材料科學(xué)基礎(chǔ)教程教案1

材料科學(xué)基礎(chǔ)教程主編：趙品等哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社講授人：王永忠電話程設(shè)置基礎(chǔ)課：材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試專業(yè)主干課：材料化學(xué)、材料物理、高分子化學(xué)與物理、材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)、高分子化學(xué)與物理實(shí)驗(yàn)專業(yè)拓展課：材料科學(xué)導(dǎo)論、無(wú)機(jī)功能材料、高分子材料、無(wú)機(jī)材料合成化學(xué)、配位化學(xué)、高分子化學(xué)、專業(yè)英語(yǔ)、文獻(xiàn)查閱等緒論0-1材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位與作用

材料是用來(lái)制造各種有用物件的物質(zhì)。它是人類生存與發(fā)展、征服和改造自然的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人類社會(huì)現(xiàn)代文明的重要支柱。因此史學(xué)家將人類發(fā)展分為石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、水泥時(shí)代、鋼時(shí)代、硅時(shí)代和新材料時(shí)代。材料科學(xué)的發(fā)展及進(jìn)步成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)。材料科學(xué)的發(fā)展在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位，因此，材料、能源、信息被譽(yù)為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大支柱。

鄧小平：科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。政治學(xué)家：生產(chǎn)力的進(jìn)步是社會(huì)發(fā)展的根本原因，而勞動(dòng)工具的發(fā)展是生產(chǎn)力進(jìn)步的主要因素。材料學(xué)家：材料是時(shí)代進(jìn)步的標(biāo)志。材料是時(shí)代進(jìn)步的標(biāo)志認(rèn)識(shí)工具材料制造工具使用工具TheIronAge----鐵合金TheStoneAge

-------硅酸鹽TheBronzeAge---銅合金材料的發(fā)展，時(shí)代的進(jìn)步????Age----硅？碳？。。。石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代認(rèn)識(shí)材料制造工具使用工具工藝過(guò)程0-2材料觀成分組織結(jié)構(gòu)性能用途

青銅器合金比例

◆銅：熔點(diǎn)高，1083℃，可塑性佳◆錫：熔點(diǎn)低，232℃◆85%Cu，15%Sn：熔點(diǎn)960℃，延展性增加，硬度增加，具光澤度0-2材料觀-----成分0-2材料觀-----結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)不同加工方法的工件組織與性能使用性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能0-2材料觀-----性能常用的加工工藝：常見(jiàn)的加工工藝：常見(jiàn)的加工工藝：常見(jiàn)的加工工藝：常見(jiàn)的加工工藝：典型塑性加工0-3材料的分類1.按材料的化學(xué)成分組成分類（1）金屬材料（黑色金屬、有色金屬）（2）無(wú)機(jī)非金屬材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷）天然高分子材料（蛋白、淀粉、纖維素）3）高分子材料人工合成高分子材料（合成橡膠、合成塑料、合成纖維）（4）復(fù)合材料2.按材料的使用性能分類（1）結(jié)構(gòu)材料（2）功能材料0-4材料的發(fā)展歷史1.1808～1871年，研究并實(shí)現(xiàn)了金相分析的方法。2.1871～1903年，收集、分析及總結(jié)了大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致了系統(tǒng)的理論研究3.1903～1945年，由研究合金相的平衡狀態(tài)過(guò)渡到從動(dòng)力學(xué)角度研究相的變化。4.1946～現(xiàn)在，繼續(xù)向金屬材料因狀態(tài)不同導(dǎo)致性能差異的方向發(fā)展，進(jìn)一步弄清相變和強(qiáng)化的機(jī)理，在更深的層次上研究結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。0-5材料科學(xué)的發(fā)展方向

精細(xì)化超高性能化高功能化復(fù)雜化（復(fù)合化、雜化）生態(tài)環(huán)境化智能化

材料科學(xué)是研究材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間關(guān)系及變化規(guī)律的一門科學(xué)。

材料科學(xué)基礎(chǔ)的任務(wù)是根據(jù)工程和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要設(shè)計(jì)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(guò)程中組織結(jié)構(gòu)和性能變化的微觀機(jī)理，從中找出合宜的加工工藝、強(qiáng)化工藝和延壽措施；創(chuàng)新測(cè)試材料成分、組織結(jié)構(gòu)和性能的方法，完善測(cè)試技術(shù)；合理地選擇和使用工程材料。

