1 材料基础
材料科学基础1试卷
材料科学基础1试卷2008年⼀、简答题（每题10分，共60分）1. 固态下，⽆相变的⾦属，如果不重熔，能否细化晶粒？如何实现？2. 固体中有哪些常见的相结构？3. 何谓平衡结晶？何谓⾮平衡结晶？4. 扩散第⼀定律的应⽤条件是什么？对于浓度梯度随时间变化的情况，能否应⽤扩散第⼀定律？ 5. 何为织构？包括哪⼏类？6. 什么是成分过冷？如何影响固溶体⽣长形态？⼆、作图计算题（每题15分，共60分）1. 请分别写出FCC 、BCC 和HCP 晶体的密排⾯、密排⽅向，并计算密排⾯间距和密排⽅向上原⼦间距。
2. 请绘出⾯⼼⽴⽅点阵晶胞，并在晶胞中绘出（110）晶⾯；再以（110）晶⾯平⾏于纸⾯，绘出（110）晶⾯原⼦剖⾯图，并在其上标出[001]，，晶向。
3. 已知H70黄铜在400℃时完成再结晶需要1⼩时，⽽在390℃下完成再结晶需2⼩时，请计算在420℃下完成再结晶需要多长时间？ 4. ⼀个FCC 晶体在]231[⽅向在2MPa 正应⼒下屈服，已测得开动的滑移系是]011)[111(，请确定使该滑移系开动的分切应⼒τ。
三、综合分析题（30分）1. 请根据Fe-Fe 3C 相图分析回答下列问题：（17分）1) 请分析2.0wt.%C 合⾦平衡状态下的结晶过程，并说明室温下的相组成和组织组成。
2) 请分析2.0wt.%C 合⾦在较快冷却，即不平衡状态下，可能发⽣的结晶过程，并说明室温下组织会发⽣什么变化。
3) 假设将⼀⽆限长纯铁棒置于930℃渗碳⽓氛下长期保温，碳原⼦仅由棒顶端渗⼊（如图所⽰），试分析并标出930℃和缓冷⾄室温时的组织分布情况。
（绘制在答题纸上）2.图⽰Cu-Cd⼆元相图全图及其400℃～600℃范围的局部放⼤：（13分）3.1）请根据相图写出549℃、547℃、544℃、397℃和314℃五条⽔平线的三相平衡反应类型及其反应式；2）已知β相成分为w cd=46.5％，400℃时γ相的成分为w cd=57％，请计算400℃时w Cd＝50％合⾦的相组成。
材料科学基础-第1章
晶面指数及晶面间距
现在广泛使用的用来表示晶面指数的密勒指数是由 英国晶体学家ler于1939年提出的。
z
确定晶面指数的具体步骤如下： 1.以各晶轴点阵常数为度量单位,求 出晶面与三晶轴的截距m,n,p； 2.取上述截距的倒数1/m,1/n,1/p； 3. 将以上三数值简为比值相同的三 个最小简单整数,即 1 1 1 h k l (553) : : : : h:k :l x m n p e e e 其中e为m,n,p三数的最小公倍数,h,k,l为简单整数； 4.将所得指数括以圆括号, (hkl)即为密勒指数。
13 体心立方点阵
a=b=c，α=β=γ =90°
14 面心立方点阵
a=b=c，α=β=γ =90°
§ 1.5 晶体结构的对称性
一、对称：对称是指物体相同部分作有规律的 重复。对称操作所依据的几何元素，亦即在对 称操作中保持不动的点、线、面等几何元素称 为对称元素。 二、对称性
1．晶体的宏观对称性 2. 晶体的32种点群 3. 晶体的微观对称性 4．230种空间群
晶体结构＝空间点阵+基元
注意：上式并不是一个数学关系式，而只是用来表示这三者之间的 关系。
二、晶体的点阵理论
1 、点阵(Lattice):
将晶体中重复出现的最小单元作为结构基元，用一个数 学上的点来代表 , 称为点阵点，整个晶体就被抽象成一组 点,称为点阵。 1 点阵点必须无穷多； 点阵必须具备的三个条件 2 每个点阵点必须处于相同的环境； 3 点阵在平移方向的周期必须相同。
c
b
a
空间点阵及晶胞的不同取法
选取晶胞的原则： 1.要能充分反映整个空间点阵的周期性和对称性； 2.在满足1的基础上，单胞要具有尽可能多的直角； 3.在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
材料科学基础复习资料
材料科学基础复习资料材料科学基础是各个工程领域的基本学科，是各个领域的基础。
材料科学基础涵盖了材料的结构、物理与化学性质、制备工艺等方面内容，是材料科学领域学习过程中必须掌握的知识。
因此，为帮助有需要的人顺利复习材料科学基础知识，本文整理了一些相关的复习资料。
一、材料基础知识1. 基本的物理性质：包括化学成分、密度、电导率、热导率等基本参数，通常在每种材料的材料数据表中都可查到。
2. 结构相关：晶体结构：晶体结构指材料中原子、离子、分子排布的类型和规律，常用的晶体结构有：立方晶系、四方晶系、六方晶系、等轴晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系等。
非晶态：非晶态作为一种新兴的材料类型，其分子呈无序排列，在某些情况下可能拥有更好的性能。
3. 材料特性：热膨胀系数：在温度变化时，材料线膨胀的速度大小，通常用公式ΔL/L0 = αΔT 表示，其中α为热膨胀系数。
韧性：材料在受到剪切力或拉伸力时的弹性变形程度，是一种考量材料性能的指标，通常可以通过材料变形曲线进行查看。
4. 金属与合金相关：金属材料通常具有良好的导电、导热等特性，同时在高温、高压等环境下具有较强的稳定性。
合金则通常是由多个金属或者非金属元素组成的混合物，其性质与材料组分、配比等有关。
二、材料治理、工艺及应用1. 材料的处理：常用材料的处理包括固化、焊接、框架处理、表面处理以及高压工艺等，其中固化的过程包括了煅烧、烧结等过程。
2. 材料配方：通常材料的配方根据材料的成分、目的等进行确定，其中分子键长、键能以及分子排列等指标都可能用来确定最终配方。
3. 材料的加工工序：通常材料加工工序包括切削、钣金、打压成形等过程，每个工序都会影响材料的性质和特性。
三、材料的主要分类1. 材料的物理分类：主要涉及到材料的形态、密度以及各种物理性质，通常有固体、液体、气体以及等离子体等分类方式。
2. 材料的化学分类：不同的元素应用于不同的方案分类，这种分类通常依据材料的化学成分。
1-材料成形理论基础
材料成形工艺基础1第一章 材料成形理论基础液态成形--铸造 固态成形--锻造 固态连接--焊接21第一节 液态成形基础1、液态金属的结构液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间 仍然具有很高的结合能。
