同济大学材料学院821专业课辅导讲义1

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1、绪论1. 材料和材料科学的定义：材料：具有在特定条件下使用要求的形态和物理状态的物质（不包含燃料、化工 原料或产品、食品和药品）。材料科学：研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系及变化 规律的一门学科。材料科学的内涵：核心问题是材料的组织结构与性能以及两者之间的关系。2. 材料科学与工程的四要素模型及四要素之间的关系：材料的成分与结构是影响其各种性质的直接因素，加工过程通过改变材料的 成分与结构从而影响其性质。例如铁碳合金，不含碳时，即纯铁，延展性好但强 度低；含碳量较低时，称之为钢，钢中含碳量增加，强度硬度上升，但塑性韧性 下降。由同一元素碳构成的不同材料如石墨和金刚石，也有

2、着不同的性能。结构与成分是材料研究的核心，性质是落脚点，根据材料的性质可以确定其 使用效能，例如金属具有刚性和硬度，可做结构材料。材料的制备/合成和加工不仅赋予材料一定的尺寸和形状，而且是控制材料 成分和结构的必要手段。如钢材可以通过退火、淬火、回火等热处理来改变它们 内部的结构而达到预期的性能,冷轧硅钢片经过复杂的加工工序能使晶粒按一定 取向排列而大大减少铁损。3. 材料结构层次与材料结构和性能的关系:L原子结构 结合键内部结构-原子排列方式（晶体、非晶体） 显微组织-宏观组织（肉眼可见）讨论结构对性能的影响关系：原子结构结合键原子排列方式显微组 织和缺陷Eg.1结合键受到原子结构影响，易失

3、去电子的元素形成金属键，结合 键为金属键，导致原子趋于紧密堆积，电子共有化使得受力形变时金属键不至于 破坏，故而有很好的延展性。Eg.2组织是指金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶粒大小、方向、形状、 排列方式等组成关系的组成物。如铁素体和珠光体。材料热处理加工导致组织结 构变化，其力学性能也有所差异。4. 材料选择的基本原理 性能使用性原则：根据工作环境条件，按照材料的性能指标来选择相应的适 用材料。 失效性选择原则：对服役后失效的材料进行失效原因、解决对策分析，选择 新的适用材料。 加工工艺选择原则：充分考虑材料的加工工艺性，降低工艺成本。 加工批量选择原则：结合加工批量的大小选择合适的

4、加工设备、原料及工艺。 经济原则：通过成本核算，选定合算的材料，包括原料、工艺、宣传、管理 及运输成本等。 资源原则：结合国家政策，从资源的利用上考虑选取合适的材料。第一章固体材料的结构基础知识一、原子结构与键合L原子结构1.1确定核外电子运动轨道的四个量子数：1 主量子数n 确定电子离核远近和能量高低的主要参数，电子的能量随口 的增大而增高；2 次量子数l 反映轨道的形状，由s、p、d、f四个量子数表示各轨道在原 子核周围的角度分布不同，次量子数也影响轨道的能级；3 磁量子数m确定轨道的空间取向；4 自旋量子数m 每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。1.2核外电子排布规律：1 能量最低

5、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；2 Pauli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；3 Hund规则：在未填满的壳层中，电子的自旋值应该尽量地大。1.3原子间的键合（1）金属键：金属正离子和自由电子之间相互作用而形成的结合 电子共有化、自由，弥散于M+晶格中形成电子云，导热、导电性好； 无方向性、无饱和性； 趋于形成低能量密堆结构，受力形变金属键不至于破坏，延展 性好； 结合能离子晶体、共价晶体，各种金属键的结合能差异也较大。 形成条件：AX1.7(3) 共价键：通过共享电子对结合使相邻原子键合起来的形式。 极性键：电子对偏向一方；非

6、极性键：电子对无偏向； 饱和性：当原子的价电子数为N时，应建立(8-N)个共用电子对达到 共价结合； 方向性：电子云按最大密度的方向重叠，各共价键之间有相对取向； 脆性大 配位数小：键的方位决定； 结合能高，熔点高，质地硬脆，结构稳定 供用电子对难以自由运动，绝缘性好，导电性好。 形成条件：0.7AX1.7(4) 范德华键：以弱静电吸引的方式使分子或原子团聚在一起的结合力。 无方向性； 无饱和性； 键能远远小于化学键，属于二次键； 高分子中总的范德华力超过了化学键；除尽范德华力前化学键已破坏， 故往往没有气态； 范德华力对高聚物物理性能影响比较大； 包括：静电力：极性原子、分子的永久偶极之间的

7、静电作用，与温度有关诱导力：非极性分子中的诱导偶极与极性分子中的永久偶极的作用 色散力：电子运动导致原子瞬时偶极间的相互作用(5) 氢键：H原子同时与两个电负性很大而半径很小的原子(O,N,F)相结合的 具有比范德华力大比化学键小的键。 饱和性 方向性： 分子间或分子内都可形成； 对高分子结构和物理性能影响大；(6) 混合键：多数工程材料的结合键多为混合键，气体分子以共价键结合，以 范德华力凝聚，亦为混合。工程材料的结合键差别： 简单金属完全为金属键，过渡金属为金属键和共价键混合，金属键为主； 陶瓷材料是由一种或多种金属与非金属结合的化合物，主要以离子键为主，也 含有一定成分的共价键； 高分子

