材料结构全册配套最完整精品课件3.ppt

1、材料结构全册配套最完整材料结构全册配套最完整 精品课件精品课件3 材料科学基础材料科学基础 材料科学与工程研究所 绪论绪论 3 导论 一、什么是材料？一、什么是材料？ 二、材料科学的研究对象及内容？二、材料科学的研究对象及内容？ 三、材料性能及决定因素？三、材料性能及决定因素？ 五、材料领域几个常见的概念五、材料领域几个常见的概念 四、材料科学的定义四、材料科学的定义 4 一、什么是材料一、什么是材料 (materials)？ 材料（材料（materials)是指经过某种加工（包括开采和运输），是指经过某种加工（包括开采和运输）， 具有一定的组分、结构和性能，适合于一定用途的具有一定的组分、结

2、构和性能，适合于一定用途的物质物质，它，它 是人类生活和生产活动的重要物质基础。是人类生活和生产活动的重要物质基础。 反映宏观性能。反映宏观性能。 1. 基本概念基本概念 物质物质 （matter)：是指任何具有时间、质量并占据空间是指任何具有时间、质量并占据空间 的一种东西。反映基本性质。的一种东西。反映基本性质。 5 2. 材料分类材料分类 分类方法：分类方法： 材料内部的主要化学键、材料的内部原子排列、物理效应和功材料内部的主要化学键、材料的内部原子排列、物理效应和功 能用途能用途. 当今的材料品种已超过数千万种且每年以增加当今的材料品种已超过数千万种且每年以增加2020多万种新材多万种

3、新材 料的速度增长料的速度增长 材料虽然种类繁多，但总体上仍可以分成五大类：材料虽然种类繁多，但总体上仍可以分成五大类：金属、陶金属、陶 瓷、聚合物、瓷、聚合物、复合材料和半导体材料复合材料和半导体材料。前三类属于基础材料，。前三类属于基础材料， 后二类是面向加工和工程应用的、在现代生活中必不可少的后二类是面向加工和工程应用的、在现代生活中必不可少的 基础材料。基础材料。 6 （1）以材料内部的主要化学键分类）以材料内部的主要化学键分类 1) 金属材料金属材料 金属材料是由金属元素或以金属元素为主、通过冶炼方法金属材料是由金属元素或以金属元素为主、通过冶炼方法 制成的一类晶体材料。原子间键合是

4、金属键。制成的一类晶体材料。原子间键合是金属键。特点：强度特点：强度 高、延展性好、导电导热，但不透明、易腐蚀。高、延展性好、导电导热，但不透明、易腐蚀。目前，目前， 金金 属材料占属材料占整个结构材料的整个结构材料的8080以上。以上。 常见金属材料：常见金属材料： 黑色金属：黑色金属：以以FeFe元素为基的钢铁材料，如碳钢、不锈钢、元素为基的钢铁材料，如碳钢、不锈钢、 铸钢等。铸钢等。 有色金属：有色金属：除除FeFe元素以外的一些金属材料，但主要指元素以外的一些金属材料，但主要指AlAl、 CuCu、NiNi、MgMg、Ti Ti 、ZnZn等等6 6种金属，也包括其他一类金属，种金属，

5、也包括其他一类金属， 如轻金属如轻金属(Li)(Li)、重金属、重金属(W)(W)、贵金属、贵金属(Au)(Au)、稀有金属、稀有金属(Y)(Y)等等 (metallic materials） 7 液态或固态液态或固态氢氢在上百万在上百万大气压大气压的高的高 压下变成的导电体。由于导电是金压下变成的导电体。由于导电是金 属的特性，故称金属氢。属的特性，故称金属氢。 金属氢是金属氢是 一种高密度、高储能材料，之前的一种高密度、高储能材料，之前的 预测中表明，金属氢是一种室温超预测中表明，金属氢是一种室温超 导体。金属氢内储藏着巨大的能量，导体。金属氢内储藏着巨大的能量， 比普通比普通TNT炸药大

