng)度可比金屬更高，且更耐腐蝕，生產(chǎn)過程耗能低，成型加工工藝性能良好，成本較低，所以發(fā)展較快。目前高性能塑料主要應(yīng)用于家用器皿、建筑構(gòu)件以及軍用品，以及汽車及飛機(jī)工業(yè)上。5.高性能塑料104

6.先進(jìn)陶瓷材料先進(jìn)陶瓷材料可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。目前人們關(guān)注的是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用研究，它將使熱機(jī)效能大大提高，減少環(huán)境污染，擴(kuò)大燃料使用范圍。6.先進(jìn)陶瓷材料1057.超導(dǎo)材料目前研制的重點(diǎn)是高溫超導(dǎo)材料的研制。7.超導(dǎo)材料106第三節(jié)材料的分類

按使用性能分類，可分為以力學(xué)性能為主的結(jié)構(gòu)材料和以物理、化學(xué)性能為主的功能材料。按用途分類，可分為機(jī)械材料、信息材料、電子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、電工電器材料、農(nóng)用材料等。目前材料通常是按其組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料四大類。（見下表）第三節(jié)材料的分類按使用性能分類，可分為以力107工程

材料金屬材料高分子材料陶瓷材料復(fù)合材料鑄鐵鋼有色金屬及其合金碳鋼合金鋼工程塑料合成橡膠膠粘劑普通陶瓷特種陶瓷金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料合成纖維

工程材料的分類工程金屬高分陶瓷復(fù)合鑄鐵鋼有色金碳鋼合108一、金屬材料金屬材料：是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料。合金：是在純金屬中，有意地加入一種或多種其他元素，通過冶金或粉末冶金方法制成的具有金屬特性的材料。金屬材料可以分為兩大部分：①黑色金屬：鐵和以鐵為基的合金，包括鋼、鑄鐵和鐵合金。②有色金屬：黑色金屬金屬以外的所有金屬及其合金。一、金屬材料金屬材料：是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料。109二、高分子材料高分子材料由大量相對(duì)分子質(zhì)量特別大的大分子化合物組成，每個(gè)大分子皆包含有大量結(jié)構(gòu)相同、相互連接的鏈節(jié)。高分子化合物具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性，較強(qiáng)的耐腐蝕性能，很好的絕緣性，以及重量輕等性能，在工程上是發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材料。二、高分子材料高分子材料由大量相對(duì)分子質(zhì)量特110

工程上通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)將高分子材料分為四大類：

⑴塑料：強(qiáng)度、韌性和耐磨性較好，可制造某些機(jī)器零件或構(gòu)件的工程塑料，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。⑵合成纖維：由單體聚合而成的、強(qiáng)度很高的聚合物，通過機(jī)械處理所獲得的纖維材料。⑶橡膠：經(jīng)硫華處理的、彈性特別優(yōu)良的聚合物，有通用橡膠和特種橡膠兩種。⑷膠粘劑：通過粘附作用，使同質(zhì)或異質(zhì)材料連接在一起，并在膠接面上有一定強(qiáng)度的物質(zhì)。又叫黏合劑或黏結(jié)劑。工程上通111三、陶瓷材料陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬（通常為氧）的化合物，其中尺寸較大的氧原子為陶瓷的基質(zhì)，較小的金屬（或半]金屬如硅等）原子處于氧原子之間的空隙中。陶瓷的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、硬度大、耐腐蝕。缺點(diǎn)是脆性大。陶瓷材料屬于無機(jī)非金屬材料，由于大部分無機(jī)非金屬材料含有硅和其他元素的化合物，所以又叫做硅酸鹽材料。它一般包括無機(jī)玻璃（硅酸鹽玻璃）、玻璃陶瓷（或稱微晶玻璃）和陶瓷等三類。三、陶瓷材料陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金112按照成分和用途，工業(yè)陶瓷材料可分為：⑴普通陶瓷：即傳統(tǒng)陶瓷，主要為硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料。⑵特種陶瓷：又叫新型陶瓷，主要為高熔點(diǎn)的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等的燒結(jié)材料。⑶金屬陶瓷：主要指由金屬和陶瓷性非金屬組成的燒結(jié)材料。按照成分和用途，工業(yè)陶瓷材料可分為：113四、復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同材料組合的材料，其性能優(yōu)于它的組成材料。復(fù)合材料在強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，是一類特殊的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。四、復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同114第一章材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)木工教研室于曉芳第一章材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)115