材料科學(xué)基礎(chǔ)包含緒論、材料的結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、純金屬的凝固、二元相圖、三元相圖、固體材料的變形與斷裂、回復(fù)與再結(jié)晶、擴(kuò)散、固態(tài)相變（金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料、功能材料）。0-6本課程的任務(wù)與內(nèi)容0-7與其它課程的關(guān)系材料科學(xué)基礎(chǔ)”是以化學(xué)、物理、物理化學(xué)、材料力學(xué)、金屬工藝學(xué)和金工教學(xué)實(shí)習(xí)為基礎(chǔ)的課程，在學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)聯(lián)系上述基礎(chǔ)課程的有關(guān)內(nèi)容，以加深對(duì)本課程內(nèi)容的理解。同時(shí)本課程是材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)，在今后學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課程時(shí)，還應(yīng)經(jīng)常聯(lián)系本書(shū)的有關(guān)內(nèi)容，以便進(jìn)一步掌握所學(xué)的知識(shí)。

第1章材料的結(jié)構(gòu)1.1材料的結(jié)合方式1.1.1化學(xué)鍵

1.離子鍵

2.共價(jià)鍵

3.金屬鍵

4.范德華鍵

1.1.2工程材料的鍵性

共價(jià)鍵1.形成元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多數(shù)元素或電負(fù)性不大的原子相互結(jié)合時(shí)，原子間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，以共價(jià)電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)合。這種由公用電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵稱為共價(jià)鍵。2.特性方向性，飽和性，結(jié)合力很大3.具有共價(jià)鍵物質(zhì)的特性共價(jià)晶體強(qiáng)度、硬度高，脆性大，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，揮發(fā)性低。圖硅原子四個(gè)價(jià)鍵和硅的鍵角離子鍵1.形成當(dāng)兩種電負(fù)性相差很大（如元素周期表相隔較遠(yuǎn)的元素）的原子相互結(jié)合時(shí)，其中電負(fù)性較小的原子失去電子成為正離子，電負(fù)性較大的原子獲得電子成為負(fù)離子，正、負(fù)離子靠靜電引力結(jié)合在一起而形成的結(jié)合鍵。2.特性無(wú)方向性，無(wú)飽和性，結(jié)合力很大3.具有離子鍵物質(zhì)的特性離子晶體的硬度高、強(qiáng)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(jiàn)光，典型的離子晶體是無(wú)色透明的。金屬鍵

1.形成金屬原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是外層電子少，原子容易失去其價(jià)電子而成為正離子。當(dāng)金屬原子相互結(jié)合時(shí)，金屬原子的外層電子（價(jià)電子）就脫離原子，成為自由電子，為整個(gè)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(yùn)動(dòng)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(jié)合的方式稱為金屬鍵。2.具有共價(jià)鍵物質(zhì)的特性①良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)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(qiáng)度及塑性。④金屬不透明、具有金屬光澤（自由電子可吸收可見(jiàn)光的能量）。范德瓦爾鍵(范德華鍵)

1.形成有些物質(zhì)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(fù)電荷，一個(gè)分子的正電荷部位和另一分子的負(fù)電荷部位間，以微弱靜電引力相引，使之結(jié)合在一起稱為范德華鍵（或分子鍵）。2.特性結(jié)合力較弱3.具有共價(jià)鍵物質(zhì)的特性硬度低、沸點(diǎn)低，絕緣性。工程材料的鍵性

實(shí)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(jié)合。如果以四種鍵為頂點(diǎn)作一個(gè)四面體，就可以把材料的結(jié)合鍵范圍示意地表示在這個(gè)四面體上，具體材料的鍵特性見(jiàn)圖。1.2晶體學(xué)基礎(chǔ)

1.2.1晶體與非晶體1.2.2空間點(diǎn)陣1.2.3晶向指數(shù)與晶面指數(shù)1.2.4晶體的晶體的極射赤面投影1.2.1晶體與非晶體1.晶體：物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)(分子、原子或離子)在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形成的物質(zhì)叫晶體。2.非晶體：非晶體在整體上是無(wú)序的，但原子間也靠化學(xué)鍵結(jié)合在一起，所以在有限的小范圍內(nèi)觀察還有一定規(guī)律，可將非晶體的這種結(jié)構(gòu)稱為近程有序。3.