液态金属的结构特征 液态金属内存在近程有序的原子集团。
这种原子集团是不稳定 的，瞬时出现又瞬时消失。
所以，液态金属结构具有如下特 点： l）液态金属是由游动的原子团构成。
2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相 同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起 伏。
3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时 大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。
3第一节 液态成形基础1、液态金属的性质液态金属是有粘性的流体。
粘度的物理本质是原子间作 相对运动时产生的阻力。
表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各 向均等的张力421.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕 育，就会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则 排列的各自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生 成和长大，直至液体全部耗尽为止。
51.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
一次结晶从物理化学观点出发，研究液态金属的 生核Formation of stable nuclei 、长大Growth of crystals、结晶组织的形成规律。
凝固从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过 程、铸件断面上凝固区域的变化规律、凝固方式与 铸件质量的关系、凝固缺陷形成机制等。
631.2铸件的凝固组织凝固组织分宏观和微观。
宏观组织：铸态晶粒的形态、大小、取向、分布 微观组织：晶粒内部的亚结构的形状/大小/相 对分布/缺陷等 晶粒越细小均匀，金属材料的强度和硬度越高，塑 性和韧性越好。
71.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则铸件的凝固方式逐层凝固方式(skin-forming solidification) 糊状凝固方式(mushy solidification) 中间凝固方式(middle solidification)。
《材料学基础I》PPT课件 (2)
理想形状 实际形状
圆球体
长球体
扁球体
a1=a2=a3， p = 1 a3 > a1=a2， p > 1 a3< a1=a2, p < 1
近似球颗粒 等轴多面体
纤维，晶须，棒 片状，盘状，
状，柱，长球
板状
退极因子（消磁因子）depolarition factor：
Lii
① 球体： p = 1
L11
L22
多晶
多相
▪ 点/线/面 —— 体视学。包括了几何、拓扑
1. 结构单元及其几何特征 Geometric
1）基本单元(组元)Unit：颗粒、单相区、畴 （微域） [Crystals：原子/离子/分子] 单元的性质：金属，无机非金属，高分子，液相，气相 （晶态/或非晶态）
2）单元的相对含量 Composition ：材料的组成 [Crystals：原子比/Mole比]
Chap. 4 显微结构 Microstructure
References: 冯端等主编，《材料科学导论》，Chap. 7 诸培南等主编，《无机非金属材料显微结构图册》
▪ 显微结构/组织结构： mm Microstructure：含义更宽，nm —— mm
▪ (Nano-) Ceramics/Metals/Polymers/Composites
退极因子（消磁因子）depolarition factor：
Lii
a1a2a3 2
0
ai2
x
dx
,
a12 x a22 x a32 x
a3 a2
a1
3
Lii 1
i1
简化处理：旋转体， a1=a2 长、短轴半径
定义一个长短轴半径比（纵横比aspect ratio) p = a3/a1
材料基础知识
第一部分材料基础知识一、金属材料的性能：包括使用性能和加工工艺性能两个方面。
⒈使用性能——金属材料在使用条件下所表现的性能。
它包括材料的物理、化学和力学性能。
⑴物理、化学性能——密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性、抗氧化性、耐腐蚀性等。
⑵力学性能——是指金属在外力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉与应力-应变关系的性能，或金属在外力作用时表现出来的性能。
它是反映金属抵抗各种损伤作用能力的大小，是衡量金属材料使用性能的重要指标。
力学性能指标主要包括强度、塑性、韧性、硬度和断裂力学等。
⒉加工工艺性能：材料承受各种冷、热加工的能力。
⑴冷加工：切削性能等。
达到规定的几何形状和尺寸，公差配合，表面粗糙度等的要求。
⑵热加工：铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理等。
〔液态成形〕〔塑性变形〕〔连接〕〔性能潜力〕二、影响金属材料性能的因素：化学成分、组织结构与加工工艺等的影响。
⒈化学成分⑴含碳量C%增加，则强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。
⑵合金元素各有不同的作用：Mn增加可提高强度〔但应控制<1.9%〕，强化元素。
〔16MN含锰量1.6%〕V、Ti、Nb等元素可以细化晶粒，提高韧性与材料致密度。
Mo提高钢的热强性能、在高温时保持足够强度、细化晶粒，防止钢的过热倾向。
Cr、Ni提高钢的热强性能、高温氧化性和耐腐蚀性。
⑶有害元素：P、S形成低熔点化学物，导致热脆性和冷脆性，使塑性、韧性下降。
⑷微量元素Re、稀土元素，综合力学性能有所提高。
⒉组织结构、晶粒度与供贷状态等。
①常见的显微组织：奥氏体〔A〕——强度硬度不高，塑性韧性很好，无磁性。
