第一章 材料发展过程

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1、材料科学与工程基础材料科学与工程基础The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science & Engineering An Introduction to Materials Science材料科学系：刘天模绪论Introduction材料(Materials)是国民经济的物质基础。广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)工农业生产工农业生产国防国防科学技术科学技术人民生活人民生活材料品种材料品种数量国家现代化程度标志之一数量国家现代化程度标志之一质量质量材料材料能源 现代技术的三大支柱能源 现代技

2、术的三大支柱信息信息材料无处不在，无处不有简单复杂简单复杂单一性能综合性能单一性能综合性能结构材料功能材料结构材料功能材料单一材料复合材料单一材料复合材料材料发展过程我国材料的历史进程(Historical perspective)漫长而又曲折的历程漫长而又曲折的历程：（Stone Age）（Stone Age） 石器时代：石器时代： 石斧、凿、刀、铲、箭头、石斧、凿、刀、铲、箭头、 纺轮、钵等（西安半坡遗址）纺轮、钵等（西安半坡遗址）石斧 （Bronze Age)（Bronze Age)巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安阳晚商遗址）（河南安阳晚商遗址）青铜器时代: 青铜器时代: 湖北江陵楚墓出

3、土越王勾践宝剑中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄ron Age（I）铁时 器器代代古代科技名著：古代科技名著：“考工记考工记”（先秦）、（先秦）、“梦溪笔谈梦溪笔谈”（宋代沈（宋代沈 括）、括）、“天工开物天工开物”（明代宋应星）（明代宋应星）明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态停滞状态解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。 一整套材料体系一整套材料体系 门类全齐门类全齐 数量数量 质量质量 钢铁突破钢铁突破2 2亿吨大关亿吨大关 世

4、界第一世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭原子弹、氢弹、人造卫星、火箭长征三号运载火箭在发射架上的图片长征三号运载火箭在发射架上的图片宝钢高炉宝钢高炉材料分类(Classification of Materials)氯2334223342金属材料（Metallic Materials):钢铁、铝、铜、钛合金金属材料（Metallic Materials):钢铁、铝、铜、钛合金陶瓷材料（Ceramics）：Al O 、SiC、Si N 、SiO 、TiN陶瓷材料（Ceramics）：Al O 、SiC、Si N 、SiO 、TiN或无机非金属材料（Inorganic Materials)或无机

5、非金属材料（Inorganic Materials)高分子材料（High Polymers)：纤维、蛋白质、聚乙烯、聚乙烯高分子材料（High Polymers)：纤维、蛋白质、聚乙烯、聚乙烯Matel- MatrixMatel- Matrix复合材料（Composites)：Composites复合材料（Composites)：CompositesPolymer- MatrixPolymer- Matrix金属材料金属学金属材料金属学陶瓷材料陶瓷学材料科学基础 突出材料共性教学陶瓷材料陶瓷学材料科学基础 突出材料共性教学高分子材料高分子物理高分子材料高分子物理 材料科学与工程基础是研究材料的

6、成分、材料科学与工程基础是研究材料的成分、组织结构与性能之间关系组织结构与性能之间关系非金属材料、复合材料非金属材料、复合材料：材料学：金属材料、：材料学：金属材料、变形与再结晶变形与再结晶：材料变形学：材料的：材料变形学：材料的相图、热处理相图、热处理：材料相变学：凝固、：材料相变学：凝固、晶体缺陷晶体缺陷构与键合、固体结构、构与键合、固体结构、：材料结构学：原子结：材料结构学：原子结VIIII II I综合实验综合实验常用材料组织观察常用材料组织观察察察铁碳合金非平衡组织观铁碳合金非平衡组织观铁碳合金平衡组织观察铁碳合金平衡组织观察材料电阻温度系数测定材料电阻温度系数测定材料密度测定材料密

7、度测定验验材料科学与工程基础实材料科学与工程基础实学习方法： 培养能力为主，学习知识为辅 要掌握正确的思维方式，不要死记硬背 认真记好笔记，课后短时复习 抓住主线条，不钻牛角尖 考试前及早复习，不要临阵磨枪 积极参加答疑，不要闭门复习第一章 材料的结构Structure of Materialv材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。v材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。第一节 结合键Binding Bond一、结合力与结合能双原子模型： d0dcAB结合力排斥力吸引力原子间距d排斥力FF吸引力

8、d0dcAB结合能排斥能吸引能原子间距d排斥能吸引能EAB （a） （b）图11 双原子作用模型二、结合键离子键氯钠 NaCl的晶体结构 Si形成的四面体109金属离子 金属键模型电子气共价键金属键分子键和氢键三、材料的键性 金属材料 金属材料的结合键主要是金属键。 金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展 性；金属光泽等。陶瓷村料 陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。高分子材料 高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成分

9、子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德华键。尽管范德华键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能 第二节 晶体学基础 Fundamentals of crystallogphy一、晶体的概念晶体的特性 晶体的三大特征： 原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。空间点阵和晶胞caX b YZ （a） （b） （c）简单立方晶体（a） 晶体结构 （b） 晶格 （c） 晶胞二、配位数和致密度配位数 所谓配位数是指晶体中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。 致密度 若把原子看成刚性球，则原子之间必有空隙存在，可用原子刚球所占体积与晶体

10、体积之比来表示晶体结构排列的紧密程度，称为致密度或密集系数。可用下式表示： VnVK0例：计算简单立方晶体的致密度解：简单立方：晶格常数为a，原子半径为一个晶胞内所含的原子数 ； ；所以：致密度a211881n330612134aaV3aV 61633aaK三、晶向指数和晶面指数 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中的空间位向，就需要引入一个统一的规则来标志它们，这种统一的标志，叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用的是密勒（Miller）指数。晶向指数晶向指数的确定步骤如下：（1）以晶胞中的某一阵点为原点，以三条棱边为X、

11、Y、Z轴，并以晶胞棱边的长度为单位长度；（2）如果所求晶向未通过坐标原点，过原点引一条平行于所求晶向的有向直线；（3）在所引直线上取离原点最近的那个原子，求出其在X、Y、Z轴上的坐标；（4）将三个坐标值按比例化为最小整数，依次记入方括号 中，即得所求晶向指数。 通常以uvw表示晶向指数的普遍形式，若其中某数为负值，应将负号标注在该数的上方，例如 。 111110110111100 XYZ图17 立方晶系中的三个重要晶向如图给出了立方晶系中的一些主要晶向的晶向指数。 对于一个晶向指数，表示的不是一个具体的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果两个晶向指数数值大小相等，符号相反，则这两组晶向