材料科學(xué)基礎(chǔ)-1

材料科學(xué)基礎(chǔ)主講教師：吳偉總學(xué)時：72講授學(xué)時：64課內(nèi)實驗：8考核方式：考試教材及參考書教材：材料科學(xué)基礎(chǔ)主編陳立佳冶金工業(yè)出版社參考書：材料科學(xué)基礎(chǔ)主編趙品哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社材料科學(xué)基礎(chǔ)主編胡賡祥上海交通大學(xué)出版社課程性質(zhì)、目的和任務(wù)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料科學(xué)與工程各專業(yè)的一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課。本課程的教學(xué)目的和任務(wù)是以材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系及其變化規(guī)律為主線，著重介紹固體材料的結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、平衡相圖、凝固和原子擴(kuò)散過程諸方面的基本概念和基礎(chǔ)理論，以及有關(guān)的加工工藝對材料的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，熟悉材料科學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及將來解決材料的生產(chǎn)、加工等問題和探索新材料、新技術(shù)、新工藝打下比較系統(tǒng)而堅實的理論基礎(chǔ)。

第一章材料中的晶體結(jié)構(gòu)

1.1晶體固態(tài)物質(zhì)分為兩大類：晶體和非晶體。與非晶體相比較，晶體具有一些明顯不同的特征和性質(zhì)。一、晶體及其性質(zhì)1、晶體具有規(guī)則多面體的對稱外形（自范性）2、晶體具有固定的熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）非晶體無固定的熔點(diǎn)，它的熔化過程中溫度隨加熱不斷升高。3、晶體具有各向異性非晶體是各向同性

晶體與非晶體的本質(zhì)區(qū)別在于粒子的排列規(guī)律；驗證方法當(dāng)單一波長的X射線通過非晶體時，不會在記錄儀上看到分立的斑點(diǎn)或明銳的譜線，而同一條件下攝取的晶體圖譜中能看到分立的斑點(diǎn)或明銳的譜線。二、晶體中的結(jié)合鍵1、金屬鍵定義：自由電子與金屬正離子之間的靜電吸引金屬鍵既無飽和性又無方向性；金屬大多依靠金屬鍵將原子結(jié)合在一起；金屬具有良好的延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、正的電阻溫度系數(shù)等特性。圖1-1金屬鍵示意圖二、晶體中的結(jié)合鍵2、共價鍵定義：原子給出電子作為二者共有，依靠原子對電子對的吸引而結(jié)合的；共價鍵結(jié)合具有飽和性和方向性；無機(jī)非金屬材料和高分子材料多依靠共價鍵將原子結(jié)合在一起；共價鍵結(jié)合的晶體材料具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、硬而脆、導(dǎo)電性差等特點(diǎn)圖1-2SiO2中硅和氧原子間的共價鍵示意圖二、晶體中的結(jié)合鍵3、離子鍵定義：正離子與負(fù)離子依靠靜電吸引而結(jié)合；離子鍵沒有方向性；有飽和性；離子鍵結(jié)合的晶體具有高熔點(diǎn)、高硬度、低的熱膨脹系數(shù)、固態(tài)下不導(dǎo)電；大多數(shù)無機(jī)非金屬材料是離子鍵結(jié)合的；圖1-3NaCl離子鍵的示意圖二、晶體中的結(jié)合鍵4、分子鍵（范德華鍵）定義：組成晶體的中性原子或中性分子，當(dāng)它們互相靠近時，出現(xiàn)電子的不均勻分布，從而使正、負(fù)電荷的中心發(fā)生偏離，形成電偶極子，電偶極子的異極相吸，使原子（分子）結(jié)合在一起，稱之為分子鍵或范德華鍵.分子鍵沒有方向性和飽和性；分子鍵的結(jié)合比較弱，分子晶體的熔點(diǎn)較低；極性分子間的范德華力示意圖二、晶體中的結(jié)合鍵5、氫鍵定義:是由氫原子同時與兩個電負(fù)性很大而原子半徑較小的原子（O、F、N等）相結(jié)合而產(chǎn)生的結(jié)合鍵

氫鍵具有飽和性和方向性；氫鍵主要存在于高分子材料中。HF氫鍵示意圖圖1-1金屬鍵示意圖圖1-2SiO2中硅和氧原子間的共價鍵示意圖圖1-3NaCl離子鍵的示意圖圖1-4極性分子間的范德華力示意圖圖1-5HF氫鍵示意圖三、晶體中原子間作用力及結(jié)合能原子間的相互作用力：吸引力與排斥力原子的結(jié)合能：