6、炸药大3040倍。倍。 2017年年1月月26日日, 杂志报杂志报 道哈佛大学实验室成功制造出金道哈佛大学实验室成功制造出金 属氢属氢 8 2）陶瓷材料）陶瓷材料 陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、 采用烧结或合成工艺制备的一类无机非金属材料。采用烧结或合成工艺制备的一类无机非金属材料。普通陶普通陶 瓷的原子间键合是离子键。瓷的原子间键合是离子键。特点：硬度高、耐高温、绝缘、特点：硬度高、耐高温、绝缘、 隔热，但脆性、难加工。隔热，但脆性、难加工。 主要陶瓷材料：主要陶瓷材料： 普通陶瓷普通陶瓷: :天然硅酸盐矿物原料天然硅

7、酸盐矿物原料( (粘土、石英（粘土、石英（SiOSiO2 2）) )通过通过 烧结而成的普通陶瓷。例如，玻璃、耐火砖、陶器、瓷器烧结而成的普通陶瓷。例如，玻璃、耐火砖、陶器、瓷器 等。等。 先进陶瓷先进陶瓷: :采用高纯度原料，用化学合成方法制备的先进陶采用高纯度原料，用化学合成方法制备的先进陶 瓷。瓷。 例如，例如， AlAl2 2O O3 3 、SiCSiC、SiSi3 3N N4 4 、TiBTiB2 2、MoSiMoSi2 2 等。等。 9 3) 聚合物聚合物 聚合物是以聚合物是以C C、H H元素为主的元素为主的、主链由许多结构单元以共价键主链由许多结构单元以共价键 方式重复连接而成

8、的高分子材料。方式重复连接而成的高分子材料。特点：质轻、绝缘、易成特点：质轻、绝缘、易成 型，但强度低、耐热性差。型，但强度低、耐热性差。 主要聚合物材料：主要聚合物材料： 塑料：塑料： a. a. 热固性树脂（热固性树脂（themosetting resinthemosetting resin） 环氧树脂环氧树脂(EP)、不饱、不饱 和聚酯和聚酯(UP)、酚醛、酚醛(PF)等等 ； b. b. 热塑性塑料热塑性塑料(thermoplastic) (thermoplastic) 通用塑料通用塑料(PE, PP, PVC, PS)、 工程塑料工程塑料(PET, PC, etc)(PET, PC,

9、 etc)和特种塑料和特种塑料(PEEK，PES，etc) 。 橡胶：橡胶： 天然橡胶天然橡胶(NR) (NR) 丁苯橡胶丁苯橡胶(SBR) 丁腈橡胶丁腈橡胶(ABR )等；等； 聚合物还包括涂料聚合物还包括涂料(coating)(coating)、粘接剂、粘接剂(adhesive)(adhesive)等。等。 10 4）复合材料）复合材料 复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过通过 特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。原子间键特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。原子间键 合方式是混合键。合方式是混合键。特点特点: : 比强度比模量高

10、性能可设计但比强度比模量高性能可设计但 界面较弱界面较弱 11 5）半导体材料）半导体材料 半导体材料是以半导体材料是以SiSi、GeGe等元素用共价键方式结合的、电性等元素用共价键方式结合的、电性 能可调的一类单晶体材料。也包括化合物半导体材料、有能可调的一类单晶体材料。也包括化合物半导体材料、有 机电子材料等多晶体或非晶体材料。机电子材料等多晶体或非晶体材料。 特点：导电性介于导体和绝缘体之间，化学纯度和表面特点：导电性介于导体和绝缘体之间，化学纯度和表面 加工精度高，但性能易受成分、尺寸、加工等因素的影响。加工精度高，但性能易受成分、尺寸、加工等因素的影响。 元素半导体材料元素半导体材料

11、(Si(Si和和Ge (IVAGe (IVA族元素族元素) )） 化合物半导体材料化合物半导体材料( (GaAs , InP(III-V(III-V族化合物族化合物) )和和CdTe(II-VI(II-VI 族化合物族化合物) ) 如今半导体材料还包括些非如今半导体材料还包括些非2晶的有机半导体材料，晶的有机半导体材料， 如聚噻吩如聚噻吩(P3TH),(P3TH),聚苯胺聚苯胺(PANI),(PANI),聚对苯撑乙烯聚对苯撑乙烯(PPV)(PPV)等。等。12 12 （2）以材料内部的原子排列方式分类）以材料内部的原子排列方式分类 (1) (1) 晶态材料晶态材料: : 单晶材料单晶材料(Si

