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1、2013/1/6 材料科学基础复习 旗舰版诸论材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质，是组成生产工具的物质基础。金属材料的基本特性：1 结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构；2 金属在常温下一般为固体，熔点很高；3 具有金属光泽；4 纯金属范性大，延展性也大；5 强度较高；6 自由电子的存在，金属的导热和导电性好；7 多数金属在空气中易被氧化。无机非金属材料的基本特性：1 结合键主要是离子键，共价键以及它们的混合键；2 硬而脆，韧性低，抗压不抗拉，对缺陷敏感；3 熔点较高，具有优良的耐高温，抗氧化性能；4 自由电子数目少，导热性和导电性较小；5 耐化学腐蚀性好；6
2、 耐磨损；7 成型方式为粉末制坯，烧结成型。高分子材料的基本特性：1 结合键主要为共价键；2 分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度，黏流温度，并有热塑性和热固性两类；3 力学状态有玻璃态，高弹态和黏流态，温度较高；4 重量轻；5 具有良好的绝缘性；6 优越的化学稳定性；7 成型方法较多。材料结构基础材料结构的含义是广泛的，从宏观到微观， 即按研究的层次，材料结构大致可分为宏观组织结构，显微组织结构，原子或分子排列结构，原子中的电子结构等。内部结构包括四层次：1 原子结构2 结合键3 原子的排列方式4 显微方式原子间基本结合（化学键合）包括：离子键合，共价键合和金属键合一 .离子键 是由原子
3、核释放出最外壳层的电子变成带正电荷的原子，与接收其放出的电子变成带负电荷的原子相互的吸引作用特点：1 电子束缚在离子中2 正负离子吸引大3 构成三维整体晶体结构4 在溶液中离解成离子其形成的物质熔点，硬度均较高，良好的电绝缘性离子键的形成，是与中性原子形成离子的难易和离子形成晶体时的堆积方式有关。在离子型化合物的生成过程中，晶格能 的变化很大。二 .共价键 是两个原子共有最外层电子的结合（相邻原子通过共用一对或几对价电子却可以使各原子的外层电子结构都成为稳定的八电子层）特点：1 两原子共享最外层壳层电子对2 两原子相应轨道上的电子各仅有1 个，自旋方向相反3 有饱和性和方向性其形成的物质结合牢
4、固，熔点高，质硬脆，导电性能差共价键合的结合力也来源于静电引力三 .金属键合： 自由电子和金属正离子相互作用所构成的键合特点：1 由正离子排列成有序晶格2 各原子最外层电子释放，共同在晶格中随机自由无规则运动3 无方向性，无饱和性金属的热导率和电导率之所以大主要是由于自由电子的存在。此外， 金属具有相当高的强度，大的范性形变性质（可塑性） 和不透光性也是由金属的游离电子引起的，而硅酸盐材料因为是以共价键或共价键与离子键以共振状态相结合的，当化学键断开之后便互相分离，不会像金属那样显出范性变形。其形成的物质具有良好的延展性，良好的导电与导热性。四 .混合键合： 存在着既有离子键合又有共价键合。元
5、素的电负性定义：元素的原子在化合物中把电子引向自己的能力。形成共价键结合的两元素的电负性相等或接近，而形成离子键的两元素的电负性差别较大。五 .派生结合： 又称物理键合或次价键合，主要有范德华键合，氢键。特点：1 无方向无饱和性2 键能最小3 决定物质的沸点熔点，气化热1 范德华 为按形成原因和特性可分为三部分：取向力（本质静电引力），诱导力和色散力诱导偶极与固有偶极间的作用力叫诱导力，存在于极性分子与非极性分子之间和极性分子与极性分子之间。色散力存在于一切极性的与非极性的分子中，是范德华力中最普通，最主要的一种力。2 氢键结合氢键是一种特殊类型的物理键，它比范德华键要强得多，但比化学键弱各种