8、材料中，大分子内原子间结合键为共价键，大分子间结合键为范德华键 或氢键；复合材料是有两种及以上的材料组合而成，结合键复杂，成分不定。 实例分析：陶瓷材料中的离子主要键合方式，从键合键角度分析其性能。陶瓷材料的结合键主要是离子键和共价键，以离子键为主，比例取决于组成元素 电负性差，越大，离子键比例越高。 共价键、离子键结合能高，纯共价键的金刚石具最高熔点，金属熔点相对较低， 陶瓷的熔点一般比金属高，热稳定性较好。 离子键和共价键结合时，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比较 低。 离子键和共价键结合的陶瓷材料硬度比一般的分子晶体材料要大得多。 离子键和共价键结合的陶瓷材料塑性变形困难，塑

9、性差，脆性很好。二、晶体学基础知识2.1定义：晶体：原子（离子）或分子（原子集团）在空间整齐排列并呈周期性重复，长程 有序的固体。非晶体：组成物质的原子、离子在空间排布不呈周期性和平移对称，性，长程无序 的固体。2.2晶体与非晶体的区别： 根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列； 自然条件下，晶体呈多面体外观，非晶体没有； 晶体熔化有固定的熔点，非晶体没有，只存在一个软化温度范围； 晶体的长程有序排列，在不同的方向材料表现出的各种性能有所差异，称为 各向异性，非晶体是各向同性，远程无序。2.3晶体基本性质（从格子构造观点出发）a. 自限性 晶体的多面体外形是其格子构造在外形上的直

10、接反映。晶面、晶棱与 角顶分别与格子构造中的面网、行列和结点相对应。从而导致了晶体在适当的条 件下往往自发地形成几何多面体外形的性质。b. 均一性 因为晶体是具有格子构造的固体，在同一晶体的各个不同部分，化学 成分与晶体结构都是相同的，所以晶体的各个部分的物理性质与化学性质也是相 同的。c. 各向异性同一晶体中，由于内部质点在不同方向上的排布一般是不同的。因 此，晶体的性质也随方向的不同有所差异。d. 对称性 晶体的格子构造本身就是质点周期性重复排列，这本身就是一种对称 性；体现在宏观上就是晶体相同的外形和物理性质在不同的方向上能够有规律地 重复出现。e. 最小内能性晶体的格子构造使得其内部质

11、点的排布是质点间引力和斥力达 到平衡的结果。无论质点间的距离增大或缩小，都将导致质点的相对势能增加。 因此，在相同的温度条件下，晶体比非晶体的内能要小;相对于气体和液体来说， 晶体的内能更小。2.4晶体的结构特征：结点：空间格子上的点，在实际晶体中，它们可以代表同种质点的位置，因此也称为晶体结构中的等同点位置。行列：结点在一维方向上的排列，同一行列的结点间距相等，平行行列的结点间 距也相等。面网：结点在平面上的分布构成面网。密度大的面网，其相邻面网的间距也大，密度小的面网，相邻面网的间距也小平行六面体：空间格子的最小单位基元（1）空间点阵与晶体结构的关系及其意义：空间点阵：晶体中质点排列的几何

12、学抽象，来分析晶体结构的周期性和对称性， 各阵点周围环境一致，可无限延伸。晶体结构：晶体中实际质点的具体排列状 况，不可无限延伸，但存在的结构有无限多。基元+空间点阵二晶体结构晶体结构相同，但空间点阵不同：Cr与CsClCsCl结构晶体结构不同，但空间点阵相同：NaCl与Cu晶胞、原胞、平行六面体（空间格子）与晶格的关系平行六面体：空间格子的最小单位基元，由六个两两平行且大小相等的面组 成。晶体的空间格子结构可以看成无数个平行六面体在三维空间的无间隙重复堆 积。晶胞：实际晶体中划分出的相应最小单位基元，实际晶体结构可看成无数个 晶胞在三维空间的无间隙重复排列。无数个晶胞堆砌构成完整晶格，体现出

13、晶体 的周期排列性。原胞：只含有一个结点的结构单元，也叫单胞，体积最小。（3）布拉维点阵及其判断说明为什么只有14种空间格子？答：空间格子根据外形可以分为7种，根据结点分布可以分为4种。布拉维格子 同时考虑外形和结点分布两个方面，按道理应该有28种。但28种中有些格子不 能满足晶体的对称，如：立方底心格子，不能满足等轴晶系的对称，另外一些格 子可以转换成更简单的格子，如：四方底心格子可以转换成为体积更小的四方原 始格子。排除以上两种情况的格子，所以布拉维格子只有14种。原始底心体心面心三斜OPl=pF=P单斜fl=CF=C斜方也LMJI1三方（菱形）与本晶系对称不符l=pF-P四万2打C=PF

14、=l六万1与本晶系对称不符与本晶系对称不符与本晶系 对称不符等轴1立方）H与本晶系对称不符I晶系与布拉维点阵:品系品也参款三斜再衅乌a招手特90。单针爵慷口0=产90。邦正交砰地a二护时布拉维点停举例六方3（四万（由二任#俄邛=90% ；=120c护by &二片片游三a=b-fC. a=i=9O0立方 a=b=c, cp=y=90o简单三辩简单单机底心单斜 简单正文，底心正象 味心正交，面心正吏 简单六方简单菱方向单四方体心四方 简单立方，体心立方, 而心立方KnCrO?AS?CaSO4 2H3Oc-S, Fe3CZn,CdAs, Sb, BiT1O2Cu, Ag, Au s SB一、晶界3.