铁素体〔F〕——强度硬度低，塑性韧性好。
渗碳体〔Fe3C〕——硬而脆，随C%增加，强度硬度提高，而塑性韧性下降。
珠光体〔P〕——性能介于F与Fe3C之间。
马氏体〔M〕——具有很高的强度和硬度，但很脆；延展性差，易导致裂纹。
魏氏组织——粗大的过热组织，塑性韧性下降，使钢变脆。
材料科学基础知识点总结(1)
金属学与热办理总结一、金属的晶体构造要点内容：面心立方、体心立方金属晶体构造的配位数、致密度、原子半径，八面体、四周体空隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特征、晶界具的特征。
基本内容：密排六方金属晶体构造的配位数、致密度、原子半径，密排场上原子的堆垛次序、晶胞、晶格、金属键的观点。
晶体的特色、晶体中的空间点阵。
晶格种类fcc(A1)bcc(A2)hcp(A3)空隙种类正四周体正八面体四周体扁八面体四周体正八面体空隙个数84126126原子半径2a3a a442r A空隙半径32a22a53a23a62a21a 444442r B晶胞：在晶格中选用一个能够完整反应晶格特色的最小的几何单元，用来剖析原子摆列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。
金属键：失掉外层价电子的正离子与洋溢此间的自由电子的静电作用而联合起来，这类联合方式称为金属键。
位错：晶体中原子的摆列在必定范围内发生有规律错动的一种特别构造组态。
位错的柏氏矢量拥有的一些特征：①用位错的柏氏矢量能够判断位错的种类；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路程径没关；③位错的柏氏矢量个部分均同样。
刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混淆型呈随意角度。
晶界拥有的一些特征：①晶界的能量较高，拥有自觉长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋向；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐化和氧化；⑥常温下晶界能够阻挡位错的运动，提升资料的强度。
二、纯金属的结晶要点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成体制。
基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质办理的观点。
铸锭的缺点；结晶的热力学条件和构造条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。
相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不停变化着的近程规则摆列的原子公司。
材料学基础知识
材料学基础知识1. 材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。
2. 材料在弹性范围内，应力与应变的比值εσ/称为弹性模量E （单位MPa ）。
E 标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。
3. 强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力。
4. 塑性是材料在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力。
5. 韧性是材料在塑性应变和断裂全过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。
6. 硬度是指材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力。
7. 应力场强度因子I K ，这个I K 的临界值，称为材料的断裂韧度，用C K I 表示。
换言之，断裂韧度C K I 是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。
8. 晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。
9. 非晶体是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。
10. 把原子看成空间的几何点，这些点的空间排列称为空间点阵。
用一些假想的空间直线把这些点连接起来，就构成了三维的几何格架称为晶格。
从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，称为晶胞。
11. 体心立方晶格（bcc ）；面心立方晶格（fcc ）；密排六方晶格（hcp ）12. 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。
任意两个原子的连线称为原子列，其所指的方向称为晶向。
立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。
13.在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列方式和密度不同，则原子间结合力的大小也不同，因而金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。
14.所谓位错是指晶体中一部分晶体沿一定晶面与晶向相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子某种有规律的错排现象。
位错的基本类型有两种，即刃型位错和螺旋位错。
15.由于塑性变形过程中晶粒的转动，当形变量达到一定程度（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。
择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。
材料基础
第１章原子结构与结合健前言材料是国民经济的物质基础。
