材料科学基础知识点.docx

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材料科学基础知识点

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材料科学基础

第零章材料概论

该课程以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了材料科学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。

核心是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系。

主要内容包括：

材料的原子排列、晶体结构与缺陷、相结构和相图、晶体及非晶体的凝固、扩散与固态相变、塑性变形及强韧化、材料概论、复合材料及界面，并简要介绍材料科学理论新发展及高性能材料研究新成果。

材料是指：

能够满足指定工作条件下使用要求的，就有一定形态和物理化学性状的物质。

按基本组成分为：

金属、陶瓷、高分子、复合材料

金属材料是由金属元素或以金属元素为主，通过冶炼方法制成的一类晶体材料，如Fe、Cu、Ni等。

原子之间的键合方式是金属键。

陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、经烧结或合成而制成的一类无机非金属材料。

它可以是晶体、非晶体或混合晶体。

原子之间的键合方式是离子键，共价键。

聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以共价键连接的、由长分子链组成的髙分子材料。

它主要是非晶体或晶体与非晶体的混合物。

原子的键合方式通常是共价键。

复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。

其原子间的键合方式是混合键。

材料选择：

密度

弹性模量:

材料抵抗变形的能力

强度:

是指零件承受载荷后抵抗发生破坏的能力。

韧性：

表征材料阻止裂纹扩展的能力功能

成本

结构（Structure）

性质（Properties）

加工（Processing）

使用性能（Performance）

在四要素中，基本的是结构和性能的关系，而“材料科学”这门课的主要任务就是研究材料的结构、性能及二者之间的关系。

宏观结构←显微镜下的结构←晶体结构←原子、电子结构

重点讨论材料中原子的排列方式（晶体结构）和显微镜下的微观结构（显微组织）的关系。

以及有哪些主要因素能够影响和改变结构，实现控制结构和性能的目的。

第一章材料结构的基本知识

1.引言

材料的组成不同，性质就不同。

同种材料因制备方法不同，其性能也不同。

这是与材料的内部结构有关：

原子结构、原子键合、原子排列、显微组织。

原子结构

主量子数n

角量子数l

磁量子数m

自旋量子数ms

泡利不相容原理

能量最低原则

洪特规则

半充满全充满全空

电子排布式：

29Cu:

1s22s22p63s23p64s13d10

电子层结构式：

29Cu:

1s22s22p63s23p63d104s1

电负性（electronegativity）是衡量原子吸引电子的化学能力。

原子半径减少→电离能增加→电负性增加→

原子结构是材料的一级结构

决定原子间结合键的形式

影响元素的物理性质：

如熔点、热膨胀系数、原子半径等。

2.原子键合

1结合力强的结合键叫化学键（一次键）。

如离子键、共价键和金属键

2结合力弱的结合键叫物理键（二次键）。

如范德华键和氢键，或称为分子键

离子键：

由正负离子之间的库伦吸引作用产生的结合力。

没有方向性和饱和性

离子键的键能强，结合力大

材料性能上表现出硬度大、熔点高及热膨胀系数小，变形较困难，故呈脆性。

共价键:

