材料科學與工程基礎知識點(打印版)英漢雙語版

1、1FundamentalsFundamentalsofofMaterialsMaterialsScienceScienceEngineeringEngineering材料科學與工程基礎知識點復習第一章緒論一、學習目的：材料科學家或工程技術人員經(jīng)常遇到的問題是設計問題，而設計問題主要涉及機械、民用、化學和電。而這些領域都要涉及到選擇材料問題。如何選擇材料是非常重要的，選材包含兩方面一個是滿足性能要求，另一方面是成本低，即所謂“合理選材”。

2、材料的性能與其成分和內(nèi)部的組織結(jié)構密切相關，材料的組織結(jié)構與加工過程有關。本課程的目的就在于掌握加工過程和材料的組織結(jié)構以及性能之間的關系。為今后進行材料設計和合理選材打下理論基礎。二、本章主要內(nèi)容1、簡介材料的發(fā)展史2、材料科學與工程的含義和內(nèi)容3、材料的分類4、先進材料5、現(xiàn)代材料的需求三、重要術語和概念metal:金屬金屬ceramic:陶瓷陶瓷polymer:聚合物聚合物Composites:復合材料復合材料Semiconduc

3、ts:半導體半導體Biomaterials:生物材料生物材料Processing:加工過程加工過程Structure:組織結(jié)構組織結(jié)構Properties:性質(zhì)性質(zhì)Perfmance:使用性能使用性能Mechanicalproperties:力學性能力學性能Electricalproperties:電性能電性能Thermalbehavi:熱性能熱性能Magicproperties:磁性能磁性能Opticalproperties:光性能光

4、性能Deteriativeacteristics:老化特性化特性第二章原子結(jié)構與化學鍵一、學習目的我們在自然界中觀察到各種現(xiàn)象，歸根結(jié)底是物質(zhì)的不同表現(xiàn)形式，也就是說物質(zhì)構成了世界。自然界中所有物體均由化學元素及其化合物所組成，同樣，各種固體材料也都是由一種或多種元素的原子結(jié)合而成的。學習物質(zhì)的原子結(jié)構和化學鍵合，是認識和研究各類材料在結(jié)構與性能方面所表現(xiàn)出來的個性和共性的基礎，也是正確認識和理解材料的性能的重要依據(jù)。二、本章主要內(nèi)容1

5、、原子結(jié)構模型玻爾模型：玻爾模型：1913年，年輕的丹麥物理學家玻爾在總結(jié)當時最新的物理學發(fā)現(xiàn)（普朗克黑體輻射和量子概念、愛因斯坦光子論、盧瑟福原子帶核模型等）的基礎上建立了氫原子核外電子運動模型，提出了原子結(jié)構理論上的三點假設（1）任意軌道上繞核運動，而是在一些符合一定量子化條件的軌道上運動；（2）電子軌離核越遠，原子所含的能量越高，電子盡可能處在離核最近的軌道上；（3）只有電子從較高能級躍遷到較低能級時，原子才會以光子形式釋放能量。

6、玻而爾理論解釋了原子發(fā)光現(xiàn)象但無法解釋精細結(jié)構和多原子、分子或固體的光譜，存在局限性。量子力學模型：量子力學模型：量子力學是建立在微觀世界的量子性和微粒運動統(tǒng)計性基本特征上，在量子力學處理氫原子核外電子的理論模型中，最基本的方程叫做薛定諤方程，是由奧地利科學家薛定諤（E.Schrdinger18871961）在1926年提出來的。薛定諤方程是一個二階偏微分方程，它的自變量是核外電子的坐標（直角坐標x，y，z或者極坐標r，θ?，??），它

7、的因變量是電子波的振幅（ψ）。給定電子在符合原子核外穩(wěn)定存在的必要、合理的條件時，薛定諤方程得到的每一個解就是核外電子的一個定態(tài)，它具有一定的能量（?），具有一個電子波的振幅隨坐標改變的的函數(shù)關系式ψ=f(xyz)，稱為振幅方程或波動方程。為了得到電子運動狀態(tài)合理的解，必須引用只能取某些整數(shù)值的三個參數(shù)，稱它們?yōu)榱孔訑?shù)，這三個量子數(shù)可取的數(shù)值及它們的關系如下：主量子數(shù)：n=1234…；角量子數(shù)：l=012…(n1)；磁量子數(shù)：m=012

