材料科学基础-第1章

1、材料科学基础材料科学基础1教学大纲教学大纲适用专业：材料成型及控制工程适用专业：材料成型及控制工程课程类别：专业必修课课程类别：专业必修课先修课程：大学物理、基础化学、物理化学等先修课程：大学物理、基础化学、物理化学等上课时间：上课时间： 2-17周周总总 学学 时：时：64学学 分：分：4.0考核方式：考核方式：闭卷考试闭卷考试2教学大纲教学大纲考核方式：平时考核与期末考试相结合。考核方式：平时考核与期末考试相结合。3考勤占总成绩的考勤占总成绩的5%，课外作业和随堂测验，占总成绩的课外作业和随堂测验，占总成绩的45%，u平时考核平时考核期末考试采用闭卷方式，占总成绩的期末考试采用闭卷方式，占

2、总成绩的50%。u期末考试期末考试教材教材材料科学基础材料科学基础第第2版版 西安交通大学西安交通大学 石德珂主编石德珂主编 机械工业出版社机械工业出版社 2003.74课程的性质与任务课程的性质与任务u 阐明材料的组成、结构、性质之间的相互关系，以阐明材料的组成、结构、性质之间的相互关系，以及在各种条件下的变化规律。为指导材料的生产和及在各种条件下的变化规律。为指导材料的生产和研制特定性能的新材料提供理论依据和线索。为成研制特定性能的新材料提供理论依据和线索。为成型专业课的学习奠定坚实的理论基础。型专业课的学习奠定坚实的理论基础。u 要求学生能掌握材料学科范围内的基本理论和物理要求学生能掌握

3、材料学科范围内的基本理论和物理化学过程的变化规律，并能运用所学的基本原理和化学过程的变化规律，并能运用所学的基本原理和知识，对工艺上的物理化学问题，对组成知识，对工艺上的物理化学问题，对组成-结构结构-性性能的关系作初步的分析和解释。能的关系作初步的分析和解释。5导导 论论6一、材料科学的重要地位一、材料科学的重要地位 七个时代造就材料辉煌七个时代造就材料辉煌石器时代石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 水泥时代水泥时代钢时代钢时代 硅时代硅时代 新材料时代新材料时代 导导 论论7七个时代七个时代 的划分的划分公元前公元前10万年万年1.石器时代石器时代 2.青铜器时代青铜器时代

4、3.铁器时代铁器时代 4.水泥时代水泥时代5.钢时代钢时代 6.硅时代硅时代 7.新材料时代新材料时代 公元前公元前3000年年公元前公元前1000年年公元公元0年年1800年年1950年年1990年年导导 论论8七个时代七个时代 的特征的特征1.石器时代石器时代 石斧石斧l漫长而又曲折的历程：漫长而又曲折的历程：简单复杂简单复杂单一性能综合性能单一性能综合性能结构材料功能材料结构材料功能材料单一材料复合材料单一材料复合材料（Stone Age）（Stone Age） 石器时代：石器时代： 石斧、凿、刀、铲、箭头、石斧、凿、刀、铲、箭头、 纺轮、钵等（西安半坡遗址）纺轮、钵等（西安半坡遗址）导

5、导 论论9七个时代七个时代 的特征的特征2.青铜时代青铜时代（Bronze Age)（Bronze Age)巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安阳晚商遗址）（河南安阳晚商遗址）青铜器时代: 青铜器时代: 导导 论论10七个时代七个时代 的特征的特征3.铁器时代铁器时代铁铁商朝中期（距今有商朝中期（距今有3100-3600年）的墓穴中发现年）的墓穴中发现铁刃铜钺，是一件镶有铁刃的青铜斧状兵器。铁刃铜钺，是一件镶有铁刃的青铜斧状兵器。炼铁炼铁4000年前，地处西亚的安纳脱利地区赫梯人。年前，地处西亚的安纳脱利地区赫梯人。把人类带进铁器时代的是发明家把人类带进铁器时代的是发明家贝塞麦贝塞麦。贝塞麦贝塞麦

