材料科学基础1—4章.

材料科学基础刘宏玉2016年2月2导论材料科学的重要地位工程材料的分类及性能特点材料性能与内部结构的关系材料制备和加工工艺对性能的影响本课程的任务课程的主要内容教学和考核方式3一、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。4二、工程材料的分类及性能特点按使用性能分：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）51、金属材料使用量最大，使用面最广。高强度，良好的延展性、导电性、导热性。黑色金属有色金属62、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73、高分子材料又称聚合物。低密度，高弹性，绝缘性，低导热，低强度，低弹性模量，易老化。按用途分：塑料合成纤维橡胶4、复合材料高比强度，高比模量，抗疲劳。塑料基金属基陶瓷基85、功能材料电功能材料磁功能材料形状记忆合金。。。各种特殊的物理、化学性能。9三、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10四、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。11五、本课程的任务（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12六、课程的主要内容ⅠⅡ材料结构的基本知识材料中的晶体结构晶体缺陷材料的相结构及相图材料的凝固高分子材料的结构固态扩散材料的变形与断裂固体材料的电子结构与物理性能13七、教学和考核方式1、教学方式课堂讲授课堂讨论课堂练习课外作业考勤2、考核方式期末闭卷考试30%平时成绩+70%期末成绩14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15第一节原子结构一、原子的电子排列1、原子的核式结构原子由原子核及核外电子构成原子核：体积小，质量大，带正电电子：质量可忽略，在一定轨道绕核旋转，带负电2、电子分布（1）4个量子数：①主量子数n：电子能级的壳层序数。n=1,2,3,…7；②次量子数l(角量子数、轨道量子数)：l=0,1,2,…,确定每一壳层的亚壳层数目(spdf)16③磁量子数m：确定每一亚壳层中空间取向不同的轨道数目。m=0,±1，±2，…,轨道空间取向（spdf→1357）④自旋量子数ms：确定每一轨道中能容纳的电子数目。ms=+1/2,-1/2各壳层能够容纳的电子总数：2n2(n-主量子数)17（2）两个基本原理：①泡利不相容原理；一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。②最低能量原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。（3）能级的重叠相邻主壳层的能量范围有重叠18例题：写出原子序数为11的钠原子及原子序数解：Na:1s22s22p63s1Ca:1s22s22p63s23p64s23、原子的活泼程度主要取决于外壳层（S层和P层）填满与否例如：为20的钙原子的电子分布He：1s2Ne：…2s22p6Ar：…3s23p6Kr：…4s23d104p6Xe：…5s24d105p6Rn：…6s24f145d106p6Na：…3s119二、元素周期表及性能的周期性变化201、周期对应于电子主壳层2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的化学性质3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和ⅡA族的内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和ⅡA族活泼例如：Cu：…3p63d104s1K：…3p64s1215、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强，同族自上而下逐渐减弱22第二节原子的结合键一次键二次键混合键结合键的本质及原子间距结合键与性能23按结合力强弱分：一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结合键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较强．二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合键．包括氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱．一、一次键1、离子键通过正负离子间相互吸引力使原子结合的结合键．24例如：NaCl,MgO对于NaCl：Na：1S22S22P63S1Cl：1S22S22P63S23P5Na原子失去一个外层电子，变成正离子，带正电Cl原子得到一个外层电子，变成负离子，带负电25262、共价键通过共用电子对使原子结合的结合键．例如，金刚石…27(1)具有方向性和结构稳定性．金刚石109.5°(2)8-N定律—一个原子周围的共用电子对的数目，其中，Ｎ为原子的价电子数ⅣA族，4个共用电子对，空间网络状结构ⅤA族，3个共用电子对，空间层状结构ⅥA族，2个共用电子对，空间链状结构283、金属键通过正离子与自由电子之间相互吸引力使原子结合的结合键。价电子脱离原子成为“电子气”，正离子整齐地排列在“电子气”的海洋中．金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热，固态溶解29二、二次键1、范德瓦耳斯键具有稳定电子结构的原子或分子通过电偶极矩相互吸引而结合的结合键。如石蜡、塑料…302、氢键含氢的分子具有极性，与另一个具有较强电负性的原子通过氢离子而结合的结合键。如冰…X-H--YX-H:离子键H--Y：氢键31三、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。1、一次键混合（1）共价键与金属键混合如ⅣA族中，CSiGeSnPb共价键共价键＋金属键金属键再如，过渡族元素，有时会出现少量共价键32（2）金属键与离子键混合如金属间化合物中（3）共价键与离子键混合如陶瓷化合物中AB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）2()ABXX1-4离子键结合（％）＝[1-e]100%33例题:计算化合物(1)MgO、(2)GaAs中离子键结合的比例．解：(1)MgO查电负性表得XMg=1.31,XO=3.44代入公式得,离子键结合比例＝68%(2)GaAs查电负性表得,XGa=1.81,XAs=2.18代入公式得,离子键结合比例＝4%34由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所形成的AB化合物中离子键结合的比例越高352、一次键与二次键混合例如：石墨:片层中为共价键,片层间为范德瓦尔斯键高分子:分子链中为共价键,链与链之间为二次键36四、结合键的本质及原子间距1、结合键的本质—结合键的强弱反映了原子或分子间结合时互作用能降低的程度．离子键、共价键最强，金属键次之，氢键再次之，范德瓦尔斯键最弱。372、原子间的互作用力及结合能（1）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。0EFdx38（2）原子结合能的实验测定及理论计算实验测定原理测定固体的蒸发热理论计算(自学P24例题)五、结合键与性能1、对物理性能的影响1)熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料的最低．2)密度：金属键的最高，共价键、离子键的较低，高分子材料的最低．3)导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。392、对力学性能的影响（1）强度：结合键强，则强度也高，但还受组织的影响．（2）塑韧性：金属键最好，共价键、离子键最低.（3）弹性模量：共价键、离子键最高，金属键次之，二次键最低40第三节原子排列方式晶体与非晶体原子排列的研究方法一、晶体与非晶体1、晶体原子(原子团或分子)在空间有规则的周期性重复排列的固体。一般情况下，金属、大多数陶瓷、少数高分子材料为晶体。41非晶体：排列无序，不存在长程的周期规则排列。二氧化硅结构示意图a)晶体b)非晶体422、结晶过程晶核形成晶核长大433、晶体与非晶体性能的主要差别晶体：有确定熔点单晶体各向异性多晶体各向同性非晶体：无确定熔点各向同性44二、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）2sindn45第四节晶体材料的组织1、结晶过程及多晶组织462、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。组织是影响材料性能的极为敏感而重要的结构因素。473、组织的显示与观察宏观组织：肉眼能观察显微组织：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：484、单相与多相组织（1）单相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。（2）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：49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。50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。,0TVA,0TPGexpQvART51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。52本章作业P36:第2题，第6题，第8题53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。54主要内容:晶体学基础纯金属的晶体结构离子晶体的结构共价晶体的结构55第一节晶体学基础空间点阵和晶胞晶系和布拉菲点阵晶向指数和晶面指数晶面间距晶带及晶带定理56第一节晶体学基础一、空间点阵和晶胞1、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。2、阵点（结点）构成空间点阵的每一个点。晶体→点阵→晶格→晶胞573、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。4、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。585、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。uvwruavbwc59二、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）60三、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。61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：（确定已知晶向的指数）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。62特别说明