材料科学与工程基础教案 第一章 绪论

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1、材料科学与工程基础,The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science & Engineering An Introduction to Materials Science,绪论 Introduction,材料(Materials)是国民经济的物质基础。 广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance),材料无处不在，无处不有,材料发展过程,我国材料的历史进程 (Historical perspective),漫长而又曲折的历程：,石斧,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,古代科技名著：“考工记”（先秦）、“梦溪笔谈”

2、（宋代沈 括）、 “天工开物”（明代宋应星）,明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态 解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。 一整套材料体系 门类全齐 数量 质量 钢铁突破2亿吨大关 世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭,长征三号运载火箭在发射架上的图片,宝钢高炉,材料分类(Classification of Materials),材料科学与工程基础是研究材料的成分、组织结构与性能之间关系,学习方法：,培养能力为主，学习知识为辅,要掌握正确的思维方式，不要死记硬背,认真记好笔记，课后短时复习,抓住主线条，不钻牛角尖,考试前及早复习，不要临阵磨枪,积极参

3、加答疑，不要闭门复习,第一章 材料的结构 Structure of Material,材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。 材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。,第一节 结合键 Binding Bond,一、结合力与结合能 双原子模型：,二、结合键 离子键,共价键,金属键,分子键和氢键,三、材料的键性 金属材料 金属材料的结合键主要是金属键。 金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展 性；金属光泽等。 陶瓷村料 陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度

4、，但同时陶瓷材料的脆性也很大。 高分子材料 高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德华键。尽管范德华键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能,第二节 晶体学基础 Fundamentals of crystallogphy,一、晶体的概念 晶体的特性 晶体的三大特征： 原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。 空间点阵和晶胞,二、配位数和致密度 配位数 所谓配位数是指晶体中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。 致密度 若把原子看成刚性球，则原子之间必有空隙存在，可用原子刚球所

5、占体积与晶体体积之比来表示晶体结构排列的紧密程度，称为致密度或密集系数。可用下式表示：,例：计算简单立方晶体的致密度 解：简单立方：晶格常数为a，原子半径为 一个晶胞内所含的原子数 ； ； 所以：致密度,三、晶向指数和晶面指数 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中的空间位向，就需要引入一个统一的规则来标志它们，这种统一的标志，叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用的是密勒（Miller）指数。 晶向指数 晶向指数的确定步骤如下： （1）以晶胞中的某一阵点为原点，以三条棱边为X、Y、Z轴，并以晶胞棱边的长度为单位长度； （2）

6、如果所求晶向未通过坐标原点，过原点引一条平行于所求晶向的有向直线； （3）在所引直线上取离原点最近的那个原子，求出其在X、Y、Z轴上的坐标； （4）将三个坐标值按比例化为最小整数，依次记入方括号 中，即得所求晶向指数。 通常以uvw表示晶向指数的普遍形式，若其中某数为负值，应将负号标注在该数的上方，例如 。,如图给出了立方晶系中的一些主要晶向的晶向指数。,对于一个晶向指数，表示的不是一个具体的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果两个晶向指数数值大小相等，符号相反，则这两组晶向相互平行但是方向相反。,晶向族 在立方晶系中：111、111、111、111、111、111、111、111八个

7、晶向，指的是立方体中四个对角线的方向。从晶体的对称关系来看，这一组晶向在性质上是等同的，故总称之为晶向族。原子排列情况相同，但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，用表示，上述八个晶向即可用表示。 同理，代表：100、010、001、100、010、001 六个晶向。 应当指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指数可以通过改变指数和正负号的排列组合方式求出。对于其他晶系并不一定适用。,晶面指数 晶面指数的一般表达式为（hkl），其确定步骤如下： （1）与确定晶面指数类似建立坐标系，但坐标原点应位于待定晶面之外，以避免出现零截距。 （2）以晶格常数为长度单位求出待定晶面在各轴上的截距。若晶面与某轴平行，

8、则认为该晶面在该轴上的截距为无穷大，其倒数为零。 （3）取截距的倒数，将其化为最小整数，置于圆括号内，写成（hkl）的形式，即得晶面指数。,如图给出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指数。,与晶向指数类似，如果有截距为负值，应将负号记在相应的指数上面。晶面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表一组相互平行的晶面。当两个晶面指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行。,晶面族 在同一晶体结构中，有些晶面上的原子排列和晶面间距完全相同，但具有不同的空间位向，这些晶面均归并为一个晶面族，用表示。例如，在立方晶系中： 100包括（100）,（010）,（001） 110包括（110）

