緒論材料和材料科學(xué)的定義：材料：具有在特定條件下使用要求的形態(tài)和物理狀態(tài)的物質(zhì)（不包含燃料、化工原料或產(chǎn)品、食品和藥品）。材料科學(xué)：研究材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系及變化規(guī)律的一門學(xué)科。材料科學(xué)的內(nèi)涵：核心問題是材料的組織結(jié)構(gòu)與性能以及兩者之間的關(guān)系。材料科學(xué)與工程的四要素模型及四要素之間的關(guān)系：材料的成分與結(jié)構(gòu)是影響其各種性質(zhì)的直接因素，加工過程通過改變材料的成分與結(jié)構(gòu)從而影響其性質(zhì)。例如鐵碳合金，不含碳時，即純鐵，延展性好但強(qiáng)度低；含碳量較低時，稱之為鋼，鋼中含碳量增加，強(qiáng)度硬度上升，但塑性韌性下降。由同一元素碳構(gòu)成的不同材料如石墨和金剛石,也有著不同的性能。結(jié)構(gòu)與成分是材料研究的核心，性質(zhì)是落腳點，根據(jù)材料的性質(zhì)可以確定其使用效能，例如金屬具有剛性和硬度，可做結(jié)構(gòu)材料。材料的制備/合成和加工不僅賦予材料一定的尺寸和形狀,而且是控制材料成分和結(jié)構(gòu)的必要手段。如鋼材可以通過退火、淬火、回火等熱處理來改變它們內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而達(dá)到預(yù)期的性能,冷軋硅鋼片經(jīng)過復(fù)雜的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大大減少鐵損。材料結(jié)構(gòu)層次與材料結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系：L①原子結(jié)構(gòu)結(jié)合鍵內(nèi)部結(jié)構(gòu)-③原子排列方式（晶體、非晶體）顯微組織-⑤宏觀組織（肉眼可見）討論結(jié)構(gòu)對性能的影響關(guān)系：①原子結(jié)構(gòu)②結(jié)合鍵③原子排列方式④顯微組織和缺陷Eg.l結(jié)合鍵受到原子結(jié)構(gòu)影響，易失去電子的元素形成金屬鍵，結(jié)合鍵為金屬鍵，導(dǎo)致原子趨于緊密堆積，電子共有化使得受力形變時金屬鍵不至于破壞，故而有很好的延展性。Eg.2組織是指金相觀察方法觀察材料內(nèi)部時看到的涉及晶粒大小、方向、形狀、排列方式等組成關(guān)系的組成物。如鐵素體和珠光體。材料熱處理加工導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)變化，其力學(xué)性能也有所差異。材料選擇的基本原理性能使用性原則：根據(jù)工作環(huán)境條件，按照材料的性能指標(biāo)來選擇相應(yīng)的適用材料。失效性選擇原則：對服役后失效的材料進(jìn)行失效原因、解決對策分析，選擇新的適用材料。加工工藝選擇原則：充分考慮材料的加工工藝性，降低工藝成本。加工批量選擇原則：結(jié)合加工批量的大小選擇合適的加工設(shè)備、原料及工藝。經(jīng)濟(jì)原則：通過成本核算，選定合算的材料，包括原料、工藝、宣傳、管理及運(yùn)輸成本等。資源原則：結(jié)合國家政策，從資源的利用上考慮選取合適的材料。第一章固體材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識―、原子結(jié)構(gòu)與鍵合1-原子結(jié)構(gòu)1.1確定核外電子運(yùn)動軌道的四個量子數(shù)：主量子數(shù)n――確定電子離核遠(yuǎn)近和能量高低的主要參數(shù)，電子的能量隨n的增大而增高；次量子數(shù)l――反映軌道的形狀，由s、p、d、f四個量子數(shù)表示各軌道在原子核周圍的角度分布不同，次量子數(shù)也影響軌道的能級；磁量子數(shù)m――確定軌道的空間取向；自旋量子數(shù)ms——每個狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個電子。1.2核外電子排布規(guī)律：能量最低原理：電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)；Pauli不相容原理：一個原子中不可能存在有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子；Hund規(guī)則：在未填滿的殼層中，電子的自旋值應(yīng)該盡量地大。