材料科學(xué)基礎(chǔ)

1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關(guān)系及變化規(guī)律的一門科學(xué)。材料科學(xué)基礎(chǔ)的任務(wù)：根據(jù)工程和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要設(shè)計(jì)研制新型工程材料；解決材料制備原理和工藝方法，獲取可供使用的工程材料；解決材料在加工和使用過程中組織結(jié)構(gòu)和性能變化的微觀機(jī)理，從中找出合宜的加工工藝、強(qiáng)化工藝和延壽措施；創(chuàng)新測(cè)試材料成分、組織結(jié)構(gòu)和性能的方法，完善測(cè)試技術(shù)；合理地選擇和使用工程材料。

緒論2材料的分類1、按材料的化學(xué)成分組成分類：金屬材料（黑色金屬、有色金屬）無機(jī)非金屬材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷）高分子材料天然高分子材料（蛋白、淀粉、纖維素）人工合成高分子材料（合成橡膠、合成塑料、合成纖維）復(fù)合材料2、按原子排列情況分類：晶體：短程有序，長程有序，具有周期對(duì)稱性

非晶體：短程有序，長程無序，不具有周期對(duì)稱性

準(zhǔn)晶體：介于晶體和非晶體之間的固體。準(zhǔn)晶體具有與晶體相似的長程有序的原子排列；但是準(zhǔn)晶體不具備晶體的平移對(duì)稱性。

石英玻璃準(zhǔn)晶合金3

第1章材料的結(jié)構(gòu)

1.1

材料的結(jié)合方式

1.2

晶體學(xué)基礎(chǔ)

1.3

材料的晶體結(jié)構(gòu)41.1材料的結(jié)合方式化學(xué)鍵組成物質(zhì)整體的質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力。質(zhì)點(diǎn)間相互作用時(shí)，吸引和排斥情況不同，形成不同類型的化學(xué)鍵有：共價(jià)鍵；離子鍵；金屬鍵；范德瓦爾鍵。5共價(jià)鍵1、形成元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多數(shù)元素或電負(fù)性不大的原子相互結(jié)合時(shí)，原子間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，以共價(jià)電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)合。這種由公用電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵稱為共價(jià)鍵。2、特性方向性，飽和性，結(jié)合力很大3、具有共價(jià)鍵物質(zhì)的特性共價(jià)晶體強(qiáng)度、硬度高，脆性大，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，揮發(fā)性低。6離子鍵1、形成當(dāng)兩種電負(fù)性相差很大（如元素周期表相隔較遠(yuǎn)的元素）的原子相互結(jié)合時(shí)，其中電負(fù)性較小的原子失去電子成為正離子，電負(fù)性較大的原子獲得電子成為負(fù)離子，正、負(fù)離子靠靜電引力結(jié)合在一起而形成的結(jié)合鍵。2、特性無方向性，無飽和性，結(jié)合力很大3、具有離子鍵物質(zhì)的特性離子晶體的硬度高、強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)小，但脆性大。離子晶體具有很好的絕緣性。因不吸收可見光，典型的離子晶體是無色透明的。7金屬鍵1、形成金屬原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是外層電子少，原子容易失去其價(jià)電子而成為正離子。當(dāng)金屬原子相互結(jié)合時(shí)，金屬原子的外層電子（價(jià)電子）就脫離原子，成為自由電子，為整個(gè)金屬原子所共有。這些公有化的自由電子在正離子之間自由運(yùn)動(dòng)形成所謂電子氣（或電子云）。這種由金屬正離子與電子氣之間相互作用而結(jié)合的方式稱為金屬鍵。2、具有的特性①、良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性。②、正的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻增大。③、良好的強(qiáng)度及塑性。④、具有金屬光澤。8范德華鍵1、形成有些物質(zhì)的分子具有極性，其中分子的一部分帶有正電荷，而分子的另一部分帶有負(fù)電荷，一個(gè)分子的正電荷部位和另一分子的負(fù)電荷部位間，以微弱靜電引力相引，使之結(jié)合在一起稱為范德華鍵（或分子鍵）。2、特性結(jié)合力較弱3、具有共價(jià)鍵物質(zhì)的特性硬度低、沸點(diǎn)低，絕緣性。9工程材料的鍵性

