材料科学综合概述

第一章材料科学概述一、材料与材料科学二、材料结构简述三、材料的性能四、材料工艺及其与结构和性能的关系五、材料的强化机制第一页，共七十九页。一、材料与材料科学1.《材料科学基础》的基本概念2.《材料科学基础》的地位3.学习《材料科学基础》的意义第二页，共七十九页。1.《材料科学基础》的基本概念

材料是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。

材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。纳米材料科学与技术是20世纪80年代发展起来的新兴学科，成为21世纪新技术的主导中心。

材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。

第三页，共七十九页。2、材料科学基础的地位

人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间：

w

石器时代（公元前10万年）w

青铜器时代（公元前3000年）w

铁器时代（公元前1000年）w

水泥时代（公元0年）w钢时代（1800年）w硅时代（1950年）w新材料时代（1990年）

第四页，共七十九页。3.学习料料科学基础的意义

（一）材料科学的内涵

材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是材料的组织结构（Structure）和性能（Property）以及它们之间的关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解材料的结构是什么？

第五页，共七十九页。材料结构关系

w材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。w材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。第六页，共七十九页。(二）材料科学与材料工程的关系

w

材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提出于20世纪60年代，1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继建立十余个材料科学研究中心，自此开始，“材料科学”一词广泛应用。w

一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。

w

材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此，后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料科学与工程（MSE，MaterialScienceandEngineering）

第七页，共七十九页。材料科学

：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能。材料科学工艺结构性能第八页，共七十九页。材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。它包括下面的五个环节。

材料工程设备构件行为结构工艺性能第九页，共七十九页。(三）材料的分类

通常根据材料的结构和用途来分类。结构材料是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。功能材料是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材料。又可按金属、陶瓷、高分子和它们的复合材料来。

第十页，共七十九页。结构材料实际上是一种按结合键种类来分类的方法。由此可将材料分为金属、陶瓷、高分子和由金属、陶瓷和高分子分别组合成的各种复合材料材料。金属材料：黑色金属材料（钢铁）、有色黑色金属材料（除钢铁以外的）陶瓷材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷

高分子材料：塑料、橡胶合成纤维

复合材料：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料

功能材料：电子材料、光电子材料、超导材料第十一页，共七十九页。（四）材料的应用

让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。w计算机与材料

1、计算机经历：电子管→晶体管→集成电路时代

2、个人电脑移动存储器的比较

材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。

第十二页，共七十九页。种类使用的材料存储容量特点软盘氧化铁1.44Mb容量小，文本文件存储CD－RW以ZnS等为主的陶瓷材料650MbCD光盘，价低，用量大MO(磁光盘)TbFeCo合金磁光材料650Mb，1.3G需专用驱动器，价格高，局限在广告图形用户DVD－RWZnS等为主的陶瓷材料单面单层为4.7GbCD－RW和CD光盘，用量大第十三页，共七十九页。第十四页，共七十九页。第十五页，共七十九页。第十六页，共七十九页。w飞机和材料

从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度/比重之比。因此，航空和航天器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发展，轻质和高比强度的钛合金、碳纤维

实例压气机叶片压气机机匣飞机尾翼硼纤维铝合金板和管材料铝合金钛合金碳纤维复合材料硼纤维增强铝合金强度范围MPa150－450350－11001000－1200（顺纤维方向）1500（顺纤维方向）比强度MPa55－16080－245625－750570第十七页，共七十九页。美国待升空的航天飞机第十八页，共七十九页。材料和生活用品

钛结构自行车：“自行车发烧友”选择钛合金制自行车。钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合第十九页，共七十九页。生命科学材料

原来使用专用的汞合金，为防止金属合金的分解已经开发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新型陶瓷。具体来讲，它需要满足下列要求：耐口腔中的酸；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；尽得住数年的咀嚼力；耐骤冷骤热；当然还要口感舒适第二十页，共七十九页。复合科学材料

碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可以在某特定方向上增加强度（用于特殊目的）。

第二十一页，共七十九页。

航空材料材料的主要性能取决于母体，加入合金元素成分将改善金属的物理及机械性能——强度、耐力、使用寿命。在飞机发动机中一种掺镍化合物制成称作718合金被广泛的用于制造波音777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。第二十二页，共七十九页。形状记忆合金