12、)(Si)、多晶材料、多晶材料(Fe-C)(Fe-C) (2(2) ) 非晶态材料非晶态材料: : 普通玻璃、金属玻璃、无规型高分子普通玻璃、金属玻璃、无规型高分子 材料。材料。 (3) (3) 准晶态材料准晶态材料：液晶高分子：液晶高分子( (酸酯类、联苯类、环基类酸酯类、联苯类、环基类 和碳酸酯类和碳酸酯类) ) （3）以物理效应分类）以物理效应分类 压电材料、热释电材材、声光材料、电光材料、导电材压电材料、热释电材材、声光材料、电光材料、导电材 料结构材料料结构材料 （4）按用途分类）按用途分类 信息材料、能源材料、建筑材料、耐磨材料、核能材信息材料、能源材料、建筑材料、耐磨材料、核能材

13、 料、生物材料、医用材料等。料、生物材料、医用材料等。 13 人类使用材料的人类使用材料的 七个时代七个时代 石器时代（公元前10万年） 青铜器时代（公元前3000年） 铁器时代（公元前1000年） 水泥时代（公元0年） 钢时代（1800年） 硅时代（1950年） 新材料时代（1990年） 3. 材料的发展历史材料的发展历史 14 燧石，这种容易制成工具 的石头，开始了制陶业的 发展。（300，000BC） 天然金与铜被用作工具与 武器，开始了人类金属的 使用。（5500BC） 熔炼和锤击改变了 铜的性能-材料开始 发展（5000BC） 金属铸造工艺-人们得 到了他们需要的形状。 （4000B

14、C） 从矿石中提炼铜-冶金业的 黎明 （3500BC） 青铜的使用-制造合金 （3000BC） 15 铁的发现（1450BC） 炼铁的需要促使了鼓 风机与熔炉的发明 （1500AD） Henry Bessemer拥有钢铁冶炼 的专利-当代钢铁冶炼的出现。 （1855AD） 电化学方法冶炼铝-使铝成 为一种常用金属(1886AD) 尼龙的商业发展，高分 子材料发展的关键时期） （1939） 高温合金的发展，掺镍 合金促进了喷气发动机 的发展。（1950s) 16 制作越来越小的硅芯片(1960s) 高温超导体，高温超导的革命时代 （1980s） 新材料时代 17 现代生活中的材料现代生活中的材料

15、 18 机身通常有许多种材料制成。历史上机身几乎无一例外的由铝制成，用 钢加固关键部位，如发动机衬里和起落架。自从喷气发动机使用以来，钛用于 抵御机身的高温。钛之后是更高级的复合材料，通常是碳、硼纤维及环氧化合 物。这种复合材料非常轻，可以在某特定方向上增加强度（用于特殊目的）。 今天的飞机就是使用这种化合物而且还在随着新材料的诞生而不断发展。当为 飞机部件选择材料时，设计师要时时考虑“权衡”，也就是要选择重量最轻而 强度也要满足一定要求，此外还要考虑预算的问题。 19 磁悬浮列车磁悬浮列车 超导电性 磁力线不能穿过超导体 20 材料在现代社会中的地位材料在现代社会中的地位 2020世纪世纪7

16、070年代把年代把材料、信息和能源材料、信息和能源列为现代社会文明列为现代社会文明 的三大支柱；的三大支柱； 2020世纪世纪8080年代以高新技术为代表的新技术革命，再次年代以高新技术为代表的新技术革命，再次 把把新材料、信息技术和生物技术新材料、信息技术和生物技术列为重要标志；列为重要标志； 2121世纪美国把世纪美国把与材料密切相关的四大技术与材料密切相关的四大技术：纳米技术、：纳米技术、 生物技术、信息技术和认知技术列为发展的重中之重。生物技术、信息技术和认知技术列为发展的重中之重。 21 二、材料研究对象及内容二、材料研究对象及内容 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料 主要是工

17、程材料主要是工程材料 研究对象研究对象 作为一个工程师可以学习如何选择和应用材料的一般原理， 即材料的内部结构及对性能的影响。只有掌握材料科学的基础理 论和知识，才能对任一种材料进行研究和应用 。 22 研究内容研究内容 从目的看从目的看, 要 解 决 材要 解 决 材 料的性能料的性能 使用性能：机械性能、物理、化学性能； 工艺性能：铸、锻、焊、热处理、切削等性能 实质，是研究材料的成分组织、结构性能之间的关系！实质，是研究材料的成分组织、结构性能之间的关系！ 23 举例举例1金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前者是 自然界中最坚硬的固体，而后者却很软 （因晶体结构不同） 石墨烯是一

