材料科学基础教程教案1ppt课件

单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *1 材料科学基础教程 主编：赵品等 哈尔滨工业大学出版社 讲授人：王永忠 电话课程设置 n基础课：材料科学基础、材料结构与性能 测试 n专业主干课：材料化学、材料物理、高分 子化学与物理、材料化学实验、高分子化 学与物理实验 n专业拓展课：材料科学导论、无机功能材 料、高分子材料、无机材料合成化学、配 位化学、高分子化学、专业英语、文献查 阅等 绪 论 0-1材料在国民经济中的重要地位与作用 材料是用来制造各种有用物件的物质。 它是人类生存与发展、征服和改造自然的物质 基础，也是人类社会现代文明的重要支柱。因此史 学家将人类发展分为石器时代、青铜器时代、铁器 时代、水泥时代、钢时代、硅时代和新材料时代。 材料科学的发展及进步成为衡量一个国家科学技术 发展的重要标准。材料科学的发展在国民经济中占 有极其重要的地位，因此，材料、能源、信息被誉 为现代经济发展的三大支柱。 l邓小平：科学技术是 第一生产力。 l政治学家：生产力的 进步是社会发展的根 本原因，而劳动工具 的发展是生产力进步 的主要因素。 l材料学家：材料是时 代进步的标志。 材料是时代进步的标志材料是时代进步的标志 认识工具材料认识工具材料 制造工具制造工具 使用工具使用工具 The Iron Age-铁合金 The Stone Age -硅酸盐 The Bronze Age-铜合 金 材料的发展，时代的进步 ? Age-硅？碳？。 铁 器 时 代 认识材认识材 料料 制造制造 工具工具 使用工使用工 具具 工艺 过程 0-2 材料观 成 分 组织结构 性 能 用用 途途 青銅器合金比例 铜：熔点高，1083，可塑性佳 锡：熔点低，232 85% Cu，15% Sn：熔点960，延展性增加，硬 度增加，具光泽度 0-2 材料观-成分 0-2 材料观-结构 n宏观结构 n微观结构 不同加工方法的工件组织与性能 n使用性能 力学性能 物理性能 化学性能 n工艺性能 0-2 材料观-性能 常用的加工工艺： 常见的加工工艺： 常见的加工工艺： 常见的加工工艺： 常见的加工工艺：典型塑性加工 0-3 材料的分类 1.按材料的化学成分组成分类 （1）金属材料（黑色金属、有色金属） （2）无机非金属材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷） 天然高分子材料（蛋白、淀粉、纤维素） 3）高分子材料 人工合成高分子材料（合成橡胶、合成塑料 、 合成纤维） （4）复合材料 2.按材料的使用性能分类 （1）结构材料 （2）功能材料 0-4 材料的发展历史 1.18081871年，研究并实现了金相分析的方法。 2.18711903年，收集、分析及总结了大量实验结 果，导致了系统的理论研究 3.19031945年，由研究合金相的平衡状态过渡到 从动力学角度研究相的变化。 4.1946现在，继续向金属材料因状态不同导致性 能差异的方向发展，进一步弄清相变和强化的机 理，在更深的层次上研究结构与性能的关系。 0-5 材料科学的发展方向 精细化 超高性能化 高功能化 复杂化（复合化、杂化） 生态环境化 智能化 材料科学是研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺 与性能之间关系及变化规律的一门科学。 材料科学基础的任务是根据工程和科学技术发展的需要 设计研制新型工程材料；解决材料制备原理和工艺方法，获 取可供使用的工程材料；解决材料在加工和使用过程中组织 结构和性能变化的微观机理，从中找出合宜的加工工艺、强 化工艺和延寿措施；创新测试材料成分、组织结构和性能的 方法，完善测试技术；合理地选择和使用工程材料。 材料科学基础包含绪论、材料的结构、晶体缺陷、纯金 属的凝固、二元相图、三元相图、固体材料的变形与断裂、 回复与再结晶、扩散、固态相变（金属材料、高分子材料、 陶瓷材料、复合材料、功能材料）。 0-6 0-6 本课程的任务与内容本课程的任务与内容 0-7与其它课程的关系 材料科学基础”是以化学、物理、物理 化学、材料力学、金属工艺学和金工教学 实习为基础的课程，在学习时应联系上述 基础课程的有关内容，以加深对本课程内 容的理解。同时本课程是材料科学与工程 的基础，在今后学习有关专业课程时，还 应经常联系本书的有关内容，以便进一步 掌握所学的知识。 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *25 第1章 材料的结构 1.1 材料的结合方式 1.1.1 化学键 1. 离子键 2. 共价键 3.金属键 4. 