6、是英国人，是英国人，1813年年1月月19日出生在哈福德郡的查尔顿。日出生在哈福德郡的查尔顿。导导 论论11七个时代七个时代 的特征的特征4.水泥时代水泥时代住住缘木而居缘木而居山洞山洞粘土粘土石膏（埃及金字塔）石膏（埃及金字塔）我国：石灰（长城）我国：石灰（长城）意大利、日本：火山灰意大利、日本：火山灰水泥：粘土和石灰混合煅烧水泥：粘土和石灰混合煅烧1824年英国人阿斯普丁年英国人阿斯普丁18世纪初俄国建筑工程师叶伐尔世纪初俄国建筑工程师叶伐尔 契利耶夫契利耶夫1985年，在我国甘肃省秦安县大地湾村，发现一个新年，在我国甘肃省秦安县大地湾村，发现一个新石器时代文化遗址，其地坪为石器时代文化遗

7、址，其地坪为325号硅酸盐水泥号硅酸盐水泥钢筋混凝土钢筋混凝土法国园艺师蒙尼亚和俄国建筑师别列柳布斯基法国园艺师蒙尼亚和俄国建筑师别列柳布斯基导导 论论12七个时代七个时代 的特征的特征5.钢钢时代时代钢钢中国中国千锤百炼；千锤百炼；汉朝以后出现炒钢、团钢；汉朝以后出现炒钢、团钢；直到直到19世纪前半叶，人类还在已经经历了世纪前半叶，人类还在已经经历了2000多年的铁器多年的铁器时代里徘徊，并没有真正跨入钢铁时代的大门。时代里徘徊，并没有真正跨入钢铁时代的大门。锰钢锰钢英国的哈德菲尔德（英国的哈德菲尔德（Mn13%）不锈钢不锈钢英国的布里而利英国的布里而利金属玻璃金属玻璃杜微滋（美国）发现（杜

8、微滋（美国）发现（1959），增本（日），增本（日本）发现（本）发现（1969）导导 论论136.硅时代硅时代 七个时代七个时代 的特征的特征导导 论论14七个时代七个时代 的特征的特征7.新材料时代新材料时代 是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、 材料材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。能满足各种

9、需要的新型材料的技术。导导 论论15二、各种材料概况二、各种材料概况 按属性分按属性分 金属材料（钢铁材料、有色金属）金属材料（钢铁材料、有色金属） 陶瓷材料陶瓷材料 （工程陶瓷、结构陶瓷）（工程陶瓷、结构陶瓷） 按使用性能分按使用性能分 结构材料结构材料 功能材料功能材料 材料在工业中的应用：材料在工业中的应用：汽车中各种材料的比例汽车中各种材料的比例波音波音767飞机所用的各种材料比例飞机所用的各种材料比例航天飞机上的先进结构陶瓷航天飞机上的先进结构陶瓷高分子材料（塑料、合成纤维、橡胶）高分子材料（塑料、合成纤维、橡胶） 导导 论论16三、材料性能与内部结构的关系三、材料性能与内部结构的关

10、系从材料的内部结构，可分为四个层次：从材料的内部结构，可分为四个层次： 结合键结合键 原子结构原子结构 显微组织显微组织 原子排列方式原子排列方式 导导 论论17三、材料性能与内部结构的关系三、材料性能与内部结构的关系材料的四要素材料的四要素 制备合成与制备合成与/加工工艺加工工艺材料材料使用性能使用性能成分成分/组织结构组织结构材料固有性能材料固有性能导导 论论18四、材料的制备与加工四、材料的制备与加工工艺对工艺对性能的影响性能的影响飞机发动机叶片飞机发动机叶片飞机飞机机翼机翼发动机发动机-飞机的心脏飞机的心脏叶片叶片导导 论论19四、材料的制备与加工工艺四、材料的制备与加工工艺 对性能的

11、影响对性能的影响单晶材料单晶材料螺旋段螺旋段起始起始段段Single crystalColumnar grainsEqualed grains螺旋选晶器螺旋选晶器晶粒选择晶粒选择晶粒竞争生晶粒竞争生长长陶瓷模壳陶瓷模壳熔熔体体水冷盘水冷盘辐射辐射散热散热 辐射辐射加热加热 柱状晶粒柱状晶粒形成腔形成腔下拉下拉螺旋螺旋选晶器选晶器定向凝固炉定向凝固炉导导 论论20四、材料的制备与加工工艺四、材料的制备与加工工艺 对性能的影响对性能的影响蜡模模组蜡模模组单晶单晶高温合金选晶器高温合金选晶器单晶材料单晶材料导导 论论21单晶材料单晶材料型芯制备型芯制备蜡模制备蜡模制备蜡模组装蜡模组装型模烧结型模烧结