通过实践和研究表明：决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。
为此，我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。
金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。
因此。
其熔点和硬度均较高。
另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是copyright(c) 2004 材料工程学院v1.0 版权所有1.2 原子间的键合1.2.1 金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。
金属键的基本特点是电子的共有化。
金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。
当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。
1.2.2 离子键大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。
离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。
一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。
因此。
其熔点和硬度均较高。
另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。
但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。
1.2.3 共价键两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。
共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
中硅和氧原子间的共价键示意图图1.6 sio2共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。
共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。
材料科学基础-1
材料是人类社会经济地制造有用器件的物质。
所谓有用，是指材料满足产品使用需要的特性，即使用性能，它包括力学性能、物理性能和化学性能；制造是指将原材料变成产品的全过程，材料对其所涉及的加工工艺的适应能力即为工艺性能，它包括铸造性能、塑性加工性能、切削加工性能、焊接性能和热处理性能等。
全面地理解材料性能及其变化规律，是设计、选材用材、制订加工工艺及质量检验的重要依据。
一、力学性能1. 强度 —— 材料抵抗变形、断裂的能力，单位 MN/m2（MPa ）。
拉伸试验比例极限σp: 弹性变形阶段，应力和应变关系符合虎克定律的极限力。
弹性极限σe: 完全卸载后不出现任何明显微量塑性变形的极限应力值。
屈服强度σs: 材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据。
•条件（名义）屈服强度σ0.2：中、高碳钢等无明显屈服现象。
抗拉强度σb （强度）: 铸铁、陶瓷、复合材料等脆性材料σb=σs。
•比强度σb /ρ ：玻璃钢ρ= 2.0, σb = 1060 MN/m2，比强度为铝的三倍。
•屈强比：材料屈服强度与抗拉强度之比，表征了材料强度潜力的发挥，利用程度和该种材料零件工作时的安全程度许用应力[σ]：[]n sσσ= n: 安全系数………………全面理解☆注意σ0.2、比强度、屈强比等概念2. 刚度EE ＝比例变形阶段的σ/ε金属材料的刚度对结构不敏感刚度（或刚性）是材料对弹性变形的抵抗能力指标。
如果说强度保证了材料不发生过量塑性变形甚至断裂的话，刚度则保证了材料不发生过量弹性变形，从这个角度来看，刚度和强度具有相同的技术意义而同等的重要，因而机械设计时既包括强度设计又包括刚度设计。
刚度的对立面是挠度，即外力作用下工件产生的弹性变形量。
3. 弹性：用来描述在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标。
比例极限σp 、弹性极限σe 和弹性模量E 等在一定的程度上均可用来说明材料的弹性性能a ）最大弹性变形量εe 是材料在外力作用下所能发生的最大可恢复变形量，即弹性变形能力。
材料科学基础知识点
材料科学基础第零章材料概论该课程以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了材料科学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。
核心是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系。
主要内容包括：材料的原子排列、晶体结构与缺陷、相结构和相图、晶体及非晶体的凝固、扩散与固态相变、塑性变形及强韧化、材料概论、复合材料及界面，并简要介绍材料科学理论新发展及高性能材料研究新成果。
材料是指：能够满足指定工作条件下使用要求的，就有一定形态和物理化学性状的物质。
按基本组成分为：金属、陶瓷、高分子、复合材料金属材料是由金属元素或以金属元素为主，通过冶炼方法制成的一类晶体材料，如Fe、Cu、Ni等。
原子之间的键合方式是金属键。
陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、经烧结或合成而制成的一类无机非金属材料。
它可以是晶体、非晶体或混合晶体。
原子之间的键合方式是离子键，共价键。
聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以共价键连接的、由长分子链组成的髙分子材料。
它主要是非晶体或晶体与非晶体的混合物。
原子的键合方式通常是共价键。
复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。
其原子间的键合方式是混合键。
