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1、中南大学冶金科学与工程学院 彭兵材料科学基础Date1Introduction to Material Science绪论课程的目的和任务 金属概述 金属学的发展 学习要求和参考书Date2Introduction to Material Science1.课程的目的和任务材料金属材料非金属材料复合材料纯金属合金无机非金属材料有机非金属材料金属基复合材料非金属基复合材料1-a. 材料的分类 MaterialDate3Introduction to Material Science1.课程的目的和任务（续）1-b.成分、组织与性能关系成分处理条件与工艺组织性能金属学的主要任务: 研究金 属组织结
2、构的形成及变化规 律，它们与内在成分、外在 条件之间的关系及其对材料 性能的影响。MaterialDate4Introduction to Material Science2.金属概述一般定义：具有金属性质的物质即为金属。 金属的性质：1.良好的传导性 即导热性、导电性，自由电子的运动引起；2.良好的延展性 金属正离子在电子云中规则排列，金属间没有方向性。3.具有光泽吸收了能量的自由电子从被激发态（高能带）回到基态（ 低能带）时会放出能量，这种能量以光的形式放出。Date5Introduction to Material Science3.金属学的发展金属学的发展与组织结构分析和性能测试技术等
3、研究方法和 手段的进展密切相关。人类对金属内部组织的认识过程：长期实践经验光学金相 （1841年)X射线衍射技术（1913年）电子显微镜（1932年） 。于是在金相学的基础上，随着实验技术的进展以及热力学、物 理化学、固体物理、材料力学等各学科之间的相互渗透，金属的 宏观、微观组织，直至原子组态的结构及其各种性能的关系，得 到了日趋深入的认识，形成了近代金属学体系。先进的检测手段 的出现，扩大了金属材料的研究领域，促进了金属学的发展。金属学在欧美多称为物理冶金学(Physico-Metallury)，研究也 今后金属材料在加工使用过程中的性能及其影响因素。Date6Introduction t
4、o Material Science4.学习要求和参考书学习要求：理解并记忆定义、原理公式，能灵活运用有关原理解 释和解决实际问题。 参考书籍：1.徐祖耀，金属学原理，上海：上海科技出版社，1964年。2.胡德邻主编，金属学原理，西安：西北工业大学出版社， 1984.7。3.冯端，王业宁，丘弟荣编著，金属物理，北京：科学出版社 ，1964，1975。Date7Introduction to Material Science第一章 金属的晶体结构Date8Introduction to Material Science第一节 金属晶体中原子间的结合一、键型 离子键 共价键 金属键 范德华力二、结
5、合力与结合能 结合力 结合能 总结三、原子半径四、金属的晶体性MaterialMaterialDate9Introduction to Material Science一、键型1.离子键离子化合物（大部分盐类、碱类、金属氧化物等）中通 过正、负离子间的静电作用结合。特点： 结合力强，熔点高，硬而脆；严格按化学价结合，原子比例已定，可用化学式表示；电子固有，不存在自由电子，传导性差；无方向性；2.共价键C、Si、Sn、Ge等金属中，通过共用电子对结合。特点： 具有饱和性，符合8-n 定律；有方向性；结合力强，熔点高，硬；电子固有，没有自由电子；Date10Introduction to Mate
6、rial Science一、键型（续）3.金属键金属中，正离子 与自由电子相结合（正离子浸 在自由电子云中）失去价电子 的金属正离子于形成电子云的 自由电子之间产生静电引力， 使金属原子结合在一起，形成 了金属晶体。特点： 电子共有；无饱和型；无方向性；4.范德华力某些分子之间，中性原子之间，依赖两个偶极子之间的静电引力相结合。范 德华力比较微弱。Date11Introduction to Material Science二、结合力与结合能1.结合力1-1 概念所有键型都以静电力结合，静电作用产生引力和吃力。1-2 原因原子相互结合后，电子能带叠加：原来已填满，则能量上升， 体现为斥力；原来未
7、填满，则能量下降，体现为引力。 1-3 双原子结合力模型Si原子电子轨道Date12Introduction to Material Science二、结合力与结合能（续）2. 结合能3.总结MaterialDate13Introduction to Material Science三、原子半径（Ra)1.计算公式当R=R0时，两个正离子间的 中心距，称为原子直径（2Ra),亦 即R0=2Ra；2.影响因素 致密度越高，则Ra越小；键合力越高，则Ra越小；不同方向上Ra也可能不同；Date14Introduction to Material Science四、金属的晶体性1.固体的分类 晶体原
8、子呈周期性排列； 非晶体原子呈不规则排列； 2. 晶体的分类 单晶体整个物质由一个晶粒组成，其中原子排列位向相同， 具有各向异性。 多晶体有许多位向不同的小单晶体组成，具有各向同性（单 个经历的各向异性被“平均化”）。 3.晶体和非晶体相互关系 晶体和非晶体在一定的条件下可以相互转化。例如，在极大的冷 速下，可以得到非晶态金属。其原因是液态金属在冷却时来不及 转变成晶体就凝固了，非晶体实质上是一种过冷的液体结构（短 程有序）。Date15Introduction to Material Science第二节 晶体学基础一、晶体的定性描述 1. 晶体结构与空间点阵 2. 晶系（7系14种）二、晶
