《材料科学基础讲义》

材料科学基础

FoundationsofMaterialsScience精选ppt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{精选ppt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﹑信息材料的发展史新材料，信息技术和生物技术三大支柱与重要标志精选ppt分析方法与手段光学显微镜（1863），2000倍，金相学观察，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？另人惊讶的是自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅30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自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。

电子显微镜（1932），几十万倍

扫描隧道显微镜（1981）精选ppt材料工作者面临的任务开发新材料挖掘现有材料的潜力精选ppt第一章材料的晶体结构

(Chapter1Thestructureofcrystallinesolids)

§1.1材料结构的基本知识

(Fundamentalconcepts)1原子结合键(atomicbonding)1.1结合键和能量(Bondingforcesandenergies)位能(potentialenergy):吸引力(attractiveforce,Fa)排斥力(repulsiveforce,Fr)合力(netforce,Fn):Fn=Fa+Fr结合能(Bondingenergy):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，系统最稳定精选pptChapter1Thestructureofcrystallinesolids1.2一次键(primarybonding)

1）离子键(ionicbonding)：NaCl金属和非金属原子分别形成正负离子，结合力强熔点高、强度高、塑性低2）共价键(covalentbonding)：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）金属键(metallicbonding)：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

精选ppt1.3二次键(secondarybonding)

范德瓦耳斯键（vanderWaalsbonding）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（hydrogenbonding）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

Chapter1Thestructureofcrystallinesolids精选pptChapter1ThestructureofcrystallinesolidsBondingenergiesandmeltingtemperatures精选pptPROPERTIESFROMBONDING:TM•MeltingTemperature,TmTmislargerifEoislarger.精选ppt16•Elasticmodulus,E•E~curvatureatroEislargerifEoislarger.精选ppt17•Coefficientofthermalexpansion,a•a~asymmetryatroaislargerifEoissmaller.精选pptCeramics(Ionic&covalentbonding):Metals(Metallicbonding):Polymers(Covalent&Secondary):LargebondenergylargeTmlargeEsmallaVariablebondenergymoderateTmmoderateEmoderateaDirectionalPropertiesSecondarybondingdominatessmallTmsmallElargea精选ppt2．原子的排列(arrangementofatoms)2.1晶体和非晶体（crystallineand

noncrystallinematerials）晶体（crystallinesolids）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Chapter1Thestructureofcrystallinesolids非晶体（noncrystallinesolids,amorphousmaterials）原子没有长程的周期排列无固定的熔点，各向同性等精选ppt2.2单晶体（singlecrystal）

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Chapter1Thestructureofcrystallinesolids2.3多晶体材料（polycrystallinematerials）如果材料是由小晶体或晶粒组成，则称其为多晶体材料。Turbineblade精选ppt单相(singlephase)：所有晶粒的化学成分相同，晶体结构相同多相材料(polyphasematerials,heterogeneous)：材料由多相组成，各相的化学成分和晶体结构不同Chapter1Thestructureofcrystallinesolids精选ppt§1.2晶体结构（crystalstructures）1晶体学基础(Fundamentalconcepts)空间点阵（spacelattice）：指几何点在三维空间作周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。Chapter1Thestructureofcrystallinesolids晶胞（unitcells）：构成晶格的最基本单元阵点或结点(latticepoints)：构成空间点阵的每一个点晶格（crystallattice）：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。精选ppt晶胞的描述Chapter1ThestructureofcrystallinesolidsLatticeparameters晶轴(cystalaxes)：晶胞上过原点的三个棱边x，y，z点阵常数(latticeconstant,axiallengths)：三个棱边的长度a，b，c夹角(interaxialangles)：α，β，γ原点(origin)：晶胞角上的某一阵点Demoofunitcell精选pptChapter1Thestructureofcrystallinesolids选取晶胞条件：

1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,simpleunitcell）：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

复合晶胞(compositeunitcell)：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

精选pptChapter1Thestructureofcrystallinesolids晶系（crystalsystem）和布拉菲点阵（BravaisLattice）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个晶系精选ppt晶向指数和晶面指数(Millerindices):是用于表示不同晶面和晶向的一种符号1)晶向(Crystaldirections):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(Millerindicesforthedirection)：Chapter1ThestructureofcrystallinesolidsoA111PCB建立坐标系；确定坐标值；化整并加方括号[uvw]OA1,1,1[111]OB=PA=[110]OA=[111]精选ppt晶向指数和晶面指数(Millerindices):●一个晶向指数代表相互平行、方向一致的所有晶向；Chapter1Thestructureofcrystallinesolids如立方晶系中：