晶體的特征（1）周期性（不論沿晶體的哪個(gè)方向看去，總是相隔一定的距離就出現(xiàn)相同的原子或原子集團(tuán)。這個(gè)距離稱為周期）液體和氣體都是非晶體。（2）有固定的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)（3）各向異性（沿著晶體的不同方向所測(cè)得的性能通常是不同的：晶體的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、彈性、強(qiáng)度、光學(xué)性質(zhì)）。1.2.2空間點(diǎn)陣

1.空間點(diǎn)陣：實(shí)際晶體中，質(zhì)點(diǎn)在空間的排列方式是多種多樣的．為了便于研究晶體中原于、分子或離子的排列情況，近似地將晶體看成是無(wú)錯(cuò)排的理想晶體，忽賂其物質(zhì)性，抽象為規(guī)則排列于空間的無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)。這些點(diǎn)代表原子(分子或離子)的中心，也可是彼此等同的原于或分子群的中心，各點(diǎn)的周圍環(huán)境相同。這種點(diǎn)的空間排列稱為空間點(diǎn)陣，簡(jiǎn)稱點(diǎn)陣，這些點(diǎn)叫陣點(diǎn)。2.晶格：將陣點(diǎn)用一系列平行直線連接起來(lái)，構(gòu)成一空間格架叫晶格。3.晶胞從點(diǎn)陣中取出一個(gè)仍能保持點(diǎn)陣特征的最基本單元叫晶胞。在空間點(diǎn)陣中，能代表空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的是小平行六面體。整個(gè)空間點(diǎn)陣可由晶胞作三維的重復(fù)堆砌而構(gòu)成。圖空間點(diǎn)陣晶胞的選取原則：

（1）晶胞幾何形狀能夠充分反映空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性；（2）平行六面體內(nèi)相等的棱和角的數(shù)目最多；（3）當(dāng)棱間呈直角時(shí)，直角數(shù)目應(yīng)最多；（4）滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。圖晶格的選取

描述晶胞的六參數(shù)晶胞的尺寸和形狀可用點(diǎn)陣參數(shù)來(lái)描述，它包括晶胞的各邊長(zhǎng)度和各邊之間的夾角。圖晶胞、晶軸和點(diǎn)陣參數(shù)14種空間點(diǎn)陣(布拉菲點(diǎn)陣)1.2.3晶向指數(shù)與晶面指數(shù)

1.晶向指數(shù)和標(biāo)定2.晶面指數(shù)的標(biāo)定3.晶面族與晶向族4.六方晶面及晶向的指數(shù)標(biāo)定5.晶帶6.晶面間距

1.晶向指數(shù)和標(biāo)定(1)以晶格中某結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，取點(diǎn)陣常數(shù)為三坐標(biāo)軸的單位長(zhǎng)度，建立右旋坐標(biāo)系,如圖。定出欲求晶向上任意兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。(2)“末”點(diǎn)坐標(biāo)減去“始”點(diǎn)坐標(biāo)，得到沿該坐標(biāo)系各軸方向移動(dòng)的點(diǎn)陣參數(shù)的數(shù)目。(3)將這三個(gè)值化成一組互質(zhì)整數(shù)，加上一個(gè)方括號(hào)即為所求的晶向指數(shù)[uvw]，如有某一數(shù)為負(fù)值，則將負(fù)號(hào)標(biāo)注在該數(shù)字上方。

2.晶面指數(shù)的標(biāo)定(1)建立如前所述的參考坐標(biāo)系，但原點(diǎn)應(yīng)位于待定晶面之外，以避免出現(xiàn)零截距(2)找出待定晶面在三軸的截距，如果該晶面與某軸平行，則截距為無(wú)窮大。(3)取截距的倒數(shù)，將其化為一組互質(zhì)的整數(shù)，加固括號(hào)．得到晶面指數(shù)(hkl)。注：立方系的晶面指數(shù)必垂直于晶向指數(shù)