范德华键 1.1.2 工程材料的键性 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *26 共价键 1.形成 元素周期表中的A、A、A族大多数元素或电负 性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移， 以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这 种由公用电子对产生的结合键称为共价键。 2.特性 方向性，饱和性，结合力很大 3.具有共价键物质的特性 共价晶体强度、硬度高，脆性大，熔点、沸点高，挥 发性低 。 图 硅原子四个价键 和 硅的键角 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *28 离子键 1.形成 当两种电负性相差很大（如元素周期表相隔较远的 元素）的原子相互结合时，其中电负性较小的原子失去 电子成为正离子，电负性较大的原子获得电子成为负离 子，正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键 。 2.特性 无方向性，无饱和性，结合力很大 3.具有离子键物质的特性 离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆 性大。离子晶体具有很好的绝缘性。因不吸收可见光， 典型的离子晶体是无色透明的。 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *29 金属键 1.形成 金属原子结构的特点是外层电子少，原子容易失去其价 电子而成为正离子。当金属原子相互结合时，金属原子的外 层电子（价电子）就脱离原子，成为自由电子，为整个金属 原子所共有。这些公有化的自由电子在正离子之间自由运动 形成所谓电子气（或电子云）。这种由金属正离子与电子气 之间相互作用而结合的方式称为金属键。 2.具有共价键物质的特性 良好的导电性及导热性。 正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。 良好的强度及塑性。 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光的 能量 ）。 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *30 范德瓦尔键(范德华键) 1.形成 有些物质的分子具有极性，其中分子的一部分带有 正电荷，而分子的另一部分带有负电荷，一个分子的正 电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电引力 相引，使之结合在一起称为范德华键（或分子键）。 2.特性 结合力较弱 3.具有共价键物质的特性 硬度低、沸点低，绝缘性 。 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *31 工程材料的键性 实际上使用的 工程材料，有的是 单纯的一种键，更 多的是几种键的结 合。如果以四种键 为顶点作一个四面 体，就可以把材料 的结合键范围示意 地表示在这个四面 体上，具体材料的 键特性见图。 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *32 1.2 晶体学基础 1.2.1 晶体与非晶体 1.2.2 空间点阵 1.2.3 晶向指数与晶面指数 1.2.4 晶体的晶体的极射赤面投影 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *33 1.2.1 晶体与非晶体 1.晶体： 物质的质点(分子、原子或离子)在三维空间 作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体 。 2.非晶体： 非晶体在整体上是无序的，但原子间也靠化 学键结合在一起，所以在有限的小范围内观察还 有一定规律，可将非晶体的这种结构称为近程有 序。 3. 晶体的特征 n（1）周期性（不论沿晶体的哪个方向看去，总是 相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。 这个距离称为周期 ）液体和气体都是非晶体。 n（2）有固定的凝固点和熔点 n（3）各向异性（沿着晶体的不同方向所测得的性 能通常是不同的 ：晶体的导电性、导热性、热膨 胀性、弹性、强度、光学性质 ）。 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *35 1.2.2 空间点阵 1.