12、型模检测型模检测叶片铸造叶片铸造蜡模清洗蜡模清洗除去型壳除去型壳型芯位置型芯位置检测检测叶片叶片热处理热处理叶片切割叶片切割叶片表面叶片表面加工加工宏观腐蚀宏观腐蚀叶片尺寸叶片尺寸测量测量晶粒数量和晶粒数量和取向测量取向测量内部裂纹和内部裂纹和孔洞测量孔洞测量叶片机械叶片机械加工加工成品成品脱蜡脱蜡挂浆挂料挂浆挂料除去型芯除去型芯高温合金单晶叶片的生产流程高温合金单晶叶片的生产流程22激情时刻激情时刻23第第 一一 章章 材材 料料 结结 构构 的的 基基 本本 知知 识识本章教学要点本章教学要点24第一节第一节 原子结构原子结构第二节第二节 原子结合键原子结合键第三节第三节 原子排列方式原子

13、排列方式第四节第四节 晶体材料的组织晶体材料的组织第五节第五节 材料的稳态结材料的稳态结 构与亚稳态结构构与亚稳态结构第第 一一 章章 材材 料料 结结 构构 的的 基基 本本 知知 识识25 不同的材料具有不同的性能，同不同的材料具有不同的性能，同一材料经过加工也会有不同的性能，一材料经过加工也会有不同的性能，这些都这些都归结为内部归结为内部的结构不同。的结构不同。 结构大致可分为四个层次：结构大致可分为四个层次：原子原子结构结构、原子结合键原子结合键、材料中原子的排材料中原子的排列列以及以及晶体材料的显微组织晶体材料的显微组织。概概 述述第一节第一节 原原 子子 结结 构构26一、原子的电

14、子排列一、原子的电子排列可看成是可看成是原子核及原子核及分布在核分布在核周围的电周围的电子组成。子组成。原子原子原子核原子核电子电子第一节第一节 原原 子子 结结 构构27一、原子的电子排列一、原子的电子排列绕着原子核在一定的轨道上旋转质量虽绕着原子核在一定的轨道上旋转质量虽 可忽略，但电子的分布却是原子结构中可忽略，但电子的分布却是原子结构中 最重要的问题，它不仅决定单个原子的最重要的问题，它不仅决定单个原子的 行为，也对工程材料内部原子的结合及行为，也对工程材料内部原子的结合及 某些性能起着决定性作用。某些性能起着决定性作用。电子电子原子核原子核 中子和质子组成，核的体中子和质子组成，核的

15、体 积很小，集积很小，集 中了原子的绝大部分质量。中了原子的绝大部分质量。第一节第一节 原原 子子 结结 构构28一、原子的电子排列一、原子的电子排列原子核原子核电子电子电子的排列电子的排列和运动方式和运动方式单个原子的行为单个原子的行为结合方式结合方式材料种类材料种类材料性能材料性能第一节第一节 原原 子子 结结 构构29一、原子的电子排列一、原子的电子排列电子运动的轨道：电子运动的轨道：由四个量子数决定，分别是主由四个量子数决定，分别是主量子数、次量子数、磁量子数、自旋量子数。量子数、次量子数、磁量子数、自旋量子数。主量子数主量子数n决定电子离核远近和能量高低的主要参数。决定电子离核远近和

16、能量高低的主要参数。次量子数次量子数L量子轨道并不一定总是球形的，次量子量子轨道并不一定总是球形的，次量子数反映了轨道的形状，各轨道在原子核周围的角度分数反映了轨道的形状，各轨道在原子核周围的角度分布不同。它也影响轨道的能级，按布不同。它也影响轨道的能级，按s、p、d、f依次升高。依次升高。第一节第一节 原原 子子 结结 构构30一、原子的电子排列一、原子的电子排列电子运动的轨道：电子运动的轨道：由四个量子数决定，分别是主由四个量子数决定，分别是主量子数、次量子数、磁量子数、自旋量子数。量子数、次量子数、磁量子数、自旋量子数。磁量子数磁量子数m确定了轨道的空间取向。没有外磁场时，确定了轨道的空

17、间取向。没有外磁场时，处于同一亚壳层而空间取向不同的电子具有相同的能量，处于同一亚壳层而空间取向不同的电子具有相同的能量，但在外加磁场下，不同空间取向轨道的能量会略有所差但在外加磁场下，不同空间取向轨道的能量会略有所差别。别。自旋量子数自旋量子数 m ms s=+1/2=+1/2，1/21/2，表示在每个状态下，表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。可以存在自旋方向相反的两个电子。第一节第一节 原原 子子 结结 构构31主量子数主量子数n壳层序号壳层序号次量子数次量子数L亚壳层状亚壳层状态态磁量子数磁量子数m规第的状态规第的状态数目数目考虑自旋考虑自旋量子数量子数ms后后的状态数目的