8、3……l。2.描述有關電子能量的量子力學法則四個量子數(shù)四個量子數(shù)主量子數(shù)（主量子數(shù)（n）：）：用來描述原子中電子出現(xiàn)幾率最大區(qū)域離原子核的遠近，是決定電子能量高低的主要因素。n=1，2，3，4…；在光譜上用K，L，M，N，O，P表示。角量子數(shù)（角量子數(shù)（ι）:角量子數(shù)是描述原子軌道形狀的物理量，ι=0（S軌道），球形，ι=1（P軌道），啞鈴形，ι=2（d軌道），花瓣形；ι=0，1，2，3…（n1）.磁量子數(shù)（磁量子數(shù)（m）：描述電子繞核

9、運動的角動量在空間給定方向上的分量是量子化的m=012…ι。自旋量子數(shù)（自旋量子數(shù)（ms）：電子在繞核高速運動同時，還有自身旋轉(zhuǎn)運動，順時針和逆時針兩個方向：ms=12原子核外電子的排布和能量狀態(tài)：Pauli不相容原理：在同一個原子中沒有四個量子數(shù)完全相同的電子。能量最低原理：電子在原子中所處的狀態(tài)，總是盡可能分布到能量最低的軌道上。Hund規(guī)則：電子分布到能量相同的等價軌道上時，總是盡先以自旋相同的方向，單獨占據(jù)能量相同的軌道。3.原

10、子間的相互作用原子間的相互作用原子（或離子）之間的相互的吸引能，排斥能和總作用能隨其原子間距離變化而變化。rNNrrARAREFdrFdrFdrEE???????????4.化學鍵化學鍵離子鍵：離子鍵：原子之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成正、負離子，并通過靜電作用而形成的化學鍵。離子鍵的本質(zhì)是靜電作用，無方向性、無飽和性。離子鍵程度與元素的電負性有關。共價鍵：共價鍵：不同原子依靠共享電子，或原子軌道的最大重疊而結(jié)合形成的化學鍵為共價鍵。共價鍵的本

11、質(zhì)是電性的，是兩原子核對共用電子對或原子軌道重疊所形成負電區(qū)域的吸引力，不是正負離子間的靜電力。共價鍵有方向性和飽和性。金屬鍵：金屬鍵：在固態(tài)或液態(tài)金屬中，價電子可以自由地在不同原子間移動，使其成為多個原子所共有，這些共用電子將許多原子粘合在一起的作用，被稱為是金屬鍵。3成的固體，其質(zhì)點在空間的分布具有周期性和對稱性。晶胞晶胞：是從晶體結(jié)構中取出的能夠反映晶體周期性和對程性的重復單元。2、金屬的晶體結(jié)構金屬的晶體結(jié)構金屬原子之間靠金屬鍵

12、結(jié)合形成的晶體為金屬晶體。金屬晶體的三種類型和特征為：面心立方晶體：晶胞中八個角上各有一個原子，六個面中心各有一個原子，角上的原子為臨近8個晶胞所共有，每個面中心原子為2個晶胞所共有。晶胞的原子數(shù)為4。晶胞長度a（晶胞參數(shù)a=b=c）與原子半徑R之間的關系為：22aR?晶胞中原子堆積系數(shù)（晶胞中原子體積與晶胞體積的比值）APF=0.74.體心立方晶體：晶胞中八個角上各有一個原子，晶胞的中心有一個原子，角上的原子為臨近8個晶胞所共有，所以

13、，體心立方晶胞中的原子數(shù)為2。晶胞長度a（晶胞參數(shù)a=b=c）與原子半徑R之間的關系為：43Ra?晶胞中原子堆積系數(shù)APF=0.68.密排六方晶體：由兩個簡單六方晶胞穿插而成。形狀為八面體，上下兩個面為六角形，六個側(cè)面為長方形。密排六方的晶胞參數(shù)有兩個，a為正六邊形的邊長，c為上下底面的間距（晶胞高度）。。晶胞中原子堆積系數(shù)APF=0.74。1.633ca?金屬晶體密度：.CAnAVN??3、陶瓷的晶體結(jié)構、陶瓷的晶體結(jié)構陶瓷晶體中大量

14、存在的是離子晶體，由于離子鍵不具有方向性和飽和性，有利于空間的緊密堆積，堆積方式取決于陰陽離子的電荷和離子半徑r的相對大小。配位數(shù)與配位多面體：配位數(shù)與配位多面體：在晶體中，離子或原子周圍與它直接相鄰的異號離子或原子的個數(shù)稱為配位數(shù)，正離子周圍負離子數(shù)不同，形成的配位多面體形狀不同，導致離子晶體的空間構型不同。離子晶體的密度離子晶體的密度:()CACAnAAVN??????4、晶體學基礎、晶體學基礎晶胞參數(shù)：晶胞參數(shù)：通過晶胞上的某一點

