海南大学-材料科学概论-笔记

全国考研专业课高分资料海南大学 《材料科学概论》  笔记                                                                                                                 客服电话:[phone] 笔记：目标院校目标专业本科生笔记或者辅导班笔记讲义：目标院校目标专业本科教学课件期末题：目标院校目标专业本科期末测试题2-3套模拟题：目标院校目标专业考研专业课模拟测试题2套复习题：目标院校目标专业考研专业课导师复习题真题：目标院校目标专业历年考试真题，本项为赠送项，未公布的不送！笔记绪论一、材料与人类文明1．材料与人类文明密不可分举例：衣、食、住、行、学习、娱乐等说明材料无处不在，引出材料的概念2．从人类社会的发展看材料的发展旧石器时代——新石器时代——青铜器时代——铁器时代——现代（钢时代，硅时代，新材料时代）从一定意义上说，人类发展的历史可以概括为一部材料发展史3．现代高技术与材料举例：长征三号运载火箭、太阳能电池帆板、石油钻井平台、磁悬浮列车、笔记本电脑．．．．．．4．现代生活与材料举例：牙齿5．文化与材料陶冶、百炼成钢、锻炼、瓷器．．．．．．二、材料科学的发展及研究内容1．材料学的发展2．材料科学研究的内容材料科学——研究材料的成分、组织结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学。材料工程——应用已知基础理论，解决加工制造工艺中的实际问题。材料学＝材料科学＋材料工程材料科学与工程就是关于材料成分、结构、工艺和性能与用途之间有关知识和应用的科学，这四个方面构成了材料学的基础，称为材料科学与工程的四个基本要素，简称四要素。三、材料科学的重要地位材料科学的发源、建立与发展同人类活动及经济生活的需要密切相关，是人类赖以生存的物质基础。举例：飞机的发展：木头——铝合金——钛合金——复合材料自行车发展：锰钢车——铝合金车——复合材料做支架日常生活用品：彩电、冰箱、洗衣机、空调、洗浴器皿、上下水道国民经济各部门从事物质生产：以材料为工具和加工的原料许多重大技术革命的发生，在很大程度上依赖于新材料的诞生。举例：半导体材料——大规模集成电路——计算机光导纤维材料——信息时代高强度复合材料——使人类冲出了地球在太空遨游……材料工程、能源工程、信息工程已成为现代文明的三大基础支柱。材料科技水平，新型材料的发展，与一个国家的经济活力、军事实力和科技能力都有着十分密切的关系。举例：日本、美国、我国对材料发展的重视程度四、工程材料的分类及性能特点按组成分：金属、陶瓷、高分子、复合材料按使用性能分：结构材料、功能材料1．金属材料：（高强度、高韧性，良好的导电性）钢铁材料：碳钢、合金钢、铸铁有色金属：铝合金、铜合金、钛合金、镍合金等优良性能：（1）优良的（加工）工艺性能（2）良好的使用性能（物理性能、化学性能、力学性能）2．陶瓷材料：（硬度高，但脆性大，大多数是电绝缘材料）无机非金属材料的通称，包括水泥、玻璃、耐火材料和陶瓷等特点：重量轻，压缩强度、熔点、硬度、化学稳定性高，耐蚀性好，电与热的绝缘材料。3．高分子材料：分为天然高分子材料（蛋白、淀粉、纤维素等）和人工合成高子材料（合成纤维、塑料、橡胶等）特点：重量轻，强度、塑性及弹性模量较低，且多数不导电。4．复合材料可分为：金属基、塑料基和陶瓷基复合材料第一章材料结构的基本知识材料的结构分四个层次：原子结构、原子结合键、材料中原子的排列、晶体材料的显微组织。§1.1原子结构(atomicstructure)◆物质的组成：物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体。◆原子结构：原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。一、原子的电子排列原子是由原子核及其核外电子构成的，电子绕着原子核在一定的轨道上旋转。电子运动的轨道由四个量子数(quantumnumber)决定的：主量子数n（电子层）、轨道量子数l（电子亚壳层）、磁量子数m（轨道数）、自旋角动量量子数ms（自旋方向）。