第一節(jié)固體材料中的原子排列

固體分為晶體與非晶體兩大類。晶體的特點(diǎn)：原子排列有規(guī)則，有固定的熔點(diǎn)，各向異性；

非晶體的特點(diǎn)：原子排布沒有規(guī)律，沒有固定的熔點(diǎn)，各向同性。

第一節(jié)固體材料中的原子排列116一、短程有序與長程有序

1.短程有序：原子僅在很小的范圍（幾個(gè)原子的尺度）內(nèi)呈一定的規(guī)則排列。2.長程有序：原子在很大的范圍內(nèi)是按一定的規(guī)則排列的。具有長程有序排列的材料稱為晶體材料。金屬、半導(dǎo)體、大部分陶瓷材料都是晶體材料。某些高分子材料也是晶體材料。材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件117二、晶體中原子的結(jié)合化學(xué)鍵分離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵和分子鍵四種。1.離子鍵和離子晶體離子鍵：由正負(fù)離子通過強(qiáng)烈的化學(xué)作用而形成的化學(xué)鍵，稱為離子鍵。

離子晶體：離子鍵構(gòu)成的晶體。離子晶體的特點(diǎn)：硬度大、強(qiáng)度高。熱膨脹系數(shù)小，絕緣性好，脆性大。氯化鈉離子晶體結(jié)構(gòu)二、晶體中原子的結(jié)合化學(xué)鍵分1182.共價(jià)鍵

共價(jià)鍵：由共用電子對(duì)產(chǎn)生的化學(xué)鍵稱為共價(jià)鍵。

共價(jià)晶體（原子晶體）：共價(jià)鍵構(gòu)成的晶體。共價(jià)晶體的特點(diǎn)：強(qiáng)度高，硬度大，熔點(diǎn)高，揮發(fā)性低，脆性大，是良好的絕緣體。金剛石共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)2.共價(jià)鍵金剛石共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)1193.金屬鍵和金屬晶體金屬鍵：在金屬中，正離子與自由電子之間的強(qiáng)烈的化學(xué)作用.

金屬晶體：金屬鍵構(gòu)成的晶體。

金屬晶體的特點(diǎn)：具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，塑性好，強(qiáng)度高，不耐腐蝕。銅的晶體結(jié)構(gòu)3.金屬鍵和金屬晶體銅的晶體結(jié)構(gòu)120

4.分子鍵和分子晶體

分子鍵：存在于中性分子或原子之間的結(jié)合力，稱為分子鍵。分子晶體：依靠分子鍵結(jié)合的晶體。分子晶體的特點(diǎn)：熔點(diǎn)低，硬度低。Br2的晶體結(jié)構(gòu)4.分子121

★熔點(diǎn)、強(qiáng)度、硬度和分子之間的作用力有密切的關(guān)系，作用力越大，則熔點(diǎn)、強(qiáng)度、硬度越大。塑性與脆性與分子間的作用力有關(guān)，離子晶體和原子晶體脆性大，金屬晶體塑性大?！锶埸c(diǎn)、強(qiáng)度、硬度和分子之間的作用力有密切的122三、晶體結(jié)構(gòu)的一些重要概念

晶體的剛性球模型1.晶體、晶格、晶胞及晶系晶體中原子（離子或分子）在空間呈規(guī)則排列，規(guī)則排列的方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。三、晶體結(jié)構(gòu)的一些重要概念123晶格：假設(shè)通過原子（分子或離子）的中心劃出許多空間直線，構(gòu)成空間格架。這種假想的格架稱為晶格。晶胞：晶格中能夠反映晶格幾何特征的最小幾何組成單元。晶格常數(shù)：a、b、c、α、β、γ晶胞晶格：假設(shè)通過原子（分子或離子）的中心劃晶胞124晶體結(jié)構(gòu)的七種晶系十四種點(diǎn)陣

晶體結(jié)構(gòu)的七種晶系十四種點(diǎn)陣

1252.晶格尺寸晶格尺寸是指晶胞的大小，用晶格常數(shù)表達(dá)。晶格常數(shù)的單位為nm，晶體的晶格常數(shù)多為0.1～0.7nm。3.晶胞原子數(shù)是指一個(gè)晶胞所含的原子數(shù)目。4.原子半徑晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半。5.致密度晶胞中原子所占體積的百分?jǐn)?shù)。致密度＝晶胞中原子的體積/晶胞的體積6.配位數(shù)晶格中，與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)目稱為配位數(shù)。配位數(shù)越大，則致密度越高。2.晶格尺寸126材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件1275.三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格：原子分布在立方晶胞的中心和八個(gè)角上。典型的有α—Fe、Cr、Mo、W等。面心立方晶格：原子分布在立方晶胞的六個(gè)面的中心和八個(gè)角上。典型的有Au、Ag、Cu、Al、Ni、Pb等。密排六方晶格：原子分布在六方晶胞的十二個(gè)角，上下底面的中心以及兩底之間三個(gè)均勻分布的間隙里。當(dāng)c/a＝1.633時(shí)，結(jié)構(gòu)最緊密。屬于這種晶格的有Mg、Zn、Be等。5.三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)128常見金屬晶體的晶胞結(jié)構(gòu)（a）面心立方（b）體心立方（c）密排六方常見金屬晶體的晶胞結(jié)構(gòu)（a）面心立方（b）體心立方（c）密排129材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件130

