材料科学基础

1. 材料科学基础 刘宏玉 2012年8月

2. 导论 一、材料科学的重要地位 人类使用材料的7个时代的开始时间： 公元前10万年→石器时代 公元前3000年→青铜器时代 公元前1000年→铁器时代 公元0年→水泥时代 1800年→钢时代 1950年→硅时代 1990年→新材料时代：以人造为特征；为特定的需要设计和加工而成。

3. 二、各种材料概论 按使用性能分： • 结构材料：主要用其力学性能。 • 功能材料：主要用其物理性能。 按属性分： • 金属材料 • 陶瓷材料 • 高分子材料 • （复合材料）

4. 1、金属材料 使用量最大，使用面最广。 • 钢铁材料 • 有色金属

5. 2、陶瓷材料 • 传统陶瓷：由粘土、石英、长石等成分组成，用于建筑材料。 • 新型结构陶瓷：Al2O3、SiC、Si3N4等成分。 优点: ①重量轻； ②压缩强度高； ③熔点高； ④耐磨性好； ⑤化学稳定； ⑥电、热绝缘。 但脆、不易成形

6. 3、高分子材料 又称聚合物。 按用途分： • 塑料 • 合成纤维 • 橡胶 4、复合材料 • 塑料基 • 金属基 • 陶瓷基

7. 三、材料性能与内部结构的关系 各种材料的性能是由其内部结构决定的。 内部结构分四个层次： • 原子结构 • 结合键 • 原子的排列方式（晶体和非晶体） • 显微组织

8. 四、材料的制备与加工工艺对性能的影响 • 钢材→零件：冶炼、浇铸、轧制、锻造、热处理、表面处理 • 液态→固态凝固： 发动机叶片：传统为熔模铸造，通常凝固叶片组织为任意取向小单晶；定向凝固为一定方向的柱状晶，甚至单晶。工作温度由850℃提高到1100℃。 研究各种材料的制备与加工工艺是材料工程类各专业的任务。

9. 五、什么是材料科学？ 是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学。 • 材料科学与工程四要素

10. 第一章 材料结构的基本知识 结构分4个层次： • 原子结构 • 结合键 • 原子的排列 • 显微组织

11. 第一节 原子结构 一、原子的电子排列 薛定谔方程 中解得的波函数（又称原子轨道），描述了电子在核外空间各处位置出现的几率，相当于给出了电子运动的轨道。 • 轨道由4个量子数确定： ①主量子数：n=1,2,3,…,壳层； ②次量子数(角量子数、轨道量子数)：l=0,1,2,…,亚壳层（s, p, d, f）； ③磁量子数：m=0,±1，±2，…, 轨道空间取向（spdf→1357） ④自旋量子数：ms=+1/2,-1/2,…,自旋

12. 各壳层能够容纳的电子总数：2n2(n-主量子数) • 电子分布与4个量子数有关，且服从： ①泡利不相容原理； ②最低能量原理。 二、元素周期表及性能的周期性变化

13. 第二节 原子的结合键 按结合力强弱分： • 一次键：结合力强，离子键、共价键、金属键 • 二次键：结合力弱，范德瓦耳斯键、氢键 一、一次键 1、离子键 NaCl, MgO

14. 2、共价键 金刚石。 具有明显的方向性。 塑性差，坚硬。 3、金属键 没有方向性。良好的塑性。

15. 二、二次键 借原子之间的偶极吸引力结合而成。 1、范德瓦耳斯键 2、氢键 X-H-Y X-H: 离子键 H-Y：氢键

16. 三、混合键 大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。 • 化合物中离子键的比例取决于组成元素的电负性差，差越大，离子键比例越高： XA, XB–A,B 的电负性数值。（表1-2，P17）

17. 四、结合键的本质及原子间距 双原子模型： • 固体原子间总存在着 两种力： 吸引力、排斥力 • 引力与斥力相等时， r0称原子间距。 • 平衡距离下的作用能定义为 　原子的结合能Ｅ0 • 结合能越大，原子结合越稳 　定。

18. 五、结合键与性能 1、物理性能 熔点：共价键、离子键化合物的熔点较高； 二次键的熔点低。 密度：金属键密度高；离子、共价 键密度低 2、力学性能 弹性模量：结合键能是影响 的主要因素。 强度： 塑性：

19. 第三节 原子排列方式 一、晶体与非晶体 • 晶体： 原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则重复排列。 • 非晶体： 排列无序，不存在长程的周期规则排列。