實(shí)際上使用的工程材料，有的是單純的一種鍵，更多的是幾種鍵的結(jié)合。如果以四種鍵為頂點(diǎn)作一個(gè)四面體，就可以把材料的結(jié)合鍵范圍示意地表示在這個(gè)四面體上，具體材料地鍵特性見圖。10

材料的鍵性不同，表現(xiàn)出不同的特性。金屬材料：是以金屬鍵結(jié)合為主的材料，具有好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性和金屬光澤，是應(yīng)用最廣泛的工程材料。陶瓷材料：是以共價(jià)鍵和離子鍵結(jié)合為主的材料，性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆性大。高分子材料：是以范德瓦爾鍵結(jié)合為主的材料，主要包括塑料、橡膠及合成纖維等，在機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)等許多工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。11

1.2晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體與非晶體1、晶體：物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)(分子、原子或離子)在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形成的物質(zhì)叫晶體。2、非晶體：非晶體在整體上是無序的，但原子間也靠化學(xué)鍵結(jié)合在一起，所以在有限的小范圍內(nèi)觀察還有一定規(guī)律，可將非晶體的這種結(jié)構(gòu)稱為近程有序。121.晶體：物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)（分子、原子或離子）在三維空間呈規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)。2.空間點(diǎn)陣：把質(zhì)點(diǎn)看成空間的幾何點(diǎn)，點(diǎn)所形成的空間陣列。3.晶格：用假想的空間直線，把這些點(diǎn)連接起來，所構(gòu)成的三維空間格架。4.晶胞：從晶格中取出具有代表性的最小幾何單元。5.晶格參數(shù)：描述晶胞的六個(gè)參數(shù)a、b、c、13晶胞選取應(yīng)滿足的條件

(1)晶胞幾何形狀充分反映點(diǎn)陣對(duì)稱性。(2)平行六面體內(nèi)相等的棱和角數(shù)目最多。(3)當(dāng)棱間呈直角時(shí)，直角數(shù)目應(yīng)最多。(4)滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。147個(gè)晶系、14種布拉菲點(diǎn)陣根據(jù)6個(gè)點(diǎn)陣參數(shù)的相互關(guān)系，可將空間點(diǎn)陣分為7個(gè)晶系：立方、四方、正交、六方、單斜、三斜、菱方。按照“每個(gè)陣點(diǎn)周圍環(huán)境相同”的要求，布拉菲用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出能反映空間點(diǎn)陣全部特征的單位平行六面體只有14種，也稱為布拉菲點(diǎn)陣。立方四方正交六方單斜三斜菱方15底心單斜三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠90°簡(jiǎn)單單斜單斜a≠b≠cα=γ=90°≠β表1.2十四種布拉菲點(diǎn)陣簡(jiǎn)單三斜16底心正交簡(jiǎn)單正交面心正交體心正交正交a≠b≠cα=β=γ=90°17簡(jiǎn)單菱方簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單四方體心四方四方a=b≠cα=β=γ=90°菱方a=b=cα=β=γ≠90°六方a=b≠cα=β=90°γ=120°18簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方立方a=b=cα=β=γ=90°19晶向指數(shù)與晶面指數(shù)1.晶面指數(shù)和標(biāo)定2.晶向指數(shù)的標(biāo)定3.晶面族與晶向族4.六方晶面及晶向的指數(shù)標(biāo)定5.晶帶6.晶面間距

201．晶面指數(shù)

晶體中各種方位上的原子面叫晶面，表示晶面的符號(hào)叫晶面指數(shù)。確定晶面指數(shù)的方法：1）定坐標(biāo)：原點(diǎn)不能過所求晶面；2）求截距：確定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距；3）變倒數(shù)：將所求截距變?yōu)榈箶?shù)；4）化為最小整數(shù)：hkl；5）加圓括號(hào)（hkl）即為晶面指數(shù)。21例如：定坐標(biāo)如圖