18、种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料， 是碳的二维结构，是一种“超级材料”，硬度超过钻石，同时 又像橡胶一样可以伸展。它的导电和导热性能超过任何铜线， 重量几乎为零。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把 20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。 24 举例举例2同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯 曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同. （因两者成分不同因两者成分不同）。 25 举例举例3两根锯条，同时加热（800），然后一根水冷，一 根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧 （因组织不同） 26 举例举例4若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热变硬 （脆）断. （因塑性

19、变形塑性变形）。 27 材料科学基础材料科学基础的主要任务的主要任务，是从材料内部结构探讨其性 质与行为，阐明材料结构与性能之间的内在联系及规律，为认 识和改进材料的性能提供必备的基础知识。 28 三、三、 材料的性能材料的性能 材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或 本性；功能是人们对材料的某种期待与要求中可以承担功效，以及承本性；功能是人们对材料的某种期待与要求中可以承担功效，以及承 担该功效下的表现或能力。担该功效下的表现或能力。 1.1. 力学性能力学性能 2. 物理性能物理性能 3. 化学性能化学性能 4. 工

20、艺性能工艺性能 材料的性能：材料的性能： 由其内部结由其内部结 构决定，构决定， 原子结构 结合键 原子的排列方式 显微组织 （四层次） 材料性能由四个层次决定！材料性能由四个层次决定！ 29 1、力学性能、力学性能 材料的力学性能是指材料处于特定环境因素材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、介质温度、介质 等等)时，在外力或能量作用下表现出来的变形和破坏的特征。时，在外力或能量作用下表现出来的变形和破坏的特征。 材料的性能材料的性能 通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料 的主要力学性能有的主要力学性能有： 弹性弹性 强度

21、强度 塑性塑性 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳特性疲劳特性 耐磨性耐磨性 30 2、物理性能、物理性能 材料的物理性能是指材料本身具有的各种物理量材料的物理性能是指材料本身具有的各种物理量(热、电、热、电、 光、磁等光、磁等)以及环境变化时他们的变化程度。以及环境变化时他们的变化程度。 材料的性能材料的性能 1 1）密度与比容）密度与比容 2 2）导热性）导热性 3 3）热膨胀系数）热膨胀系数 单位体积物质的质量 kg/m3 单位质量的物质所占的体积 m3/Kg 物体内温度梯度为1/m时，在单位时间、 单位面积内传递的热量 W/(mK) 温度上升1时，单位长度的伸长量 mm/(mm)或-1

22、31 材料的性能材料的性能 5 5）电阻与电导）电阻与电导 6 6）电阻温度系数）电阻温度系数 4 4）熔点）熔点 7 7）导磁率）导磁率 物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。 电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。单 位是m，其倒数称为电导率 S/m 西门子/米 温度上升1时，电阻率 的变化系数，单位-1 电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导电是热激活 过程，温度升高，电阻率下降。 超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值降为零的特 征。每种材料有自己的转变温度，某些化合物的转变温度达到100K 以上。 铁合金、化合物(铁氧体)特有性能。是衡量物质的导磁 性能的

23、一个系数，以字母表示，单位是亨/米 32 3、 化学性能化学性能 反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大 小的相关参数。小的相关参数。 材料的性能材料的性能 工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极电工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极电 位、储能密度等。位、储能密度等。 材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。 发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀( (氧化氧化) )、电化学腐蚀和应力腐、电化学腐蚀和应力腐 蚀等

24、不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照因因 素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损坏，素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损坏， 防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。 33 4、工艺性能、工艺性能 材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。 主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。 材料的性能材料的性能 1） 材料可生产性材料