空间点阵 ： 实际晶体中，质点在空间的排列方式是多种多样的为了 便于研究晶体中原于、分子或离子的排列情况，近似地将晶体 看成是无错排的理想晶体，忽赂其物质性，抽象为规则排列于 空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心，也 可是彼此等同的原于或分子群的中心，各点的周围环境相同。 这种点的空间排列称为空间点阵，简称点阵，这些点叫阵点。 2. 晶格： 将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格 。 3. 晶胞 n从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。 n在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是小平行六面体 。 n整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。 图 空间点阵 晶胞的选取原则： u（1）晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性； u（2）平行六面体内相等的棱和角的数目最多； u（3）当棱间呈直角时，直角数目应最多； u（4）满足上述条件，晶胞体积应最小。 图 晶 格 的 选 取 描述晶胞的六参数 u晶胞的尺寸和形状可用点阵参数来描述，它包括晶胞的各 边长度和各边之间的夹角。 图 晶胞、晶轴和点阵参数 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *39 14种空间点阵(布拉菲点阵) 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *40 1.2.3 晶向指数与晶面指数 1.晶向指数和标定 2.晶面指数的标定 3.晶面族与晶向族 4.六方晶面及晶向的指数标定 5.晶带 6.晶面间距 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *41 1.晶向指数和标定 (1)以晶格中某结点为原点，取点阵常数为三坐标轴 的单位长度，建立右旋坐标系,如图。定出欲求晶向 上任意两个点的坐标。 (2)“末”点坐标减去“始”点坐标，得到沿该坐标 系各轴方向移动的点阵参数的数目。 (3)将这三个值化成一组互质整数，加上一个方括号 即为所求的晶向指数u v w，如有某一数为负值， 则将负号标注在该数字上方。 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *43 2.晶面指数的标定 (1)建立如前所述的参考坐标系，但原点应位于 待定晶面之外，以避免出现零截距 (2)找出待定晶面在三轴的截距，如果该晶面与 某轴平行，则截距为无穷大。 (3)取截距的倒数，将其化为一组互质的整数， 加固括号得到晶面指数( h k l)。 注：立方系的晶面指数必垂直于晶向指数 3. 晶面族与晶向族 n晶面族：晶面原子排列相同，面间距也相同，只 是空间位向不同，用h k l表示。 如1 1 0：（110），（011），（101）， （110），（011），（101） n晶向族：原子排列相同，空间位向不同的所有晶 向，用 h k l 表示。 立方系：110 晶面族 4. 六方系晶面和晶向指数标定 n六方系晶面指数的标定（四轴制） 六方晶系晶面指数的标定原理和方法同立方 晶系中的一样，从待标晶面在a1，a2，a3和c轴上 的截距可求得相应的指数h，k，i，l，于是晶面指 数可写成(hkil)，也必有 i = - ( h+k )。 图 六方晶系的一些晶向指数与晶面指数 六方系晶向指数的标定： n采用四轴坐标系，六方晶系晶向指数的标定方法如下：当 晶向通过原点时，把晶向沿四个轴分解成四个分量，晶向 OP可表示为：OP=ua1+va2+ta3+wC，晶向指数用uvtw表 示，其中t = - (u+v) n采用三轴坐标系时，C轴垂直底面，a1、a2轴在底面上，其 夹角为120o ，晶向在底面上的投影的终点分别作a1、a2轴 的平行线得到U、V，从而得到 UVW 。 n采用三轴制虽然指数标定简单，但原子排列相同的晶向本 应属于同一晶向族，其晶向指数的数字却不尽相同。 一般用四轴坐标系表示 nu2UV nv2VU/3 ntUV/3 nwW 1. 行走法 2. （1）将底面分成很多边长相 等的小等边三角形 3. （2）沿小等边三角形的边走 ，并要满足u+v+t = 0 4. （3）麻烦，而且对一般的晶 向，很难求出四指数u v t w 5. 2. 解析法 6. 先求出待标晶向在a1，a2和 7. c 三个轴下的指数U，V， W 8. （这比较容易求得），然后按 9. 