同济大学材料学院821专业课辅导讲义1.docx

绪论1. 材料和材料科学的定义：材料：具有在特定条件下使用要求的形态和物理状态的物质（不包含燃料、化工 原料或产品、食品和药品）材料科学：研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系及变化 规律的一门学科材料科学的内涵：核心问题是材料的组织结构与性能以及两者之间的关系2. 材料科学与工程的四要素模型及四要素之间的关系：材料的成分与结构是影响其各种性质的直接因素，加工过程通过改变材料的 成分与结构从而影响其性质例如铁碳合金，不含碳时，即纯铁，延展性好但强 度低；含碳量较低时，称之为钢，钢中含碳量增加，强度硬度上升，但塑性韧性 下降由同一元素碳构成的不同材料如石墨和金刚石，也有着不同的性能结构与成分是材料研究的核心，性质是落脚点，根据材料的性质可以确定其 使用效能，例如金属具有刚性和硬度，可做结构材料材料的制备/合成和加工不仅赋予材料一定的尺寸和形状，而且是控制材料 成分和结构的必要手段如钢材可以通过退火、淬火、回火等热处理来改变它们 内部的结构而达到预期的性能,冷轧硅钢片经过复杂的加工工序能使晶粒按一定 取向排列而大大减少铁损3. 材料结构层次与材料结构和性能的关系:L①原子结构② 结合键内部结构-③原子排列方式（晶体、非晶体）④ 显微组织-⑤宏观组织（肉眼可见）讨论结构对性能的影响关系：①原子结构②结合键③原子排列方式④显微组 织和缺陷Eg.1结合键受到原子结构影响，易失去电子的元素形成金属键，结合 键为金属键，导致原子趋于紧密堆积，电子共有化使得受力形变时金属键不至于 破坏，故而有很好的延展性。

Eg.2组织是指金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶粒大小、方向、形状、 排列方式等组成关系的组成物如铁素体和珠光体材料热处理加工导致组织结 构变化，其力学性能也有所差异4. 材料选择的基本原理① 性能使用性原则：根据工作环境条件，按照材料的性能指标来选择相应的适 用材料② 失效性选择原则：对服役后失效的材料进行失效原因、解决对策分析，选择 新的适用材料③ 加工工艺选择原则：充分考虑材料的加工工艺性，降低工艺成本④ 加工批量选择原则：结合加工批量的大小选择合适的加工设备、原料及工艺⑤ 经济原则：通过成本核算，选定合算的材料，包括原料、工艺、宣传、管理 及运输成本等⑥ 资源原则：结合国家政策，从资源的利用上考虑选取合适的材料第一章固体材料的结构基础知识一、原子结构与键合L原子结构1.1确定核外电子运动轨道的四个量子数：[1] 主量子数n ——确定电子离核远近和能量高低的主要参数，电子的能量随口 的增大而增高；[2] 次量子数l ——反映轨道的形状，由s、p、d、f四个量子数表示各轨道在原 子核周围的角度分布不同，次量子数也影响轨道的能级；[3] 磁量子数m——确定轨道的空间取向；[4] 自旋量子数m ——每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。

1.2核外电子排布规律：[1] 能量最低原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状 态；[2] Pauli不相容原理：一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电 子；[3] Hund规则：在未填满的壳层中，电子的自旋值应该尽量地大1.3原子间的键合（1）金属键：金属正离子和自由电子之间相互作用而形成的结合① 电子共有化、自由，弥散于M+晶格中形成电子云，导热、导电性好；② 无方向性、无饱和性；③ 趋于形成低能量密堆结构，受力形变金属键不至于破坏，延展 性好；④ 结合能<离子晶体、共价晶体，各种金属键的结合能差异也较大⑤ 形成条件：AX<0.5(2) 离子键：正负离子经库伦静电力相互结合起来的结合键① 由于同性相斥、异性相吸，正负离子相间排列；② 无方向，性，键力大小各向一致；③ 一个离子可结合多个离子形成配位多面体；④ 离子晶体结合能高，Tm高，硬度大，脆性大，热膨胀系数小；⑤ 仅在高温熔融下，正负离子可在外电场作用下自由运动，此时 呈离子导电性形成条件：AX>1.7(3) 共价键：通过共享电子对结合使相邻原子键合起来的形式① 极性键：电子对偏向一方；非极性键：电子对无偏向；② 饱和性：当原子的价电子数为N时，应建立(8-N)个共用电子对达到 共价结合；③ 方向性：电子云按最大密度的方向重叠，各共价键之间有相对取向； 脆性大④ 配位数小：键的方位决定；⑤ 结合能高，熔点高，质地硬脆，结构稳定⑥ 供用电子对难以自由运动，绝缘性好，导电性好。

