材料科學基礎

1材料科學：研究材料的化學成分、組織結構、加工工藝與性能之間關系及變化規(guī)律的一門科學。材料科學基礎的任務：根據(jù)工程和科學技術發(fā)展的需要設計研制新型工程材料；解決材料制備原理和工藝方法，獲取可供使用的工程材料；解決材料在加工和使用過程中組織結構和性能變化的微觀機理，從中找出合宜的加工工藝、強化工藝和延壽措施；創(chuàng)新測試材料成分、組織結構和性能的方法，完善測試技術；合理地選擇和使用工程材料。

緒論2材料的分類1、按材料的化學成分組成分類：金屬材料（黑色金屬、有色金屬）無機非金屬材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷）高分子材料天然高分子材料（蛋白、淀粉、纖維素）人工合成高分子材料（合成橡膠、合成塑料、合成纖維）復合材料2、按原子排列情況分類：晶體：短程有序，長程有序，具有周期對稱性

非晶體：短程有序，長程無序，不具有周期對稱性

準晶體：介于晶體和非晶體之間的固體。準晶體具有與晶體相似的長程有序的原子排列；但是準晶體不具備晶體的平移對稱性。

石英玻璃準晶合金3

第1章材料的結構

1.1

材料的結合方式

1.2

晶體學基礎

1.3

材料的晶體結構41.1材料的結合方式化學鍵組成物質整體的質點間的相互作用力。質點間相互作用時，吸引和排斥情況不同，形成不同類型的化學鍵有：共價鍵；離子鍵；金屬鍵；范德瓦爾鍵。5共價鍵1、形成元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多數(shù)元素或電負性不大的原子相互結合時，原子間不產生電子的轉移，以共價電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實現(xiàn)結合。這種由公用電子對產生的結合鍵稱為共價鍵。2、特性方向性，飽和性，結合力很大3、具有共價鍵物質的特性共價晶體強度、硬度高，脆性大，熔點、沸點高，揮發(fā)性低。6離子鍵1、形成當兩種電負性相差很大（如元素周期表相隔較遠的元素）的原子相互結合時，其中電負性較小的原子失去電子成為正離子，電負性較大的原子獲得電子成為負離子，正、負離子靠靜電引力結合在一起而形成的結合鍵。2、特性無方向性，無飽和性，結合力很大3、具有離子鍵物質的特性離子晶體的硬度高、強度大、熱膨脹系數(shù)小，但脆性大。離子晶體具有很好的絕緣性。因不吸收可見光，典型的離子晶體是無色透明的。7金屬鍵1、形成金屬原子結構的特點是外層電子少，原子容易失去其價電子而成為正離子。當金屬原子相互結合時，金屬原子的外層電子（價電子）就脫離原子，成為自由電子，為整個金屬原子所共有。這些公有化的自由電子在正離子之間自由運動形成所謂電子氣（或電子云）。這種由金屬正離子與電子氣之間相互作用而結合的方式稱為金屬鍵。2、具有的特性①、良好的導電性及導熱性。②、正的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻增大。③、良好的強度及塑性。④、具有金屬光澤。8范德華鍵1、形成有些物質的分子具有極性，其中分子的一部分帶有正電荷，而分子的另一部分帶有負電荷，一個分子的正電荷部位和另一分子的負電荷部位間，以微弱靜電引力相引，使之結合在一起稱為范德華鍵（或分子鍵）。2、特性結合力較弱3、具有共價鍵物質的特性硬度低、沸點低，絕緣性。9工程材料的鍵性

實際上使用的工程材料，有的是單純的一種鍵，更多的是幾種鍵的結合。如果以四種鍵為頂點作一個四面體，就可以把材料的結合鍵范圍示意地表示在這個四面體上，具體材料地鍵特性見圖。10

材料的鍵性不同，表現(xiàn)出不同的特性。金屬材料：是以金屬鍵結合為主的材料，具有好的導電、導熱、延展性和金屬光澤，是應用最廣泛的工程材料。陶瓷材料：是以共價鍵和離子鍵結合為主的材料，性能特點是熔點高、硬度高、耐腐蝕、脆性大。高分子材料：是以范德瓦爾鍵結合為主的材料，主要包括塑料、橡膠及合成纖維等，在機械、電氣、紡織、汽車、飛機等許多工業(yè)中被廣泛應用。11