1.3原子間的鍵合（1）金屬鍵：金屬正離子和自由電子之間相互作用而形成的結(jié)合電子共有化、自由，彌散于M+晶格中形成電子云，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好；無方向性、無飽和性；趨于形成低能量密堆結(jié)構(gòu)，受力形變金屬鍵不至于破壞，延展性好；結(jié)合能〈離子晶體、共價晶體,各種金屬鍵的結(jié)合能差異也較大。形成條件：AX<0.5離子鍵：正負(fù)離子經(jīng)庫倫靜電力相互結(jié)合起來的結(jié)合鍵。由于同性相斥、異性相吸，正負(fù)離子相間排列；無方向性，鍵力大小各向一致；一個離子可結(jié)合多個離子形成配位多面體；離子晶體結(jié)合能高，Tm高，硬度大，脆性大，熱膨脹系數(shù)??；僅在高溫熔融下，正負(fù)離子可在外電場作用下自由運(yùn)動，此時呈離子導(dǎo)電性。形成條件：AX>1.7共價鍵：通過共享電子對結(jié)合使相鄰原子鍵合起來的形式。極性鍵：電子對偏向一方；非極性鍵：電子對無偏向；飽和性：當(dāng)原子的價電子數(shù)為N時，應(yīng)建立(8-N)個共用電子對達(dá)到共價結(jié)合；方向性：電子云按最大密度的方向重疊，各共價鍵之間有相對取向；脆性大配位數(shù)?。烘I的方位決定；結(jié)合能高，熔點高，質(zhì)地硬脆，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定供用電子對難以自由運(yùn)動，絕緣性好，導(dǎo)電性好。形成條件：0.7<AX<1.7范德華鍵：以弱靜電吸引的方式使分子或原子團(tuán)聚在一起的結(jié)合力。無方向性；無飽和性；鍵能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)鍵，屬于二次鍵；高分子中總的范德華力超過了化學(xué)鍵；除盡范德華力前化學(xué)鍵已破壞,故往往沒有氣態(tài)；范德華力對高聚物物理性能影響比較大；包括：靜電力：極性原子、分子的永久偶極之間的靜電作用，與溫度有關(guān)誘導(dǎo)力：非極性分子中的誘導(dǎo)偶極與極性分子中的永久偶極的作用色散力：電子運(yùn)動導(dǎo)致原子瞬時偶極間的相互作用氫鍵：H原子同時與兩個電負(fù)性很大而半徑很小的原子(O,N,F)相結(jié)合的具有比范德華力大比化學(xué)鍵小的鍵。飽和性方向性：分子間或分子內(nèi)都可形成；對高分子結(jié)構(gòu)和物理性能影響大；混合鍵：多數(shù)工程材料的結(jié)合鍵多為混合鍵，氣體分子以共價鍵結(jié)合，以范德華力凝聚，亦為混合。工程材料的結(jié)合鍵差別：簡單金屬完全為金屬鍵，過渡金屬為金屬鍵和共價鍵混合，金屬鍵為主；陶瓷材料是由一種或多種金屬與非金屬結(jié)合的化合物，主要以離子鍵為主，也含有一定成分的共價鍵；高分子材料中，大分子內(nèi)原子間結(jié)合鍵為共價鍵，大分子間結(jié)合鍵為范德華鍵或氫鍵；④復(fù)合材料是有兩種及以上的材料組合而成，結(jié)合鍵復(fù)雜，成分不定。實例分析：陶瓷材料中的離子主要鍵合方式，從鍵合鍵角度分析其性能。陶瓷材料的結(jié)合鍵主要是離子鍵和共價鍵，以離子鍵為主，比例取決于組成元素電負(fù)性差，越大，離子鍵比例越高。共價鍵、離子鍵結(jié)合能高，純共價鍵的金剛石具最高熔點,金屬熔點相對較低，陶瓷的熔點一般比金屬高，熱穩(wěn)定性較好。離子鍵和共價鍵結(jié)合時，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比較低。離子鍵和共價鍵結(jié)合的陶瓷材料硬度比一般的分子晶體材料要大得多。離子鍵和共價鍵結(jié)合的陶瓷材料塑性變形困難，塑性差，脆性很好。二、晶體學(xué)基礎(chǔ)知識定義：晶體：原子（離子）或分子（原子集團(tuán)）在空間整齊排列并呈周期性重復(fù)，長程有序的固體。非晶體：組成物質(zhì)的原子、離子在空間排布不呈周期性和平移對稱性，長程無序的固體。晶體與非晶體的區(qū)別：根本區(qū)別：質(zhì)點是否在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；自然條件下，晶體呈多面體外觀，非晶體沒有；晶體熔化有固定的熔點，非晶體沒有，只存在一個軟化溫度范圍；晶體的長程有序排列，在不同的方向材料表現(xiàn)出的各種性能有所差異，稱為各向異性，非晶體是各向同性，遠(yuǎn)程無序。晶體基本性質(zhì)（從格子構(gòu)造觀點出發(fā)）自限性晶體的多面體外形是其格子構(gòu)造在外形上的直接反映。