18、状态数目各壳层各壳层总电子数总电子数12341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f113135135722626102610142（=212）8（=222）18（=232）32（=242）各电子壳层及亚壳层的电子状态各电子壳层及亚壳层的电子状态第一节第一节 原原 子子 结结 构构32 原子核外电子的分部与四个量子数有关，原子核外电子的分部与四个量子数有关，且服从下述两个基本原理：且服从下述两个基本原理：（1 1）泡利不相容原理泡利不相容原理 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。相同的两个电子。（2 2）最低能量原理最低能量原理 电子总是优先

19、占据能量低的轨道，使系统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。处于最低的能量状态。第一节第一节 原原 子子 结结 构构33电子能量水平随主量子数电子能量水平随主量子数n和磁量子数和磁量子数L的变化情况的变化情况主量子数主量子数n能能量量特点：特点：u主量子数主量子数n增加，能量升增加，能量升高；高；u主量子数主量子数n相同时，能量相同时，能量按按s、p、d、f依次升高。依次升高。u 相邻壳层能量有重叠。相邻壳层能量有重叠。第一节第一节 原原 子子 结结 构构34二、元素周期表及性能的周期性变化二、元素周期表及性能的周期性变化元素周期表元素周期表早在早在1869年，俄国化年，俄

20、国化学家门捷列夫已发现了元素性质是按学家门捷列夫已发现了元素性质是按原子相对质量的增加而程周期性的变原子相对质量的增加而程周期性的变化。这正是由于原子核外电子的排列化。这正是由于原子核外电子的排列是随原子序数的增加呈周期性变化，是随原子序数的增加呈周期性变化，提出了元素周期表提出了元素周期表。第一节第一节 原原 子子 结结 构构35元素周期表的规律性是元素周期表的规律性是原子内部结构规律性原子内部结构规律性的实质反映，体现了元素的实质反映，体现了元素的性质、电离能、亲和能及电负性的差异及其规律性。的性质、电离能、亲和能及电负性的差异及其规律性。 各排为周期，各排为周期，共共7个周期个周期,同一

21、周期元素的同一周期元素的主量子数主量子数n相同。相同。各列为族，各列为族，7个主族，个主族，7个副族，个副族，1个个0族，族，一个第八族，一个第八族，同一族元素具有同一族元素具有相同的外壳层电相同的外壳层电子数。子数。36影响原子之间结合的物理量？影响原子之间结合的物理量？37A. 原子的电离能原子的电离能 Ionization energy基态原子失去最外层的一个电子（价电子）所需的能基态原子失去最外层的一个电子（价电子）所需的能量称为原子的电离能量称为原子的电离能I+，是用来，是用来表征原子对价电子束表征原子对价电子束缚的强弱程度缚的强弱程度。 XIXe381. 同一周期，自左同一周期，自

22、左右，原子电离能增加，惰性气体最稳右，原子电离能增加，惰性气体最稳定，碱金属电离能最小，最易失去电子。定，碱金属电离能最小，最易失去电子。2. 氢原子核外只有一个电子，电离能就是它的基态能量，氢原子核外只有一个电子，电离能就是它的基态能量，约约13.6 eV。 39B. 电子的亲和能电子的亲和能 Affinity energy of electrons一个基态中性原子获得一个电子成为负离子所释放出一个基态中性原子获得一个电子成为负离子所释放出的能量称为电子亲和能的能量称为电子亲和能I-，可用来，可用来表征原子俘获外来电表征原子俘获外来电子的能力大小子的能力大小。 XeXII401. 具有大的电

23、子亲和能的元素，说明它更易于得到一个电子。具有大的电子亲和能的元素，说明它更易于得到一个电子。2. 在同一族或同一周期中，亲和能一般在同一族或同一周期中，亲和能一般随随原子半径原子半径增大而增大而减小减小。原因：原子半径大，原子核对电子的吸引原因：原子半径大，原子核对电子的吸引力较弱，亲和能较小。力较弱，亲和能较小。？41C. 原子的电负性原子的电负性 Electronegativity of atoms1932年，莱纳斯鲍林（Linus Pauling）综合考虑了电离能和电子亲合能提出“电负性”的概念，它以一组数值的相对大小表示元素原子在分子中对成键电子的吸引能力，称为相对电负性，简称电负性