1.2晶體學基礎晶體與非晶體1、晶體：物質的質點(分子、原子或離子)在三維空間作有規(guī)律的周期性重復排列所形成的物質叫晶體。2、非晶體：非晶體在整體上是無序的，但原子間也靠化學鍵結合在一起，所以在有限的小范圍內觀察還有一定規(guī)律，可將非晶體的這種結構稱為近程有序。121.晶體：物質的質點（分子、原子或離子）在三維空間呈規(guī)則的周期性重復排列的物質。2.空間點陣：把質點看成空間的幾何點，點所形成的空間陣列。3.晶格：用假想的空間直線，把這些點連接起來，所構成的三維空間格架。4.晶胞：從晶格中取出具有代表性的最小幾何單元。5.晶格參數(shù)：描述晶胞的六個參數(shù)a、b、c、13晶胞選取應滿足的條件

(1)晶胞幾何形狀充分反映點陣對稱性。(2)平行六面體內相等的棱和角數(shù)目最多。(3)當棱間呈直角時，直角數(shù)目應最多。(4)滿足上述條件，晶胞體積應最小。147個晶系、14種布拉菲點陣根據(jù)6個點陣參數(shù)的相互關系，可將空間點陣分為7個晶系：立方、四方、正交、六方、單斜、三斜、菱方。按照“每個陣點周圍環(huán)境相同”的要求，布拉菲用數(shù)學方法導出能反映空間點陣全部特征的單位平行六面體只有14種，也稱為布拉菲點陣。立方四方正交六方單斜三斜菱方15底心單斜三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠90°簡單單斜單斜a≠b≠cα=γ=90°≠β表1.2十四種布拉菲點陣簡單三斜16底心正交簡單正交面心正交體心正交正交a≠b≠cα=β=γ=90°17簡單菱方簡單六方簡單四方體心四方四方a=b≠cα=β=γ=90°菱方a=b=cα=β=γ≠90°六方a=b≠cα=β=90°γ=120°18簡單立方體心立方面心立方立方a=b=cα=β=γ=90°19晶向指數(shù)與晶面指數(shù)1.晶面指數(shù)和標定2.晶向指數(shù)的標定3.晶面族與晶向族4.六方晶面及晶向的指數(shù)標定5.晶帶6.晶面間距

201．晶面指數(shù)

晶體中各種方位上的原子面叫晶面，表示晶面的符號叫晶面指數(shù)。確定晶面指數(shù)的方法：1）定坐標：原點不能過所求晶面；2）求截距：確定晶面在三個坐標軸上的截距；3）變倒數(shù)：將所求截距變?yōu)榈箶?shù)；4）化為最小整數(shù)：hkl；5）加圓括號（hkl）即為晶面指數(shù)。21例如：定坐標如圖

ABCD面ABE面截距：1，1，∞1，1，1/2倒數(shù)：1，1，01，1，2指數(shù)：（110）（112）（110）（112）22截距為負值時，在其指數(shù)上冠以負號。（hkl）代表一組互相平行的晶面。{hkl}代表原子排列完全相同，只是空間位向不同的各組晶面，稱為晶面族。如{100}包括（100）（010）（001）。立方晶格中三個重要晶面：

{100}，{110}，{111}。

注意：23

晶體中各個方向上的原子列叫晶向，表示晶向的符號叫晶向指數(shù)。2．晶向指數(shù)確定晶向指數(shù)的方法：1）定坐標（原點過所求直線）；2）過原點引直線，平行于所求晶向；3）求該直線上任一點的坐標值；4）化為最小整數(shù)：uvw；5）加方括號[uvw]即為晶向指數(shù)。24

例如：

求AB晶向指數(shù)。定坐標如圖，作OP∥AB，求P點坐標為1，1，0AB晶向指數(shù)為[110]。

求OB晶向指數(shù)。求B點坐標為1，1，1OB晶向指數(shù)為[111]。[110][111]25已知圖形，會求指數(shù)；已知指數(shù)，會畫圖形。如：已知（123）晶面和[123]晶向，畫其圖形。小結(123)[123]26相交于某一晶向直線或平行于此直線的晶面構成一個晶帶，此直線稱晶帶軸。立方系某晶面（hkl）以[uvw]為晶帶軸必有：hu+kv+lw=0稱為晶帶定律。如有兩個不平行的晶面（h1k1l1），（h2k2l2）的交線[uvw]可利用上式求得：

u=k1l2-k2l1；v=l1h2-l2h1；w=h1k2-h2k1。例如：（110）與（111）其交線為?3．晶帶273．晶面間距

對于不同的晶面族{hkl}其晶面間距也不同?？偟膩碚f，低指數(shù)晶面的面間距較大，高指數(shù)晶面的面間距較小、如圖1—13所示。由晶面指數(shù)的定義、可用數(shù)學方法求出晶面間距，見公式。28

1.3材料的晶體結構1.3.1典型金屬的晶體結構體心立方晶格：BCC(BodyCenteredCubiclattice)面心立方晶格：FCC(FaceCenteredCubiclattice)密排六方晶格：HCP(HexagonalClosePacked)29