晶面、晶棱與角頂分別與格子構(gòu)造中的面網(wǎng)、行列和結(jié)點相對應(yīng)。從而導(dǎo)致了晶體在適當(dāng)?shù)臈l件下往往自發(fā)地形成幾何多面體外形的性質(zhì)。均一性因為晶體是具有格子構(gòu)造的固體，在同一晶體的各個不同部分，化學(xué)成分與晶體結(jié)構(gòu)都是相同的，所以晶體的各個部分的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)也是相同的。各向異性同一晶體中，由于內(nèi)部質(zhì)點在不同方向上的排布一般是不同的。因此，晶體的性質(zhì)也隨方向的不同有所差異。對稱性晶體的格子構(gòu)造本身就是質(zhì)點周期性重復(fù)排列，這本身就是一種對稱性；體現(xiàn)在宏觀上就是晶體相同的外形和物理性質(zhì)在不同的方向上能夠有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)。最小內(nèi)能性晶體的格子構(gòu)造使得其內(nèi)部質(zhì)點的排布是質(zhì)點間引力和斥力達(dá)到平衡的結(jié)果。無論質(zhì)點間的距離增大或縮小，都將導(dǎo)致質(zhì)點的相對勢能增加。因此，在相同的溫度條件下，晶體比非晶體的內(nèi)能要??；相對于氣體和液體來說，晶體的內(nèi)能更小。晶體的結(jié)構(gòu)特征：結(jié)點：空間格子上的點，在實際晶體中，它們可以代表同種質(zhì)點的位置，因此也

稱為晶體結(jié)構(gòu)中的等同點位置。行列：結(jié)點在一維方向上的排列，同一行列的結(jié)點間距相等，平行行列的結(jié)點間距也相等。面網(wǎng)：結(jié)點在平面上的分布構(gòu)成面網(wǎng)。密度大的面網(wǎng)，其相鄰面網(wǎng)的間距也大,密度小的面網(wǎng)，相鄰面網(wǎng)的間距也小平行六面體：空間格子的最小單位基元（1）空間點陣與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系及其意義：空間點陣：晶體中質(zhì)點排列的幾何學(xué)抽象，來分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對稱性,各陣點周圍環(huán)境一致，可無限延伸。晶體結(jié)構(gòu)：晶體中實際質(zhì)點的具體排列狀況，不可無限延伸，但存在的結(jié)構(gòu)有無限多?；?空間點陣=晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)相同，但空間點陣不同：Cr與CsClCsCl結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)不同，但空間點陣相同：NaCl與Cu2C1結(jié)構(gòu)2C1結(jié)構(gòu)⑵晶胞、原胞、平行六面體（空間格子）與晶格的關(guān)系平行六面體：空間格子的最小單位基元，由六個兩兩平行且大小相等的面組成。晶體的空間格子結(jié)構(gòu)可以看成無數(shù)個平行六面體在三維空間的無間隙重復(fù)堆積。晶胞：實際晶體中劃分出的相應(yīng)最小單位基元，實際晶體結(jié)構(gòu)可看成無數(shù)個晶胞在三維空間的無間隙重復(fù)排列。無數(shù)個晶胞堆砌構(gòu)成完整晶格，體現(xiàn)出晶體的周期排列性。原胞：只含有一個結(jié)點的結(jié)構(gòu)單元，也叫單胞，體積最小。（3）布拉維點陣及其判斷說明為什么只有14種空間格子?答：空間格子根據(jù)外形可以分為7種，根據(jù)結(jié)點分布可以分為4種。布拉維格子同時考慮外形和結(jié)點分布兩個方面，按道理應(yīng)該有28種。但28種中有些格子不能滿足晶體的對稱，如：立方底心格子，不能滿足等軸晶系的對稱，另外一些格子可以轉(zhuǎn)換成更簡單的格子，如：四方底心格子可以轉(zhuǎn)換成為體積更小的四方原始格子。排除以上兩種情況的格子，所以布拉維格子只有14種。原始底心體心面心三斜莎C=Pl=pF=Pfl=CF=C斜方JB+jt?L?三方（菱那）與本晶系君稱不符l=pF-P四方C=P円1六方1與本晶系對稱不符與本晶系對稱不苻與本昌系對稱不符等軸〔立方）S與本晶系對稱不務(wù)目H—tei晶系與布拉維點陣:晶系晶魁參教布拉維點萍舉例三料 殍舜匚°曲#泮90。單料 a=）F=9O°#正芟 殍毎匚a二滬尸9L六方 例P2二的#皿=0二9ft=120c菱方 護(hù)悖90。