15、1根据相邻两个晶粒之间的位向差的不同，将晶界分为小角度晶界和大角度晶 界。小角度晶界是指相邻两个晶粒之间的位向差较小的一种晶界，通常是2度-3度， 小角度晶界可分为倾侧晶界和扭转晶界。大角度晶界相邻晶粒的位向差大于10 的晶界，多晶体中90%以上的晶界属于此类。3.2晶界的特性：1）晶界处点阵畸变变大，存在晶界能，故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过 程。2）晶界处原子排列不规则，从而阻碍塑性变形，强度更高。这就是细晶强化的 本质。3）晶界处存在较多缺陷（位错、空位等），有利原子扩散。4）晶界处能量高，固态相变先发生，因此晶界处的形核率高。5）晶界处成分偏析和内吸附，又富集杂质原子，因此晶界熔点

16、低而产生“过热” 现象。6）晶界能高，导致晶界腐蚀速度比晶粒内部更高四、例题1. 简述一次键和二次键的本质特点，并从结合键的角度讨论金属的力学特性一次键是指化学键，它通过电子的转移或共享两原子的电子云达到稳定结构。 一次键是强键，包括离子键,金属键，共价键。二次键是指物理键，是原子与分子间由诱导或永久电偶极子的相互作用而产 生。二次键是弱键,包括范德华力，氢键等。金属的力学性能是指金属材料抵抗各种外加载荷的能力，其中包括弹性、刚 度、强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度及疲劳强度等。金属键由于没有方 向性和饱和性，对原子也没用选择性，在外力作用下发生相对移动时，金属正离子 仍处于电子云的包围中

17、，金属键不会受到破坏,因此金属能够经受形变而不断裂，具有较好的塑性变形能力。金属键键能较大,所以金属具有较高的强度和硬度。2. 说明材料中的结合键与材料性能的关系材料中的结合键与材料性能的关系如下:材料中的结合键对材料的性能有重 要的影响，特别是对物理性能和力学性能。结合键越强，熔点越高，热膨胀系数 就越小，密度也越大。金属具有光泽、高的导电性和导热，性、好的机械强度和塑 性，且具有正的电阻温度系数，这就与金属的金属键有关。陶瓷、聚合物一般在固 态下不导这与其非金属键结合有关。工程材料的腐蚀实质是结合键的形成和破坏。（2）晶体材料的硬度与晶体的结合键有关。一般共价键、离子键、金属键结合的 晶体

18、比分子键结合的晶的硬度高。结合键之间的结合键能越大，则弹性模量越大。 工程材料的强度与结合键能也有一定的联系。一般键合能高,强度也高一些。材 料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共 价键结合的材料塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。3. 晶体的均匀性和各向异性矛盾吗？为什么？（各向异性和均匀性如何表现在 同一晶体上？）答：不矛盾。（1）在宏观观察下，晶体每一点上的物理效应和化学组成均相同，这种性质称 为晶体的均匀性。晶体的有序排列决定了晶体的精确均匀性，这使它具有固定熔 点。（2）晶体的几何度量和物理效应常随方向不同而表现出量上的差异，这种性质 称为各向异性

19、。晶体的各向异性是由晶体内部质点的有序排列决定的。（3）如在晶体的每一点上按不同方向测量电导率，电导率除对称性联系起来的 方向外都是不同的，这就是晶体的各向异性；而在晶体的任一点按相同方向测量 的电导率都相同，这就是晶体的均匀性。即晶体的各向异性均匀地在晶体各点上 表现出来。4. 空间点阵与晶体点阵有何区别？ 晶体结构和空间点阵之间的关系如下：（1）空间点阵是指组成晶体的粒子（原子、离子或分子）在三维空间中形成有规律 的某种对称排列。如果用点来代表组成晶体的粒子，这些点的空间排列就称为空 间点阵。点阵中的各个点,称为阵点。空间点阵是一种数学抽象，各阵点周围环 境一致，可无限延伸。晶体结构是晶体中实际质点的具体排列状况，不可无限延 伸，但存在的结构有无限多个。（2）理想晶体的结构单元是单个原子，但大多数晶体的结构单元不是单个原子，而 是由多个原子组成的原子群。我们把这种原子或原子群叫做基元。把基元置于阵 点上就形成了晶体结构。可见，晶体结构和空间点阵,尽管有着密切的联系，仍然 是两个不同的概念。二者之间的关系是:点阵+基元二晶体结构。