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1、目录第1章 原子结构与键合11.1 原子结构11.2 原子间的键合21.3 高分子链2本章重点复习3第2章 固体结构42.1 晶体学基础42.2 金属的晶体结构52.3 合金相结构72.4 离子晶体结构92.5 共价晶体结构102.6 聚合物的晶体结构112.7 非晶态结构13本章重点复习13第3章 晶体缺陷153.1 点缺陷153.2 位错163.3 表面及界面18本章重点复习20第4章 固体中原子及分子的运动234.1 表象理论234.2 扩散的热力学分析234.3 扩散的原子理论244.4 扩散激活能254.5 无规则行走与扩散距离25本章重点复习25第5章 材料的形变和再结晶275.1
2、 弹性和粘弹性285.2 晶体的塑性变形295.3 回复和再结晶335.4 高聚物的塑性变形36本章重点复习36第6章 单组元相图及纯晶体凝固386.1 单元系相变的热力学及相平衡386.2 纯晶体的凝固39本章重点复习40第7章 二元系相图及合金的凝固427.1 相图的表示和测定方法427.2 相图热力学的基本要点437.3 二元相图分析447.4 二元合金的凝固理论457.5 高分子合金概述47本章重点复习48第8章 三元相图528.1 三元相图基础528.2 固态互不溶解的三元共晶相图558.3 固态有限互溶的三元共晶相图578.4 两个共晶型二元系和一个匀晶二元系构成的三元相图588.
3、5 包共晶型三元系相图598.6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图608.7 形成稳定化合物的三元系相图608.8 三元相图举例618.9 三元相图小结63本章重点复习64第9章 材料的亚稳态669.1纳米晶材料669.2 准晶态699.3 非晶态材料709.4 固态相变形成的亚稳相71本章重点复习72各章例题、习题以及解答73第1章 原子结构与键合73第2章 固体结构77第3章 晶体缺陷85第4章 固体中原子及分子的运动93第5章 材料的形变和再结晶100第6章 单组元相图及纯晶体凝固107第7章 二元系相图及合金的凝固112第8章 三元相图120第9章 材料的亚稳态128上海交通大学 材料
4、科学基础网络课程 整理 1第1章 原子结构与键合材料是国民经济的物质基础。通过实践和研究表明：决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。为此我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。1.1 原子结构1.1.1 物质的组成一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。原子结构直接影响原子间的结合方式。1.1.2 原子的结构近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。原子的体积
5、很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子的质量大致为1.6710-24g，而电子的质量约为9.1110-28g，仅为质子的1/1836。1.1.3 原子的电子结构描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则，即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund规则。从内到外，依次为K壳层(n=1)，L壳层(n=2)，M壳层(n=3)。1).主量子数n决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。2).轨道角量子数li 给出电子在同一量子壳层
6、内所处的能级（电子亚层）。3).磁量子数mi 给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。4).自旋角量子数si反映电子不同的自旋方向。1.1.4 元素周期表具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。IA元 素 周 期 表OHIIA金属非金属惰性气体过渡元素IIIAIVAVAVIAVIIAHeLiBeBCNOFNeNaMgIIIBIVBVBVIBVIIBVIIIIBIIBAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZr
7、NbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRfDbSgBhHsMtCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr图1.2 元素周期表1.2 原子间的键合1.2.1 金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，
8、并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。1.2.2 离子键大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。 1.2.3 共价键两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。共价键在亚金属（
9、碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。 共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。1.2.4 范德华力属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能少12个数量级。不同的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德华力不同是一个重要因素。1.2.5 氢键是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（O，F，N等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。1.3 高分子链
10、高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构两方面。链结构又分近程结构和远程结构。近程结构属于化学结构，又称一级结构。远程结构又称二级结构，是指单个高分子的大小和形态、链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。如图：单个高分子的几种构象图。1.3.1 高分子链的近程结构图1.6 单个高分子的几种构象图1、链结构单元的化学组成单体通过聚合反应连接而成的链状分子，称为高分子链，高分子中的重复结构单元的数目称为聚合度。2、分子结构一般高分子都是线性的，分子链长可以蜷曲成团，也可以伸展成直线。3、共聚物的结构由两种或两种以上单体单元所组成的高分子称为共聚物。不同的共聚物结构，对材料性能的影响也各不相同。4、
11、高分子链的构型链的构型是指分子中由化学键所固定的几何排列，这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。构型不同的异构体有旋光异构和几何异构两种。1.3.2 高分子链的远程结构1、高分子的大小高分子的相对分子质量不是均一的，它实际上是由结构相同、组成相同但相对分子质量大小不同的同系高分子的混合物聚集而成。低聚物转向高分子时，强度有规律地增大。但增长到一定的相对分子质量后，这种依赖性又变得不明显了，强度逐渐趋于一极限值。2、高分子的内旋转构象单键是由电子组成，线型高分子链中含有成千上万个键。由于分子上非键合原子之间的相互作用，内旋转一般是受阻的，即旋转时需要消耗一定的能量。高分子链的内
12、旋转也像低分子一样，因受链上的原子或基团的影响不是完全自由的。它既表现出一定的柔性，又表现出一定的刚性。3、影响高分子链柔性的主要因素高分子链能够改变其构象的性质称为柔性。 a.主链结构的影响： 主链结构对高分子链的刚柔性的影响起决定性的作用。 b.取代基的影响： 取代基团的极性、取代基沿分子链排布的距离、取代基在主链上的对称性和取代基的体积等对高分子链的柔性均有影响。c.交联的影响 当高分子之间以化学键交联起来时，交联点附近的单键内旋转便受到很大的阻碍。本章重点复习内容提要： 物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外高速旋转带负电的电子所构成的。在材料科学中，一般人们
13、最关心的是原子结构中的电子结构。电子在核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。电子既具有粒子性又具有波动性，即具有二象性。电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。根据量子力学理论，电子的状态是用波函数来描述的，原子中的一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示：(1) 主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层；(2) 轨道角动量量子数li：给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）；(3) 磁量子数mi：给出每个轨道角动量数的能级数或轨道数；(4) 自旋角动量量子数si：反映电子不同的自旋方向；至于在多电子的原子中，核外电子的排布规律则遵循以下三个原则：(1) 能量最低原理：电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由里向外进入能量较高的壳层，以尽可能使体系的能量最低；(2) Pauli不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子；(3) Hund规则：在同一亚层中的各
