《材料科学基础讲义》

1、整理课件材料科学基础材料科学基础 Foundations of Materials Science整理课件材料科学的发展概况材料科学的发展概况按照物理化学属性 金属材料按用途 电子材料，航空航天材料，核材料建筑材料，能源，生物材料等等 其它分类 结构材料和功能材料无机非金属材料高分子材料复合材料传统材料和新型材料整理课件材料的重要性材料的重要性原始社会奴隶社会封建社会资本主义社会石器时代(陶器时代)青铜器时代铁器时代新材料时代中华民族处于世界领先地位材料能源信息材料能源信息材料的发展史新材料，信息技术和生物技术新材料，信息技术和生物技术三大支柱与重要标志三大支柱与重要标志整理课件分析方法与手段

2、分析方法与手段v光学显微镜（光学显微镜（1863），），2000倍，金相学倍，金相学观察，移动和重新排列原子观察，移动和重新排列原子 费曼语录：如何将信息储存到一个微小的尺度？另人惊讶的是费曼语录：如何将信息储存到一个微小的尺度？另人惊讶的是自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅3030个原子个原子就隐藏了不可思议的遗传信息。如果有一天人们能够按照就隐藏了不可思议的遗传信息。如果有一天人们能够按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。 n 电子显微镜（电子显微镜（1932），几十万倍

3、），几十万倍n 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（1981）整理课件材料工作者面临的任务材料工作者面临的任务开发新材料开发新材料挖掘现有材料的潜力成分性能组织结构使用效能合成/加工理论材料或工艺设计受环境影响（气氛温度受力状态）整理课件第一章第一章 材料的晶体结构材料的晶体结构 (Chapter 1 The structure of crystalline solids) 1.1 材料结构的基本知识 (Fundamental concepts)1 原子结合键(atomic bonding)1.1 结合键和能量 (Bonding forces and energies)位能(potential en

4、ergy): rarrrarnEEdrFdrFdrFE吸引力(attractive force, Fa)排斥力(repulsive force, Fr)合力(net force, Fn): Fn=Fa+ Fr结合能(Bonding energy): Eo,平衡距离下的作用能作用力为零的平衡距离下位能达到最低值，系统最稳定 整理课件Chapter 1 The structure of crystalline solids1.2一次键(primary bonding) 1 1）离子键离子键( (ionic bondingionic bonding) )： NaCl 金属和非金属原子分别形成正负离子

5、， 结合力强 熔点高、强度高、塑性低2 2）共价键）共价键( (covalent bondingcovalent bonding) )： 相邻原子共享电子对 来达到稳定结构-SiO2 熔点高、强度高、塑性低 3 3）金属键）金属键( (metallic bondingmetallic bonding) )： 金属原子容易失去外层价电子形成 阳离子在空间整齐排列，远离核的 电子在正离子之间形成“电子气” 导电、导热、塑性好、固溶能力强 整理课件1.3二次键(secondary bonding) 范德瓦耳斯键（范德瓦耳斯键（van der Waals bondingvan der Waals bo

6、nding） 如果原子的正电荷中心和负电荷中心不重叠，则产生一个偶极矩。 这种偶极矩所产生的原子间结合力-范德瓦耳斯键结合力较弱，塑料、石蜡等 氢键（氢键（hydrogen bondinghydrogen bonding） 类似于范德瓦耳斯键，结合力较范德瓦耳斯键强。 氢原子起关键作用 Chapter 1 The structure of crystalline solids整理课件Chapter 1 The structure of crystalline solidsBonding energies and melting temperatures整理课件PROPERTIES FROM B

7、ONDING: TM Melting Temperature, TmTm is larger if Eo is larger.整理课件16 Elastic modulus, E E curvature at roL F Ao = E Lo Elastic modulus r larger Elastic Modulus smaller Elastic Modulus Energy ro unstretched length E is larger if Eo is larger.整理课件17 Coefficient of thermal expansion, a a asymmetry at

8、roa is larger if Eo is smaller. = a(T2-T1) L Lo coeff. thermal expansion 整理课件Ceramics(Ionic & covalent bonding):Metals(Metallic bonding):Polymers(Covalent & Secondary):Large bond energylarge Tmlarge Esmall aVariable bond energymoderate Tmmoderate Emoderate aDirectional PropertiesSecondary bo