●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（afamilyofdirections）

<UVW>精选pptExampleproblem1-1Drawadirectionwithinacubicunitcell2.Determinetheprojectionsofalongx,y,zaxesSolution:1.Constructacubicunitcellandcoordinateaxessystem(a,-a,0a),pointP3.DrawavectorpassingfromtheorigintopointPPozxyaaaOP=-a精选ppt2)晶面(Crystalplanes):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(Millerindicesfortheplane)：Chapter1Thestructureofcrystallinesolids∞,-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）精选ppt2)晶面(Crystalplanes):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；Chapter1Thestructureofcrystallinesolids●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：

●平行晶面的晶面指数相同，或数字相同，正负号相反；●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（afamilyofplanes）{hkl}精选ppt精选pptExampleproblem1-2DeterminetheMillerindexfortheplaneshownintheaccompanyfigureSolution:1.Theinterceptsare:x-axia=4y-axia=3z-axia=22.Thereciprocalsare:x-axia=1/4y-axia=1/3z-axia=1/23.Reduction:

changethenumberstoasetofsmallestintegersx-axia=12/4=3y-axia=12/3=4z-axia=12/2=64.TheMillerindexis(346)精选ppt3）六方晶系的晶向指数和晶面指数(Miller-Bravaisindices)六方晶系坐标轴：用4个轴a1、a2、a3、c表示Chapter1Thestructureofcrystallinesolids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)精选ppt六方晶系晶向指数特点：用[uvtw]表示晶向，

t=―(u+v)Chapter1Thestructureofcrystallinesolids确定六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精选ppt4）晶面间距（inter-planerspacing）：相邻两个平行晶面之间的距离Chapter1Thestructureofcrystallinesolids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精选ppt5）晶带（crystalzone）：相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合称为晶带（crystalzone）该直线称为晶带轴（zoneaxis）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]为晶带轴的晶带精选ppt§1.3纯金属的晶体结构（metalliccrystalstructures）1、典型的晶体结构(typicalcrystalstructures)面心立方结构（theface-centeredcubiccrystalstructure，FCC，A1）Chapter1Thestructureofcrystallinesolids精选ppt精选ppt点阵常数（latticeconstant）晶胞中的原子数：

（thenumberofatomsinoneunitcell）配位数(CN,coordinationnumber)：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，atomicpackingfactor）面心立方结构（FCC）Chapter1Thestructureofcrystallinesolids顶角原子（corneratoms）1/8x8=1面心位置原子（face-centeredatom）1/2x6=34精选ppt体心立方结构（thebody-centeredcubiccrystalstructure，BCC，A2）Chapter1Thestructureofcrystallinesolids精选ppt精选ppt点阵常数（latticeconstant）晶胞中的原子数：2（thenumberofatomsinoneunitcell）顶角原子（corneratoms）1/8x8=1

体心位置原子（body-centeredatom）1配位数(CN,coordinationnumber)：8致密度（K，APF，atomicpackingfactor）体心立方结构（BCC）Chapter1Thestructureofcrystallinesolids精选ppt密排六方结构（thehexagonalclose-packedcrystalstructure，HCP，A3）Chapter1Thestructureofcrystallinesolids精选ppt点阵常数（latticeconstant）：a=b≠ca=2r,c=1.633a（理想状况）

晶胞中的原子数：6（thenumberofatomsinoneunitcell）顶角原子（corneratoms）1/6x12=2底心位置原子（centerfaceatom）1/2x2=1中间层原子(midplaneinterioratom)

3配位数(CN,coordinationnumber)：12致密度（K，APF，atomicpackingfactor）

K=74%密排六方结构（HCP）Chapter1Thestructureofcrystallinesolids精选ppt

原子堆垛方式(atompackedstructure)：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Chapter1ThestructureofcrystallinesolidsFCC：APF74%{111}<110>BCC：APF68%{110}<111>HCP：APF74%{0001}<1120>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（closepackedcrystalstructures）Demoofcrystalstructures精选ppt密排堆垛结构（closepackedcrystalstructures）Chapter1ThestructureofcrystallinesolidsABAB……HCPABCABC……FCC精选ppt精选ppt八面体间隙(octahedralinterstices)：位于六个原子组成的八面体中间的间隙四面体间隙(tetrahedralinterstices)：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(intersticesincrystalstructure)Chapter1Thestructureofcrystallinesolids1+12x1/4=4个8x1=8个(间隙大小：rB/rA）精选ppt体心立方结构（BCC）的间隙密排六方结构（HCP）的间隙Chapter1Thestructureofcrystallinesolids6x1/2+12x1/4=6个24x1/2=12个12x1/3+8=12个6x1=6个精选pptChapter1Thestructureofcrystallinesolids精选ppt多晶型性和同素异构（polymorphismandallotropy）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……Chapter1ThestructureofcrystallinesolidsFe精选ppt§1.4合金相结构（microstructuresofalloys）Chapter1Thestructureofcrystallinesolids合金相固溶体中间相合金（alloy）：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（component）：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（phase）：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。（Aphasemaybedefinedasahomogenousportionofasystemthathasuniformphysicalandchemicalcharacteristics）单相合金（homogeneousalloy）：由一种相组成的合金多相合金（heterogeneousalloy）：由几种不同的相组成的合金