15、（習慣取左下角后面的點），沿晶胞的三個棱邊作坐標軸X，Y，Z的長度a，b，c和三條棱邊的夾角α，β，γ這6個參數(shù)為晶胞參數(shù)，可以表示晶胞的大小和形狀。晶系：晶系：晶系是根據(jù)晶胞外形即棱邊長度之間關系和晶軸夾角情況對晶體進行分類，故只考慮a，b，c是否相等，α，β，γ是否相等和是否呈直角等因素，不涉及晶胞中原子的具體排列。晶系只有7種，如表3.6所示?？臻g點陣：空間點陣：為了便于分析討論晶體中原子或分子的排列情況，把它們抽象為規(guī)則排列于空

16、間的無數(shù)個幾何點，各個點周圍的環(huán)境相同，這種點子的空間排列稱為空間點陣。布拉維（布拉維（BravaisBravais）點陣：）點陣：按照每個陣點周圍環(huán)境相同的要求，布拉維用數(shù)學方法確定，只能有14種空間點陣，這14種點陣就被稱為布拉維點陣，它們又歸屬于7個晶系中。（附圖，表）。在研究和分析有關晶體問題時，常涉及晶體的某些方向（稱為晶向）和平面（稱為晶面），為了便于表示，國際上通用的是密勒（Miller）指數(shù)，標注的方法如下：晶向指數(shù)：晶

17、向指數(shù)：晶向指數(shù)用[uvw]表示（三軸定向），其中u、v、w三個數(shù)字是晶向矢量在參考坐標系X、Y、Z軸上的矢量分量經(jīng)等比例化簡而得出。晶向族：晶向族：晶體中原子周期排列相同的所有晶向為晶向族，用表示。同一晶向族中不同晶向的指數(shù)，數(shù)字組成相同。已知一個晶向指數(shù)后，對u、v、w進行排列組合，就可以得到此晶向族的所有晶向指數(shù)。晶面指數(shù)：晶面指數(shù)：晶面指數(shù)用（hkl）（三軸定向）表示一組平行晶面，稱為晶面指數(shù)，數(shù)字hkl是晶面在三個坐標軸（晶軸

18、）上截距的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)比。晶面族：晶面族：在對稱性高的晶體中（如立方晶系），往往有并不平行的兩組以上的晶面，原子排列狀況是相同的，這些晶面就構成了晶面族，用hkl。六方晶系指數(shù)：六方晶系指數(shù)：六方晶系的晶面和晶向指數(shù)可以采用同樣的上述方法（三軸定向）標定，但存在不能顯示晶體的主要特征的缺點，故采用四軸定向。a1、a2、a3和c四個晶軸，a1、a2、a3之間的夾角為120oc軸與它們垂直。此時，晶面指數(shù)用（hkil）（四軸定向）來表示，

19、標定方法仍同三軸定向相同。六方晶系按照兩種晶軸系所得的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)可以互相轉(zhuǎn)換。對晶面指數(shù)從（hkil）轉(zhuǎn)換成(hkl)只要去掉i即可；反之加上i=(hk)。對晶向指數(shù)[u`v`w`]與[uvtw]之間的轉(zhuǎn)換為：u=n3(2u`v`)，v=n3(2v`u`)，t=(uv)w=nw`晶帶：晶帶：所有相交于某一晶向直線上或平行與此直線的晶面構成晶帶，此直線稱為晶帶軸晶帶軸。晶面間距與晶面夾角：晶面間距與晶面夾角：不同的hkl晶面，其間

20、距各不相同，總體上是，低指數(shù)的晶面間距較大，高指數(shù)的晶面間距較小。5、晶體中的緊密堆積、晶體中的緊密堆積根據(jù)質(zhì)點的大小不同，晶體中球體的緊密堆積分為等徑球體和不等徑球體。金屬可看作為等徑球體，等徑球體的最緊密堆積方式有六方最緊密堆積和面心立方最緊密堆積兩種。等徑球體最緊密堆積時，存在兩種類型的間隙，即八面體間隙（六個原子之間的間隙）和四面體間隙（四個原子之間的間隙），四面體空隙小于八面體空隙。最緊密堆積空隙的分布情況是：每個球周圍有8個

21、四面體空隙和6個八面體空隙。n個等徑球體最緊密堆積時，整個系統(tǒng)的四面體間隙為2n個，八面體間隙為n個。陶瓷多為離子晶體，即晶體的緊密堆積屬于不等徑球體的堆積。不等徑球體堆積時，大球首先按最近密堆積方式堆積，小球填充在大球堆積形成的四面體或八面體空隙中，具體的填充還要取決于離子的相對大小。6、非晶態(tài)、非晶態(tài)非晶態(tài)固體指原子在空間排布上沒有長程有序的固體。非晶態(tài)固體中包含大量無規(guī)取向的小的有序疇，每個原子周圍近鄰原子的排列仍具有一定規(guī)律，呈