ABCD面ABE面截距：1，1，∞1，1，1/2倒數(shù)：1，1，01，1，2指數(shù)：（110）（112）（110）（112）22截距為負(fù)值時(shí)，在其指數(shù)上冠以負(fù)號(hào)。（hkl）代表一組互相平行的晶面。{hkl}代表原子排列完全相同，只是空間位向不同的各組晶面，稱為晶面族。如{100}包括（100）（010）（001）。立方晶格中三個(gè)重要晶面：

{100}，{110}，{111}。

注意：23

晶體中各個(gè)方向上的原子列叫晶向，表示晶向的符號(hào)叫晶向指數(shù)。2．晶向指數(shù)確定晶向指數(shù)的方法：1）定坐標(biāo)（原點(diǎn)過所求直線）；2）過原點(diǎn)引直線，平行于所求晶向；3）求該直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值；4）化為最小整數(shù)：uvw；5）加方括號(hào)[uvw]即為晶向指數(shù)。24

例如：

求AB晶向指數(shù)。定坐標(biāo)如圖，作OP∥AB，求P點(diǎn)坐標(biāo)為1，1，0AB晶向指數(shù)為[110]。

求OB晶向指數(shù)。求B點(diǎn)坐標(biāo)為1，1，1OB晶向指數(shù)為[111]。[110][111]25已知圖形，會(huì)求指數(shù)；已知指數(shù)，會(huì)畫圖形。如：已知（123）晶面和[123]晶向，畫其圖形。小結(jié)(123)[123]26相交于某一晶向直線或平行于此直線的晶面構(gòu)成一個(gè)晶帶，此直線稱晶帶軸。立方系某晶面（hkl）以[uvw]為晶帶軸必有：hu+kv+lw=0稱為晶帶定律。如有兩個(gè)不平行的晶面（h1k1l1），（h2k2l2）的交線[uvw]可利用上式求得：

u=k1l2-k2l1；v=l1h2-l2h1；w=h1k2-h2k1。例如：（110）與（111）其交線為?3．晶帶273．晶面間距

對(duì)于不同的晶面族{hkl}其晶面間距也不同?？偟膩碚f，低指數(shù)晶面的面間距較大，高指數(shù)晶面的面間距較小、如圖1—13所示。由晶面指數(shù)的定義、可用數(shù)學(xué)方法求出晶面間距，見公式。28

1.3材料的晶體結(jié)構(gòu)1.3.1典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格：BCC(BodyCenteredCubiclattice)面心立方晶格：FCC(FaceCenteredCubiclattice)密排六方晶格：HCP(HexagonalClosePacked)29

1．BCC（見圖1.18，P10）1)晶胞尺寸：八個(gè)原子構(gòu)成立方體，體中心還有一個(gè)原子。a=b=c，α=β=γ=90°。302)晶胞原子數(shù)：指一個(gè)晶胞內(nèi)所含的原子個(gè)數(shù)。

BCC晶胞原子數(shù)為：3)原子半徑：指晶胞中原子密度最大方向上相鄰兩個(gè)原子之間距離的一半，與晶格常數(shù)有關(guān)。

BCC原子半徑為：

4)配位數(shù)：指晶格中任一原子周圍所具有的最近且等距的原子數(shù)。

BCC配位數(shù)為：831

5）致密度：

BCC：

即晶格中有68％體積被原子占據(jù)，其余為空隙。6）屬于這種晶格的金屬：α-Fe、Cr、Mo、W、V。K=nv/V32立方體對(duì)角面上和體對(duì)角線上原子排列最緊密。

密排面：{110}

密排方向：<111>體心立方晶格密排面7）原子密排面和密排方向33

2．FCC（見圖1.19，P11）1)晶胞尺寸：八個(gè)原子構(gòu)成立方體，每個(gè)面心上還各有一個(gè)原子。a=b=c，α=β=γ=90°。342）晶胞原子數(shù)：3）原子半徑：

4）配位數(shù)：12。5）致密度：6）具有FCC的金屬：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb。35

密排面：{111}

密排方向：<110>7）原子密排面和密排方向363．HCP（見圖1.20，P11）1）晶胞尺寸：由12個(gè)原子構(gòu)成簡(jiǎn)單六方體，上下兩個(gè)六方面中心還各有一個(gè)原子，兩個(gè)六方面之間還有三個(gè)原子，晶格常數(shù)比值c/a=1.633時(shí)，排列最緊密。372）晶胞原子數(shù)：3）原子半徑：