3.晶面族與晶向族晶面族：晶面原子排列相同，面間距也相同，只是空間位向不同，用｛hkl｝表示。如｛110｝：（110），（011），（101），（110），（011），（101）晶向族：原子排列相同，空間位向不同的所有晶向，用〈hkl〉表示。立方系：{110}晶面族4.六方系晶面和晶向指數(shù)標(biāo)定六方系晶面指數(shù)的標(biāo)定（四軸制）六方晶系晶面指數(shù)的標(biāo)定原理和方法同立方晶系中的一樣，從待標(biāo)晶面在a1，a2，a3和c軸上的截距可求得相應(yīng)的指數(shù)h，k，i，l，于是晶面指數(shù)可寫成(hkil)，也必有i=-(h+k)。圖六方晶系的一些晶向指數(shù)與晶面指數(shù)六方系晶向指數(shù)的標(biāo)定：采用四軸坐標(biāo)系，六方晶系晶向指數(shù)的標(biāo)定方法如下：當(dāng)晶向通過(guò)原點(diǎn)時(shí)，把晶向沿四個(gè)軸分解成四個(gè)分量，晶向OP可表示為：OP=ua1+va2+ta3+wC，晶向指數(shù)用[uvtw]表示，其中t=-(u+v)采用三軸坐標(biāo)系時(shí)，C軸垂直底面，a1、a2軸在底面上，其夾角為120o，晶向在底面上的投影的終點(diǎn)分別作a1、a2軸的平行線得到U、V，從而得到[UVW]。采用三軸制雖然指數(shù)標(biāo)定簡(jiǎn)單，但原子排列相同的晶向本應(yīng)屬于同一晶向族，其晶向指數(shù)的數(shù)字卻不盡相同。一般用四軸坐標(biāo)系表示u＝[2U－V]v＝[2V－U]/3t＝[U＋V]/3w＝W行走法（1）將底面分成很多邊長(zhǎng)相等的小等邊三角形（2）沿小等邊三角形的邊走，并要滿足u+v+t=0（3）麻煩，而且對(duì)一般的晶向，很難求出四指數(shù)[uvtw]2.解析法先求出待標(biāo)晶向在a1，a2和c三個(gè)軸下的指數(shù)U，V，

W

（這比較容易求得），然后按公式算出四指數(shù)u，v，t，w

。5.晶帶

相交于某一晶向直線或平行于此直線的晶面構(gòu)成一個(gè)晶帶，此直線稱為晶帶軸。立方系晶面（hkl）以[uvw]為晶帶軸必有Hu+kv+lw=0反之也成立。兩個(gè)不平行的晶面（h1k1l1）,(h2k2l2)的晶帶軸[uvw]可如下求得

6.晶面間距

對(duì)于不同的晶面族{hkl}其晶面間距也不同。總的來(lái)說(shuō)，低指數(shù)晶面的面間距較大，高指數(shù)晶面的面間距較小、如圖所示。由晶面指數(shù)的定義、可用數(shù)學(xué)方法求出晶面間距，見(jiàn)公式。

1.3材料的晶體結(jié)構(gòu)

1.3.1典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.3.2共價(jià)晶體的晶體結(jié)構(gòu)1.3.3離子晶體的晶體結(jié)構(gòu)1.3.4合金相結(jié)構(gòu)

1.3.1典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格原子排列特征晶格常數(shù)a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

a=b≠c，=1.633，α=β=90o，γ=120o

原子半徑r＝0.433ar=0.354ar=0.5a晶胞含原子數(shù)246配位數(shù)81212致密度0.680.740.74體心立方面心立方體心立方晶胞示意圖（bcc）（a）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖

面心立方晶胞示意圖(fcc)（a）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖

密排六方晶胞示意圖(hcp）（a）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖

1.晶胞中原子數(shù)體心立方面心立方密排六方2.原子半徑體心立方〈111〉面心立方﹛111﹜密排六方3.配位數(shù)與致密度配位數(shù)：指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰并且等距離的原子數(shù)。致密度（K）是晶胞中原子所占的體積分?jǐn)?shù)。

K=nv/Vn為晶胞原子數(shù)，v為原子體積，V為晶胞體積體心立方配位數(shù)為8BAOOAB[111]面心立方配位數(shù)為12密排六方配位數(shù)為124.晶體中原子的堆垛方式（等徑球）最緊密堆積有面心立方和密排立方，它們的最密排面原子排列情況完全相同，但堆垛方式不一樣

六方和立方最緊密堆積情況

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