四、晶體中的晶面和晶向

晶面：通過晶體中原子（分子或離子）中心的平面。

晶向：通過原子（分子或離子）中心的直線。在晶體學(xué)中經(jīng)常用晶面指數(shù)和晶向指數(shù)來表示晶面和晶向。1.立方晶系晶面指數(shù)的確定方法

四、晶體中的晶面和晶向

131確定立方晶系晶面指數(shù)的步驟如下：（1）選定不在預(yù)定晶面上的晶格中任一節(jié)點(diǎn)為空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)；以晶格三棱邊為坐標(biāo)軸ox、oy、oz；以晶格常數(shù)a、b、c分別作為ox、oy、oz軸的長度度量單位。（2）求出預(yù)定晶面在三個(gè)軸上的截距。（3）取欲定晶面的三軸截距的倒數(shù)，并將其化為最小整數(shù)。（4）把三正數(shù)寫在圓括號(hào)內(nèi)，并將其化為最小整數(shù)。注意：當(dāng)某一平面與某軸平行時(shí)，該晶面與該軸的截距為無窮大。確定立方晶系晶面指數(shù)的步驟如下：1322.立方晶系晶向指數(shù)的確定方法確定晶向指數(shù)的步驟如下：（1）選定坐標(biāo)系，其方法與晶面指數(shù)的方法相同。（2）過坐標(biāo)原點(diǎn)作一平行于欲求晶向的直線，求出該直線上任一節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)軸，并將其化為最小整數(shù)。（3）將整數(shù)記在方括號(hào)內(nèi)，整數(shù)之間不用標(biāo)點(diǎn)分開。這樣，即得到晶向指數(shù)［uvw］。材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢課件133立方晶系中的重要晶面立方晶系中的重要晶面1343.晶面和晶向的原子密度晶面原子密度是指晶面單位面積中的原子數(shù)。晶向指數(shù)密度是指該晶向單位長度上的原子數(shù)。體心立方與面心立方晶體各主要晶面和晶向的原子密度如下圖：體心立方與面心立方晶體各主要晶面的原子排列與密度3.晶面和晶向的原子密度體心立方與面心立方晶體各主要晶面135體心立方與面心立方晶體各主要晶向的原子排列與密度體心立方與面心立方晶體各主要晶向的原子排列與密度1367.堆垛方式

假設(shè)原子同是半徑相等的剛性球，面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)密排面上原子堆垛方式有很大的相似之處。面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)中原子堆垛方式7.堆垛方式面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)中原子堆垛方式137FCC按（111）面的堆垛次序FCC按（111）面的堆垛次序1388.各種金屬晶體的四面體間隙和八面體間隙體心立方結(jié)構(gòu)的間隙8.各種金屬晶體的四面體間隙和八面體間隙體心立方結(jié)構(gòu)的間隙139面心立方結(jié)構(gòu)的間隙（a）八面體間隙（b）四面體間隙面心立方結(jié)構(gòu)的間隙140

密排六方結(jié)構(gòu)的間隙（a）八面體間隙（b）四面體間隙密排六方結(jié)構(gòu)的間隙141

第二節(jié)晶體中的缺陷實(shí)際晶體并非是由晶胞規(guī)則地重復(fù)排列而成的理想晶體結(jié)構(gòu)。由于種種原因，在金屬中存在著缺陷。晶體中的缺陷有三種，分別是點(diǎn)缺陷、線缺陷以及面缺陷。點(diǎn)缺陷影響材料的物理性能，線缺陷影響材料的力學(xué)性能，各種缺陷均影響材料的冶金性能。一、點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很?。ú怀^幾個(gè)原子直徑）的缺陷。主要有以下三種。

1421.空位空位：晶格上沒有原子的節(jié)點(diǎn)稱為空位?？瘴划a(chǎn)生的原因：晶體中的熱運(yùn)動(dòng)。塑性變形以及高能離子輻射等也能形成空位。2.間隙原子間隙原子：在晶格節(jié)點(diǎn)以外位置上的原子稱為間隙原子。間隙原子一般為原子半徑小的異類原子（如C、N、O、B、H）等。間隙原子產(chǎn)生的原因：金屬中存在著空隙。1.空位1433.置換原子