公式算出四指数u，v，t，w 。 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *50 5.晶带 相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构 成一个晶带，此直线称为晶带轴。立方系晶面（h k l）以u v w为晶带轴必有 Hu + kv + lw = 0 反之也成立。两个不平行的晶面（h1k1l1）,(h2k2l2) 的晶带轴u v w可如下求得 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *51 6.晶面间距 对于不同的晶面族h k l其晶面间距也不同。 总的来说，低指数晶面的面间距较大，高指数晶面 的面间距较小、如图所示。由晶面指数的定义、可 用数学方法求出晶面间距，见公式。 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *52 1.3 材料的晶体结构 1.3.1 典型金属的晶体结构 1.3.2 共价晶体的晶体结构 1.3.3 离子晶体的晶体结构 1.3.4 合金相结构 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *53 1.3.1 典型金属的晶体结构 体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格 原子排 列特征 晶格 常数 abc， 90 abc， 90 a=bc，=1.633， =90，=120 原子 半径 r0.433ar=0.354ar=0.5a 晶胞含 原子数 246 配位数 81212 致密度 0.680.740.74 体心立方体心立方面心立方面心立方 体心立方晶胞示意图（bcc） （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图 面心立方晶胞示意图(fcc) （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图 密排六方晶胞示意图(hcp） （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图 单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *58 1.晶胞中原子数 体心立方面心立方密排六方 2. 原子半径 体心立方111 面心立方111 密排六方 3. 配位数与致密度 n配位数：指晶体结构中，与任一原子最近邻并且 等距离的原子数。 n致密度（K）是晶胞中原子所占的体积分数。 K = nv / V n为晶胞原子数，v为原子体积，V为晶胞体积 u体心立方配位数为8 B A O OAB 111 u面心立方配位数为12 u密排六方配位数为12 4. 晶体中原子的堆垛方式（等径球） 最紧密堆积有面心立方和密排立方，它们的最密排面原子排 列情况完全相同，但堆垛方式不一样 六方和立方最紧密堆积情况 fcc: ABCABC hcp: ABABAB ABA ABCA fcc hcp 图 面心立方晶格密排面的堆垛方式 图 密排六方晶格密排面的堆垛方式 5. 晶体结构中的间隙 v四面体间隙的数目 v四面体间隙半径 绿色点为四面 体间隙的重心 v八面体间隙的数目 v八面体间隙半径 v四面体间隙的数目 v四面体间隙半径 v八面体间隙的数目 v八面体间隙半径 面心立方结构中间隙的刚球模型八面体间隙 面心立方结构中间隙的刚球模型四面体间隙 几点说明: u(1)fcc和hcp都是密排结构，而bcc则是比较“开放”的结构 ，因为它的间隙较多。因此，碳、氮、氢、氧、硼等原子 半径较小的元素（即间隙原子）在bcc金属中的扩散速率 往往比在fcc及hcp金属中高得多。 u(2)fcc和hcp金属中的八面体间隙大于四面体间隙，故这些 金属中的间隙原子往往位于八面体间隙中。 u(3)fcc和hcp中的八面体间隙远大于bcc中的八面体或四面 体间隙，因而间隙原子在fcc和hcp中的固解度往往比在bcc 中大得多。 u(4) 在bcc晶体中，四面体间隙大于八面体间隙，因而间隙 原子应占据四面体间隙位置。但另一方面，由于bcc的八 面体间隙是不对称的，即使上述间隙原子占据八面体间隙 位置，也只引起距间隙中心位的两个原子显著地偏离平衡 位置。因此，在有些bcc金属中，间隙原子占据四面体间 隙位置（如碳在钼中），在另一些bcc晶体中，间隙原子 占据八面体间隙位置（如碳在-铁中）。 u(5) fcc和hcp晶体中的八面体间隙大小彼此相等，四面体间 隙大小也相等，其原因在于这两种晶体的原子堆垛方式非 常相像。 