9、nding dominatessmall Tmsmall Elarge a整理课件2原子的排列(arrangement of atoms)2.1 晶体和非晶体（crystalline and noncrystalline materials）晶体（晶体（crystalline solidscrystalline solids） 原子按一定方式在三维空间内 周期性地规则重复排列固定的熔点，各向异性等Chapter 1 The structure of crystalline solids非晶体（非晶体（noncrystalline solids, noncrystalline solids, a

10、morphous materials amorphous materials） 原子没有长程的周期排列 无固定的熔点，各向同性等整理课件2.2 单晶体（单晶体（single crystalsingle crystal） 如果晶体周期性的规则排列贯穿整个试样而没有中断，则形成单晶Chapter 1 The structure of crystalline solids2.3 多晶体材料（多晶体材料（polycrystalline materialspolycrystalline materials）如果材料是由小晶体或晶粒组成，则称其为多晶体材料。Turbine blade整理课件单相单相( (

11、single phasesingle phase) )：所有晶粒的化学成分相同，晶体结构相同多相材料多相材料( (polyphase materials,polyphase materials, heterogeneous heterogeneous) )：材料由多相组成，各相的化学成分和晶体结构不同Chapter 1 The structure of crystalline solids整理课件（crystal structures）1 晶体学基础(Fundamental concepts)空间点阵（空间点阵（space latticespace lattice）：）：指几何点在三维空间作周

12、期性的规则排列所形成的三维阵列，是人为的对晶体结构的抽象。Chapter 1 The structure of crystalline solids晶胞（晶胞（unit cellsunit cells）：）：构成晶格的最基本单元 阵点或结点(lattice points)：构成空间点阵的每一个点晶格（晶格（crystal latticecrystal lattice）：）：人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来所形成的空间格架，常用于表示空间点阵的几何规律。整理课件晶胞的描述晶胞的描述Chapter 1 The structure of crystalline solidsLattice

13、parameters晶轴(cystal axes)：晶胞上过原点的三个棱边 x，y，z点阵常数(lattice constant, axial lengths)：三个棱边的长度 a，b，c夹角(interaxial angles)：， 原点(origin)：晶胞角上的某一阵点整理课件Chapter 1 The structure of crystalline solids选取晶胞条件：选取晶胞条件： 1 1 能充分反映整个空间点阵的对称性；能充分反映整个空间点阵的对称性；2 尽可能多的直角；3 所选取的晶胞体积最小简单晶胞（初级晶胞简单晶胞（初级晶胞, , simple unit cellsi

14、mple unit cell）：）：只在平行六面体的八个角顶上有阵点，每个角顶上的阵点分属于8个简单晶胞，所以每个晶胞中只有一个阵点一个阵点 复合晶胞复合晶胞( (composite unit cellcomposite unit cell) )：除了在平行六面体的八个角顶上有阵点外，在其体心、面心或底心也有阵点，每个复合晶胞中有一个以上的阵点一个以上的阵点 整理课件Chapter 1 The structure of crystalline solids晶系（晶系（crystal systemcrystal system）和布拉菲点阵（布拉菲点阵（Bravais LatticeBravais

15、 Lattice）考虑每个阵点的周围环境，晶体的空间点阵共有14种 根据晶胞棱边长度之间的关系和晶轴之间夹角对晶体的分类, 所有晶体可归为7个晶系整理课件晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数( (Miller indicesMiller indices) ): 是用于表示不同晶面和晶向的一种符号 1) 晶向(Crystal directions): 空间点阵中的某些代表晶体中原子列的方向确定晶向指数(Miller indices for the direction)：Chapter 1 The structure of crystalline solidsoA111PCB 建立坐标系； 确定坐

16、标值； 化整并加方括号 uvwuvwOA1, 1, 1111OB=PA=110011OCOA=111整理课件晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数( (Miller indicesMiller indices) ): 一个晶向指数代表相互平行、方向 一致的所有晶向；Chapter 1 The structure of crystalline solids如立方晶系中： 100001010010001100100 若晶体中两晶向相互平行但方向相反， 则晶向指数中的数字相同，方向相反； 晶体中原子排列情况相同但空间位向 不同的一组晶向称为晶向族晶向族 （a family of directionsa

17、 family of directions） UVW整理课件Example problem 1-1Draw a direction within a cubic unit cell 011 2. Determine the projections of along x, y, z axes011 Solution:1. Construct a cubic unit cell and coordinate axes system(a, -a, 0a), point P3. Draw a vector passing from the origin to point P011 PozxyaaaOP