四方 ~~a=bf：gcf戶尸9臚立方 a=b=c,cF=^=y=?0°簡單三蒔K2CrO7簡單單敘底心單舒AS,CaSOr2H2O簡單正交，底心正丸a-S.FejC體心正交，面心正交7 -f簡單六方Zn,CdAs,Sb,Bi簡單四方，體心四方TiO?簡單立方，體心立方，而心立方Cu,Ag,Au3.1根據(jù)相鄰兩個晶粒之間的位向差的不同，將晶界分為小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界是指相鄰兩個晶粒之間的位向差較小的一種晶界,通常是2度-3度，小角度晶界可分為傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。大角度晶界相鄰晶粒的位向差大于10'的晶界，多晶體中90%以上的晶界屬于此類。3.2晶界的特性：1） 晶界處點陣畸變變大，存在晶界能，故晶粒長大和晶界平直化是一個自發(fā)過程。2） 晶界處原子排列不規(guī)則，從而阻礙塑性變形，強(qiáng)度更高。這就是細(xì)晶強(qiáng)化的本質(zhì)。3） 晶界處存在較多缺陷（位錯、空位等），有利原子擴(kuò)散。4） 晶界處能量高，固態(tài)相變先發(fā)生，因此晶界處的形核率高。5） 晶界處成分偏析和內(nèi)吸附，又富集雜質(zhì)原子，因此晶界熔點低而產(chǎn)生“過熱”現(xiàn)象。6） 晶界能高，導(dǎo)致晶界腐蝕速度比晶粒內(nèi)部更高四、例題簡述一次鍵和二次鍵的本質(zhì)特點，并從結(jié)合鍵的角度討論金屬的力學(xué)特性—次鍵是指化學(xué)鍵，它通過電子的轉(zhuǎn)移或共享兩原子的電子云達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。—次鍵是強(qiáng)鍵，包括離子鍵，金屬鍵，共價鍵。二次鍵是指物理鍵,是原子與分子間由誘導(dǎo)或永久電偶極子的相互作用而產(chǎn)生。二次鍵是弱鍵,包括范德華力，氫鍵等。金屬的力學(xué)性能是指金屬材料抵抗各種外加載荷的能力，其中包括彈性、剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度及疲勞強(qiáng)度等。金屬鍵由于沒有方向性和飽和性，對原子也沒用選擇性，在外力作用下發(fā)生相對移動時，金屬正離子仍處于電子云的包圍中，金屬鍵不會受到破壞,因此金屬能夠經(jīng)受形變而不斷裂，具有較好的塑性變形能力。金屬鍵鍵能較大,所以金屬具有較高的強(qiáng)度和硬度。說明材料中的結(jié)合鍵與材料性能的關(guān)系材料中的結(jié)合鍵與材料性能的關(guān)系如下:材料中的結(jié)合鍵對材料的性能有重要的影響,特別是對物理性能和力學(xué)性能。（1）結(jié)合鍵越強(qiáng),熔點越高,熱膨脹系數(shù)就越小,密度也越大。金屬具有光澤、高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、好的機(jī)械強(qiáng)度和塑性,且具有正的電阻溫度系數(shù),這就與金屬的金屬鍵有關(guān)。陶瓷、聚合物一般在固態(tài)下不導(dǎo)這與其非金屬鍵結(jié)合有關(guān)。工程材料的腐蝕實質(zhì)是結(jié)合鍵的形成和破壞（2）晶體材料的硬度與晶體的結(jié)合鍵有關(guān)。一般共價鍵、離子鍵、金屬鍵結(jié)合的晶體比分子鍵結(jié)合的晶的硬度高。結(jié)合鍵之間的結(jié)合鍵能越大,則彈性模量越大。工程材料的強(qiáng)度與結(jié)合鍵能也有一定的聯(lián)系。一般鍵合能高,強(qiáng)度也高一些。材料的塑性也與結(jié)合鍵類型有關(guān),金屬鍵結(jié)合的材料具有良好的塑性,而離子鍵、共價鍵結(jié)合的材料塑性變形困難,所以陶瓷材料的塑性很差。晶體的均勻性和各向異性矛盾嗎？為什么？（各向異性和均勻性如何表現(xiàn)在同一晶體上？）答：不矛盾。（1）在宏觀觀察下，晶體每一點上的物理效應(yīng)和化學(xué)組成均相同，這種性質(zhì)稱為晶體的均勻性。晶體的有序排列決定了晶體的精確均勻性，這使它具有固定熔點。（2）晶體的幾何度量和物理效應(yīng)常隨方向不同而表現(xiàn)出量上的差異，這種性質(zhì)稱為各向異性。晶體的各向異性是由晶體內(nèi)部質(zhì)點的有序排列決定的。（3）如在晶體的每一點上按不同方向測量電導(dǎo)率，電導(dǎo)率除對稱性聯(lián)系起來的方向外都是不同的，這就是晶體的各向異性；而在晶體的任一點按相同方向測量的電導(dǎo)率都相同，這就是晶體的均勻性。即晶體的各向異性均勻地在晶體各點上表現(xiàn)出來?？臻g點陣與晶體點陣有何區(qū)別？晶體結(jié)構(gòu)和空間點陣之間的關(guān)系如下:（1