9、体的定量描述 1. 立方晶系的晶向和晶面指数 2. 晶带与晶面轴 3. 六方晶系的晶向与晶面指数 4. 立方晶系中的一些重要几何关系Date16Introduction to Material Science1.晶体结构与空间点阵1-1 晶体结构（晶体点阵）实际原子在空间规则排列构成的集合体。1-2 阵点（节点、结点）忽略实际原子的体积，将其看成一个点，这样的点称为阵点。 空间点阵就是由阵点组成的点阵排列。阵点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的 原子群或分子群的中心。也就是说可以把原子或分子看作一个阵点，也可以把彼此等同的原子团或分子群看作一个 阵点，但各个阵点的环境必须相同。在某一空
10、间点阵中，各阵点在 空间的位置时一定的，阵点是构成空间点阵的基本要素。 1-3 晶格表示原子在空间规则排列的几何格子（用直线将阵点连接起来构成 的三维几何格架）。Date17Introduction to Material Science1.晶体结构与空间点阵（续）1-4 晶胞定义：能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。晶胞通 常是平行六面体，将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。晶胞的选取原则： 几何形状与晶体具有同样的对称性； 平行六面体内相等的棱与角的数目最多； 当平行六面体棱间有直角时，直角数目最多； 在满足上述条件下，晶胞的体积应最小。点阵参数Date18Introduction
11、 to Material Science1.晶体结构与空间点阵（续）1-5 晶体结构与空间点阵的区别晶体结构其类型取决于原子结合，阵点的位置上可以是一 个或多个实际质点或者原子团，其种类可以是无限的。空间点阵每个阵点处原子都具有相同的环境，其种类有限 （仅有14种）。亦即是说，每种空间点阵都可以形成无限多的晶体结构。如下 例所示：Date19Introduction to Material Science2. 晶系2.1 布拉菲点阵（空间点阵）根据空间点阵中“每个阵点周围的环境相同“的要求，布拉菲（ Braris)于1948年用数学方法证明了空间点阵共有14种，而且只有 14种。 2.2 晶系
12、根据晶胞的3个晶格常数（a、b、c）和3个轴间夹角（、 ）的相互关系，可以把14种布拉菲点阵归纳为7个晶系（参见下 标）。从表中可以看出，晶系分类是只考虑a、b、c 是否相等， 、是否相等或呈直角关系等因素，即只考虑晶胞的外形而 不涉及晶保中原子排列的具体情况。Date20Introduction to Material Science二、晶体的定量描述几个重要的概念 晶向点阵重镇点的连线，表示原子列的方向。 晶面点阵中阵点组成的面，表示原子面。用晶向指数和晶面指数来确定和区分不同的晶向和晶面，国际上 通用密勒指数（Miller)统一标定。Date21Introduction to Mater
13、ial Science1. 立方晶系的晶向与晶面指数1-1 晶向指数 u v w建立步骤： 建立坐标系。以某一阵点为坐标原点，三个棱边为 坐标 轴，并以点阵常数(a、b、c)作为各个坐标轴的单位长度； 作 OP / AB ； 确定P点的三个坐标值（找垂直投影）； 将坐标值化为互质的最小整数，并放入到 中，则 uvw即 为所求；Procedure1. . 2. .3. . xyopABATTENTION:定晶向指数时，选择的原点必 须在所求得晶向上。 如：AB: X Y Z 1u v w 1 1 2 晶向 1 1 2zDate22Introduction to Material Science1
14、. 立方晶系的晶向与晶面指数（续）晶向指数u v w中如果某一 个数字为负，则将负号标注 在该数的上方。 一个晶向指数并不表示一个 晶向，而是一组相互平行、 位向相同的晶向。如果晶向 指数的数字相同而正负号相 反，如110和110，则这两 个晶向相互平行，但方向相 反（与数学中矢量的相关概念相同）。Date23Introduction to Material Science1. 立方晶系的晶向与晶面指数（续）1-2 晶面指数建立步骤：建立坐标系。原点不能位于所求的平面内，其余的与求 晶 向指数时相同。求晶面在各个坐标轴上的截距。求截距的倒数，并化为最小正整数，放入（）中。 则（h k l）即为
15、所求的晶面指数。Procedure1. . 2. .3. . 如果晶面在某个坐标轴上的截距为负，则在相应当指数上方加上 负号。 平行晶面的晶面指数相同，或者数字相同而正、负完全相反。Date24Introduction to Material Science1. 立方晶系的晶向与晶面指数（续）1-3 晶向指数与晶面指数的关系 在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向相互垂直。也就是说： 立方晶系的晶面和其法线具有相同的指数。100(100)o(111)111o 110(110)o例如：100 (100) 111 (111) 110 (110)Date25Introduction to Material Science1. 立方晶系的晶向与晶面指数（续）1-4 晶面族和晶面族晶向族原子排列相同但空间位向不同的所有晶向，用 表示 。例如：在立方晶系中，=1 0 0+0 1 0+0 0 1+1 0 0+0 1 0+0 0 1， =1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1亦即：同 一晶向族的各晶向指数的数字相同，但排列次序或正负号 不同。立方晶系中， 晶向族包括的晶向可以用u、v、w数字 的排列组合方式求出。该晶向族方