25、可生产性：得到材料的可能性和制备方法。：得到材料的可能性和制备方法。 2） 铸造性铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝 固，获得零件的方法。固，获得零件的方法。 流动性：充满型腔能力流动性：充满型腔能力 收缩率：缩孔数量的多少和分布特征收缩率：缩孔数量的多少和分布特征 偏析倾向：材料成分的均匀性偏析倾向：材料成分的均匀性 34 材料的性能材料的性能 3） 锻造性锻造性：材料进行压力加工：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤锻造、压延、轧制、拉拔、挤 压等压等)的可能性或难易程度的度量。的可能性或难易程度的度量。 4） 焊接性

26、焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。 塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。 塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。 连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。 焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。 35 材料的性能材料的性能 5） 切削加工性切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的：材料进行切削加工的难易程度。它与

27、材料的 种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。 6） 热处理性能热处理性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能 改变的程度。改变的程度。 切削抗力切削抗力 加工表面质量加工表面质量 排屑难易程度排屑难易程度 切削刀具的使用寿命切削刀具的使用寿命 随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和 变化。变化。 36 研究的意义：研究的意义： 1. 性能决定了材料的用途。性能决定了材料的用途。 2. 性能决定了材料和零部件生产方法。性能决定了材料

28、和零部件生产方法。 3. 性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。 37 四、四、 材料科学定义材料科学定义 材料科学是研究材料科学是研究材料的成分、加工工艺与组织、性能之材料的成分、加工工艺与组织、性能之 间的关系及其相关规律的科学。间的关系及其相关规律的科学。 （四个层次） （物理、化学、力学） +产品设计、 工程应用能力 （寿命、速度、能量利用率、安全、成本） 38 了解和学会现有材料的使用方法了解和学会现有材料的使用方法 研究开辟现有材料的新工艺、新用途研究开辟现有材料的新工艺、新用途 研究和创建新材料研究和创建新材料 材料科

29、学研究的目的材料科学研究的目的 39 补充：补充：与材料科学相关的几个概念与材料科学相关的几个概念 1、材料工程、材料工程 是工程的一个领域，其目的在于经济而又能为社会所能 接受地控制材料的结构、性能和形状；是解决“怎么做”的 问题的学问，要全面考虑材料的5个判据： 经济 为社会所能接受 环保 资源 能源 质量 结构 性能 形状 内在质量 （外在质量） 40 2、材料科学与工程的区别和联系、材料科学与工程的区别和联系 材料科学的核心问题是结构与性能的关系； 材料工程要全面考虑材料的5个判据： 科学研究“为什么”的学问；工程是解决“怎样做”的问题的学问 一般地说， 具体说， 客观地说， 紧密联系

30、、互相促进 材料科学的基础理论，为材料工程知名方向，为更好地选择、使用、发挥 现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础； 材料工程为材料科学提出了丰富的研究课题 41 材料科学与材料工程二者的区别主要在于着眼点 的不同，各自强调的中心不同，之间并没有一条明确 的分界线 材料科学与工程（MSE）往往就 作为课程和专业的名称 42 3、材料化学、材料化学 材料化学是研究材料的制备、组成、结合、性质及其应 用的科学是材料学的重要分支，而材料制备技术与合成方法 是材料化学研究的核心内容。 既是材料科学的一个重要分支，又是化学学科的一个 组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质，并且 是材料科学的核心

31、部分。 43 4、材料物理、材料物理 凝聚态物理学与材料科学的一个交叉学科，属于理科的 技术科学类。 它以物理学的基础理论和现代科学技术为背 景，主要研究范围包括材料的制备、结构特征、 物性测定、 性能分析及开发应用等方面。 44 传统材料：生产工艺已经成熟，并已投入工业生产的材料； 新型材料：是指新发展和正在发展的材料，具有特殊功能的 材料，如高温超导材料、功能高分子材料、工程 陶瓷、纳米材料等； 新型材料从设计到生产，需要专门的设备和技术，它自身新型材料从设计到生产，需要专门的设备和技术，它自身 形成了一个独特的领域，称为新材料技术！形成了一个独特的领域，称为新材料技术！ 5、传统材料与新

32、材料、传统材料与新材料 45 五、课程的特点和学习方法五、课程的特点和学习方法 这是一门理论性和实践性都很强的课程这是一门理论性和实践性都很强的课程,与基础课相比与基础课相比,有很有很 大不同：大不同： 书中概念多，术语多； 公式、定律少，定性的描述多； 内容多，需要记忆和理解的知识多。 考核方式：考核方式：平时（平时（30%）+考试（考试（70%）=总成绩总成绩 学习时注意理解基本概念，掌握基本知识，并通过例题和学习时注意理解基本概念，掌握基本知识，并通过例题和 习题，举一反三，加深理解。习题，举一反三，加深理解。 作业缺交一次，当次没成绩；旷课作业缺交一次，当次没成绩；旷课2次及以上总成绩