4）配位數(shù)：125）致密度：6）屬于這種晶格的金屬：Mg、Zn、Cd、Be。38394．晶體中原子的堆垛方式FCC與HCP晶體結(jié)構(gòu)不同，但配位數(shù)、致密度相同，為搞清其原因，必須研究晶體中原子的堆垛方式。FCC的密排面為（111）其堆垛方式是ABCABC…，見圖1-24，P13。40HCP的密排面為（0001）其堆垛方式是ABAB…，見圖1-23，P12。41六方晶系晶面及晶向指數(shù)三坐標(biāo)系四軸坐標(biāo)系a1，a2，ca1，a2，a3，c120°

120°

120°

（hkil)i=-(h+k)[uvtw]t=-(u+v)4243

分析間隙的數(shù)量、大小和位置對(duì)了解材料的相結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散、相變等問題都是很重要的。金屬的三種典型晶體結(jié)構(gòu)的間隙如圖1-25、圖1-26、圖1-27所示。由圖可清晰地判定間隙所處位置。按計(jì)算晶胞原子數(shù)的方法可算出晶胞所包含的間隙數(shù)目。

5．晶體結(jié)構(gòu)中的間隙44（1）體心立方晶格間隙間隙:八面體和四面體間隙。八面體間隙位于晶胞中每個(gè)面的中心和每個(gè)棱的中心，數(shù)量為6。四面體間隙由兩個(gè)體心原子和兩個(gè)頂角原子所圍成，數(shù)量為12。45體心立方八面體間隙46體心立方四面體間隙47八面體間隙

間隙半徑的計(jì)算：

間隙半徑為頂點(diǎn)原子至間隙中心的距離減去原子半徑，原子中心到間隙中心的距離皆為a/2，所以間隙半徑為：48四面體間隙間隙半徑的計(jì)算：體心立方晶格四面體間隙的棱邊長度不全相等，為不對(duì)稱的間隙。間隙半徑為頂點(diǎn)原子至間隙中心的距離減去原子半徑，原子中心到間隙中心的距離皆為

，所以間隙半徑為：

49間隙：四面體間隙和八面體間隙八面體間隙位于晶胞體中心和每個(gè)棱邊的中點(diǎn)，由6個(gè)面心原子所圍成,間隙數(shù)量為4個(gè)。四面體間隙由一個(gè)頂點(diǎn)原子和三個(gè)面心原子圍成，間隙數(shù)量為8個(gè)。（2）面心立方晶格間隙50八面體間隙面心立方晶格的八面體間隙是由六個(gè)面的面心組成的，屬于正八面體間隙。間隙半徑的計(jì)算：面心立方晶格八面體間隙屬于正八面體間隙，間隙半徑為頂點(diǎn)原子至間隙中心的距離減去原子半徑，原子中心到間隙中心的距離皆為a/2，原子半徑為，所以間隙半徑為：51面心立方八面體間隙52面心立方八面體間隙53正四面體間隙半徑的計(jì)算：面心立方晶格四面體間隙屬于正四面體間隙，間隙半徑為頂點(diǎn)原子至間隙中心的距離減去原子半徑，原子中心到間隙中心的距離皆為，所以間隙半徑為：54面心立方四面體間隙55面心立方四面體間隙56小結(jié)體心立方晶格間隙有兩種：八面體間隙間隙半徑為：間隙個(gè)數(shù)為：6四面體間隙間隙半徑為：間隙個(gè)數(shù)為：12面心立方晶格間隙有兩種：八面體間隙間隙半徑為：間隙個(gè)數(shù)為：4四面體間隙間隙半徑為：間隙個(gè)數(shù)為：8

可見，面心立方八面體間隙比體心立方中間隙半徑較大的四面體間隙半徑還大，因此面心立方結(jié)構(gòu)的γ-Fe的溶碳量大大超過體心立方結(jié)構(gòu)的α-Fe。571．合金的基本概念由于純金屬的機(jī)械性能較低，所以工程上使用的材料都是合金。合金：是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。如：黃銅，Cu、Zn合金；碳鋼，F(xiàn)e、C

