工程材料学第二讲-2009

α，β，γ等六个参数来描
述。其中，把a, b, c叫 其中， 叫 做晶格常数。 做晶格常数。
原子半径：是指在晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半， 原子半径：是指在晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，也就是晶胞中 原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半， 原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半，写作
ratom 。
致密度：是指晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。 致密度：是指晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。致密度越 大，原子排列紧密程度越大。 原子排列紧密程度越大。 空隙半径：若在晶胞空隙中放入刚性球，则能放入球的最大半径就是空隙半径。 空隙半径：若在晶胞空隙中放入刚性球，则能放入球的最大半径就是空隙半径。 配位数：就是晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。 配位数：就是晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。配位数越 大，原子排列的紧密程度就越大。 原子排列的紧密程度就越大。 晶面：是指通过晶体中原子中心的平面。晶面用晶面指数来表示。 晶面：是指通过晶体中原子中心的平面。晶面用晶面指数来表示。 晶向：在晶体中，通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向就是晶向。 晶向：在晶体中，通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向就是晶向。 晶向用晶向指数来表示。 晶向用晶向指数来表示。 密排面：不同晶体结构中不同晶面、 密排面：不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列密度不 一样，我们把原子密度最大的晶面，叫做密排面。 一样，我们把原子密度最大的晶面，叫做密排面。 密排方向：是指原子密度最大的晶向，则叫做密排方向。 密排方向：是指原子密度最大的晶向，则叫做密排方向。
对于结构，我们采用如下的定义： 对于结构，我们采用如下的定义： 材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。 材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。 对于这个定义，作如下三点说明： 对于这个定义，作如下三点说明： （1）组元 ） A、化学组元：一般用材料中原子的种类和数量来说明成分。原子的种类便是 、化学组元：一般用材料中原子的种类和数量来说明成分。 各种化学元素。例如， 二元合金中， 和 叫做化学组元 叫做化学组元。 各种化学元素。例如，Fe-C二元合金中，Fe和C叫做化学组元。 二元合金中 化学组元之间可以在材料中形成各种相，例如钢中的 化学组元之间可以在材料中形成各种相，例如钢中的Fe3C、Mn、Al2O3等， 、 、 B、在实际材料中，由于原子排列出现了不规则性，因而有晶体缺陷。这些晶 、在实际材料中，由于原子排列出现了不规则性，因而有晶体缺陷。 体缺陷在热力学上可以是稳定的，例如热平衡的空位，又可以是不稳定的，如位错。 体缺陷在热力学上可以是稳定的，例如热平衡的空位，又可以是不稳定的，如位错。 这些缺陷可以用各种特定符号来表示： 空位； 位错； 晶界； 这些缺陷可以用各种特定符号来表示：□--- 空位；⊥--- 位错；Y--- 晶界；⊕-- 电子空位；∥--- 栾晶界等，这些晶体缺陷组元叫做几何学组元。 电子空位； 栾晶界等，这些晶体缺陷组元叫做几何学组元。 几何学组元是普遍存在的。将相的概念扩大，化学组元与几何学组元之间以及 几何学组元是普遍存在的。将相的概念扩大， 几何学组元之间也可以形成各种广义的相。将组元的概念扩大到几何学组元， 几何学组元之间也可以形成各种广义的相。将组元的概念扩大到几何学组元，是近 代金属或材料学的一个重要进展。 代金属或材料学的一个重要进展。
