材料結(jié)構(gòu)與性能

1、材料結(jié)構(gòu)與性能,參考教材： 材料結(jié)構(gòu)與性能 李宗全 陳湘明編 浙江大學(xué)出版社 授課教師：王耐艷 聯(lián)系地址：17-243 聯(lián)系電話: 86843265,第一章 緒 論,課程的性質(zhì)： 材料結(jié)構(gòu)與性能是材料類各專業(yè)碩士研究生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。,課程任務(wù)：,獲得材料結(jié)構(gòu)的基本理論和知識；掌握材料成分組織性能應(yīng)用之間關(guān)系的一般規(guī)律。,一、什么是材料？,材料是指人類社會可接受的，能經(jīng)濟(jì)的制造有用器件（物品）的固體物質(zhì)。,材料,天然生成材料,人工合成材料,礦物 煤炭,鋼鐵 陶瓷 塑料 復(fù)合材料,二、材料的發(fā)展,人類社會的歷史是一部利用材料和制造材料的歷史，材料更新推動社會進(jìn)步。,人類使用材料已經(jīng)歷了7個

2、時代：,石器時代,青銅器時代,鐵器時代,鋼鐵時代,電子管時代,硅時代,納米材料時代,材料科學(xué),工藝,結(jié)構(gòu),性能,三、材料科學(xué) ： 是從事材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。它包括下面的三個環(huán)節(jié)，核心是結(jié)構(gòu)和性能。,材料科學(xué),材料科學(xué)是在物理化學(xué)數(shù)學(xué)工程等學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個交叉學(xué)科。,材料科學(xué)以材料的分子結(jié)構(gòu)、分子聚集態(tài)、構(gòu)筑成材料的外形結(jié)構(gòu)為研究內(nèi)容，探討材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系的學(xué)科。,1.原子、分子結(jié)構(gòu)：屬于原始基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，決定材料所具有的潛在功能。 2.原子的排列方式即分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)：決

3、定材料具有某種可表現(xiàn)的實(shí)際功能。 3.顯微組織各相的組合體：構(gòu)筑材料的外形結(jié)構(gòu)：決定材料具有某種特定的有效功能。,四、材料與工程,材料是機(jī)械、電子、化工等工程領(lǐng)域的物質(zhì)基礎(chǔ)，是工程技術(shù)的突破口。,工程技術(shù)的高速發(fā)展為材料的改型和新材料的研制提出更高的要求。,材料工程,材料工程是著重把基礎(chǔ)知識應(yīng)用于材料的研制、生產(chǎn)、改性、和應(yīng)用的學(xué)課。,材料工程是整個工程學(xué)中的一個重要領(lǐng)域。,材料工程學(xué)科的目的：,解決技術(shù)上、社會（環(huán)境）上不斷出現(xiàn)的新問題。,能經(jīng)濟(jì)地、為社會所能接受的控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。,全面考慮材料的經(jīng)濟(jì)性、資源性、環(huán)保性、能源性、內(nèi)在和表面的質(zhì)量。,材料科學(xué)與工程的關(guān)系,材料科學(xué)為

4、材料工程指明方向、為更好地選擇材料、使用材料、發(fā)揮材料的潛力提供理論基礎(chǔ)。,材料工程為材料科學(xué)的發(fā)展提出了豐富的研究課題。,材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點(diǎn)的不同或者說各自強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)不同。,五、材料性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,材料性能： 是一種參量，用于表征材料在給定外界條件（溫度、載荷、電磁場、化學(xué)介質(zhì)等）下的行為。,材料性能,外界條件的改變涉及體系能量的改變，能量控制結(jié)構(gòu)的形成和過程的進(jìn)行，導(dǎo)致性能改變。,條件,能量,結(jié)構(gòu),性能,材料結(jié)構(gòu),材料的結(jié)構(gòu)是表明材料的組元及其排列和運(yùn)動的方式。,組元的排列方式：,取決于組元的結(jié)合類型。,組元的運(yùn)動方式,電子自旋運(yùn)動 原子熱運(yùn)動 分子伸縮、彎曲振動