20. 特征 （1）晶体：各向异性；有确定的熔点和体积突变（凝固时）；有结构突变。 （2）非晶体：各向同性；无确定的熔点和体积突变（凝固时）；无结构突变。

21. 二、 原子排列的研究方法 • X射线或电子束 • 衍射原理 布拉格定律： 根据衍射分布图，可分析晶体中原子排列的特征（排列方式、原子面间距等）

22. 第四节 晶体材料的组织 • 晶体的结晶过程及 　相应的多晶体组织 • 材料的组织： 各种晶粒的组合特征。 即各种晶粒的相对量、 尺寸大小、形状及分布 等特征。 是影响材料性能的极为 敏感而重要的结构因素。

23. 一、组织的显示与观察 • 宏观组织：肉眼能观察 • 显微组织（金相组织）：用金相显微镜或电子显微镜才能看到。 磨光→抛光→浸蚀→显微镜下观察：

24. 二、单相组织 • 单一相的组织，所有晶粒的化学组成相 同，晶体结构也相同。 描述单相组织特征的主要用晶粒尺寸及形状。 三、多相组织 • 两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成分和晶体结构。 • 两相例子：

25. 第五节 材料的稳态与亚稳态结构 • 稳态结构（平衡态结构） 能量最低的结构。 • 亚稳态结构 能量相对较高的结构。 • 材料最终得到什么结构，必须综合考虑结构形成的热力学条件和动力学条件。 ①热力学条件 结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力。

26. 等温等容过程： 亥姆霍兹自由能变化， 　自发过程 • 等温等压过程： 吉布斯自由能变化， 　　自发过程 ②动力学条件 反应速度。 化学反应动力学的Arhennius方程： v-反应速度； 　　　　　　　　　　　　　　　　　Ａ－常数； 　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｑ－激活能； 　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｔ－热力学温度； 　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｒ－气体常数。

27. 激活能的意义 　激活能可看作阻力。 • 材料最终的结构？ 　取决于热力学和 　动力学哪个起支配作用。

28. 本章作业 P36: 第3题， 第10题，第11题

29. 第二章　材料中的晶体结构 • 晶体可分为： ①金属晶体 ②离子晶体 ③共价晶体 ④分子晶体 • 晶体结构 　晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体排列方式。

30. 第一节　晶体学基础 一、空间点阵和晶胞 • 空间点阵 人为地将晶体结构抽象为空间点阵。指由几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列。 • 阵点（结点） 构成空间点阵的每一个点。

31. 晶格 人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架。 • 晶胞 构成晶格的最基本单元，选取晶胞应满足的条件： ①充分反映整个空间点阵的对称性； ②要具有尽可能多的直角； ③晶胞的体积要最小。 简单晶胞：只在八个角点上有阵点； 复合晶胞：体心、面心上也有阵点。

32. 晶胞形状和大小的表达 ①由三个棱边长度a、b、c（点阵常数）及其夹角α、β、γ六个 参数完全表达。 ②点阵中任一阵点位置： r：原点到某阵点的矢量； u, v, w：沿三个点阵矢量方向平移的基矢数或坐标值。

33. 二、晶系和布拉菲（A. Bravais）点阵 • 7个晶系（表2-1，P40） • 14种空间点阵 （布拉菲点阵）

34. 三、晶向指数和晶面指数 • 晶向 空间点阵中各阵点列的方向代表晶体中原子排列的方向。 • 晶面 空间点阵中任意一组阵点的平面代表晶体中的原子平面。

35. 用密勒（Miller）指数来表示晶向和晶面指数。 1、晶向指数 确定步骤： ①建立坐标系：以待定晶向上的某一阵点为原点，晶轴为坐标轴。 ②确定坐标值：确定距原点最近的一个阵点的三个坐标值。 ③化整并加方括号：坐标值化为最小整数uvw，并加括号[uvw]，负号在数值上方。

36. 特别说明： • 一个晶向代表相互平行、方向一致的所有晶向。 • 两晶向平行但方向相反→数字相同，符号相反。如 • 晶体中原子排列相同，但空间位向不同的一组晶向，称为晶向族，用<uvw>表示。 　如立方<111>包括： 立方体４个体对角线。 • 如果不是立方晶系，改变晶向指数的顺序所表示的晶向可能不是同等的。如：正交晶系中[100]、[010]、[001]不是等同晶向，因a≠b≠c，原子排列的情况不同，不属于同一晶向族。 特别说明： • 一个晶向代表相互平行、方向一致的所有晶向。 • 两晶向平行但方向相反→数字相同，符号相反。如 • 晶体中原子排列相同，但空间位向不同的一组晶向，称为晶向族，用<uvw>表示。 　如立方<111>包括： 立方体４个体对角线。 • 如果不是立方晶系，改变晶向指数的顺序所表示的晶向可能不是同等的。如：正交晶系中[100]、[010]、[001]不是等同晶向，因a≠b≠c，原子排列的情况不同，不属于同一晶向族。