24、。“电负性”代表原子获得电子的能力，这种电子是元素原子自身以外的电子，而这种能力决定于原子结构。 42C. 原子的电负性原子的电负性 Electronegativity of atoms电负性越强，吸引电子的能力越强电负性越强，吸引电子的能力越强第二节第二节 原子结合键原子结合键43键的形成键的形成在凝聚状态下，原子间距离十在凝聚状态下，原子间距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，就形成了键。结合在一起，就形成了键。键分为一次键和二次键：键分为一次键和二次键：结结合合键键一次键一次键二次键二次键(化学键）化学键）(物理键物理键)离子键离子

25、键共价键共价键金属键金属键范德瓦耳斯范德瓦耳斯键键氢键氢键电子转移电子转移共用电子对共用电子对金属离子通过正离子金属离子通过正离子和自由电子之间的引和自由电子之间的引力而相互结合力而相互结合44Na+Cl-A. 离子键离子键Ionic bonding活泼的金属元素活泼的金属元素(IA，IIA和和IIIA主族金属元素和低价态的过渡金属元素主族金属元素和低价态的过渡金属元素)和和活泼的非金属元素活泼的非金属元素 (VIA，VIIA和和N元素元素)之间。之间。通过两个或多个原子得到或失去电子通过两个或多个原子得到或失去电子而成为离子形成的而成为离子形成的 无方向性（无方向性（Non-directio

26、nal） 键能在键能在 3 8 eV/atom范围范围电负性相差大，通过库仑静电引力形成。电负性相差大，通过库仑静电引力形成。特点：离子键结合力大，特点：离子键结合力大，从而这类材料强度和硬度从而这类材料强度和硬度高，熔点高，脆性大。由高，熔点高，脆性大。由于离子难以输送电荷，所于离子难以输送电荷，所以是良好的绝缘体。以是良好的绝缘体。45原子间通过共用电子对形成的化学键原子间通过共用电子对形成的化学键IIIA-VIIA同族元素和电负性相差不大的元素结合同族元素和电负性相差不大的元素结合H, B, C, N, O, ClB. 共价键共价键 Covalent bondingCH4共用电子对共用电

27、子对Cl246H H2 2HClHClH H2 2S S47钻石晶体及其结构特点：材料强度高，熔点特点：材料强度高，熔点高，脆性大。其导电性取高，脆性大。其导电性取决于共价键的强弱。决于共价键的强弱。弱共价键的弱共价键的Sn是导体，是导体，Si是半导体，金刚石就是绝是半导体，金刚石就是绝缘体。缘体。例如：例如：diamond, Si, Ge, GaAs, InSb, SiC, H2, Cl2, F2, CH4, H2O, HNO3, HF 方向方向性性（directional）；）； 最多键数最多键数：8-N， N价电子数价电子数 強強 (diamond) 或或弱弱 (Bi)48+C. 金属键

28、金属键 Metallic bonding金属离子通过正离子和自由电子之间的金属离子通过正离子和自由电子之间的引力而相互结合引力而相互结合特点：自由电子的存在使金特点：自由电子的存在使金属具有良好的导电性和导热属具有良好的导电性和导热性，良好的金属光泽；金属性，良好的金属光泽；金属键无方向性，原子间发生相键无方向性，原子间发生相对位移时，金属键不受破坏，对位移时，金属键不受破坏，因而塑性好。因而塑性好。自由电子自由电子 电电子海子海（ electron sea ） 电子云电子云（electron cloud） 胶体胶体（glue）； 离离子核心子核心（ion cores），不具方向性不具方向性； 键能：键能：0.7 eV/atom for Hg 8.8 eV/atom for W49D. 范德瓦耳斯键范德瓦耳斯键 van der Waals bonding分子中由于共价电子的非对称分布，使分子的某一部分比其他部分更偏分子中由于共价电子的非对称分布，使分子的某一部分比其他部分更偏于带正电或带负电。一个分子的带正电部分会吸引另一个分子的带负电于带正电或带负电。一个分子的带正电部分会吸引另一个分子的带负电部分，这种结合力称为分子键或范德瓦耳力。部分，这种结合力称为分子键或范德瓦耳力。分子键分子键 由微弱静电吸引力结合