18、 =-a整理课件2) 晶面(Crystal planes): 通过空间点阵中的任意一组阵点的原子平面确定晶面指数(Miller indices for the plane) ：Chapter 1 The structure of crystalline solids , -1, 1/20, -1, 2 建立坐标系； 求截距； 取三个截距值的倒数； 化整并加园括号 （hkl）)210(整理课件2) 晶面(Crystal planes): 通过空间点阵中的任意一组阵点的原子平面 一个晶面指数代表一组相互平行的晶面；Chapter 1 The structure of crystalline sol

19、ids 在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。如立方晶系中： ) 111()111()111() 111 ()111 ()111()111()111(111 平行晶面的晶面指数相同，或数字相同， 正负号相反；)111()111(111)111()100(100 晶体中具有等同条件而只是空间位向不 同的各组晶面称为晶面族晶面族（a family of planesa family of planes） hkl hkl整理课件miller indices整理课件Example problem 1-2Determine the Miller index for the plane sh

20、own in the accompany figure Solution:1. The intercepts are: x-axia = 4 y-axia = 3 z-axia = 2 2. The reciprocals are: x-axia = 1/4 y-axia = 1/3 z-axia = 1/2 3. Reduction: change the numbers to a set of smallest integersx-axia = 12/4 = 3y-axia = 12/3 = 4z-axia = 12/2 = 64. The Miller index is (346) 整理

21、课件3）六方晶系的晶向指数和晶面指数(Miller- Bravais indices)六方晶系坐标轴： 用4个轴a1、a2、a3、c 表示Chapter 1 The structure of crystalline solids确定六方晶系晶面指数步骤：晶面指数与三轴坐标系相同，取晶面在四个坐标轴上的截距即可 （hkil）六方晶系晶面指数(hkil)特点 ： 同一平面上的h、k、i三个坐标数中有一个是不独立的i= (h+k)整理课件六方晶系晶向指数特点： 用 uvtw 表示晶向， t = (u+v)Chapter 1 The structure of crystalline solids确定六

22、方晶系晶向指数步骤： 先确定三轴坐标系的晶向指数 UVW， 然后换算成四轴坐标系的晶向指数 uvtw u = （2U V）/3， v = （2V U）/3， t = (u+v)= (U+V)/3， w = W整理课件4）晶面间距（inter-planer spacing）： 相邻两个平行晶面之间的距离Chapter 1 The structure of crystalline solids222)/()/()/(1clbkahdhkl222lkhadhkl在立方晶系中在正交晶系中晶面间距越大，晶面上原子排列越密集整理课件5）晶带（crystal zone）： 相交和平行于某一晶向直线的所有晶面

23、 的组合称为晶带（crystal zone）该直线称为晶带轴（zone axis）晶带用晶带轴的晶向指数表示 uvw晶带轴uvw与该晶带中任一晶面（hkl）之间有： hu + kv + lw = 0 晶带定律：凡满足上式的晶面都属于以 uvw 为晶带轴的晶带整理课件1.3纯金属的晶体结构（metallic crystal structures）1、典型的晶体结构(typical crystal structures)面心立方结构（the face-centered cubic crystal structure， FCC， A1）Chapter 1 The structure of cryst

24、alline solids整理课件FCCFCC整理课件点阵常数（lattice constant）ar24 ra22晶胞中的原子数： （the number of atoms in one unit cell）配位数(CN, coordination number)：12 晶体结构中任一原子周围 最近邻且等距离的原子数致密度（K，APF，atomic packing factor）%74)22()3/4(433rrVnvK面心立方结构（FCC）Chapter 1 The structure of crystalline solids顶角原子（ corner atoms） 1/8 x 8 = 1

25、面心位置原子（face-centered atom） 1/2 x 6 = 34整理课件体心立方结构（the body-centered cubic crystal structure， BCC， A2）Chapter 1 The structure of crystalline solids整理课件BCCBCC整理课件点阵常数（lattice constant）ar34 ra334晶胞中的原子数： 2（the number of atoms in one unit cell） 顶角原子（ corner atoms） 1/8 x 8 = 1体心位置原子（body-centered atom） 1

26、配位数(CN, coordination number)：8致密度（K，APF，atomic packing factor）%68)3/4()3/4(233rrVnvK体心立方结构（BCC）Chapter 1 The structure of crystalline solids整理课件密排六方结构（the hexagonal close-packed crystal structure， HCP， A3）Chapter 1 The structure of crystalline solids整理课件点阵常数（ lattice constant ）： a=bc （理想状况） 晶胞中的原子数：

