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1、Fundamentals of Materials Science and Engineering 材料科学与工程基础知识点复习第一章 绪论一、学习目的：材料科学家或工程技术人员经常遇到的问题是设计问题，而设计问题主要涉及机械、民用、化学和电。而这些领域都要涉及到选择材料问题。如何选择材料是非常重要的，选材包含两方面一个是满足性能要求，另一方面是成本低，即所谓“合理选材”。材料的性能与其成分和内部的组织结构密切相关，材料的组织结构与加工过程有关。本课程的目的就在于掌握加工过程和材料的组织结构以及性能之间的关系。为今后进行材料设计和合理选材打下理论基础。二、本章主要内容301、简介材料的发展史2
2、、材料科学与工程的含义和内容3、材料的分类4、先进材料5、现代材料的需求三、重要术语和概念metal: 金属ceramic: 陶瓷polymer: 聚合物Composites: 复合材料Semiconductors: 半导体Biomaterials: 生物材料Processing: 加工过程Structure: 组织结构Properties: 性质Performance: 使用性能Mechanical properties: 力学性能Electrical properties: 电性能Thermal behavior: 热性能Magnetic properties: 磁性能Optical pr
3、operties: 光性能Deteriorative characteristics: 老化特性第二章 原子结构与化学键一、学习目的我们在自然界中观察到各种现象，归根结底是物质的不同表现形式，也就是说物质构成了世界。自然界中所有物体均由化学元素及其化合物所组成，同样，各种固体材料也都是由一种或多种元素的原子结合而成的。学习物质的原子结构和化学键合，是认识和研究各类材料在结构与性能方面所表现出来的个性和共性的基础，也是正确认识和理解材料的性能的重要依据。二、本章主要内容1、原子结构模型玻尔模型：1913年，年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时最新的物理学发现（普朗克黑体辐射和量子概念、爱因斯坦光子论
4、、卢瑟福原子带核模型等）的基础上建立了氢原子核外电子运动模型，提出了原子结构理论上的三点假设（1）任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量子化条件的轨道上运动；（2）电子轨离核越远，原子所含的能量越高，电子尽可能处在离核最近的轨道上；（3）只有电子从较高能级跃迁到较低能级时，原子才会以光子形式释放能量。玻而尔理论解释了原子发光现象但无法解释精细结构和多原子、分子或固体的光谱，存在局限性。量子力学模型：量子力学是建立在微观世界的量子性和微粒运动统计性基本特征上，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做薛定谔方程，是由奥地利科学家薛定谔（E.Schrdinger 1887-196
5、1）在1926年提出来的。薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标（直角坐标x，y，z或者极坐标r，q，ff），它的因变量是电子波的振幅（）。给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时，薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个定态，它具有一定的能量（E），具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式=f(x,y,z)，称为振幅方程或波动方程。为了得到电子运动状态合理的解，必须引用只能取某些整数值的三个参数，称它们为量子数，这三个量子数可取的数值及它们的关系如下：主量子数：n=1,2,3,4；角量子数：l=0,1,2,(n-1)；磁量子数：m=0,1,2,3,l。2.
6、描述有关电子能量的量子力学法则四个量子数主量子数（n）：用来描述原子中电子出现几率最大区域离原子核的远近，是决定电子能量高低的主要因素。n=1，2，3，4；在光谱上用K，L，M，N，O，P表示。角量子数（）:角量子数是描述原子轨道形状的物理量，=0（S轨道），球形，=1（P轨道），哑铃形，=2（d轨道），花瓣形；=0，1，2，3,（n-1）.磁量子数（m）：描述电子绕核运动的角动量在空间给定方向上的分量是量子化的;m=0, 1, 2, 。自旋量子数（ms）：电子在绕核高速运动同时，还有自身旋转运动，顺时针和逆时针两个方向：ms=原子核外电子的排布和能量状态：Pauli不相容原理：在同一个原子中
7、没有四个量子数完全相同的电子。能量最低原理：电子在原子中所处的状态，总是尽可能分布到能量最低的轨道上。Hund规则：电子分布到能量相同的等价轨道上时，总是尽先以自旋相同的方向，单独占据能量相同的轨道。3.原子间的相互作用原子（或离子）之间的相互的吸引能，排斥能和总作用能随其原子间距离变化而变化。4.化学键离子键：原子之间发生电子转移，形成正、负离子，并通过静电作用而形成的化学键。离子键的本质是静电作用，无方向性、无饱和性。离子键程度与元素的电负性有关。共价键：不同原子依靠共享电子，或原子轨道的最大重叠而结合形成的化学键为共价键。共价键的本质是电性的，是两原子核对共用电子对或原子轨道重叠所形成负
8、电区域的吸引力，不是正负离子间的静电力。共价键有方向性和饱和性。金属键：在固态或液态金属中，价电子可以自由地在不同原子间移动，使其成为多个原子所共有，这些共用电子将许多原子粘合在一起的作用，被称为是金属键。氢键：分子中带正电的氢原子与另一分子中含有的孤对电子靠近并产生的吸引力为氢键。氢键形成的条件是必须在分子中存在电负性很强的元素使氢原子具有强极性，同时，分子中带有孤对电子，电负性大和半径小的元素所构成。氢键具有方向性和饱和性。范德华键：由分子的取向力、诱导力和色散力导致分子间的作用力称为Van der waals 键。5、基本要求了解所学的两种原子模型，并能区别其不同。能够描述有关电子能量的