密度弹性模量:材料抵抗变形的能力强度:是指零件承受载荷后抵抗发生破坏的能力。
韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力功能成本结构(Structure)性质(Properties)加工(Processing)使用性能(Performance)在四要素中，基本的是结构和性能的关系，而“材料科学”这门课的主要任务就是研究材料的结构、性能及二者之间的关系。
宏观结构←显微镜下的结构←晶体结构←原子、电子结构重点讨论材料中原子的排列方式（晶体结构）和显微镜下的微观结构（显微组织）的关系。
以及有哪些主要因素能够影响和改变结构，实现控制结构和性能的目的。
材料科学基础第一章材料结构的基本知识
1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高
，高分子材料
的最低． 2) 密度：金属键的25 最高，共价键
2、对力学性能的影响 （1） 强度：结合键强，则强度
也高，但还受组织的影响． （2） 塑韧性：金属键最好，共
价键、离子键最低. （3） 弹性模量：共价键、离子
键最高，金属键次之，二次键 最低
26
第三节 原子排列方式
• 晶体与非晶体 • 原子排列的研究方法 一、晶体与非晶体 1、晶体
原子(原子团或分子)在空间有规则的周期 性重复排列的固体。
一般情况下，金属、大多数陶瓷、少 数高分子材料为晶体。
27
• 非晶体：
排列无序，不存在长程的周期 规则排列。
二氧化硅结构示意图 28
• 材料最终得到什么结构，必须综合考虑 结构形成的热力学条件和动力学条件。
1、热力学条件 结构形成时必须沿着36 能量降低的方向进
• 等温等容过程：
亥姆过霍程兹自由能变化A，T, V 0
自发
•吉布等斯温自等由压能过变程化：G，T, P 0
程
自发过
2、动力学条件
反应速度。
化学反应动力学的Arhennius方程：
一、一次键 1、离子键 • 通过正负离子间相互吸引力
使原子结合的结10 合键．
• 例如：NaCl, MgO 对于 NaCl： Na：1S22S22P63S1 Cl： 1S22S22P63S23P5 Na 原子失去一个外层电子，变成
正离子，带正电 Cl 原子得到一个外层电子，变成
负离子，带负电
11
12
第一章 材料结构的基本知识
结构分4个层次： • 原子结构 • 结合键 • 原子的排列 • 显微组织
1第一章 汽车材料基础知识
金属的工艺性能是指金属材料适应各种加工工艺方法的
能力。
铸造 性能 热处 理性 能 压力 加工 性能
金属的 工艺性 能
切削 加工 性能 焊接 性能
1．铸造性能
铸造性能是指金属材料是否能用铸造方法获得优良铸件 的能力，主要有流动性、收缩性、吸气性等。
铸造加工
2．压力加工性能
压力加工性能是指金属材料在冷、热状态下进行压力加 工的难易程度。通常塑性好的材料，压力加工性能也好。
工程上，通常把用于制造汽车的工程材料统称为汽 车零部件材料。
汽车零部件常用材料的分类
20世纪70年代以来，汽车工业遇到了三大课题——
污染、安全、节能。为适应安全、节能的要求，在汽车
中特别是轿车中开始大量应用非金属材料，所以在汽车 制造中钢铁的用量有所下降，而有色金属、非金属材料 和复合材料等新材料的用量正在上升。
的性能，称为材料的力学性能。
金属材料在加工和使用过程中，都会受到外力的作用，
这种外力通常称为载荷。
（1）载荷按作用性质不同，可分为静载荷、冲击载荷和
交变载荷三类。
（2）载荷按作用方式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、 剪切和扭转五种基本形式。
载荷的作用形式 a）拉伸 b）压缩 c）弯曲 d）剪切 e）扭转
强度 疲劳 强度
金属的 力学性 能
韧性 硬度
塑性
1．强度
强度是指在外力（载荷）作用下，金属材料抵抗永久 变形和断裂的能力，强度通常用应力表示。 应力是指材料单位横截面积上所产生的抵抗力，用符 号σ表示，单位为Pa（即N/m2）。 金属材料有多种强度，通常用屈服强度和抗拉强度作 为基本强度指标。其值可以通过拉伸试验来测定。
铝合金活塞
2. 熔点
材料科学基础第一章
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
（3）金属键型晶体的特征 良好的延展性 良好的导电性 具有正的电阻温度系数 导热性好 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光
的能量 ）
4.范德瓦尔键 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷， 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微 弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也 叫分子键。 范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。 比化学键的键能少1～2个数量级。
1.共价键 （1）共价键的定义 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产 生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。 （2）共价键的特点 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠， 形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。 共价键具有方向性、饱和性。 金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。
最强
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
较强
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
最弱
思考题
为什么金属具有良好的塑性,而共价晶体一般硬而且脆?
