材料科学基础-第1章

材料科学基础1教学大纲适用专业：材料成型及控制工程课程类别：专业必修课先修课程：大学物理、基础化学、物理化学等上课时间：2-17周总学时：64学分：4.0考核方式：闭卷考试2教学大纲考核方式：平时考核与期末考试相结合。考勤占总成绩的5%，课外作业和随堂测验，占总成绩的45%，平时考核期末考试采用闭卷方式，占总成绩的50%。期末考试3教材《材料科学基础》第2版西安交通大学石德珂主编

机械工业出版社2003.74课程的性质与任务阐明材料的组成、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。要求学生能掌握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知识，对工艺上的物理化学问题，对组成-结构-性能的关系作初步的分析和解释。5导论一、材料科学的重要地位

七个时代造就材料辉煌石器时代

青铜器时代

铁器时代

水泥时代钢时代

硅时代

新材料时代

6导论七个时代的划分公元前10万年1.石器时代

2.青铜器时代

3.铁器时代

4.水泥时代5.钢时代

6.硅时代

7.新材料时代

公元前3000年公元前1000年公元0年1800年1950年1990年7导论七个时代的特征1.石器时代

石斧漫长而又曲折的历程：8导论七个时代的特征2.青铜时代9导论七个时代的特征3.铁器时代铁商朝中期（距今有3100-3600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。炼铁——4000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贝塞麦。贝塞麦是英国人，1813年1月19日出生在哈福德郡的查尔顿。10导论七个时代的特征4.水泥时代住缘木而居——山洞——粘土——石膏（埃及金字塔）我国：石灰（长城）意大利、日本：火山灰水泥：粘土和石灰混合煅烧1824年英国人阿斯普丁18世纪初俄国建筑工程师叶伐尔契利耶夫1985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325号硅酸盐水泥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11导论七个时代的特征5.钢时代钢中国——千锤百炼；汉朝以后出现炒钢、团钢；直到19世纪前半叶，人类还在已经经历了2000多年的铁器时代里徘徊，并没有真正跨入钢铁时代的大门。锰钢——英国的哈德菲尔德（Mn13%）不锈钢——英国的布里而利金属玻璃——杜微滋（美国）发现（1959），增本（日本）发现（1969）12导论6.硅时代七个时代的特征13导论七个时代的特征7.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，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、材料设计、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。14导论二、各种材料概况●按属性分

金属材料（钢铁材料、有色金属）

陶瓷材料

（工程陶瓷、结构陶瓷）

●按使用性能分

结构材料

功能材料

●材料在工业中的应用：汽车中各种材料的比例波音767飞机所用的各种材料比例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）15导论三、材料性能与内部结构的关系★从材料的内部结构，可分为四个层次：

结合键

原子结构显微组织

原子排列方式

16导论三、材料性能与内部结构的关系★材料的四要素制备合成与/加工工艺材料使用性能成分/组织结构材料固有性能17导论四、材料的制备与加工工艺对性能的影响飞机发动机叶片飞机机翼发动机---飞机的心脏叶片18导论四、材料的制备与加工工艺对性能的影响单晶材料螺旋段起始段SinglecrystalColumnargrainsEqualedgrains螺旋选晶器晶粒选择晶粒竞争生长陶瓷模壳熔体水冷盘辐射散热

辐射加热

柱状晶粒形成腔下拉螺旋选晶器定向凝固炉19导论四、材料的制备与加工工艺对性能的影响蜡模模组单晶高温合金选晶器单晶材料20导论单晶材料型芯制备蜡模制备蜡模组装型模烧结型模检测叶片铸造蜡模清洗除去型壳型芯位置检测叶片热处理叶片切割叶片表面加工宏观腐蚀叶片尺寸测量晶粒数量和取向测量内部裂纹和孔洞测量叶片机械加工成品脱蜡挂浆挂料除去型芯高温合金单晶叶片的生产流程21激情时刻22第一章材料结构的基本知识23第一章材料结构的基本知识本章教学要点第一节原子结构第二节原子结合键第三节原子排列方式第四节晶体材料的组织第五节材料的稳态结构与亚稳态结构24第一章材料结构的基本知识

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，这些都归结为内部的结构不同。结构大致可分为四个层次：原子结构、原子结合键、材料中原子的排列以及晶体材料的显微组织。概述25第一节原子结构一、原子的电子排列可看成是原子核及分布在核周围的电子组成。原子原子核电子26第一节原子结构一、原子的电子排列——绕着原子核在一定的轨道上旋转质量虽

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

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。电子原子核——中子和质子组成，核的体积很小，集

中了原子的绝大部分质量。27第一节原子结构一、原子的电子排列原子核电子电子的排列和运动方式单个原子的行为结合方式材料种类材料性能28第一节原子结构一、原子的电子排列电子运动的轨道：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。主量子数n——决定电子离核远近和能量高低的主要参数。次量子数L——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布不同。它也影响轨道的能级，按s、p、d、f依次升高。29第一节原子结构一、原子的电子排列电子运动的轨道：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。磁量子数m——确定了轨道的空间取向。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，但在外加磁场下，不同空间取向轨道的能量会略有所差别。自旋量子数——ms=+1/2，–1/2，表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。30第一节原子结构主量子数n壳层序号次量子数L亚壳层状态磁量子数m规第的状态数目考虑自旋量子数ms后的状态数目各壳层总电子数12341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f113135135722626102610142（=2×12）8（=2×22）18（=2×32）32（=2×42）各电子壳层及亚壳层的电子状态31第一节原子结构

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：（1）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相同的两个电子。（2）最低能量原理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。32第一节原子结构电子能量水平随主量子数n和磁量子数L的变化情况主量子数n能量特点：主量