第二十三页，共七十九页。超级钢

近来，钢铁工业已经开发出一种汽车用钢，比原先的轻24%，而强度高34%，称为超级钢。其优点是：高撞击能量吸收率；高强度-质量比；实用新型制造工艺；可以有多种不同性能(寿命、防锈等）。

第二十四页，共七十九页。新材料阶段的特征

w是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代；w新材料以人造为特征，非自然界中现成有的;w新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为了特定的需要设计和加工而成的；w这些新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新工业的出现和发展，从而使国家财富和就业增加。

第二十五页，共七十九页。1990年美国总统的科学顾问Allany.Bromley明确指出“材料科学在美国是最重要的学科”。1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7项是基于先进材料之上。1986年《科学的美国人》杂志指出“先进材料对未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的，材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。”w可见，材料科学历来是技术进步的支柱

第二十六页，共七十九页。第二十七页，共七十九页。二、材料结构简述1.原子结构2.结合键3.固体结构4.结构缺陷第二十八页，共七十九页。1原子结构（AtomicStructure）一、物质的组成（SubstanceConstruction）物质由无数微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：单独存在保存物质化学特性dH2O=0.2nmM(H2)为2M（protein）为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒第二十九页，共七十九页。1、原子结构1879年J.JThomson发现电子（electron),揭示了原子内部秘密1911年E.Rutherford提出原子结构有核模型1913年N.Bohr将Bohratomicmodel

第三十页，共七十九页。核外电子的排布（electronconfiguration)规律描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantumnumbers）表示第三十一页，共七十九页。2结合键(Bondingtypewithotheratom)一、金属键（Metallicbonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Freeelectron），形成电子云（electroncloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好第三十二页，共七十九页。二、离子键（Ionicbonding)多数盐类、碱类和金属氧化物特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体三、共价键（covalentbonding）亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成

特点：饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差实质：金属原子带正电的正离子（Cation）非金属原子带负电的负离子（anion）e第三十三页，共七十九页。四、范德华力（Vanderwaalsbonding)包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersiveforce)属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质

五、氢键（Hydrogenbonding）极性分子键存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥介于化学键与物理键之间，具有饱和性第三十四页，共七十九页。3.固体结构（SolidStructure）金的AFM照片第三十五页，共七十九页。※

1晶体学基础（BasisFundamentalsofcrystallography）

晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列（periodicrepeatedarray），即存在长程有序（long-rangeorder）性能上两大特点：固定的熔点（meltingpoint）,各向异性（anisotropy）第三十六页，共七十九页。一、晶体的空间点阵（Spacelattice）1.

空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点latticepoint），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵（spacelattice）特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)2．晶胞（Unitecells）代表性的基本单元（最小平行六面体）smallrepeatentities选取晶胞的原则：

Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。

第三十七页，共七十九页。简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点复杂晶胞：除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点第三十八页，共七十九页。

3.晶系与布拉菲点阵（CrystalSystemandBravaisLattice）七个晶系，14个布拉菲点阵晶系布拉菲点阵晶系布拉菲点阵三斜Triclinica≠b≠c，α≠β≠γ单斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90º≠β正交a≠b≠c，α=β=γ＝90º简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90º，γ=120º菱方Rhombohedrala=b=c,α=β=γ≠90º四方（正方）Tetragonala=b≠c,α=β=γ＝90º立方Cubica=b=c，α=β=γ＝90º简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方第三十九页，共七十九页。底心单斜简单三斜简单单斜第四十页，共七十九页。底心正交简单正交面心正交体心正交第四十一页，共七十九页。简单菱方简单六方简单四方体心四方第四十二页，共七十九页。简单立方体心立方面心立方第四十三页，共七十九页。4.晶体结构与空间点阵

第四十四页，共七十九页。二、晶向指数和晶面指数（MillerIndicesofCrystallographicDirectionandPlanes）1．阵点坐标晶向族<uvw>：具有等同性能的晶向归并而成；（x1,y1,z1）,(x2,y2,z2)二点连线的晶向指数：[x2-x1,y2-y1,z2-z1]*指数看特征，正负看走向