6、键性比较：离子键， 共价键和金属键都牵涉原子外层电子的重新颁布，这些电子在键合后不再仅仅属于原来的原子，因此这三种键都称为化学键。相反， 在形成范德华键和氢键时，原子的最外层电子分布没有发生变化或变化极小，它们仍然属于原来的原子，因此这两种键称为物理键，化学键最强，氢键次之，范德华键最弱。键能的定义为：在 101.3kpa，298K 条件下，断开1molAB 为 A，B 过程的焓变，称为AB 键的键能，通用符号为H298（AB）结合键键能大小：离子键 共价键 金属键 氢键 范德华力晶体定义： 晶体是由原子（或离子，分子）在空间周期性长程有序排列构成的固体物质，结构简单，规整性高，相互间作用力强
7、的组分易于结晶。性质：1 确定的熔点2 自发地形成规则多面体的能力3 稳定性，即晶体中的化学成分处于热力学上的能量最低状态4 各向异性，即在晶体中不同的方向上呈现不同的物理性质5 均匀性，即同一晶体各部分的宏观性性质相同空间点阵定义：晶体的内部结构可抽象为由一些相同的几何点在空间做周期性的无限分布，几何点代表基元的某个相同位置，点的总体就称作空间点阵。点阵 +基元 =晶体结构基元 可以是原子，离子，分子或原子基团晶胞定义： 按照晶体的内部结构的周期性，划分出一个个大小和形状完全一样的平行六面体，以代表晶体结构的基本重复单位。按晶胞分7 个晶系：立方，六方，四方，三方，正交，单斜，三斜晶向指数定
8、义： 晶向是一根从原点出发通过某一点的射线和矢量，晶向指数用晶向在晶胞各轴上投射的最低的一组整数来标明，常用方括号 u,v,w来表示晶向， 字母 u,v,w 分别表示x,y,z三个方向上的指数。相互平行晶向指数是相同的，最后要注意， 对于负的指数，是在其上加一横线来表示晶向指数确定方法如下：1 将矢量定位于适当的坐标系，让其通过原点及晶胞面。选用与此保持平行的矢量也不会对结果产品影响。2 依次确定矢量在x,y,z轴上的投影长度，分别用晶胞尺度a,b,c 为单位表示。3 将投影长度去掉单位后的3 个数字通分并去掉分母成无约数的3 个最小整数4 将 3 个整数加上方括号即为晶向指数，其间不加逗号分
9、隔。晶面指数： 晶体内空间点阵的阵点，可以从各个方向被划分成许多组平行且等距的平面点阵。这些平面点阵所处的平面称为晶面。晶面具有以下特点：1 晶面组一经划定，所有的阵点全部包含在晶面组中而无遗漏2 一组晶面平行且两两等距，这是空间点阵周期性的必然结果晶面指数是晶面在3 个晶轴上的截距倒数之比：确定方法：1 选晶胞的某一顶点为原点，三条棱边分别为x,y,z轴2 写出该晶面与x,y,z 轴相交的截距，为了避免出现零截距，所选的原点一定要在被标定的晶面之外3 取各截距的倒数4 将三个倒数通分后去掉分母，3 个分子数即为该晶面的晶面指数（此处有一个公式）注意以下几点；1 当晶面与某晶轴平行时，则可认为
10、晶面与该轴在无限远处相交，截距无穷大， 其倒数为 0，故相应的指数为0 2 如果被标定晶面与坐标轴的负方向相截，则在指数上方冠以负号3 在晶体中凡是位于坐标的同一象限中互相平行的平面都具有同一晶面指数晶体的类型：金属晶体，离子晶体，共价晶体和分子晶体金属（晶体）结构：面心立方，体心立方，密排六方晶体结构的特征可用点阵类型，点阵常数（晶格常数），最近的原子间距，配位数，致密度等表示。致密度APE 定义： 是指一个晶胞中原子占有的总体体积与整个晶胞体积之比，可以看到，面心立方和密排六方的致密度为0.74，此为均匀刚球的最大堆积密度。晶格常数a 原子半径r=根号 3/4*a 原子数2 配位数8 致密
11、度k=nv/v = (2*(4/3)*3.14*r的三次方 )/a 的三次方离子晶体：离子晶体的堆积形式主要取决于正负离子的电荷数和正负离子的相对大小，离子晶体的结构可以认为是一个以正离子为中心，周围配置多个负离子而形成负离子配位多面体。共价晶体：金刚石结构，层状结构分子晶体： 基本组元是分子而不是原子，是分子间通过范德华键和氢键等物理相互作用形成晶体结构。固溶体定义： 外来组分（离子，原子或分子）分布在基质晶格内，类似溶质溶解在溶剂中一样，但不破坏晶体的结构，仍旧保持一个晶相，称固溶体。分类 ：根据相图分：端部固溶体，中间固溶体根据溶质位置划分：置换型固溶体，间隙固溶体根据固溶度分：有限固溶