9、量子力学法则。能够画出两个原子（或离子）的吸引能，排斥能和总作用能随其原子距离变化的关系图。能够指出这个图中的平衡距离和键能。能够简单描述离子键，共价键，金属键，氢键和范德华键。能够列出以这些化学键结合的典型物质。三、重要名词Atomic mass unit (amu): 原子质量单位Atomic number: 原子数Atomic weight: 原子量Bohr atomic model: 波尔原子模型Bonding energy: 键能Coulombic force: 库仑力Covalent bond: 共价键 Dipole (electric): 偶极子electronic config
10、uration: 电子构型electron state: 电位 Electronegative: 负电的Electropositive: 正电的Ground state: 基态Hydrogen bond: 氢键Ionic bond: 离子键Isotope: 同位素Metallic bond: 金属键Mole: 摩尔Molecule: 分子Pauli exclusion principle: 泡利不相容原理 Periodic table: 元素周期表 Polar molecule: 极性分子Primary bonding: 强键 Quantum mechanics: 量子力学 Quantum n
11、umber: 量子数 Secondary bonding: 弱键 valence electron: 价电子van der waals bond: 范德华键 Wave-mechanical model: 波粒二象性模型 四、例题例1、原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？答：主量子数n、轨道角动量量子数li、磁量子数mi和自旋角动量量子数si。例2、在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答：能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。例3、在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？答：同一周
12、期元素具有相同原子核外电子层数，但从左右，核电荷依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主族元素核外电子数相同，但从上下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增加，非金属性降低。例4、锡的原子序数为50，除了4f亚层之外，其他内部电子亚层均已填满。试从原子结构角度来确定锡的价电子数。答：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2；锡的价电子数为4。例5、已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性的强弱。答：1s2
13、2s22p63s23p63d104s24p2；第四周期；A族；亚金属Ge。例6、A和B元素之间键合中离子特性所占的百分比可近似地用下式表示： 式中xA和xB分别为A和B元素的电负性值。已知Ti，O，In和Sb的电负性分别为1.5，3.5，1.7和1.9，试计算TiO2和InSb的IC（%）。解：对TiO2： 对InSb： 例7 Al2O3的密度为3.8g/cm3,试计算：1mm3中存在多少个原子？lg中含有多少个原子？1s22s22p63s23p63d104s24p2；第四周期；A族；亚金属Ge。解：Al2O3的相对分子质量M=26.982+163=101.96 1mm3中所含原子数为（个）
14、1g中所含原子数为（个）第三章 金属与陶瓷的结构一、学习目的材料的结构问题需分层次认识，第一层次是原子核外电子的排布即电子组态和电子构型；第二层次是原子与原子之间的排列位置与相互作用即晶体结构；第三层次是晶相、玻璃相的分布、大小、形状等即显微结构。固态物质按照原子间（或分子）的聚集状态可以分为晶体和非晶体，在金属与陶瓷中，这两种状态都存在，并且以晶体为主。在掌握了原子结构与化学键基础上，学习晶体结构基础知识，掌握固体中原子与原子之间的排列关系，对认识和理解材料性能至关重要。二、本章主要内容在结晶性固体中，材料的许多性能依赖于内部原子的排列，因此，必须掌握晶体特征和描述方法。本章从微观层次出发，
15、介绍了金属、陶瓷材料的结构特点，介绍了结晶学的基础知识。主要内容包括：1、 晶体和晶胞晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性。晶胞：是从晶体结构中取出的能够反映晶体周期性和对程性的重复单元。2、 金属的晶体结构金属原子之间靠金属键结合形成的晶体为金属晶体。金属晶体的三种类型和特征为：面心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，六个面中心各有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，每个面中心原子为2个晶胞所共有。晶胞的原子数为4。晶胞长度a（晶胞参数a=b=c）与原子半径R之间的关系为：晶胞中原子堆积系数（晶胞中原子体积与晶胞体积的比值）APF=0.74.体心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，晶胞的中心有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，所以，体心立方晶胞中的原子数为2。晶胞长度a（晶胞参数a=b=c）与原子半径R之间的关系为：晶胞中原子堆积系数APF=0.68.密排六方