精选ppt1.4.1固溶体（solidsolution）：以某一组元为溶剂(solvent,hostmaterial)，在其晶体点阵中溶入其它组元原子(溶质原子，soluteatom)所形成的与溶剂有相同的晶体结构的均匀混合的固相Chapter1Thestructureofcrystallinesolids置换固溶体（substitutionalsolidsolution）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（interstitialsolidsolution）溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体精选ppt影响置换固溶体溶解度的因素：晶体结构(crystalstructure)：相同可形成无限固溶体，不同则只能形成有限固溶体Chapter1Thestructureofcrystallinesolids原子尺寸因素(atomicsizefactor)：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（chemicalaffinity,电负性因素,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精选ppt原子价因素（valences,电子浓度因素）：

电子浓度(electronconcentration)—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）+VBx；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：Chapter1Thestructureofcrystallinesolids精选ppt间隙固溶体（interstitialsolidsolution）溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体；

●原子半径小，且与溶剂原子半径差大于41%；一般为原子半径小于0.1nm的一些非金属元素，H、B、C、N、O（0.046、0.097、0.077、0.071、0.061nm）Chapter1Thestructureofcrystallinesolids●间隙固溶体为有限固溶体，产生较大的晶格畸变，有较大的强化效果●间隙固溶体的溶解度不仅与溶质大小有关，也与溶剂晶体结构中间隙的形状和大小有关C在α-Fe的溶解度为0.0218%C在γ-Fe的溶解度为2.11%rB/rA

=0.154,0.633rB/rA

=0.414精选ppt固溶体的微观不均匀性(micro-heterogeneity)Chapter1Thestructureofcrystallinesolids完全无序(random,

disorder)EAA

≈EBB≈EAB偏聚(solutecluster)

(EAA+EBB)

>

EAB部分有序(partialorder)(EAA+EBB)

<EAB

固溶体的性质点阵畸变固溶强化物理,化学性能的变化电阻率磁导率等精选ppt1.4.2中间相（intermediatephase）：两种组元组成合金时，形成的晶体结构与两组元均不相同的新相。

●以某种化合物为基的固溶体（intermediatesolidsolution）

●化合物（intermediatecompound）

●金属间化合物（intermetalliccompound）Chapter1Thestructureofcrystallinesolids中间相大都具有有金属的性质，不一定符合化学价规律：CuZn、Fe3C等1．正常价化合物(normal-valencycompounds)：金属与电负性较强的ⅣA、ⅤA、ⅥA族的一些元素按原子价规律所形成的化合物。如：Mg2Pb、AlN、Mg2Si●正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子化合物，如NaCl型、ZnS型、CaF2型等●组元间电负性大，趋于离子键或共价键结合，如Mg2Si，熔点高、稳定；●组元间电负性小，趋于金属键结合，如Mg2Pb，熔点低、有金属特性精选ppt2．电子化合物（electroncompound,Hume-Rotheryphase）：是第Ⅰ族或过渡族金属元素与第Ⅱ至第Ⅴ族金属元素形成的中间相，典型的是ⅠB族（Au、Ag、Cu）与ⅡB、ⅢA、ⅣA族元素形成的中间相。特征：形成的化合物不符合正常化学价规律，电子浓度是决定晶体结构的主要因素。Chapter1Thestructureofcrystallinesolids精选ppt原子尺寸差大电负性大原子尺寸差小●一定的电子浓度对应于一定的晶体结构对电子浓度为21/14的化合物，晶体结构还与尺寸因素和电负性有关：●电子化合物主要以金属键结合，具有明显的金属特性●电子化合物的成分可在一定范围内变化，可视为以化合物为基的固溶体电子浓度—化合物中每个原子平均占有的价电子数精选ppt3．尺寸因素化合物(sizefactorcompound)：