33、次及以上总成绩-5分；分； 旷课旷课4次及以上取消考试资格！次及以上取消考试资格！ 8/30/202146 第一章第一章 材料结构的基本知识材料结构的基本知识 （一）（一） 47 材料结构材料性能 四层次 原子结构 原子结合键 原子的排列 显微组织 48 思考思考 1、什么是价电子？、什么是价电子？ 2、K与与Cu相比，谁更活泼？为什么？相比，谁更活泼？为什么？ 3、金属是否均是由金属键构成的？、金属是否均是由金属键构成的？W为什么具有为什么具有 高熔点？高熔点？ 4、一般情况下，金属、陶瓷、聚合物相比，谁、一般情况下，金属、陶瓷、聚合物相比，谁 的密度更高？的密度更高？ 5、什么是弹性模量？

34、、什么是弹性模量？ 49 一、原子结构一、原子结构 1、原子的电子排列、原子的电子排列 - -2 27 7 - -2 27 7 - -3 31 1 （p pr ro ot to on n） （n ne eu ut tr ro on n） 质质子子：正正电电荷荷m m1 1. .6 67 72 26 6 1 10 0k kg g 原原子子核核（n nu uc cl le eu us s) )：位位于于原原子子中中心心、带带正正电电 中中子子：电电中中性性m m1 1. .6 67 74 48 8 1 10 0k kg g 电电子子（e el le ec ct tr ro on n）：核核外外高高

35、速速旋旋转转，带带负负电电，按按能能量量高高低低排排列列，如如电电子子云云（e el le ec ct tr ro on n c cl lo ou ud d） m m9 9. .1 10 09 95 5 1 10 0 k kg g，约约为为质质子子的的1 1/ /1 18 83 36 6 50 波函数和原子轨道波函数和原子轨道 1926 1926年，年，SchrSchrdingerdinger（薛定谔）根据德布罗伊（薛定谔）根据德布罗伊 物质波的观点将电子的粒子性代入波动方程。物质波的观点将电子的粒子性代入波动方程。 )( 2 cosEtxp h A 是描述波动的函数，称为波函数，可用来表示任

36、何是描述波动的函数，称为波函数，可用来表示任何 微观粒子的行为。微观粒子的行为。 51 波函数是三维空间x、y、z的函数，其二阶偏微分方程就 是有名的薛定谔方程 电子的波函数电子的波函数 对原子核外电子运动的描述具有十分重对原子核外电子运动的描述具有十分重 要意义：要意义： 波函数不同，其能量不同波函数不同，其能量不同。 每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为 原子轨道。原子轨道。 相当于给出了电子运动的相当于给出了电子运动的“轨道轨道”。 0)VE( h m8 zyx 2 2 2 2 2 2 2 2 52 四个量子数四个量子数 (1)

37、 主量子数主量子数 （2）角量子数）角量子数 （3）磁量子数）磁量子数 （4）自旋量子数）自旋量子数 n，电子层；，电子层； l，同一壳层上的电子依据能量水平不同分的，同一壳层上的电子依据能量水平不同分的 亚壳层（亚壳层（spdf)，反映了轨道的形状；，反映了轨道的形状； m，确定轨道的空间取向；，确定轨道的空间取向； ms，每个状态下可以存在自旋方向相反的，每个状态下可以存在自旋方向相反的 两个电子；两个电子； 53 (1)主量子数主量子数 n 主量子数主量子数 n 表示电子层，其值越大，轨道距表示电子层，其值越大，轨道距 核越远，能量越高。核越远，能量越高。 电子层符号电子层符号 K L