1．BCC（見圖1.18，P10）1)晶胞尺寸：八個原子構成立方體，體中心還有一個原子。a=b=c，α=β=γ=90°。302)晶胞原子數(shù)：指一個晶胞內所含的原子個數(shù)。

BCC晶胞原子數(shù)為：3)原子半徑：指晶胞中原子密度最大方向上相鄰兩個原子之間距離的一半，與晶格常數(shù)有關。

BCC原子半徑為：

4)配位數(shù)：指晶格中任一原子周圍所具有的最近且等距的原子數(shù)。

BCC配位數(shù)為：831

5）致密度：

BCC：

即晶格中有68％體積被原子占據(jù)，其余為空隙。6）屬于這種晶格的金屬：α-Fe、Cr、Mo、W、V。K=nv/V32立方體對角面上和體對角線上原子排列最緊密。

密排面：{110}

密排方向：<111>體心立方晶格密排面7）原子密排面和密排方向33

2．FCC（見圖1.19，P11）1)晶胞尺寸：八個原子構成立方體，每個面心上還各有一個原子。a=b=c，α=β=γ=90°。342）晶胞原子數(shù)：3）原子半徑：

4）配位數(shù)：12。5）致密度：6）具有FCC的金屬：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb。35

密排面：{111}

密排方向：<110>7）原子密排面和密排方向363．HCP（見圖1.20，P11）1）晶胞尺寸：由12個原子構成簡單六方體，上下兩個六方面中心還各有一個原子，兩個六方面之間還有三個原子，晶格常數(shù)比值c/a=1.633時，排列最緊密。372）晶胞原子數(shù)：3）原子半徑：

4）配位數(shù)：125）致密度：6）屬于這種晶格的金屬：Mg、Zn、Cd、Be。38394．晶體中原子的堆垛方式FCC與HCP晶體結構不同，但配位數(shù)、致密度相同，為搞清其原因，必須研究晶體中原子的堆垛方式。FCC的密排面為（111）其堆垛方式是ABCABC…，見圖1-24，P13。40HCP的密排面為（0001）其堆垛方式是ABAB…，見圖1-23，P12。41六方晶系晶面及晶向指數(shù)三坐標系四軸坐標系a1，a2，ca1，a2，a3，c120°

120°

120°

（hkil)i=-(h+k)[uvtw]t=-(u+v)4243

分析間隙的數(shù)量、大小和位置對了解材料的相結構、擴散、相變等問題都是很重要的。金屬的三種典型晶體結構的間隙如圖1-25、圖1-26、圖1-27所示。由圖可清晰地判定間隙所處位置。按計算晶胞原子數(shù)的方法可算出晶胞所包含的間隙數(shù)目。

5．晶體結構中的間隙44（1）體心立方晶格間隙間隙:八面體和四面體間隙。八面體間隙位于晶胞中每個面的中心和每個棱的中心，數(shù)量為6。四面體間隙由兩個體心原子和兩個頂角原子所圍成，數(shù)量為12。45體心立方八面體間隙46體心立方四面體間隙47八面體間隙

間隙半徑的計算：

間隙半徑為頂點原子至間隙中心的距離減去原子半徑，原子中心到間隙中心的距離皆為a/2，所以間隙半徑為：48四面體間隙間隙半徑的計算：體心立方晶格四面體間隙的棱邊長度不全相等，為不對稱的間隙。間隙半徑為頂點原子至間隙中心的距離減去原子半徑，原子中心到間隙中心的距離皆為

，所以間隙半徑為：

49間隙：四面體間隙和八面體間隙八面體間隙位于晶胞體中心和每個棱邊的中點，由6個面心原子所圍成,間隙數(shù)量為4個。四面體間隙由一個頂點原子和三個面心原子圍成，間隙數(shù)量為8個。（2）面心立方晶格間隙50八面體間隙面心立方晶格的八面體間隙是由六個面的面心組成的，屬于正八面體間隙。間隙半徑的計算：面心立方晶格八面體間隙屬于正八面體間隙，間隙半徑為頂點原子至間隙中心的距離減去原子半徑，原子中心到間隙中心的距離皆為a/2，原子半徑為，所以間隙半徑為：51面心立方八面體間隙52面心立方八面體間隙53正四面體間隙半徑的計算：面心立方晶格四面體間隙屬于正四面體間隙，間隙半徑為頂點原子至間隙中心的距離減去原子半徑，原子中心到間隙中心的距離皆為，所以間隙半徑為：54面心立方四面體間隙55面心立方四面體間隙56小結體心立方晶格間隙有兩種：八面體間隙間隙半徑為：間隙個數(shù)為：6四面體間隙間隙半徑為：間隙個數(shù)為：12面心立方晶格間隙有兩種：八面體間隙間隙半徑為：間隙個數(shù)為：4四面體間隙間隙半徑為：間隙個數(shù)為：8