27、 6（the number of atoms in one unit cell） 顶角原子（ corner atoms） 1/6 x 12 = 2 底心位置原子（center face atom） 1/2 x 2 = 1 中间层原子(midplane interior atom) 3配位数(CN, coordination number)：12致密度（K，APF，atomic packing factor） K=74%密排六方结构（ HCP ）Chapter 1 The structure of crystalline solids整理课件原子堆垛方式(atom packed structur

28、e)：三组晶体结构中各有一组原子密排面和原子密排方向， 晶体结构可以视为原子密排面在空间一层层平行堆垛的结果 Chapter 1 The structure of crystalline solidsFCC： APF 74%111 BCC： APF 68%110 HCP： APF 74%0001 面心立方和密排六方结构具有最致密的晶体结构 - - 密排堆垛结构（密排堆垛结构（close packed crystal structuresclose packed crystal structures）整理课件密排堆垛结构（密排堆垛结构（close packed crystal structure

29、sclose packed crystal structures）Chapter 1 The structure of crystalline solidsABAB HCPABCABC FCC整理课件整理课件八面体间隙(octahedral interstices)：位于六个原子组成的八面体中间的间隙四面体间隙(tetrahedral interstices)：位于四个原子组成的四面体中间的间隙面心立方结构（FCC）的间隙晶体结构中的间隙(interstices in crystal structure)Chapter 1 The structure of crystalline solids

30、1+12 x 1/4 =4个8 x 1 =8个(间隙大小：rB/rA）整理课件体心立方结构（BCC）的间隙密排六方结构（ HCP ）的间隙Chapter 1 The structure of crystalline solids6 x 1/2 +12 x 1/4 =6个24 x 1/2 = 12个12 x 1/3 + 8 = 12个6 x 1 = 6个整理课件Chapter 1 The structure of crystalline solids整理课件多晶型性和同素异构（多晶型性和同素异构（polymorphism and allotropypolymorphism and allotro

31、py）多晶型性：同种金属在不同温度和压力下具有不同的晶体结构； 这种转变称为同素异构转变，转变的产物为同素异构体。Example：Fe，Mn，Ti，Sn Chapter 1 The structure of crystalline solidsFe整理课件1.4合金相结构（microstructures of alloys）Chapter 1 The structure of crystalline solids合金相固溶体中间相合金（合金（alloyalloy）：两种或两种以上的金属或金属与非金属 经熔炼或其它方法制成的具有金属特性的物质。组元（组元（componentcomponent）：

32、组成合金的基本的独立的物质， 组元可以是纯金属、非金属元素、或化合物相（相（phasephase）：合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构 和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。（A phase may be defined as a homogenous portion of a system that has uniform physical and chemical characteristics）单相合金（homogeneous alloy）：由一种相组成的合金多相合金（heterogeneous alloy）：由几种不同的相组成的合金 整理课件1.4.1 固溶体（固溶体（solid s

33、olutionsolid solution）：以某一组元为溶剂(solvent, host material)，在其晶体点阵中溶入其它组元原子(溶质原子，solute atom)所形成的与溶剂有相同的晶体结构的均匀混合的固相Chapter 1 The structure of crystalline solids置换固溶体（置换固溶体（substitutional solid solutionsubstitutional solid solution）在固溶体中，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，所形成的固溶体就称为置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体（interstitial solid soluti

34、oninterstitial solid solution）溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体整理课件影响置换固溶体溶解度的因素：影响置换固溶体溶解度的因素：晶体结构(crystal structure)： 相同可形成无限固溶体，不同则只能形成有限固溶体Chapter 1 The structure of crystalline solids原子尺寸因素(atomic size factor)： 原子半径差小于15%，可形成溶解度较大的固溶体； 原子半径差大于15%时，半径差越大，溶解度越低； 原因：点阵畸变随原子半径差增大而增加化学亲和力（chemical affinity, 电负性因

35、素, electronegativity）： 溶剂和溶质之间的化学亲和力越大，越容易形成化合物； 电负性相近的元素间可能有较大的固溶度整理课件原子价因素（valences, 电子浓度因素）： 电子浓度(electron concentration) 合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数的比值 e/a = VA（1 x）+ VB x ； x为溶质B的原子数分数（at%） 试验规律表明，超过一定的极限电子浓度（约1.4）， 固溶体不稳定，可能形成新相影响置换固溶体溶解度的因素：影响置换固溶体溶解度的因素：Chapter 1 The structure of crystalline solids整理课件间隙固溶体（间隙固溶体（interstitial solid solution