各种结合健以及对应的晶体结构
晶体类型 金属键晶体 共价键晶体 离子键晶体 分子键晶体
形成晶体时价电子变化 价电子公有化 无 价电子迁移 无
价电子所有制 公有 公有 私有 私有
（3）运动方式 ） 对于材料的结构， 对于材料的结构，主要考虑原子或分子及电子的 运动。表示的方法一般有两种，或者用文字来描述， 运动。表示的方法一般有两种，或者用文字来描述， 或者用参量来表达。 或者用参量来表达。 在本节的开始， 在本节的开始，我们就用文字描述了理想气体的运 动特点。 动特点。
我们可以用理想气体的成分和运动特点来表明它的结构： 我们可以用理想气体的成分和运动特点来表明它的结构： （1）理想气体是由一些极小的粒子（分子和原子）组成，这 ）理想气体是由一些极小的粒子（分子和原子）组成， 些粒子间的距离很大，可以略去它们之间的引力或者斥力； 些粒子间的距离很大，可以略去它们之间的引力或者斥力； （2）同类气体粒子的大小、形状、质量和作用是相同的； ）同类气体粒子的大小、形状、质量和作用是相同的； （3）气体粒子在不停地运动，其方向是杂乱的、在会是均等的； 运动的机会是均等的； （4）理想气体粒子是完全弹性的削球，在彼此碰撞时，动量 ）理想气体粒子是完全弹性的削球，在彼此碰撞时， 及能量均守恒； 及能量均守恒； （5）理想气体粒子的体积很小，可以忽略不计。 ）理想气体粒子的体积很小，可以忽略不计。
结构的测定 材料的结构起初是靠肉眼来确定的。例如，用肉眼观察断口， 材料的结构起初是靠肉眼来确定的。例如，用肉眼观察断口，可以确定工具钢 的晶粒度，结晶断裂的百分数等等。 的晶粒度，结晶断裂的百分数等等。 为了扩大人眼的分辨力， 到原子的10E-7mm以及更小的点子，人们 以及更小的点子， 为了扩大人眼的分辨力，从10E-1mm到原子的 到原子的 以及更小的点子 需要借助于仪器和思维。更重要的是思维，人们依据已知的现象， 需要借助于仪器和思维。更重要的是思维，人们依据已知的现象，对于结构模型进 借助于仪器和思维 行假说的推断，然后设计试验，从试验结果的图像、 行假说的推断，然后设计试验，从试验结果的图像、图谱等去验证所提出的结构模 型。人类就是这样“看”到物质和材料的结构的。 人类就是这样“ 到物质和材料的结构的。 在这里，有两个系统在工作，一个是材料，一个是人。对于材料来说， 在这里，有两个系统在工作，一个是材料，一个是人。对于材料来说，输入是可 见光及环境干扰，输出是反射波构成的图像。对于人来说， 见光及环境干扰，输出是反射波构成的图像。对于人来说，输入是材料输出的图 像，人脑要调出它所储存的知识进行判断，做出结论而输出。这是结构测量的共性： 人脑要调出它所储存的知识进行判断，做出结论而输出。这是结构测量的共性： （1）对于材料来说，我们是应用黑箱法，从所测定的输入和输出的关系，来推测 ）对于材料来说，我们是应用黑箱法，从所测定的输入和输出的关系， 未知的（漆黑的）材料结构； 未知的（漆黑的）材料结构； （2）对于人来说，需要运用思维，调出储存的知识，作出关于结构的正确判断； ）对于人来说，需要运用思维，调出储存的知识，作出关于结构的正确判断； （3）每一种测量方法都有分辨力和环境干扰的存在。 ）每一种测量方法都有分辨力和环境干扰的存在。
材料科学与工程以及相关学科研究对象的结构尺寸示意地表示在下图中。 材料科学与工程以及相关学科研究对象的结构尺寸示意地表示在下图中。只是在 20世纪 年代中期以后，一方面，较为广泛地运用电子显微技术和固体物理的成 世纪50年代中期以后 一方面， 世纪 年代中期以后， 就，另一方面，研究对象从金属材料扩展到有机的高分子化合物（或者叫聚合物） 另一方面，研究对象从金属材料扩展到有机的高分子化合物（或者叫聚合物） 时，才开始从物理冶金学扩展到材料科学，结构尺寸约从10E-2扩展到 才开始从物理冶金学扩展到材料科学，结构尺寸约从 扩展到10E-8cm的 的 扩展到 数量级。 数量级。学科的边缘从来都是模糊 的，学科的领域也是在变化的，从 学科的领域也是在变化的， 图B13-B15就可以看出学科边缘和 就可以看出学科边缘和 领域的变化。 领域的变化。学科对象的结构尺寸 相差太远、较难结合， 相差太远、较难结合，例如研究宏 观现象（＞ 观现象（＞10-1cm）的材料工程， （＞ ）的材料工程， 就很难与核物理（＜ 就很难与核物理（＜10-8cm）联 （＜ ） 系起来。 系起来。