1.3.2 共价晶体的晶体结构 n元素周期表中A，A，A族元素、许多无机 非金属材料和聚合物都是共价键结合。 n共价晶体的共同特点是配位数等于8N，N是族 数或原子的价电子数。这是因为，为使外壳层填 满必须形成8-N个共价键。 n共价键类型有金刚石结构、层状结构和链状结构 。 图 金刚石型结构 (a)晶胞；(b)原子在底面的投影 图 As的层状结构和Te的链结构 1.3.3 离子晶体的晶体结构 离子半径比的大小，决定了配位数的多少，并 显著影响晶体结构。一般负离子为骨架，正离子按 自身的大小居于相应的空隙中。 r+/r- 正离子配位数 负离子多面体形状 实例 0.0000.155 2 哑铃形 干冰 0.1550.225 3 三角形 B2O3 0.2250.414 4 四面体 SiO2 0.4140.732 6 八面体 NaCl、MgO 0.7321.000 8 立方体 CsCl、ZrO2 u结构：面心立方 u结构特点：负离子 构成面心立方点阵， 正离子占据全部八面 体间隙，正、负离子 的配位数均为6 u晶胞含正、负离子 各4个 u典型材料：MgO, CaO, FeO, NiO u结构：简单立方 u结构特点：负离子构 成简单立方点阵，正 离子占据立方体间隙 ，正、负离子的配位 数均为8 u晶胞含正、负离子各1 个 u典型材料：CsBr, CsI u结构：面心立方 u结构特点：负离子构 成面心立方点阵，正 离子交叉分布 在四面 体间隙中，正、负离 子的配位数均4 u典型材料：GaAs, AlP u结构：面心立方 u结构特点：正离子构 成面心立方点阵，负 离子位于该晶胞的8个 四面体间隙，正、负 离子的配位数分别为8 、4 u典型材料：Mg2Si， CuMgSb 1.3.4 合金相结构 n虽然纯金属在工业上获得了一定的应用，但由于纯金属的 性能有一定的局限性，特别是强度等重要性能指标往往不 能满足要求，因此它的应用范围也受到了限制。实际使用 的金属材料绝大部分是合金，合金化后纯金属的性能得到 大大的提高，合金化是提高纯金属性能的最主要的途径。 n所谓合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经 过熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质 。 n溶剂（主晶相）含量较高的成分。 溶质（杂质）含量较低的成分。 表 工业纯Fe、Al、Cu合金化前后b的变化 1.固溶体 固溶体定义： 凡溶质原子完全溶于溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格 类型所形成的合金相称为固溶体。 固溶度: 一般来说，固溶体都有一定的成分范围。溶质在溶剂中 的最大含量(即极限溶解度)便称为固溶度。 固溶强化： 无论形成哪类固溶体，由于溶质原子的溶入，都使晶格 产生畸变，使塑变抗力增加，表现为强度增加，硬度变大塑 性降低，韧性降低，这种现象称固溶强化。 (1)置换固溶体: 转换进去的原子或离子全部在正常位置 点阵结点上，不存在间隙或缺位情况（原有热缺陷不算 ） 影响固溶体的因素： a）原子尺寸因素：要求对应的原子离度子大小越相近，则固溶体越稳定 。 如：设r1, r2分别为溶剂和溶质的离子半径，则有经验规律 r1-r2 /r1 15，形成连续固溶体 r1-r2 /r1 = 15-30 ，形成有限固溶体 r1-r2 /r1 30，基本不形成固溶体 b）组员的晶体结构类型：对形成连续固溶体，要求溶质和溶剂晶格结构 相同（必要条件） c）电负性因素： 要求电负性相近。一般说，电负性相近的组分间易形 成固溶体，电负性相差较大的组分间易生成化合物。 d）电子浓度因素：超过极限电子浓度将出现新相（不同晶体有不同极限 电子浓度）。 （2）间隙固溶体：外来较小杂质进入晶格间隙形成的固 溶体。在金属晶体中，这种固溶体较常见，原子半径较小 的H、C、B、N等原子可嵌入金属原子所形成的间隙中。 n影响间隙固溶体因素：外来杂质的大小与晶体结构密切相 关。要形成间隙固溶体，添加原子要小，晶体的空隙要大 。 n间隙固溶体一般都使晶格参数增大，所以外来杂质溶入越 多，结构越不稳定，一般不可能形成连续型，只能是有限 型的。 （3）固溶体的微观不均匀性 溶质原子的分布通常会偏离完全无序状态，呈现微观 的不均匀性。若同类原子结合力较强，会产生溶质原子的 偏聚；若异类原子结合力较强，则溶质原子趋于以异类原 子为邻的短程有序分布。 （）完全无序 （）偏聚 （）短程有序 固溶体中溶质原子分布示意图 （4）固溶体性能特点 a. 固溶体的点阵畸变 b. 固溶体的强度和硬度 n固溶体的强度和硬度往往高于各组元，而塑性则较低，这 种现象就称为固溶强化。 n间隙式溶质原子的强化效果般要比置换式溶质原子