9、,（101）,（011）,（110）,（101）,（011） 111包括（111）,（111）,（111）,（111） 晶面族不仅包括了相互平行的一组晶面，而且也包括了位向不同，但晶面间距相等、原子排列相同的若干组平行晶面。 在立方晶系中，hkl晶面族所包括的晶面可用改变h、k、l的正负号及数字的排列组合来求得。但是这种方法不适用于其他晶系。,晶面指数的几何意义,即：,从立体几何可知，在正交晶系中：,所以，只要晶面指数一旦确定，晶面位向即可求得。 因此，晶面（hkl）的法线矢量为：,即晶面（hkl）的法线与晶向hkl的方向平行，这就是晶面指数的几何意义。,如图：ON为晶面（hkl）的法线，ON

10、与该晶面交于D点；OA、OB、OC分别为（hkl）在X、Y、Z轴上的截距；ON与X、Y、Z轴之间的夹角分别为、；cos、cos、cos就是法线ON的方向余弦。立方点阵中晶胞的三个基矢相等，设其为a，则根据晶面指数的确定方法可知：,晶带 平行或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带。这一组晶面叫做共带面，而该直线（用晶向指数表示）叫做晶带轴。同一晶带中各晶面的法线均与晶带轴垂直。 在立方晶系中，晶向指数与晶面指数的数字和顺序相同时，该晶向垂直于该晶面，则有hkl(hkl)，就是说该晶向即为该晶面的法线。若晶带轴的指数为uvw，由矢量代数可以证明，该晶带轴中的任一晶面（hkl）与晶带轴指数间具有下列

11、关系：,该式又称为晶带方程。,第三节 金属及合金的结构特点 Structure Characteristic of Metal & Alloy,一、常见纯金属的晶格类型 体心立方晶格：记为BCC,属于这种晶格类型的金属有-Fe、Cr、W、Mo、V等,致密度：晶格常数为a，原子半径为 ； ； ； 所以：致密度,配位数为8,面心立方晶格：记为FCC 属于这种晶格类型的金属有Fe、Cu 、Al 、Ag、Au、Pb、Ni等。,配位数12；致密度0.74,密排六方晶格：记为HCP 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方体的侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。属于这种晶格类型的金属有Mg、Z

12、n、Be、Cd等。,配位数：12；致密度：0.74（与面心立方相同）,晶胞中的间隙 由致密度计算结果可知，晶体中应存在一定数量的间隙。例如，对于体心立方，致密度k0.68，说明仅有68的体积被原子占有，存在32的间隙。这些间隙对金属的性能，合金的相结构，扩散以及相变等都有重要的影响。从几何形状上看，晶格中有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙。,面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种，如图所示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙,原子的堆垛方式 前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度与配位数完全一致，均属于最密排列晶格，但是晶格类型却不同，为了搞清这个问题，就需要了解原子的堆垛方式

13、。,面心立方结构的原子堆垛方式 密排六方的原子堆垛方式,面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式,二、实际金属的晶体结构 单晶体与多晶体 晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体，称为单晶体。在实际应用中金属材料中较少的用单晶体金属，工程上使用的金属材料，几乎都是多晶体材料。 通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。,点缺陷 点缺陷是指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小（相当于原子尺

14、寸）的一种缺陷。晶体的点缺陷主要包括三种形式：晶体空位、间隙原子和置换原子，如图所示。,线缺陷 线缺陷是指在三维空间中两维方向的尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷，所以又称为一维缺陷。晶体中最普通的线缺陷就是位错。 位错是晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错，最简单、最基本的类型有刃型位错和螺型位错两种，由它们组合可以构成混合位错和不全位错等线缺陷。,刃型位错,（a)立体模型 （b）平面图 刃型位错示意图,晶体局部滑移造成的刃型位错,位错运动示意,螺型位错,螺型位错示意图,柏氏矢量

15、 柏氏矢量是描述位错几何特性最重要的参数之一。柏氏矢量由柏氏回路确定。,b,l,l,b,柏氏矢量的物理意义： 柏氏矢量代表晶体的滑移方向。,面缺陷 晶体中的面缺陷是指在两个方向尺寸很大而第三方向尺寸很小，呈面状分布的缺陷。这类缺陷主要是晶粒边界和亚晶界。 晶界 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。 晶界是晶体中的一种重要的缺陷。由于晶界上的原子排列不规则，脱离平衡位置，所以晶界具有较高的能量，使其具有一系列不同于晶粒内部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蚀，熔点较低；原子沿晶界扩散速度快；在常温下晶界对金属的塑性变形起阻碍作用。因此，金属材料晶粒愈细小，则晶粒愈多，其室温强度愈高。 亚晶界 实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过2），如图127所示。这些小晶块称为亚结构，。亚结构之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列的位错所组成。亚晶界上原子排列也不规则，具有较高的