圖1.6原子間的相互作用(a)互作用能,(b)互作用力晶體中原子排列的作用原子排列研究固態(tài)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即原子排列和分布規(guī)律是了解掌握材料性能的基礎(chǔ)，才能從內(nèi)部找到改善和發(fā)展新材料的途徑。組織性能1.2晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：原子（或分子）在三維空間呈周期性重復(fù)排列，即存在長程有序晶體和非晶體的兩大性能區(qū)別：各向同性各向異性固定熔點(diǎn)熔化范圍熔點(diǎn)：方向性：晶體非晶體一、空間點(diǎn)陣和晶胞

陣點(diǎn)：空間點(diǎn)陣：晶格：晶胞：簡單晶胞（初級晶胞）：只有在平行六面體每個頂角上有一陣點(diǎn)復(fù)雜晶胞：除在頂角外，在體心、面心或底心上有陣點(diǎn)晶胞選取的原則同一空間點(diǎn)陣可因選取方式不同而得到不相同的晶胞晶胞選取的原則選取的平行六面體應(yīng)反映出點(diǎn)陣的最高對稱性；平行六面體內(nèi)的棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多；當(dāng)平行六面體的棱邊夾角存在直角時，直角數(shù)目應(yīng)最多；當(dāng)滿足上述條件的情況下，晶胞應(yīng)具有最小的體積。晶胞、晶軸和點(diǎn)陣矢量點(diǎn)陣矢量：點(diǎn)陣常數(shù)：a,b,c棱邊夾角,,,,,,

晶系晶系晶系三斜Triclinica≠b≠c，α≠β≠γ單斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90o≠β正交Orthogonala≠b≠c，α=β=γ＝90o四方（正方）Tetragonala=b≠c,α=β=γ＝90o立方Cubica=b=c，α=β=γ＝90o六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90o，γ=120o菱方Rhombohedrala=b=c,α=β=γ≠90o根據(jù)6個點(diǎn)陣參數(shù)間的相互關(guān)系，可將全部空間點(diǎn)陣歸屬于7種類型，即7個晶系。14種布拉菲點(diǎn)陣按照“每個陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同“的要求，布拉菲（BravaisA．）用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出能夠反映空間點(diǎn)陣全部特征的單位平行六面體只有14種，這14種空間點(diǎn)陣也稱布拉菲點(diǎn)陣。三斜：簡單三斜單斜：簡單單斜

底心單斜正交：簡單正交

底心正交

體心正交

面心正交菱方：簡單菱方六方：簡單六方四方：簡單四方

體心四方立方：簡單立方

體心立方

面心立方體心立方和面心立方晶胞的不同取法

晶體結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣的區(qū)別空間點(diǎn)陣是晶體中質(zhì)點(diǎn)排列的幾何學(xué)抽象，用以描述和分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對稱性，由于各陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同，它只能有14種類型。晶體結(jié)構(gòu)則是晶體中實際質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）的具體排列情況，它們能組成各種類型的排列，因此，實際存在的晶體結(jié)構(gòu)是無限的。晶體結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣的區(qū)別晶體結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣的區(qū)別Cu3Au,simplecubicg-Fe,fcc二、陣點(diǎn)坐標(biāo)、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)陣點(diǎn)坐標(biāo)：陣點(diǎn)的位置晶向：晶體中陣點(diǎn)列的方向晶面：陣點(diǎn)構(gòu)成的平面Miller（密勒）指數(shù)統(tǒng)一標(biāo)定晶向指數(shù)和晶面指數(shù)原子（點(diǎn)陣）坐標(biāo)O至P點(diǎn)的點(diǎn)陣矢量OP為：P點(diǎn)坐標(biāo)可表示為：[x,y,z]或[xyz]晶向指數(shù)晶向指數(shù)：[uvw]任意陣點(diǎn)P的位置可以用矢量或者坐標(biāo)來表示。OP=u+v+w晶向指數(shù)的確定步驟1)以晶胞的某一陣點(diǎn)O為原點(diǎn)，過原點(diǎn)O的晶軸為坐標(biāo)軸x,y,z,以晶胞點(diǎn)陣矢量的長度作為坐