图 金属的变形
图 共价键的断裂
§1.1.2 工程材料的键性
密排六方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
第一章 材料的结构
第一节 材料的结合方式
§1.1.1 化学键
结合键的定义：所谓结合键是指由原子结合成分子或固 体的方式和结合力的大小。 结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学 键和物理键。 化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后 不再仅仅属于原来的原子 )。 化学键有：离子键、共价键、金属键。
压力管道培训之材料1材料的基本性能
1金属材料基础知识1.1金属的微观结构1.2金属材料的基本性能1.3温度对金属材料的影响1.4常见元素对金属材料性能的影响1金属材料基础知识金属材料的性能首先取决于它的元素组成，其次它也将受微观组织、加工方法、热处理方式等因素的影响，而工程选材主要是依据材料的性能而进行的。
作为材料工程师，有必要对影响材料的有关基本知识有所了解，并能够对材料的加工方法、热处理、检查试验等提出适宜的要求，从而能够选用到既可靠又经济的材料。
有关金属材料的基本知识今天仅介绍金属材料的微观结构、基本性能、常见元素对性能的影响以及金属材料的分类及牌号标识等内容。
1.1 金属的微观结构1.1.1碳钢与铸铁由95％以上Fe＋（0.05－4％）C组成的Fe、C合金。
1）铁的内部结构将铁水缓冷到其凝固点1534℃以下，铁水就开始结晶，直到全部结晶成固态铁为止，温度才又继续下降。
所结晶成的固体是由许多小颗粒组成，每个小颗粒具有不规则的外形，叫晶粒。
图1－1 金属的晶格每个晶粒内部都是由无数个原子按一定的规律排列而成。
若将各个原子的中心用线条连接起来，组成一个空间格子，可用来说明原子排列的规律性，这种空间格子叫“晶格”。
常见的金属晶格形式面心立方晶格体心立方晶格图1－2 金属的面心立方晶格和体心立方晶格◆面心立方晶格是在立方体的8个顶点和六个面的中心处各为一个原子所占据如：Al、Cu、Ni等◆体心立方晶格是在立方体的8个顶点和立方体中心处各为一个原子所占据如：Cr、W、Mo、Mn、V等金属的变形，实质上就是其晶格的变形或移动。
在外力的作用下，金属内部的晶格首先将发生伸长或歪扭变形，如果去掉外力，变形的晶格将恢复正常的稳定位置，此时的金属变形称为弹性变形。
如果施加的外力足够大，以致超过了原子间的结合力，金属内部的晶格将发生错位或滑移，移位后的原子将和新位置上的原子发生"粘结"，此时就说金属发生了塑性变形。
如果再增大外力，使它能够克服整个金属断面上所有晶格滑移所需要的力，此时金属的塑性变形量将快速增加，直到金属的断裂。
环境功能材料-1-材料基础知识
11
1.石器时代
公元前10万年 旧石器时代：工具制作粗糙，用 途尚未分化 新石器时代：对石料进行加工， 得到不同用途的石器
12
2.青铜器时代
公元前3000年 出现了添加锡、铅的铜合金 熔点低，铸造性能良好 用作武器、生活用具、生产工具等
13
3.铁器时代
公元前1500年 高温下用木炭还原铁矿石生产铁 强度较高，可加工性能良好 用作武器和器件
14
4.陶器时代
粘土制作简单的陶器 在公元元年左右，高温烧制陶器而形成瓷器 瓷器由于局部熔化而变得更加致密坚硬，克服了 陶器多孔与透水的缺点
3. 重视材料学基础，从材料的化学成分、组织结 构等解释功能特性。从材料的专业角度去看待 环境过程。
6
第一章 材料学基础
一、材料的发展史及分类 二、材料的成分与组织结构
7
第一节 材料的发展史及分类
8
一、材料的定义 材料是指人类社会可接受、 能经济地制造有用器件或物 品的固体物质。
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二、材料的发展史 材料是人类社会进步的里程碑
建筑材料 感光材料 耐酸材料 包装材料
30
第二节 材料的成分与组织结构
31
一、材料的成分与结构
材料的成分：指组成材料 的元素种类及其含量 通常用质量分数（ω）或 粒子数分数（x）表示
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材料的结构
指材料中原子（离子或分子等） 的排列方式 材料原子、离子和分子间的结 合键决定材料的性质
33
晶体
（2）按用途可分为结构复合材料和 功能复合材料
材料基知识点总结pdf
材料基知识点总结pdf一、材料基础知识概述材料作为人类文明的基础，是人类生产和生活的重要组成部分。
在不同的文明阶段和发展阶段，材料的种类和使用方式也不断发生改变。
目前，材料科学已经成为一个重要的学科领域，在材料科学中，材料基础知识是非常重要的，它是材料科学的基础和核心，对于理解和掌握材料科学的发展和应用有着非常重要的意义。
二、材料的基本概念和分类材料是指构成物体的各种物质。
材料可以按照其来源、性质和用途进行分类。
根据来源可以分为天然材料和人工合成材料；根据性质可以分为金属材料、非金属材料和复合材料；根据用途可以分为结构材料、功能材料和工艺材料。
三、材料的结构与性能材料的结构与性能是材料基础知识的重要内容。
材料的结构包括材料的晶格结构、晶体结构、几何结构等，而材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能等。
材料的结构决定了材料的性能，而材料的性能又反映了材料的结构特点和使用性能。
四、材料的性能测试与分析为了研究和应用材料，需要对材料的性能进行测试和分析。
常用的材料性能测试包括拉伸试验、硬度测试、冲击试验等，而材料性能的分析可以通过金相分析、电镜分析、X射线分析等手段进行，这些测试和分析可以有效地评估和掌握材料的性能指标。
五、材料的应用与发展材料的应用与发展是材料基础知识的重要内容。
随着科学技术的发展，新型材料的研发和应用将成为未来材料科学的重要方向。
例如，纳米材料、生物材料、智能材料等将对材料科学的发展和应用产生深远的影响。
同时，材料的循环利用和环境友好材料的研究也将成为未来材料科学的重要方向。
六、材料基础知识在工程实践中的应用材料基础知识在工程实践中具有非常重要的应用价值。
在工程实践中，需要根据具体的工程要求和材料性能的要求，选择合适的材料并进行合理的设计和应用。
此外，还要在工程实践中对材料的性能进行测试和分析，以保证工程的安全和稳定。
因此，材料基础知识在工程实践中是非常重要的。
结语总的来说，材料基础知识是材料科学的重要组成部分，掌握材料基础知识对于材料科学的发展和应用具有非常重要的意义。
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第1章 材料科学基础知识
1.2 材料中的晶体结构 1.2.3 相结构与相图 1、材料的相结构
相是合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和
性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。 材料的性能与各组成相的性质、形态和数量直接 相关。 不同的相具有不同的晶体结构，根据其特点可 以归纳为两大类：固溶体与中间相。
r
n （2）条件疲劳极限 （疲劳强度）承受大于5×107～5×108次应 力循环而不破坏的最大应力
（3）疲劳破坏的持久值 在一定的应力水平下 （＞r），试件破坏前的应力循环次数
第1章 材料科学基础知识 1.4.3 材料韧性
低应力脆性断裂
?