置換原子：占據(jù)晶格節(jié)點(diǎn)的異類原子稱為置換原子。一般說來，置換原子的半徑和基體原子相當(dāng)，或比基體原子大。產(chǎn)生原因：晶體中存在著大量空隙。注：由間隙原子或置換原子融入基體晶格內(nèi)，可形成間隙固溶體或置換固溶體。由于形成固溶體會(huì)造成彈性應(yīng)力場，從而使金屬的強(qiáng)度增加，電阻率增大（即固溶強(qiáng)化，金屬強(qiáng)化的一種方式）。3.置換原子144

晶體中的點(diǎn)缺陷

（a）空位（b）置換原子（c）間隙原子晶體中的點(diǎn)缺陷

1454.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)

點(diǎn)缺陷并非固定不動(dòng)，而是處于不斷的運(yùn)動(dòng)變化之中。例如，當(dāng)空位周圍的原子跳入空位后，在原子的原來位置上就形成了一個(gè)新的空位，這相當(dāng)于空位移動(dòng)了一定距離，此過程不斷進(jìn)行，即形成了空位的運(yùn)動(dòng)。同理，間隙原子也可由一個(gè)間隙位置遷移到另一個(gè)間隙位置。當(dāng)間隙原子與空位相遇時(shí)，它填入此空位而使兩者都消失，這一過程稱為復(fù)合。空位和間隙原子的運(yùn)動(dòng)是晶體中原子擴(kuò)散的重要方式。4.點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)146晶體的理論切變強(qiáng)度：一般金屬：

τm=104~105MPa實(shí)際金屬單晶：1~10MPa線缺陷（位錯(cuò)）晶體的理論切變強(qiáng)度：一般金屬：實(shí)際金屬單晶：線缺陷（位錯(cuò)）147滑移面滑移臺(tái)階ττ1934年提出位錯(cuò)的概念滑移面滑移臺(tái)階ττ1934年提出位錯(cuò)的概念148位錯(cuò)滑移的比喻位錯(cuò)滑移的比喻149

位錯(cuò)的基本類型

1.刃型位錯(cuò)

位錯(cuò)線和滑移方向垂直的位錯(cuò)。通常稱晶體上半部多出原子面的位錯(cuò)為正刃型位錯(cuò)，用符號(hào)“┴”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用“┬”表示。

刃型位錯(cuò)的滑移過程示意圖

位錯(cuò)的基本類型

1.刃型位錯(cuò)

位錯(cuò)線和滑移方向垂直150正刃型位錯(cuò)位錯(cuò)線正刃型位錯(cuò)位錯(cuò)線151負(fù)刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)1522.螺型位錯(cuò)

位錯(cuò)線和滑移方向平行的位錯(cuò)。螺旋位錯(cuò)分為左旋和右旋。

以大拇指代表螺旋面前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋面的旋轉(zhuǎn)方向，符合右手法則的稱右旋螺旋位錯(cuò)，符合左手法則的稱左旋螺旋位錯(cuò)。

螺型位錯(cuò)的滑移過程示意圖2.螺型位錯(cuò)

位錯(cuò)線和滑移方向平行的位錯(cuò)。螺旋位錯(cuò)153螺型位錯(cuò)的滑移

螺型位錯(cuò)的滑移154混合位錯(cuò)示意圖3.混合位錯(cuò)混合位錯(cuò)示意圖3.混合位錯(cuò)155

4.柏氏矢量

（1）柏氏矢量的確定方法

先確定位錯(cuò)的方向（一般規(guī)定位錯(cuò)線垂直紙面時(shí)，由紙面向外為正），按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位錯(cuò)正方向，回路方向按右手螺旋方向確定。從實(shí)際晶體中任一原子M出發(fā)，避開位錯(cuò)附近的嚴(yán)重畸變區(qū)作一閉合回路MNOPQ，回路每一步連結(jié)相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數(shù)，方向與上述回路一致，這時(shí)終點(diǎn)Q和起點(diǎn)M不重合，由終點(diǎn)Q到起點(diǎn)M引一矢量QM即為柏氏矢量b。柏氏矢量與起點(diǎn)的選擇無關(guān)，也與路徑無關(guān)。

4.柏氏矢量

（1）柏氏矢量的確定方法

156刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定(a)有位錯(cuò)的晶體(b)完整晶體

MNOPQMNO