核外电子的分布与四个量子数有关，且服从两个基本原理：(1)Pauli不相容原理(Pauliprinciple)：一个原子中不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。(2)能量昀低原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于昀低能量状态。二、元素周期表及性能的周期性变化§1.2原子间的结合键(bindingbond)按结合力大小分为一次键和二次键两类。一次键（化学键或主价键）：金属键、离子键、共价键二次键（物理键或次价键）：范德华键、氢键一、一次键（化学键、主价键）1.金属键(metallicbond)特点：电子共有化,没有方向性和饱和性。特性：(1)良好的导电、导热性；(2)正的电阻温度系数；(3)不透明，具有金属光泽；(4)具有较高的强度和良好的塑性；(5)金属之间的溶解性(固溶能力)。2.离子键(ionicbond)特点：结合力较强；硬度、熔点高；绝缘；有饱和性而没有方向性。3.共价键(covalentbond)特点：(1)结合极为牢固(2)有明显的方向性、饱和性(3)结构稳定(4)熔点高(5)硬而脆二、二次键（物理键、次价键）靠原子之间的偶极吸引力结合而成1.范德华键特点：(1)没有方向性、饱和性(2)键力低于一次键。2.氢键特点：(1)表达式：X-H…Y(2)有饱和性、方向性(3)对高分子材料重要三、混合键四、结合键的本质及原子间距结合键的本质：原子之间存在的静电作用力。原子间距：当原子之间的静电作用力达到平衡时原子之间的距离。五、结合键与性能1.物理性能①熔点②导热、导电性③密度：与结合键类型有关2.力学性能①弹性模量E②强度③塑性表1三大类材料的结合键类型及性能特点§1.3原子的排列方式一、晶体与非晶体*区别：⑴原子（分子）规则排列⑵固定熔点⑶各向异性*凝固与结晶表2晶体与非晶体的区别§1.4晶体材料的组织*组织（显微组织、金相组织）：显微镜下观察到的各种晶粒的组合特征，即相对量，尺寸大小，形状及分布等。是影响材料性能极为敏感而重要的结构因素。*相：成分相同、结构相同、与其它部分明显有界面分开的均匀组成部分。*相关概念(1)晶核、晶粒、晶界(2)单晶体与多晶体(3)单相组织与多相组织(4)单相合金与多相合金材料是有结构的，结构是分层次的，材料的结构决定材料的性能；材料的结构是可以改变的，成分、工艺等条件可以通过改变材料的结构而改变其性能，从而展现出工程材料的各种特征来。§1.5材料的稳态与亚稳态结构稳态－－能量昀低亚稳态结构－－能量相对较高1.热力学条件（能量降低的方向，转变过程的推动力）2.动力学条件（反应速度，转变过程的阻力）*本章重点和难点用金属键的特征解释金属材料的性能-----①正的电阻温度系数；②良好的延展性；③良好的导电、导热性；④具有金属光泽；⑤金属之间的溶解性。§2材料的结构Unit1§2.1晶体学基础概述根据结合键类型不同，晶体可分为金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体。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。*空间点阵与晶胞1．相关概念*空间点阵(lattice)*晶格(spacelattice)*阵点（结点）*晶胞（cell）选取晶胞应遵循一定的原则晶胞大小和形状表示方法二、晶系和布拉菲点阵根据晶体的对称性和每个阵点周围具有相同的环境，布拉菲运用数学方法推算，将花样繁多的晶体结构归纳为14种空间点阵（称为布拉菲点阵）。根据晶格常数a、b、c及α、β、γ是否相等，又将14中空间点阵归属于七大晶系。晶体结构和空间点阵之间的区别*空间点阵（spacelattice）：晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性。由于各阵点的周围环境相同，只有１４种类型。*晶体结构（crystalstructure）：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体排列方式。由于组成晶体的物质质点及其排列方式不同，晶体结构是无限的，但总能按其原子（分子或离子）排列的同期性和对称性，归属于14种空间点阵中的一种。