第1章 材料科学基础知识 1.4.3 材料韧性
低应力脆性断裂
第1章 材料科学基础知识
金属间化合物一般具有高的熔点及硬度，可 使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高。 具有特殊的物理、化学性能的中间相，其中 不少正在开发应用中，如性能远远优于硅半导体 材料的GaAs；具有形状记忆效应的NiTi、CuZn合 金；新一代能源的储氢材料LaNi5等。
第1章 材料科学基础知识
在材料测试和工程实践中应用比较广泛的是 缺口冲击实验。常用的冲击试样有夏氏V型和梅氏 U型缺口试样，用冲击试样的断裂功AK（J）或ak （J/cm2）作为材料的韧性指标。
第1章 材料科学基础知识
2、冷脆 工程上常用的结构钢在 一定的温度TT以下均会产生 脆性断裂。温度TT称为材料 的冷脆转变温度，或称韧脆 转变温度。
（3）链节 高分子化合物的分子呈长链形，因此常称为大 分子链或分子链。大分子链截面一般不到一个纳米， 长度可达数百纳米，是由许许多多结构相同的基本 单元重复连接构成的。组成大分子链的这种特定的 结构单元叫作链节。 聚乙烯大分子链的结构式为： …CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—… 简写为[—CH2—CH2—]n 聚乙烯的链节
1.4 材料的力学性能 1.4.1 常规性能指标 拉伸试验、性能
第1章 材料科学基础知识
1.4.1 常规性能指标 1、强度指标
屈服极限——屈服点s 工程屈服强度0.2
抗拉强度（强度极限）b 2、塑性指标 伸长率K 5 10
K
断面收缩率
l K l0 100% l0
F0 FK 100% F0
第1章 材料科学基础知识 4、复合材料 用原有的金属材料、无机非金属材料和高分 子材料等作为组分，通过一定的工艺方法将它们复 合在一起，制成既能保留原有材料组分的特征，又 可以克服组分材料的不足，还能显示出某些新性能 的材料。 复合材料也可以分为结构复合材料和功能复 合材料两大类，有金属基复合材料、陶瓷基复合材 料、树脂基复合材料以及碳/碳复合材料。由于复 合材料具有性能可设计性、材料与构件制造的一致 性和优异的物理化学性能，从而比传统材料具有无 可比拟的优越性。
金刚石
SiO2
ZnS
第1章 材料科学基础知识
1.2 材料中的晶体结构 1.2.2晶体缺陷
第1章 材料科学基础知识
第1章 材料科学基础知识
1.2 材料中的晶体结构 1.2.3 相结构与相图 构成材料最基本的、独立的物质称为组元，简称元。 组元可以是纯元素，如Cu、Fe、C、Al等，也可 以是化合物，如Fe3C、Al2O3、SiO2、ZrO等。 多组元金属材料称为合金，两个组元构成的合金 称为二元合金，三个组元的称为三元合金 二元合金：Fe-C Cu-Zn Al-Si Al-Li 三元合金: Fe-C-Mn Fe-C-Cr Fe-Cr-Ni Cu-Pb-Si
第1章 材料科学基础知识
3、纯金属的晶体结构 （1）体心立方晶格 bbc
Cr、Mo、W、V、-Fe、-Ti
第1章 材料科学基础知识
3、纯金属的晶体结构 （2）面心立方晶格 fcc
Al、Cu、Ni、Pb、Ag、Au、-Fe
第1章 材料科学基础知识
3、纯金属的晶体结构 （2）密排六方晶格 hcp
1.1.2工程材料概述 用途
结构材料：主要利用其力学性能
功能材料：主要利用其物理、化学性能
成分 金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复 合材料
第1章 材料科学基础知识
1、金属材料 金属材料是至今为止最重要的工程材料，
包括钢铁（黑色金属）、有色金属（轻金属）及
其合金。由于金属材料具有良好的力学性能、物 理性能、化学性能及工艺性能，生产工艺成熟， 能采用比较简便和经济的工艺方法制成各种构件 和零件，因此是目前应用最广泛的工程材料。
材料的组织就是指各种晶粒的相对量、尺寸大 小、形状及分布等特征，是一个影响材料性能的 极为敏感而重要的结构因素。
第1章 材料科学基础知识
2、空间点阵和晶胞
实际晶体的原子排列可能有无限多种方式
第1章 材料科学基础知识
“晶格”或“点阵” “晶胞”
晶向和晶面
第1章 材料科学基础知识
C
石墨结构
金刚石结构
1.3 高分子材料的结构 1.3.1高分子材料的基本概念
第1章 材料科学基础知识
1.3 高分子材料的结构 1.3.1 高分子材料的基本概念 （1）高分子化合物
高分子化合物是指由一种或多种简单低分 子化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合 物，所以又称聚合物或高聚物，通常把相对分 子质量小于5000的称为低分子化合物，而大于 5000的则称为高分子化合物。