38、M N O P Q 主量子数主量子数 n 1 2 3 4 5 6 7 54 （2）角量子数）角量子数 l 角量子数角量子数 l 又叫副量子数，表示电子亚层。它确定又叫副量子数，表示电子亚层。它确定 着电子轨道的着电子轨道的能级和形状能级和形状。 在在n n确定后，同一壳层上的电子依据角量子数确定后，同一壳层上的电子依据角量子数l l再分成再分成 若干个能级大小不同的亚壳层：若干个能级大小不同的亚壳层：l= 0l= 0、1 1、2 2、3 3、4 4、55。 这些亚壳层可用小写字母这些亚壳层可用小写字母 s s、p p、d d、f f 表示；表示；s s、p p、d d、f f 是根据四个亚壳层

39、的光谱线特征得到的，是根据四个亚壳层的光谱线特征得到的， 即即 sharp (sharp (敏锐的敏锐的) )、principal(principal(主要的主要的), diffuse(), diffuse(漫散漫散 的的), fundamental(), fundamental(基本的基本的) )。 n n相同但内壳层的轨道不同，电子的能级也不同，能量相同但内壳层的轨道不同，电子的能级也不同，能量 水平是随水平是随s s，p p，d d，f f 依次升高。依次升高。 55 角量子数角量子数 l 的值为：的值为：0 n1【一个一个n值可以有值可以有n个个l值值】 如：主量子数：如：主量子数：

40、1 2 3 4 角量子数角量子数 ： 0 1 2 3 轨道符号：轨道符号： s p d f 轨道形状：轨道形状： 球形球形 哑铃形哑铃形 花瓣形花瓣形 同样，同样，l 的值越大，轨道距核越远，能量越高的值越大，轨道距核越远，能量越高 l=0 l=1 l=2 56 （3）磁量子数 m 磁量子数 m 确定着轨道的数目和空间取向 对应于每个l下的磁量子总数（轨道数）为： m = 2(l)+1一个m代表一个轨道（m在-l+l之间取整数） 如：角量子数如：角量子数 0 1 2 3 轨道符号轨道符号 s p d f 轨道数目轨道数目 1 3 5 7 m 不影响轨道能级，在没有外加磁场的情况下，处于不影响轨

41、道能级，在没有外加磁场的情况下，处于 同一亚壳层的电子具有相同的能量。同一亚壳层的电子具有相同的能量。 在磁场作用下，电子绕核运动既具有能量，还具有角在磁场作用下，电子绕核运动既具有能量，还具有角 动量动量P P。P P不仅在数值上不能任意取值，而且相对于磁场不仅在数值上不能任意取值，而且相对于磁场 方向的取向也不是任意的且是量子化的方向的取向也不是任意的且是量子化的 磁量子数磁量子数 （0）（）（-1，0，+1）（）（-2，-1，0，+1，+2） 57 s、p、d电子云的角度分布图 58 （4 4）自旋量子数）自旋量子数 m ms s 自旋量子数自旋量子数 m ms s并不是求解薛定谔方程得

42、出的，并不是求解薛定谔方程得出的， 它是人们研究氢光谱的精细结构时，证实了每个轨道它是人们研究氢光谱的精细结构时，证实了每个轨道 上存在着上存在着自旋相反的两个电子自旋相反的两个电子，为了表达这两个电子，为了表达这两个电子 的区别，引出的第四个量子数。它只有的区别，引出的第四个量子数。它只有1/21/2、1/21/2 两个取值。表示为两个取值。表示为、。 原子核外电子的状态由这四个量子数确定原子核外电子的状态由这四个量子数确定 59 电子分布情况电子分布情况 原则： 1）泡利不相容原理）泡利不相容原理 2）电子总是优先占据能量低的轨道）电子总是优先占据能量低的轨道 角量子数和自旋量子数 主量子

43、数和次量子数 电子能量分布情况电子能量分布情况 电子能量随主量子数n的增加而升高； 同一壳层的能量按s、p、d、f次序依次升高 相邻壳层的能量范围有重叠现象； 3) 洪特规则：同一亚壳层的能量等价的轨道上，电子总是尽洪特规则：同一亚壳层的能量等价的轨道上，电子总是尽 可能地分别占据不同的轨道，且自旋方向相同。可能地分别占据不同的轨道，且自旋方向相同。 60 主量子数为主量子数为n n的壳层中最多能容纳的电子数为的壳层中最多能容纳的电子数为2n22n2 61 s s p s p d s p d s p d s p d s p d f f f 1234 567 主量子数n 能量水平：1s-2s-2