七大晶系：1.三斜晶系（triclinicsystem）：a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°2.单斜晶系（monoclinicsystem）：a≠b≠c，α＝γ＝90°≠β3.正交(斜方)晶系（orthogonalsystem）：a≠b≠c，α＝β＝γ＝90°4.四(正)方晶系（tetragonalsystem）：a＝b≠c，α＝β＝γ＝90°5.立方晶系（cubicsystem）：a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°6.六方晶系（hexagonalsystem）：a＝b≠c，α＝β＝90°，γ＝120°7.菱形晶系（rhombohedralsystem）：a＝b＝c，α＝β＝γ≠90°十四种空间点阵：1简单立方点阵：a=b=c，α=β=γ=90°2体心立方点阵：a=b=c，α=β=γ=90°3面心立方点阵：a=b=c，α=β=γ=90°4简单四方点阵：a=b≠c，α=β=γ=90°5体心四方点阵：a=b≠c，α=β=γ=90°6简单菱方点阵：a=b=c，α=β=γ≠90°7简单六方点阵：a=b≠c，α=β=90°，γ=120°8简单正交点阵：a≠b≠c，α=β=γ=90°9底心正交点阵：a≠b≠c，α=β=γ=90°10体心正交点阵：a≠b≠c，α=β=γ=90°11面心正交点阵：a≠b≠c，α=β=γ=90°12简单单斜点阵：a≠b≠cα=β=90°≠γ13底心单斜点阵：a≠b≠cα=β=90°≠γ14简单三斜点阵：a≠b≠cα≠β≠γ≠90°金属晶体的结构主要为：FCC、BCC、HCP三、晶向指数和晶面指数1．立方晶系中的晶向指数晶向指数的确定方法晶向指数规律2．立方晶系中的晶面指数晶面指数的确定方法晶面指数规律3．六方晶系的晶向和晶面指数4．晶带晶带(zone)——相交或平行于某一直线的所有晶面的组合晶带轴：此直线为晶带轴。共带面：同一晶带中的晶面。晶带定理(zonelaw)：同一晶带上晶带轴[uvw]和晶带面（hkl）之间存在以下关系：hu+kv+lw=05．晶面间距1．需掌握的概念和术语：(1)晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、晶系（七个），布拉菲点阵（14种）(2)晶面指数、晶向指数、晶面间距(3)求晶面间距d（hkl）、掌握晶带定理2．几个常用的公式(1)指数相同的晶向和晶面必然垂直。如[111]⊥(111)(2)当一晶向[uvw]位于或平行某一晶面（hkl）时，则必然满足：h·u+k·v+l·w=0(3)晶面间距：d(hkl)的求法Unit2§2.2金属的晶体结构金属晶体以金属键结合，其晶体结构比较简单,常见的有:面心立方结构A1或fcc（face-centeredcubic）立方晶系体心立方结构A2或bcc（body-centeredcubic）立方晶系密排六方结构A3或hcp（hexagonalClose-packed）六方晶系*三种典型金属的晶体结构描述晶胞从以下几个方面：*晶胞中原子的排列方式(原子所处的位置)*点阵参数(晶格常数和晶轴间夹角)*晶胞中原子数*原子半径R(原子的半径)(和点阵常数关系)*配位数(coordinativenumber)和致密度*密排方向和密排面*晶体结构中的间隙(大小和数量)*原子的堆垛方式*面心立方结构*晶胞中原子排列：*点阵参数:a=b=c；α=β=γ=90º*晶胞中原子数:n=8×1/8＋6×1/2=4个*原子半径:R=a√2/4*配位数与致密度：配位数CN=12；致密度k=0.74*间隙有两种:四面体间隙(8个)和八面体间隙(4个)八面体间隙：rB=0.414R，四面体间隙：rB=0.225R*堆垛方式：ABCABC…或ACBACB…的顺序堆垛*具有面心结构金属:γ－Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag等。2.体心立方结构*原子排列:*点阵参数:a=b=c，α=β=γ=90º*晶胞中原子数:n=8×1/8＋1=2个*原子半径:R=a√3/4*配位数和