5、 空穴的擴(kuò)散,材料結(jié)構(gòu),原子結(jié)構(gòu):影響材料的電、磁、熱、光學(xué)及耐腐蝕性能。,影響材料的力學(xué)性能。,相結(jié)構(gòu)：,顯微組織：各相含量和形貌所構(gòu)成的圖像。如鋼和鐵。,結(jié)構(gòu)缺陷：影響材料性能。,六、材料的分類,1. 按化學(xué)成分、生產(chǎn)過程、結(jié)構(gòu)與性能的特點(diǎn)分：,材料,金屬材料,無機(jī)非金屬材料,有機(jī)高分子材料,金屬陶瓷,無機(jī)有機(jī)復(fù)合材料,2. 按使用功能分類,結(jié)構(gòu)材料：著重考慮材料的力學(xué)性能。如：材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等。,功能材料：著重考慮材料的電磁學(xué)、光學(xué)、 熱學(xué)等等的性能。,功能材料,熱電材料,激光材料,壓電材料,光電材料,聲光材料,智能材料,非線性光學(xué)材料,3. 按用途分類,電子材料 電工材料

6、 研磨材料 建筑材料 光學(xué)材料 感光材料 耐酸材料 包裝材料,4. 按結(jié)構(gòu)分類,A 晶態(tài)材料：單晶、多晶、微晶、液晶、孿晶。,B 非晶態(tài)材料,C 準(zhǔn)晶材料,第二章 原子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)合力,2-1 原子結(jié)構(gòu),原子（直徑 ),原子核(直徑10-3 ),核外電子,原子和核外電子的作用,作用力,靜電引力（庫侖力）,萬有引力,原子之間的作用,原子中的電子受到自身原子核的作用,原子中的電子受到其他原子的電子、原子核的作用。,電子態(tài)發(fā)生改變,粒子的總能量 可以經(jīng)典地表達(dá)為動能 T 與勢能 V 的和： E = T + V = P2/2m +V ； 其中，P 是動量， m 是質(zhì)量。,自由電子模型的Schrding

7、er方程:,穩(wěn)態(tài)原子量子數(shù),1. 主量子數(shù) n : 與特定態(tài)的電子能量有關(guān)。,2. 角量子數(shù)L: 量子角動量的量度。,3. 磁量子數(shù)m: 角動量在磁場方向的分量。,4. 自旋量子數(shù)ms,、主量子數(shù)n,常用符號： K, L, M, N, O, P, Q n： 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,1）主量子數(shù)確定電子運(yùn)動的能量。 n值越大 電子所具有的能量 越大。 2）電子出現(xiàn)概率最大的離核的平均距離 。 3）代表電子層或能層。在一個原子內(nèi)，具有相同 主量子數(shù)的電子，幾乎在同樣的空間范圍運(yùn)動，故稱為主量子數(shù)。n相同的電子為一個電子層。,2、角量子數(shù)l,1)l 對應(yīng)的能級表示亞層，決定原子軌 道

8、形狀 2) 在多電子原子中l(wèi)和主量子數(shù)一起決定 電子的能級 。 spdfg 如： 當(dāng) n=2, l=0 的狀態(tài)就為2s電子； 處在 n=2, l=1 的狀態(tài)為2p電子。,常用符號： s， p， d, f l : 0, 1, 2, 3(n-1),3、磁量子數(shù)m,磁量子數(shù)m 取值受角量子數(shù)的限制。 m = （2l+1 ） 或者0, 1, 2, 3,l。 1） m 決定原子軌道在空間的取向。某種形狀 原 子軌道，可以在空間取不同的伸展方向， 這 是由線狀光譜在磁場中還能發(fā)生分裂，顯示出 微小差別的現(xiàn)象得出的結(jié)果。 Example: p orbit have 3 different orientation p x. p y p z 2）磁量子數(shù)與電子能量無關(guān)。,ms 自旋量子數(shù): 表示電子的自旋方向。 ms 取值：+1/2、-1/2。,自旋磁量子數(shù)ms,綜上所述， 四個量子數(shù)可以確定原子核外電子的運(yùn)動狀態(tài)， 一個電子的一種運(yùn)動狀態(tài)需要用四個量子數(shù)來確定。 我們把具有一定“軌道”的電子稱為具有