求法：1）

确定坐标系2）

过坐标原点，作直线与待求晶向平行；3）

在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z）4）

将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号[uvw]即是。（代表一组互相平行，方向一致的晶向）2.晶向指数（Orientationindex）第四十五页，共七十九页。晶面族{hkl}中的晶面数：a）hkl三个数不等，且都≠0，则此晶面族中有b）hkl有两个数字相等且都≠0，则有，如{112}c)hkl三个数相等，则有，d）hkl有一个为0，应除以2，则有

有二个为0，应除以22，则有

求法：1）

在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o，三棱边为三坐标轴x，y，z2）

以棱边长a为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距；3）

取截距之倒数，并化为最小整数h，k，l并加以圆括号（hkl）即是。3.晶面指数（IndicesofCrystallographicPlane）第四十六页，共七十九页。4.六方晶系指数（Indicesofhexagonalcrystalsystemorhexagonalindices）

三坐标系四轴坐标系a1，a2，ca1，a2，a3，c120°

120°

120°

（hkil)i=-(h+k)[uvtw]t=-(u+v)第四十七页，共七十九页。第四十八页，共七十九页。5.晶带（Crystalzone）

所有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”（crystalzone）此直线称为晶带轴（crystalzoneaxis），所有的这些晶面都称为共带面。晶带轴[uvw]与该晶带的晶面（hkl）之间存在以下关系

hu＋kv＋lw＝0————晶带定律

凡满足此关系的晶面都属于以[uvw]为晶带轴的晶带则三个晶面同属一个晶带

第四十九页，共七十九页。6．晶面间距（Interplanarcrystalspacing）两相邻近平行晶面间的垂直距离—晶面间距，用dhkl表示从原点作（hkl）晶面的法线，则法线被最近的（hkl）面所交截的距离即是第五十页，共七十九页。上述公式仅适用于简单晶胞,对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响

fcc当（hkl）不为全奇、偶数时，有附加面：

通常低指数的晶面间距较大，而高指数的晶面间距则较小bcc当h＋k＋l＝奇数时，有附加面：

六方晶系

立方晶系：如{0001}面

第五十一页，共七十九页。三、晶体的对称性

crystallinesymmetrysymmetrizationof

crystals对称性——晶体的基本性质

对称元素（symmetryelements）

宏观对称性元素

点群（pointgroup）—晶体中所有点对称元素的集合根据晶体外形对称性，共有32种点群空间群（spacegroup）—晶体中原子组合所有可能方式根据宏观、微观对称元素在三维空间的组合，可能存在230种空间群（分属于32种点群）

微观对称性第五十二页，共七十九页。四、极射投影Stereographicprojection

极射投影原理（principle）参考球，极点、极射面、大图、基图

Wulff网（wullfnet）经线、纬线、2º等分沿赤道线沿基圆读数只有两极点位于吴氏经线或赤道上才能正确度量晶面、晶向间夹角标准投影：以某个晶面//投影面作出极射投影图。（001）倒易点阵（reciprocallattice）第五十三页，共七十九页。※2金属的晶体结构（CrystalStructureofMetals）

体心立方点阵面心立方点阵密排六方点阵第五十四页，共七十九页。表2.5三种典型金属结构的晶体学特点

第五十五页，共七十九页。晶胞中的原子数（Numberofatomsinunitcell）

点阵常数（latticeparameter）a，c原子半径（atomicradius）R配位数（coordinationnumber）N致密度（Efficiencyofspacefilling）

轴比（axialratio）c/a第五十六页，共七十九页。堆垛（Stacking）密排结构（close-packedcrystalstructure）最密排面(close-packedplaneofatoms)fcc{111}ABCABCABC······hcp{0001}ABABABAB······第五十七页，共七十九页。间隙（Interstice）四、八面体间隙fcc，hcp间隙为正多面体，且八面体和四面体间隙相互独立bcc间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中

tetrahedraloctahedralinterstice

第五十八页，共七十九页。第五十九页，共七十九页。4.结构缺陷点缺陷线缺陷面缺陷体缺陷第六十页，共七十九页。点缺陷填隙原子（或离子）：指原子（或离子）进入正常格点位置之间的间隙位置，成为填隙原子（离子）；空位：正常结点位置出现的原子或离子空缺；杂质原子（离子）：晶体组分以外的原子进入晶格中，即为杂质。杂质原子可以取代晶体中正常格点位置上的原子（离子），称为置换原子（离子）；也可进入正常格点位置之间的间隙位置，成为填隙的杂质原子（离子）。第六十一页，共七十九页。点缺陷的名称