可見，面心立方八面體間隙比體心立方中間隙半徑較大的四面體間隙半徑還大，因此面心立方結構的γ-Fe的溶碳量大大超過體心立方結構的α-Fe。571．合金的基本概念由于純金屬的機械性能較低，所以工程上使用的材料都是合金。合金：是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質。如：黃銅，Cu、Zn合金；碳鋼，F(xiàn)e、C

合金。組元：組成合金最基本的獨立物質（組成合金的元素、穩(wěn)定化合物）。組元間相互作用會形成各種不同的相。相：成分結構相同并以界面分開的均勻部分。在合金中，由于形成條件不同，各相可以不同的數(shù)量、形狀、大小互相組合，我們將組織：在顯微鏡下所看到的相的分布形態(tài)。

1.3.2合金相結構58(1)固溶體：指溶質組元溶于溶劑晶格中，并保持溶劑組元晶格類型而形成的均勻固體。按溶質在溶劑晶格中的位置不同可分為：①置換固溶體

溶質原子占據(jù)溶劑晶格的某些結點位置而形成的固溶體。例如：純銅與黃銅。

②間隙固溶體

溶質原子占據(jù)溶劑晶格間隙而形成的固溶體。例如：C→α-Fe=F

，見圖1-35，P19。形成條件：只有當r溶質/r溶劑＜0.59時，才能形成間隙固溶體。2．合金的相結構

固溶體中間相59固溶體的兩種類型置換固溶體間隙固溶體60按固溶度不同可分為：①有限固溶體

具有有限固溶度的固溶體。如黃銅：Zn<39%可溶，形成固溶體；Zn>39%出現(xiàn)化合物。②無限固溶體

溶質能以任意比例溶入溶劑的固溶體。如Cu-Ni合金：濃度<50%的為溶質；濃度>50%的為溶劑。

61按溶質原子與溶劑原子的相對分布不同可分為：①無序固溶體

溶質原子在溶劑晶格中的分布是任意的、無規(guī)律的。②有序固溶體

溶質原子占據(jù)溶劑晶格的一定位置。

62有序固溶體－短程有序固溶體－偏聚63固溶體的性能點陣常數(shù)改變：置換固溶體：r質>r劑，a增大；r質<r劑，a減小。間隙固溶體：a始終隨溶質原子溶入而增大。

產生固溶強化：由于溶質原子的溶入，產生晶格畸變，使固溶體強度、硬度升高的現(xiàn)象。物理性能改變：溶質↑，電阻↑，電阻溫度系數(shù)↓。

64影響固溶體固溶度的因素：1)晶體結構因素：溶質與溶劑晶格結構類型相同，固溶度↑.2)原子尺寸因素：溶劑原子半徑rA與溶質原子半徑rB的相對差（rA-rB）/rA<15%有利于固溶，固溶度↑。3)電負性因素：兩元素間的電負性差越小，越易形成固溶體，固溶度↑。電負性大小看其在周期表中的位置：同一周期的元素，電負性隨原子序數(shù)↑而↑；同一族的元素，電負性隨原子序數(shù)↑而↓。所以，元素在周期表中相距越遠，電負性相差↑，越不利于形成固溶體，固溶度↓。4)電子濃度因素：電子濃度越高，固溶度越小。見圖1-34，P18

電子濃度為合金中價電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值。65

（2）中間相中間相可以是化合物，也可以是以化合物為基的固溶體，它具有金屬的性質，又稱金屬間化合物合金中各組元之間發(fā)生相互作用而形成的一種新相，叫金屬間化合物。具有較高熔點、高硬度，常作強化相，種類很多。根據(jù)形成條件和結構特點不同金屬間化合物可分為：①正常價化合物：符合一般化合物原子價規(guī)律，成分固定并可用分子式表示，如AB、AB2、A2B3，主要受電負性控制的一種中間相。常見于陶瓷材料，多為離子化合物。66②電子化合物：符合電子濃度規(guī)律的化合物。一定的電子濃度形成一定晶格類型的化合物。（見表1-6，P21）如：電子濃度為3/2時，形成體心立方結構的β相；電子濃度為21/13時，形成復雜立方結構的γ相；電子濃度為7/4時，形成密排六方結構的ε

相。電子化合物以金屬鍵為主，具有熔點高、硬度高、脆性大的特點，是有色金屬的重要強化相67

③