37. ２、晶面指数 确定步骤： ①建立坐标：以晶胞的某一阵点O为原点，以过原点的晶轴为坐标轴，以点阵常数a、b、c为三个坐标轴的长度单位。 ★坐标原点的选取应便于确定截距，且不能选在待定晶面上。 ②求截距：晶面与某坐标轴平行，截距为∞。 ③取倒数。 ④化整并加圆括号→(hkl)

38. 特别说明： • (hkl)不是指一个晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。 • 平行晶面的面指数相同，或数字相同而正负号相反。 • 晶体中具有相同条件（原子排列和面间距完全相同）而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族，用{hkl}表示。 如立方晶系中： • 对正交晶系，(100)、 (010)、 (001)原子排列情况不同，晶面间距不等，不属于同一晶面族。 • 立方晶系，相同指数的晶向和晶面必定相互垂直，如[100]⊥(100)，但不适应于其它晶系。

39. 3、六方晶系的晶向指数和晶面指数 采用密勒-布拉菲（Miller-Bravais）指数表示。 a1、a2、a3和c四个轴。 • 晶面指数：与三轴系相同标定。但用（hkil）表示，且i= -(h+k)。 如：截距a1=a2=a3=∞, c=1，取倒数（0001）

40. 晶向指数 同三轴系，但用[uvtw]表示，且t= -(u+v)。 • 标定步骤: 从原点出发，沿平行于四个轴的方向依次移动，使之最后到达待定晶向上的某一结点。移动时必须选择适当路线，使沿a3轴移动的距离等于沿a1、a2两轴移动距离之和的负值，将各方向距离化为最小整数值。

41. 通常先用三轴坐标系标出待定晶向指数[UVW]，然后换算成四轴坐标系[uvtw]:通常先用三轴坐标系标出待定晶向指数[UVW]，然后换算成四轴坐标系[uvtw]: 4、晶面间距 相邻两个平行晶面之间的距离。 • 晶面间距越大，晶面上的原子排列越密集； • 晶面间距最大的晶面通常是原子最密排的晶面。 • 低指数的晶面间距较大。

42. 5、晶带 相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合，称为晶带；此直线称晶带轴；同一晶带中的晶面，称共带面。 • 晶带用晶带轴的晶向指数表示[uvw]; • 晶带定律 晶带轴[uvw]与该带中任一晶面(hkl)之间均满足： hu+kv+lw=0

43. 推论： • 两个不平行晶面(h1k1l1)、(h2k2l2)所决定的晶带轴[uvw]： • 两不平行晶向[u1v1w1]、[u2v2w2]所决定的晶面指数（hkl）：

44. 例题讲解 • 作图表示立方晶体的 晶面及 晶向。 • 书上例题（P44） 课后仔细阅读。

45. 第二节 纯金属的晶体结构 一、典型金属的晶体结构 • 面心立方（A1或fcc） • 体心立方（A2或bcc） • 密排六方（A3或hcp）

46. 1、原子的堆垛方式 原子密排面在空间沿其法线方向层层平行堆垛，可构成各自的晶体结构。 • fcc堆垛 密排面：{111} • hcp堆垛 密排面：{0001}

47. 2、点阵常数 • 晶胞的棱边长度a、b、c称为点阵常数。 如把原子看做半径为r的刚性球，则：

48. 3、晶胞中的原子数 每个晶胞所包含的原子数N: N=Ni+Nf/2+Nr/m Ni: 晶胞内原子数； Nf: 面心上的原子数； Nr: 角顶上的原子数；m=8(立方晶系)；m=6（六方晶系） 4、配位数和致密度 • 配位数：晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。

49. 致密度：晶体中原子体积占总体积的百分数。 K=nv/V n-晶胞中原子数； v-一个原子的体积，v=4/3(Πr3)； V-晶胞的体积。

50. 5、晶体结构中的间隙 • 八面体间隙： 6个原子组成的八面体 中间的间隙。 • 四面体间隙： 4个原子组成的四面体 中间的间隙。