第1章 材料科学基础知识
2、二元相图 相图是描述系统的状态、温度、压力和成分 之间关系的一种图形。 利用相图可以知道不同成分的材料在不同温 度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变 化时所可能发生的变化。
典型的二元合金基本相图
第1章 材料科学基础知识
3、相图与性能的关系
第1章 材料科学基础知识
通常用于测试有色金属，调质和正火、退火 态的黑色金属。 350HBW5/750
（2）洛氏硬度HR HRA、HRB和HAC
HRC 通常用于淬火钢、高硬度铸件、珠光体 可锻铸铁 。60HRBW
表面洛氏硬度
第1章 材料科学基础知识
（3）维氏硬度及显微硬度HV 640HV30 显微硬度：可测定金属箔、极薄的表面层的硬 度以及合金中各组成相的硬度。 （4）肖氏硬度HS 里氏硬度HL
通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设
计是安全的
脆断通常发生在比较低的工作温度下
脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构
或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等
厚截面、高应变速率促进脆断
韧性是材料从变形到断裂全过程中吸 收能量的大小，是强度和塑性的综合表现
?
第1章 材料科学基础知识 1、冲击韧度
材料科学研究材料的 成分（结构） （composition or microstructure）、合成 （工艺流程） （synthesis or processing）、性能 （properties）和效能 （performance）以及它 们之间的关系。
成分（结构）
性能 效能 合成（工艺流程）
第1章 材料科学基础知识
第1章 材料科学基础知识 （4）聚合度
高分子化合物的大分子链中链节的重复次数 称为聚合度。一个大分子链的相对分子质量M， 等于链节的相对分子质量m和聚合度n的乘积，即 M = n m。聚合度反映了大分子链的长短和相 对分子质量的大小。 （5）链段 链段是指大分子链中可以独立运动的结构单元。
第1章 材料科学基础知识
AK（J）
TT
T（oC）
用材料的脆性转变温度TT作为防止脆断发生的 安全判据，设计时根据构件的工作温度来选取具有 合适脆化温度TT的材料 。
第1章 材料科学基础知识
3、断裂韧度
裂纹体的断裂
？
应力场强 度因子KI
K I Y a
安全判据
断裂韧度KIC
K I Y a KIC
第1章 材料科学基础知识
第1章 材料科学基础知识
（2）单体 高分子化合物的每个大分子都是由一种或几 种简单的低分子化合物，通过聚合反应连接起来 的。这些能够聚合成高分子化合物的低分子化合 物称为单体。 单体是合成聚合物的起始原料。 乙烯（CH2=CH2）是聚乙烯的单体 氯乙烯（CH2=CHCH）是聚氯乙烯的单体
第1章 材料科学基础知识
材料概论
第1章 材料科学基础知识
第1章 材料科学基础知识 1.1绪论
1.1.1材料与材料科学 什么是材料？材料是什么？ 材料是可以用来制造有用的构件、器件或物 品的物质。 什么是材料科学？ 材料科学是有关材料成分、组织与工艺流程对 于材料性能与用途的影响规律的知识与运用。
第1章 材料科学基础知识
第1章 材料科学基础知识
2、无机非金属材料
无机非金属材料主要是陶瓷材料、水泥、
玻璃、耐火材料等。这类材料具有不可燃性、 高耐热性、高化学稳定性、不老化性以及高的 硬度和良好的耐压性，且原材料丰富，日益受 到工程行业的关注。
第1章 材料科学基础知识 3、高分子材料 高分子材料因其原料丰富、成本低、加工方 便等优点，发展极其迅猛。工程上通常根据高分子 材料的机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和 合成纤维。 工程塑料具有一系列优异的性能和很高的使 用价值，能在较宽的温度范围内承受机械应力和较 苛刻的物理化学环境中使用。工程塑料易成型加工， 可调节性和可配制性强，品种繁多。目前工程塑料 正朝着高性能化、高功能化、多用途和低成本方向 发展。
手提式（便携式），使用方便，可在现场测量 大型工件的硬度。
肖氏硬度只能在相同弹性模量的材料之间进行 硬度对比。
第1章 材料科学基础知识
1.4.应 力作用的能力。
f
f
f
f
f
第1章 材料科学基础知识
2、疲劳抗力指标及性质
（1） 疲劳极限 应力循环变化无限次材料不发 生疲劳破坏的最大应力r