1 材料科学与工程基础教案第一章

我国材料的历史进程 (Historical perspective)
漫长而又曲折的历程：
石器时代（Stone
Age）：
石斧、凿、刀、铲、箭头、 纺轮、钵等（西安半坡遗址）
石斧
青铜器时代（Bronze
巨型司母戊鼎 （河南安阳晚商遗址）
Age):
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
铁器时代（Iron Age）
3
V a
3 8
3
；
所以：致密度



0 . 68
面心立方晶格：记为FCC 属于这种晶格类型的金属有γ －Fe、Cu 、A）
（b） 面心立方晶胞 （a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子数
（c）
配位数＝12；致密度＝0.74
密排六方晶格：记为HCP 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方体的 侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。属于这种 晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。
（a）
（b） （c） 密排六方晶胞 （a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子数
配位数：12；致密度：0.74（与面心立方相同）
晶胞中的间隙 由致密度计算结果可知，晶体中应存在一定数量的间隙。 例如，对于体心立方，致密度k＝0.68，说明仅有68％的体 积被原子占有，存在32％的间隙。这些间隙对金属的性能， 合金的相结构，扩散以及相变等都有重要的影响。从几何 形状上看，晶格中有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙。
（a） （a） 模型；
（b） （c） 体心立方晶胞 （b） 晶胞； （c） 晶胞原子数
3 4
3 16
2 3 a 16
3
配位数为8
致密度：晶格常数为a，原子半径为
n 1 8 8 1 2； 0 V
4 3 a 3 4
K nV 0 V
3
a

a
3
；
1 a
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、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 [ 1 11 ] 。
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：
K
例：计算简单立方晶体的致密度
1
nV 0 V
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 n 所以：致密度 K
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 金属材料－金属学
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
构与键合、固体结构、 晶体缺陷 I ：材料结构学：原子结 相图、热处理 II ：材料相变学：凝固、 变形与再结晶 III：材料变形学：材料的 VI：材料学：金属材料、 非金属材料、复合材料
Z Z Z
Y
Y
Y
X
（100）
X
（111）
X
（110）
立方晶格中的三种重要晶面
与晶向指数类似，如果有截距为负值，应将负号记在相应的指数上面。晶 面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表一组相互平行的晶面。当两个晶面 指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行。
晶面族 在同一晶体结构中，有些晶面上的原子排列和晶面间距完全相同， 但具有不同的空间位向，这些晶面均归并为一个晶面族，用表示。 例如，在立方晶系中： ｛100｝包括（100）,（010）,（001） ｛110｝包括（110）,（101）,（011）,（110）,（101）,（011） ｛111｝包括（111）,（111）,（111）,（111） 晶面族不仅包括了相互平行的一组晶面，而且也包括了位向不同， 但晶面间距相等、原子排列相同的若干组平行晶面。 在立方晶系中，{hkl}晶面族所包括的晶面可用改变h、k、l的正 负号及数字的排列组合来求得。但是这种方法不适用于其他晶系。
材料科学与工程基础
The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science & Engineering
An Introduction to Materials Science
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)
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
中国古代铁器的金相组织
古代科技名著：“考工记”（先秦）、“梦溪笔谈”（宋代沈 括）、 “天工开物”（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 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。 一整套材料体系 门类全齐 数量 质量 钢铁突破2亿吨大关 世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭
晶面指数
晶面指数的一般表达式为（hkl），其确定步骤如下： （1）与确定晶面指数类似建立坐标系，但坐标原点应位于待定晶面之外，以避免 出现零截距。 （2）以晶格常数为长度单位求出待定晶面在各轴上的截距。若晶面与某轴平行， 则认为该晶面在该轴上的截距为无穷大，其倒数为零。 （3）取截距的倒数，将其化为最小整数，置于圆括号内，写成（hkl）的形式， 即得晶面指数。 如图给出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指数。
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
Z
β α γ X （a） （b） 简单立方晶体 （a） 晶体结构 （b） 晶格 （c） 晶胞 b （c）
c
a
Y
二、配位数和致密度
宝钢高炉
长征三号运载火箭在发射架上的图片
材料分类(Classification of Materials)
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 2 3 3 4 2 或无机非金属材料（Inorganic Materials) 高分子材料（High Polymers)：纤维、蛋白质、聚乙烯、聚氯 乙烯 Matel - Matrix 复合材料（Composites)： Composites Polymer - Matrix
a
6
3
a
2
1 8
6
8 1 ；V 0

1 a
3
4 1 a 3 2
3

1 6
a
3
；V a 3

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。
材料密度测定 材料电阻温度系数测定 铁碳合金平衡组织观察 材料科学与工程基础实 验 察 铁碳合金非平衡组织观 常用材料组织观察 综合实验
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
抓住主线条，不钻牛角尖
考试前及早复习，不要临阵磨枪
认真记好笔记，课后短时复习
晶面指数与晶面位向间的关系
从立体几何可知，在正交晶系中：
cos
2
cos
2
1
所以，只要晶面指数一旦确定，晶面位向即可求得。 因此，晶面（hkl）的法线矢量为：
ON h
2
1 k
2
( h i k j lk ) l
2
即晶面（hkl）的法线与晶向[hkl]的方向平行，这就是晶面指数的几何意义。
晶面指数的几何意义
如图：ON为晶面（hkl）的法线，ON与该晶面交于D点；OA、OB、OC分别为 （hkl）在X、Y、Z轴上的截距；ON与X、Y、Z轴之间的夹角分别为α、β、γ； cosα、cosβ、cosγ就是法线ON的方向余弦。立方点阵中晶胞的三个基矢相等， 设其为a，则根据晶面指数的确定方法可知：
积极参加答疑，不要闭门复习
第一章 材料的结构 Structure of Material
材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。 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：
排 斥 力 ＋F 结合力 d0 A B dc 原子间距d A EAB d0 B dc 原子间距d 排斥力 排 斥 能 排斥能
OA a h
cos OD OA ；
；OB
a k
； OC
a l
；
OD OC : 1 OB : 1 OC
A X
Z C
cos
OD OB 1 OA
；
cos
；
O
γ D β α B
N
∴
cos : cos : cos
Y
即： cos
cos
2
: cos : cos h : k : l