晶体结构是指晶体中原子 离子/分子规则排列的方式。 晶体结构是指晶体中原子/离子 分子规则排列的方式。 是指晶体中原子 离子 分子规则排列的方式 晶格是假设通过金属原子 离子的中心划出许多空间直线 晶格是假设通过金属原子/离子的中心划出许多空间直线，这些之先将形 是假设通过金属原子 离子的中心划出许多空间直线， 成空间格架，这种假想的格架称为晶格。晶格的结点为金属原子/离子平衡 成空间格架，这种假想的格架称为晶格。晶格的结点为金属原子 离子平衡 为金属原子 位置的中心。 位置的中心。 把能够反映某种金属晶格特征的最小组成单元成为晶胞。 把能够反映某种金属晶格特征的最小组成单元成为晶胞。 晶胞 晶胞在三维空间的重复排列就会构成晶格，晶胞的基本特性反映了其晶 晶胞在三维空间的重复排列就会构成晶格， 体结构的特点。 体结构的特点。 晶胞的几何特征表征： 晶胞的几何特征表征： 一般用三条棱边长a, 一般用三条棱边长 b, c和三条棱边之间的夹角 和三条棱边之间的夹角
材料科学与工程的结构尺寸及发展示意图
第一节、 第一节、金属材料的结构和组织
固态物质按其原子/离子 分子的聚集状态可分为两大类：晶 固态物质按其原子 离子/分子的聚集状态可分为两大类： 离子 分子的聚集状态可分为两大类 体和非晶体。 体和非晶体。 原子/离子 分子在三维空间有规则的周期性重复排列的物体， 原子 离子/分子在三维空间有规则的周期性重复排列的物体 离子 分子在三维空间有规则的周期性重复排列的物体， 称为晶体。如天然金刚石、水晶、氯化钠、固态金属等。 称为晶体。如天然金刚石、水晶、氯化钠、固态金属等。 原子/离子 分子在空间无规则排列的物体 称为非晶体。 原子 离子/分子在空间无规则排列的物体，称为非晶体。如 离子 分子在空间无规则排列的物体， 松香、石蜡、玻璃等。 松香、石蜡、玻璃等。
第一章、 第一章、材料的结构和性能
绪言 金属材料的结构与组织 金属材料的性能 高分子材料的结构与性能 陶瓷材料的结构与性能
绪
言
物理化学和统计力学对于系统的定义较为简明，系统的一般定义： 物理化学和统计力学对于系统的定义较为简明，系统的一般定义： “研究的对象叫做系 统，宇宙中系统以外的部分叫做环境”。根据系统与环境之间有无能量转换、物质交换，系 宇宙中系统以外的部分叫做环境” 根据系统与环境之间有无能量转换、物质交换， 统 划分为隔绝的、封闭的和开放的三类。 划分为隔绝的、封闭的和开放的三类。 钱学森老先生对系统提出了如下的定义： 钱学森老先生对系统提出了如下的定义： “系统是相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。” 系统是相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。 若材料是一个“系统” 则这个系统的功能便是材料的性能，分析材料的性能时， 若材料是一个“系统”，则这个系统的功能便是材料的性能，分析材料的性能时，要注意 环 境的作用； 相互依赖的” 相互联系的”组元便构成了材料或者说系统的结构。 境的作用；“相互依赖的”、“相互联系的”组元便构成了材料或者说系统的结构。 在材料科学与工程领域内，人们应用了不同的名词来表示材料的内部结构，例如成分、 在材料科学与工程领域内，人们应用了不同的名词来表示材料的内部结构，例如成分、组 显微组织” 晶体结构” 织、结构、相等。习惯上，我们使用“宏观组织”、“显微组织”、“晶体结构”、“原子 结构、相等。习惯上，我们使用“宏观组织” 结构” 结构”、 “原子核结构”等名词来逐步深入地表征材料的结构。 原子核结构”等名词来逐步深入地表征材料的结构。 同一般的建筑相似，木结构是由木组成的，钢结构是由钢组成的， 同一般的建筑相似，木结构是由木组成的，钢结构是由钢组成的，而材料的结构也包括构 成它的各种组元。因此，我们将成分也并入材料的结构。如此，惯用的成分、组织和结构， 成它的各种组元。因此，我们将成分也并入材料的结构。如此，惯用的成分、组织和结构，