相邻原子之间共用其外层电子，形成稳定的电子满壳层结构所产生的结合力。

具有方向性和饱和性

不允许原子间相对位置的改变，故结合力大

材料性能上表现出硬度高、熔点高、强度大、沸点高、挥发性低、但导电性差、塑性变形差（脆性）。

杂化理论

卡宾坚硬强度是金刚石的40倍！

金属键：

依靠阳离子和自由电子间相互吸引而结合在一起。

不具有方向性和饱和性

由于自由电子的存在，具有良好的导热、导电性

正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子之间的结合力，塑性变形好，强度高。

自由电子很容易被激发，所以它们可以吸收在光电效应截止频率以上的光，并发射各种可见光，因此大多数金属呈银白色，不透光。

金属正离子被另一种金属的正离子取代时，也不会破坏结合键，这种金属间的溶解（称固溶）能力也是金属的重要特性。

二次键

范德华力：

分子偶极距所产生的静电吸力将两个分子结合在一起的力。

由取向力、诱导力、色散力组成

取向力：

极性分子间固有的偶极矩作用力与极性和温度有关最大

诱导力：

分子间固有偶极与诱导偶极间的作用力，与极性和变形有关

色散力：

分子间瞬时偶极所产生的作用力，大小与分子变形（电子云形状）

及分子量有关（成正比）。

最小

范德华力是由偶极吸引力所形成的物理键，其键力远小于化学键，故键合力弱，熔点低，硬度低，材料稳定性差，易变性（分子凝聚）

氢键：

本质与范德华力一样，均依靠分子间的偶极吸引力结合在一起，性质相似，结合力比范德华力大。

由氢原子同时两个电负性很大、原子半径很小的原子（O、F、N）之间的结合所形成的物理键。

具有饱和性和方向性

氢键在高分子材料中特别重要（凝聚）

混合键：

陶瓷中离子键和共价键混合十分正常。

根据化合物AB电负性的大小给出离子键在化合物中的比例。

结合键本质：

吸引力：

异类电荷之间的静电吸引

排斥力：

同类电荷之间的相互吸引

原子间距r0是原子之间的平衡距离，斥力和引力相等时的平衡结果。

结合键与材料性能

物理性能：

1.熔点2.密度3.导电、导热性4.透明性5.其他

力学性能：

弹性模量

原子排列

1.晶态和非晶态

晶态材料是组成材料的原子沿三维空间呈周期性重复排列。

非晶态材料是内部原子的排列呈无序状态，尽管在微观尺度上有短程有序的排列。

原子排列是材料的三级结构，决定材料的形态并影响材料的物理与力学性能。

单晶体：

晶体内各处结晶方位完全一致的晶体。

整个晶体内部原子都是周期性连续排列。

各向异性：

在晶体中，由于各个晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子间的相互作用力也不相同。

因此在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。

多晶体：

由具有不同晶格位向的小单晶体构成的组合体晶粒：

晶格位向基本一致，并有边界与邻区分开的区域

晶界：

晶粒之间界面（原子排列不规则的区域）

晶态材料从液态凝固成固体时，熔点确定，体积突变；非晶态材料熔点不确定，体积无明显变化。

物相转变时，晶态材料的原子排列从无序到有序，排列结构发生了转变。

非晶态材料的原子排列基本保持不变，固液态原子排列在结构形态上无明显变化。

显微组织：

是材料的四级结构，是随组成和加工工艺方式而变化。

它是影响材料力学性能如强度、韧性、变形等重要的结构因素。

金属是多晶体材料，是由多晶粒所组成。

显微组织是指在显微镜下材料内部所具有的形态特征，即金属中各相的晶粒的组合特征，包括晶粒的成分、形状、大小、分布及相对量等。

相：

在材料中，凡化学成分相同、晶体结构相同，并有界面与其他部分分开的，均匀组成部分叫做相。

固相材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。

宏观组织：

用眼睛能看清材料粗大的组织，称为宏观组织（一般40倍以下），如宏观断口形貌。

显微组织：

一般需要对试样打磨、磨光、抛光、化学浸蚀，获得金相样品。

然后在显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。

单相组织：

指具有单一相的组织。

其特征是所有晶粒的化学组织和晶体结构相同，但原子排列可以不同，即为多晶体，如纯的Fe、Al等。

显微组织对材料的力学性能影响很大。

总之，材料有四种层次的结构，其特点是：

1.原子结构（一级结构）决定原子的结合方式，并决定其化学性质和物理性质。

2.原子键合（二级结构）决定结合力大小，并影响其物理和力学性能。

3.原子排列（三级结构）决定材料的形态，影响其物理和力学性能，并与加工工艺有关。

4.显微组织（四级结构）影响材料力学性能如强度、塑性等，主要由加工工艺来决定。

第二章材料的晶体结构

晶体材料的基本特征是组成固体的原子或原子团在三维空间中呈周期性的重复排列。

非晶体材料不呈周期性排列，尽管在局部范围原子排列存在短程有序。

区别

晶体

非晶体

外形

宏观上均匀对称，几何外形规则，并且具有自发地形成封闭的几何多面体能力。

几何外形不规则，也不具有自发地形成封闭的几何多面体能力。

性能

性能上各向异性，即力学性能如弹性模量、应力强度、以及物理性能如电导率、热导率等均与方向有关。

无论是力学性能还是物理性能，基本上呈各向同性。

熔点

固定

不固定

X射线衍射

可以

不可以

晶体结构（crystalstructure）

质点（原子、离子、分子、原子团等）在三维空间中作周期性重复排列的结构。

空间点阵（spacelattice）

需要用抽象的几何点来代替实际晶体结构中的原子或原子团，这些点的总体就称为空间点阵。

把晶体结构抽象成空间点阵。

结点（latticepoint）：

构成空间点阵的每一个点叫结点或阵点。

晶格：

在假想的空间点阵中，用许多互相平行的直线把结点（几何点）连接起来形成空间骨架，称为晶格。

晶胞：

从晶格中取出最具代表性的六面体晶胞。

该晶胞沿空间重复堆积构成完整的空间点阵。

晶胞选取条件（对称性）

反映出点阵的最高对称性

棱和角相等的数目应最多

棱边夹角存在直角时，直角数目应该最多

晶胞体积最小

简单晶胞：

仅在六面体的八个角有阵点

复杂晶胞：

除每个角上有阵点外，还在体心、面心或底心等位置上也有阵点。

晶胞和原胞的区别

晶胞的选取方法是在保证对称性的前提下选取体积小的晶胞。

原胞选取方法只要求晶胞的体积小在固体物理学中常采用原胞。

点阵参数（latticeparameter）

为了描述晶胞的形状和大小。

选取晶胞某一角点为坐标原点，三个棱边为晶轴，即a，b，c，晶轴间的夹角为α、β、γ这六个参数。

按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，即对称性、唯一性和重复性，所有晶体材料可用7种晶系来描述，并且仅有14种空间点阵，即14种布拉菲点阵。

根据3个棱边是否相等、3个夹角是否相等，及夹角是否为直角的关系，分别称为立方、四方、六方、正交、单斜、三斜、菱方

P：

primitive简单

立方晶系

a=b=c

α=β=γ=90°

NaCl,zincblende,coppermetal

四方晶系

a=b/=c

α=β=γ=90°

Whitetin,SnO2,TiO2,CaSO4

正交晶系

a/=b/=c

α=β=γ=90°

Rhombicsulfur,KNO3,BaSO4

单斜晶系

a/=b/=c

α=γ=90°,β≠90°

Monoclinicsulfur,Na2SO4·10H2O

三斜晶系

a/=b/=c

α≠β≠γ≠90°

K2Cr2O7,CuSO4·5H2O,H3BO3

六方晶系

a=b

α=β=90°,γ=120°

Graphite,ZnO,CdS

菱方晶系

a=b=c

α=β=γ≠90°

Calcite（CaCO3）,cinnabar（HgS）

晶向指数：

空间点阵中，各阵点列的方向代表晶体中原子列的方向，即晶向。

晶向是指晶体中的原子沿空间某一方向的排列。

晶向指数是指晶体中点阵方向的指数，通常用密勒（Miller）晶向指数表示晶向指数。

晶向指数的确定：

1.以晶胞的点阵常数a，b，c分别为x，y，z坐标轴上的长度单位，建立右旋坐标系，定出该方向上两个点的坐标。

2.从