44、p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p- 相邻壳层的能量范围有重叠现象。相邻壳层的能量范围有重叠现象。 62 2、元素周期表元素周期表（periodic Table of the Elements) 元素（元素（Element）：）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数种，核电荷数 是划分元素的依据是划分元素的依据 同位素（同位素（Isotope）：）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 元素有两种存在状态：游离态和化合态（元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State

45、 v=(2V-U)/3; t=-(U+V)/3; w=W ? 由密氏指数换算为密布氏指数由密氏指数换算为密布氏指数 （解析法）（解析法） 8/30/2021145 Transformation of indices Transformation of 3 to 4 indices, or vice versa. Suppose we have a vector, whose 3 indices UVW, and 4 indices u v t w. cwa tavauL 321 cWaVaU 21 )()( 213 vutaaa 8/30/2021146 or: cWaVaU cwaavuav

46、au 21 2121 )( cWaVaU cwavuavu 21 21 )2()2( wWuvVvuU22 )2(31VUu )2(31UVv Ww )(vut 8/30/2021147 For example: 0112 :100 0w 3 1 t 3 1 v 3 2 u 8/30/2021148 利用公式由密氏晶向指数换算得到密布氏指数（国内外大利用公式由密氏晶向指数换算得到密布氏指数（国内外大 多数教材采用方法）多数教材采用方法） 但是，这个公式并不容易记牢！但是，这个公式并不容易记牢！ 利用利用“行走法行走法”则很难碰巧满足则很难碰巧满足t=-(u+v)的条件的条件 确定晶向指数的方法

47、有多种确定晶向指数的方法有多种 一种简一种简 单方法：单方法： 先求出晶向上任意一点先求出晶向上任意一点a1,a2,a3，c四晶轴的四晶轴的垂直垂直投影投影 然后将前三个数值乘以然后将前三个数值乘以2/3； 再和第四个数值一起化为最小简单整数再和第四个数值一起化为最小简单整数 即可得出此晶向的密布氏指数即可得出此晶向的密布氏指数 8/30/2021149 4、晶面间距、晶面间距 相邻两个平行晶面之间的距离！相邻两个平行晶面之间的距离！ 晶面间的距离越大，晶面上的原子排列越密集。晶面间的距离越大，晶面上的原子排列越密集。 同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶面同一晶面族的原子排列方式相同，它们

48、的晶面 间的间距也相同。间的间距也相同。 低指数的晶面间距较大。低指数的晶面间距较大。 h, k, l为晶面指数，为晶面指数，a, b, c为点阵常数为点阵常数 8/30/2021150 5.晶带（Crystal zone） 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”（crystal zone） 此直线称为晶带轴（crystal zone axis），所有的这些晶面都称为共带面。 晶带轴u v w与该晶带的晶面（h k l）之间存在以下关系 hu kv lw0 晶带定律 凡满足此关系的晶面都属于以u v w为晶带轴的晶带 1）已知两不平行晶面（）已知两不平行晶面（h1k1l1

49、)和和(h2k2l2)， 则由其所决定的晶带轴为：则由其所决定的晶带轴为： u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1 2) 已知两不平行晶向已知两不平行晶向u1v1w1和和u2v2w2，则由其，则由其 所决定的晶面指数为：所决定的晶面指数为： h=v1w2-v2w1;k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1 8/30/2021151 二、纯金属的晶体结构二、纯金属的晶体结构 1、典型金属的晶体结构、典型金属的晶体结构 结构特点结构特点: :以金属键结合，失去外层电子的金属离子与自由电子以金属键结合，失去外层电子的金属离子与自由电子 的吸引力。无方向性，

50、对称性较高的密堆结构。的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆结构。 常见结构：常见结构： 体心立方体心立方 bcc bcc Body-centered cubic 面心立方面心立方 fcc fcc Face-centered cubic 六方密堆六方密堆 hcp hcp Close-packed hexagonal 体心立方点阵 面心立方点阵密排六方点阵 8/30/2021152 1 1）面心立方）面心立方 原子位置原子位置 立方体的八个顶角和每个侧面中心立方体的八个顶角和每个侧面中心 堆垛方式：ABCABC. 8/30/2021153 面心立方中原子排列面心立方中原子排列 在面心立方晶格中密排