无机非金属材料中最重要也是最基本的结构缺陷是点缺陷。根据点缺陷相对于理想晶格位置的偏差状态，点缺陷具有不同的名称：填隙原子（或离子）：指原子（或离子）进入正常格点位置之间的间隙位置，成为填隙原子（离子）；空位：正常结点位置出现的原子或离子空缺；杂质原子（离子）：晶体组分以外的原子进入晶格中，即为杂质。杂质原子可以取代晶体中正常格点位置上的原子（离子），称为置换原子（离子）；也可进入正常格点位置之间的间隙位置，成为填隙的杂质原子（离子）。第六十二页，共七十九页。热缺陷的定义当晶体的温度高于绝对零度时，晶格内原子吸收能量，在其平衡位置附近热振动。温度越高，热振动幅度加大，原子的平均动能随之增加。热振动的原子在某一瞬间可以获得较大的能量，挣脱周围质点的作用，离开平衡位置，进入到晶格内的其它位置，而在原来的平衡格点位置上留下空位。这种由于晶体内部质点热运动而形成的缺陷称为热缺陷。第六十三页，共七十九页。热缺陷类型按照离开平衡位置原子进入晶格内的不同位置，热缺陷以此分为二类：

1.弗伦克尔缺陷（Frenkel）

离开平衡位置的原子进入晶格的间隙位置，晶体中形成了弗伦克尔缺陷。弗伦克尔缺陷的特点是空位和间隙原子同时出现，晶体体积不发生变化，晶体不会因为出现空位而产生密度变化。2.肖特基缺陷（Schottky）

离开平衡位置的原子迁移至晶体表面的正常格点位置，而晶体内仅留有空位，晶体中形成了肖特基缺陷。晶体表面增加了新的原子层，晶体内部只有空位缺陷。肖特基缺陷的特点晶体体积膨胀，密度下降。第六十四页，共七十九页。线缺陷——位错

晶体内部偏离周期性点阵结构的一维缺陷称为线缺陷。晶体中最重要的一种线缺陷是位错。位错在晶体的范性与强度、断裂、相变以及其他结构敏感性问题中起着重要作用。一、位错的基本类型位错是晶体结构中的一种缺陷，也可以说是原子排列的一种特殊组态。位错最简单、最基本的类型是“刃位错”和“螺位错”。第六十五页，共七十九页。刃位错(棱位错）第六十六页，共七十九页。螺位错第六十七页，共七十九页。位错线的特征1.滑移区与未滑移区的分界线；2.位错线附近原子排列失去周期性；3.位错线附近原子受应力作用强，能量高，位错不是热运动的结果；4.位错线的几何形状可能很复杂，可能在体内形成闭合线，可能在晶体表面露头，不可能在体内中断。第六十八页，共七十九页。

刃型位错的特点是位错线垂直于滑移矢量b；螺型位错的特点是位错线平行于滑移矢量b。b又称为伯格斯（Burgers）矢量，它的模等于滑移方向上的平衡原子间距，它的方向代表滑移方向。

第六十九页，共七十九页。除此之外，还存在位错线于滑移矢量既不平行又不垂直的混合型位错，如图。E处位错线与滑移矢量平行，是纯螺型位错，F处的位错线与滑移矢量垂直，是纯刃型位错。其余位错线与滑移矢量既不平行又不垂直，属混合型位错，混合位错的原子排列介于刃型位错和螺型位错之间，可以分解为刃型位错和螺型位错。第七十页，共七十九页。

面缺陷与体缺陷

晶体内偏离周期性点阵结构的二维缺陷称为面缺陷，主要有层错、小角晶界