合金。組元：組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)（組成合金的元素、穩(wěn)定化合物）。組元間相互作用會(huì)形成各種不同的相。相：成分結(jié)構(gòu)相同并以界面分開的均勻部分。在合金中，由于形成條件不同，各相可以不同的數(shù)量、形狀、大小互相組合，我們將組織：在顯微鏡下所看到的相的分布形態(tài)。

1.3.2合金相結(jié)構(gòu)58(1)固溶體：指溶質(zhì)組元溶于溶劑晶格中，并保持溶劑組元晶格類型而形成的均勻固體。按溶質(zhì)在溶劑晶格中的位置不同可分為：①置換固溶體

溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體。例如：純銅與黃銅。

②間隙固溶體

溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格間隙而形成的固溶體。例如：C→α-Fe=F

，見圖1-35，P19。形成條件：只有當(dāng)r溶質(zhì)/r溶劑＜0.59時(shí)，才能形成間隙固溶體。2．合金的相結(jié)構(gòu)

固溶體中間相59固溶體的兩種類型置換固溶體間隙固溶體60按固溶度不同可分為：①有限固溶體

具有有限固溶度的固溶體。如黃銅：Zn<39%可溶，形成固溶體；Zn>39%出現(xiàn)化合物。②無限固溶體

溶質(zhì)能以任意比例溶入溶劑的固溶體。如Cu-Ni合金：濃度<50%的為溶質(zhì)；濃度>50%的為溶劑。

61按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對(duì)分布不同可分為：①無序固溶體

溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的分布是任意的、無規(guī)律的。②有序固溶體

溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的一定位置。

62有序固溶體－短程有序固溶體－偏聚63固溶體的性能點(diǎn)陣常數(shù)改變：置換固溶體：r質(zhì)>r劑，a增大；r質(zhì)<r劑，a減小。間隙固溶體：a始終隨溶質(zhì)原子溶入而增大。

產(chǎn)生固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子的溶入，產(chǎn)生晶格畸變，使固溶體強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。物理性能改變：溶質(zhì)↑，電阻↑，電阻溫度系數(shù)↓。

64影響固溶體固溶度的因素：1)晶體結(jié)構(gòu)因素：溶質(zhì)與溶劑晶格結(jié)構(gòu)類型相同，固溶度↑.2)原子尺寸因素：溶劑原子半徑rA與溶質(zhì)原子半徑rB的相對(duì)差（rA-rB）/rA<15%有利于固溶，固溶度↑。3)電負(fù)性因素：兩元素間的電負(fù)性差越小，越易形成固溶體，固溶度↑。電負(fù)性大小看其在周期表中的位置：同一周期的元素，電負(fù)性隨原子序數(shù)↑而↑；同一族的元素，電負(fù)性隨原子序數(shù)↑而↓。所以，元素在周期表中相距越遠(yuǎn)，電負(fù)性相差↑，越不利于形成固溶體，固溶度↓。4)電子濃度因素：電子濃度越高，固溶度越小。見圖1-34，P18

電子濃度為合金中價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值。65

（2）中間相中間相可以是化合物，也可以是以化合物為基的固溶體，它具有金屬的性質(zhì)，又稱金屬間化合物合金中各組元之間發(fā)生相互作用而形成的一種新相，叫金屬間化合物。具有較高熔點(diǎn)、高硬度，常作強(qiáng)化相，種類很多。根據(jù)形成條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同金屬間化合物可分為：①正常價(jià)化合物：符合一般化合物原子價(jià)規(guī)律，成分固定并可用分子式表示，如AB、AB2、A2B3，主要受電負(fù)性控制的一種中間相。常見于陶瓷材料，多為離子化合物。66②電子化合物：符合電子濃度規(guī)律的化合物。一定的電子濃度形成一定晶格類型的化合物。（見表1-6，P21）如：電子濃度為3/2時(shí)，形成體心立方結(jié)構(gòu)的β相；電子濃度為21/13時(shí)，形成復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)的γ相；電子濃度為7/4時(shí)，形成密排六方結(jié)構(gòu)的ε

相。電子化合物以金屬鍵為主，具有熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大的特點(diǎn)，是有色金屬的重要強(qiáng)化相67

③