12、体，无限固溶体根据各组元原子分布的规律性划分:无序固溶体，有序固溶体固溶体具有以下两个基本特征：1 固溶体的点阵类型和溶剂的点阵类型相同2 固溶体有一定的成分范围，也就是说， 组成的含量可在一定范围内改变而不会导致固溶体点阵类型的改变置换型固溶体形成的影响因素：1 原子 （离子）大小2 键的性质或者极化的影响3 晶体的结构和晶胞的大小4 电价的影响间隙固溶体形成的影响因素：1 添加原子的大小和难易是与晶格密切相关2 添加到间隙位置中的离子，必定需 要一些电荷来平衡，以便保持电中性，方法是形成空位，生成置换型固溶体（或改变电子结构状态）相图是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表
13、示的相的状态是平衡状态，因而是一定温度成分下热力学的最稳定且自由焓最低的状态。相图的应用：1 研制，开发新材料，确定材料万分2 利用相图制订材料生产和处理工艺3 利用相图分析平衡态的组织和推断不平衡态可能的组织4 利用相图与性能关系预测材料性能5 利用相图进行材料生产过程中的故障分析自由度：找书二元系统相图：找书摩尔分数：找书材料的组成与结构由金属元素或以金属元素为主形成的，并具有一般金属特性的材料称为金属材料金属材料的组成：1 金属原子的结构2 金属键金属的晶体结构：随着温度的变化，部分金属的晶体结构会发生同素异构转变1 体心立方晶格晶格常数a = b = c ,a = 贝他 =告嘛 =90
14、 度，角上的原子为附近八个晶胞 所共有，体心立方晶胞中的原子数为2 个，其物质具有较高强度，硬度和熔点，但塑性和韧性差2 面心立方晶格晶格常数a = b = c ,a = 贝他 =告嘛 =90 度，八个角上各有一个原子，在六个面中心处各有一个原子，晶胞原子数为4 个，物质具有良好塑性和韧性3 密排六方晶格它由两个简单六方晶胞穿插而成，形状为八面体， 上下两个面呈六角形，六个侧面为长方形。密排六方晶格的晶格常数有两个：一个是正六边形底面的边长a ，另一个是上下底面的距离c 。轴比 c/a=根号 8/3=1.633。实际其轴比在1.57-1.64 之间， 物质强底低，塑性和韧性差合金定义： 由两种
15、或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的，具有金属特性的物质称为合金。组成合金最基本的，独立的物质称为组元 。相是合金中具有同一聚集状态，同一结构和性质的均匀组成部分。合金的相结构：合金中的相基本上可分为两类：固溶物和化合物。化合物： 1 正常价化合物硬度高，但较脆2 电子化合物一般都具有很高的熔点和硬度，并有导电性电子浓度是指化合物中的价电子数与原子数之比，即电子浓度二价电子数/原子数3 间隙化合物，具有高硬度，高熔点铜及其合金 : 1 纯铜（紫铜）就是工业纯铜，相对密度为8.96，熔点为1083 度（在固态时具有面心立方晶格，无同素异构转变，塑性好，容易进行冷却-热加工。经冷变形
16、后可以提高纯铜的强度，但塑性显著下降）2 黄铜cu-zn 合金或以 zn 为主要合金元素的铜合金称为黄铜黄铜：普通黄铜：单相黄铜（zn,3%） ，双相黄铜 (3%5%-6% ，锡青铜的室温 组 织 为a+共 析 体（a+西勾麻） ,西勾麻相是以电子化合物cu31sn8 为基的固溶体，是一个硬脆相。锡青铜铸造时， 流动性差，万分偏析倾向大， 易产品分散缩孔及铸件致密性不高等缺陷。但凝固时体积收缩小，能获得复合型腔形状和尺寸的铸件， 故适宜外形尺寸要求较严格的铸件。锡青铜耐大气， 淡水， 海水性能比纯铜，黄铜好， 但对酸类和氨水的抗蚀性差，锡青铜的耐磨性高，多用于制造轴瓦，轴套等零件，此外，锡青铜还具有无磁性，无冷脆现象。铝及其合金：铝的特点： 相对密度轻为2.7，是铜的1/3 倍，属于轻金属，熔点660 度，铝的导电性和导热性都很好，仅次于银和铜，在大气中具有良好的耐腐蚀性。由于铝和
