第二章

材料学纲要

polystyrene microspheres

Field of view 2 mm x 2 mm

材料科学与工程四要素 材料工程性能通过结构设计和加工 以达到利用材料的某 一特殊性质的目的

结构/成份

合成/制备合成/制备 结构/成份

性质

材料科学研究材料的结构和性 质之间的关系

性质 性能

材料科学与工程 是研究材料组成、结构、生 产过程、材料性能与使用效能以 及它们之间的关系。 纲要--课程主要内容设置所围绕 的纲领、提要3

主要内容一、材料的成分与结构二、材料的合成与加工 三、材料的性质与使用性能

四、结构材料的失效4

第一节 材料的成分与结构polystyrene microspheres

Field of view 2 mm x 2 mm

材料的性能都是由其化学组成 和内部组织结构决定的，了解材料 的组成和组织结构特征与性能间的 关系，才能够有目的、有选择的地 使用材料和开发各种新材料。

一、成分与结构 成分---组成材料的元素种类及其含量。 表示方法：质量分数 mass% 原子百分数 at% 材料的结构---指材料中原子、离子或分子 的排列方式。(简便起见统 一由原子代替) 不同的原子靠原子之间产生的较强的相互作用 力，使原子以键合的方式结合在一起。不同类型 的原子之间产生不同的结合键7

二、材料中的键合方式

1)金属键:指金属原子贡献出价电子后成为正离子，再 与公有化的自由电子间产生静电作用而结合起来的方式。2)离子键:是由释放出最外层电子而带正电的阳离子与 接受其电子的带负电的阴离子之间通过库伦引力所形成 的一种键合。 3)共价键: 是由于相邻原子间通过共用其外壳层价电子 而形成的化学键。

化学键8

二、材料中的键合方式4)氢键: 是氢原子在分子中与原子A键合时 还能与原子B形成附加键(作用力比较弱)。 5)范德华键:原子中的电子运动产生的偶极 子间的相互作用所造成的引力。(聚合物 分子间作用力)

物理键9

类型

作用力来源

键合强弱

形成晶体的特点

离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力 共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力 金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用

强

无方向性键、高配位数、 高熔点、高强度、高硬 度、固态不导电、熔态 离子导电 有方向性键、低配位数、 高熔点、高强度、高硬 度、即使在熔态也不导 电 无方向性键、配位数高、 塑性较好、有光泽、好 的导热、导电性无方向性键、结构密堆、 高熔点、绝缘10

最强

较强

最弱

三、晶体学基础晶体:是指原子(离子、分子)在

三维 空间按一定规律呈周期性地排列构成 的物质。晶体结构:是指晶体中，原子(离子、 分子)的排列方式。

晶体晶体特点：

近程有序、远程有序12

非晶体非晶体：质点在三维空间不呈周期 性的规则排列。 近程有序、远程无序晶 体 非 晶 体 SiO2

SiO2

晶体与非晶体的区别 质点是否在三维空间作有规则的周期性重 复排列。 晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体无 明显熔点，只存在一个软化温度范围。 晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性。

单晶体与多晶体单晶体：质点按同一取向排列，由一 个核心(晶核)生长而成的晶体。 多晶体:由许多不同位向的小晶体所组 成的晶体。

晶体的几个定义

β a

c α γ

b

1)阵点：将构成晶体的原子(离子、分子)抽象成纯粹的几何 点，称为阵点。 2)空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周 围环境的模型。 3)晶格：作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的 几何格架称为晶格。 4)晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶 胞。通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。 5)晶胞参数：晶胞三条棱边(晶轴)的边长a、b、c及晶轴之间 的夹角α、β、γ称为晶胞参数。 16

晶体的几个定义6)配位数:与任一原子处于相等距离并相距 最近的原子数目 7)致密度:原子本身所占据晶格的体积分数 (K)

晶系与布拉菲点阵根据晶胞的外形，即晶轴长度和晶轴夹角将晶体分为七 大晶系：立方、四方、正交、六方、单斜、三斜、菱方 布拉菲点阵(14种) 立方：简单立方，体心立方，面心立方 四方：简单四方，体心四方 正交：简单正交，底心正交，体心正交，面心正交 六方：简单六方 单斜：简单单斜，底心单斜 三斜：简单三斜 三方(菱方):简单三方(菱方)18

三斜：a≠b≠c α ≠β ≠γ ≠90o 单斜：a≠b≠c α =γ =90o≠β 正交：a≠b≠c α =β =γ =90o 四方：a=b≠c α =β =γ =90o 菱方：a=b=c α =β =γ ≠90o

底心

体心

面心

六方：a=b≠c α =β =90o,γ =120o立方：a=b=c α =β =γ =90o19

典型金属的晶体结构

体心立方(body-centered cubic,bcc) 面心立方(face-centered cubic,fcc) 密排六方(hexagonal close-packed,hcp)

体心立方(body-centered cubic,bcc)

体心立方晶胞示意图 (a)刚球模型；(b)质点模型；(c)晶胞中原子数示意图