⑦ 形成条件：0.7

实例分析：陶瓷材料中的离子主要键合方式，从键合键角度分析其性能陶瓷材料的结合键主要是离子键和共价键，以离子键为主，比例取决于组成元素 电负性差，越大，离子键比例越高① 共价键、离子键结合能高，纯共价键的金刚石具最高熔点，金属熔点相对较低， 陶瓷的熔点一般比金属高，热稳定性较好② 离子键和共价键结合时，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比较 低③ 离子键和共价键结合的陶瓷材料硬度比一般的分子晶体材料要大得多④ 离子键和共价键结合的陶瓷材料塑性变形困难，塑性差，脆性很好二、晶体学基础知识2.1定义：晶体：原子（离子）或分子（原子集团）在空间整齐排列并呈周期性重复，长程 有序的固体非晶体：组成物质的原子、离子在空间排布不呈周期性和平移对称，性，长程无序 的固体2.2晶体与非晶体的区别：① 根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列；② 自然条件下，晶体呈多面体外观，非晶体没有；③ 晶体熔化有固定的熔点，非晶体没有，只存在一个软化温度范围；④ 晶体的长程有序排列，在不同的方向材料表现出的各种性能有所差异，称为 各向异性，非晶体是各向同性，远程无序2.3晶体基本性质（从格子构造观点出发）a. 自限性 晶体的多面体外形是其格子构造在外形上的直接反映。

晶面、晶棱与 角顶分别与格子构造中的面网、行列和结点相对应从而导致了晶体在适当的条 件下往往自发地形成几何多面体外形的性质b. 均一性 因为晶体是具有格子构造的固体，在同一晶体的各个不同部分，化学 成分与晶体结构都是相同的，所以晶体的各个部分的物理性质与化学性质也是相 同的c. 各向异性同一晶体中，由于内部质点在不同方向上的排布一般是不同的因 此，晶体的性质也随方向的不同有所差异d. 对称性 晶体的格子构造本身就是质点周期性重复排列，这本身就是一种对称 性；体现在宏观上就是晶体相同的外形和物理性质在不同的方向上能够有规律地 重复出现e. 最小内能性晶体的格子构造使得其内部质点的排布是质点间引力和斥力达 到平衡的结果无论质点间的距离增大或缩小，都将导致质点的相对势能增加 因此，在相同的温度条件下，晶体比非晶体的内能要小;相对于气体和液体来说， 晶体的内能更小2.4晶体的结构特征：结点：空间格子上的点，在实际晶体中，它们可以代表同种质点的位置，因此也称为晶体结构中的等同点位置行列：结点在一维方向上的排列，同一行列的结点间距相等，平行行列的结点间 距也相等面网：结点在平面上的分布构成面网密度大的面网，其相邻面网的间距也大，密度小的面网，相邻面网的间距也小平行六面体：空间格子的最小单位基元（1）空间点阵与晶体结构的关系及其意义：空间点阵：晶体中质点排列的几何学抽象，来分析晶体结构的周期性和对称性， 各阵点周围环境一致，可无限延伸。

晶体结构：晶体中实际质点的具体排列状 况，不可无限延伸，但存在的结构有无限多基元+空间点阵二晶体结构晶体结构相同，但空间点阵不同：Cr与CsClCsCl结构晶体结构不同，但空间点阵相同：NaCl与Cu⑵晶胞、原胞、平行六面体（空间格子）与晶格的关系平行六面体：空间格子的最小单位基元，由六个两两平行且大小相等的面组 成晶体的空间格子结构可以看成无数个平行六面体在三维空间的无间隙重复堆 积晶胞：实际晶体中划分出的相应最小单位基元，实际晶体结构可看成无数个 晶胞在三维空间的无间隙重复排列无数个晶胞堆砌构成完整晶格，体现出晶体 的周期排列性原胞：只含有一个结点的结构单元，也叫单胞，体积最小3）布拉维点阵及其判断说明为什么只有14种空间格子？答：空间格子根据外形可以分为7种，根据结点分布可以分为4种布拉维格子 同时考虑外形和结点分布两个方面，按道理应该有28种但28种中有些格子不 能满足晶体的对称，如：立方底心格子，不能满足等轴晶系的对称，另外一些格 子可以转换成更简单的格子，如：四方底心格子可以转换成为体积更小的四方原 始格子排除以上两种情况的格子，所以布拉维格子只有14种原始底心体心面心三斜OPl=pF=P单斜fl=CF=C斜方也LMJI1•三方（菱形）与本晶系对称不符l=pF-P四万2打C=PF=l六万1与本晶系对称不符与本晶系对称不符与本晶系 对称不符等轴1立方）H与本晶系对称不符[I晶系与布拉维点阵:品系 品也参款三斜 再衅乌a招手特90。

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