材料科学基础 绪论和第一章
材料科学基础绪论
现代工业的三大材料体系
材料科学与工程 学科划分的依据
（一）金属材料
• 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以 金属为基的合金，最简单的金属材料是纯金属。
由电子壳层完全填满或完全空着的元素 结合键为金属键
元素 周期 表中 的金 属元 素
简单金属
过渡族金属
• 内电子壳层未完全填满的元素属 • 结合键为金属键和共价键的混合键，但 以金属键为主
夏朝以前就开始了青铜的冶炼
18世纪后，由于工业的迅速发展，对材料特别是钢铁的需求急剧增长， 在物理学、化学、材料力学等学科的基础上，金属学应运而生。 近一百多年来，由于显微镜、X射线技术、电子显微镜等新仪器和新技 术的相继出现和发展，金属学得到了长足的进步。
高分子材料的早期发展较为缓慢。人类最初使用的高分子材料是天然 的木材，皮革和纤维。后来发明了造纸、养蚕、制胶技术。19世纪开 始生产橡胶，直到20世纪后才有了快速发展。
材料科学基础
绪论
第一章 材料结构的基本知识 第二章 材料中的晶体结构 第三章 高分子材料的结构 第四章 晶体缺陷
第五章 材料的相结构及相图
第六章 扩散与固态相变 第七章 材料的变形与断裂 第八章 固体材料的电子结构与物理性能
绪论
材料
现代文明的三大支柱
能源
信息
新材料被视为新技术 革命的基础和先导。
材料的重要性正在得到全社会 的承认和重视。
一、人类生活中的材料
• 我们的周围到处都是材料。事实上，材料是我们衣食住行的必备条件， 是人类一切生活和生产活动的物质基础 • 人类文明史中的石器时代、铜器时代、铁器时代就是按当时生产活动 中所使用的代表性材料作为依据划分的 • 材料与食物、居住空间、能源和信息共同组成人类生活的基本资源， 不仅在我们的日常生活中，而且对国家的繁荣和安全也起着举足轻重 的作用 材料是用来制造各种产品的物质，这些物质能用来生产和构成功 能更多、更强大的产品。 ۩从广泛的意义上说，人类使用的材料可以看作是一个流动着的巨大循环 体系，一个全球性的、时空无限的循环系统。
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案第一章绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？第二章晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z 轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。
材料科学基础 第一章
第一章晶体学基础材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。
原子无规则堆积。
非晶体：蜂蜡、玻璃金刚石、NaCl、冰等。
YX§1-1 空间点阵一、空间点阵的概念为了便于分析研究晶体的结构，进行如下处理：组成晶体的原子（或分子、原子集团）抽象几何点(点阵的结点自然形成三维阵列（空间点阵平行线连接空间格子（原子（离子）的刚球模型原子中心位置X Y Z a bcX Zab c §1-2晶面指数、晶向指数——Miller 指数晶面——穿过晶体中原子的平面。
晶向——晶体中任意原子列的直线方向。
§1-3常见晶体结构常见的晶体结构主要有：体心立方一、体心立方(BCC)体心立方结构可以缩写为BCC 钢球模型质点模型(face-centered cubic)a从晶体结构的钢球模型可以看出，原子与原子之间存在许多间隙。
分析这些间隙的数量、位置、形状和大小，对于了解晶体的性能、合金的相结构以及相变、扩散等问题都是十分重要的。
一、FCC 晶体FCC 中的间隙有2种：八面体间隙，四面体间隙1、正八面体间隙边长为：2a §1-4常见晶体结构的间隙八面体间隙四面体间隙§1-5 晶体的堆垛方式任何晶体都可以看作是由任意晶面的。
一般是以最密排晶面的堆垛方式作为晶体的堆垛方式。
一、BCC晶体视频最密排晶面：(110)堆垛次序：ABAB……§1-6 晶带所有相交于某一直线的或平行于此直线的晶面构成一个此直线称为晶带轴。
晶带轴[uvw]与该晶带的晶面存在如下关系——晶带方程hu+kv+lw例如：在正交（立方、正方、四方）点阵中，(101(100)、(010)、(110)、向平行，构成以[001]为晶带轴的晶带。
材料科学基础(第1章)
三、教材及参考书
教材： 崔忠圻.金属学与热处理（第2版）.机械工业出版社
参考书及实验指导书： （1）石得珂.材料科学基础.机械工业出版社 （2）李超.金属学原理.哈尔滨工业大学出版社 （3）张廷楷.金属学及热处理实验指导书.重庆大学出
版社 （4）林昭淑.金属学及热处理实验.湖南大学出版社
3. 不透明并呈现特有的量，因而具有不透明性。而
吸收了能量被激发的电子随后会辐射出具有一定波长的光能，从而具
有一定光泽。
4. 良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而
发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。
第一节 原子结构
一、 物质的组成 一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集
而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。 原 子结构直接影响原子间的结合方式。 二、 原子的结构
近代科学实验证明：原子是由质子和中子组 成的原子核，以及核外的电子所构成的。原子的 体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核 直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质 量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子 的质量大致为1.67x10-24g，而电子的质量约为 9.11x10-28g，仅为质子的1/1836。
1.4 范德华力 属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱
和性。比化学键的键能少1～2个数量级。不同 的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德 华力不同是一个重要因素。
1.5 氢键 是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子
同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子 （ｏ，ｆ，ｎ等）相结合而产生的具有比一般 次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键 在高分子材料中特别重要。
第01章 绪论
第一章：绪论一、本课程的性质和任务《材料科学基础》是材料科学与工程专业的主要理论基础课程。
该课程从微观领域出发，揭示材料组织结构与性能之间的内在联系以及在各种条件下的变化规律，为有效地使用材料和研制具有特定性能的材料提供理论依据和线索。
本课程的任务如下：1．使学生系统掌握材料科学的基本理论与基本知识，初步学会用所学的理论来分析问题，从而为学生学习其他专业课程以及今后从事材料研究工作打好基础，为今后在工作中分析和解决实际问题培养能力；2．培养学生阅读材料基础理论方面的一般文献及进一步自修能力；3．使学生初步掌握材料科学的实验方法；二、材料科学的发展“材料科学”是20世纪60年代初提出的。
“材料科学”的形成实际是科学技术发展的结果。
首先，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的了解；同时，冶金学，金属学、陶瓷学、高分子科学等的发屉也使对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构与性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入。
为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。
其次，在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料都已自成体系，目前复合材科也获得广泛应用，其研究也逐步深入。
但它们之间存在着颇多相似之处，对不同类型材料的研究可以相互借鉴，从而促进学科的发展。
虽然不同类型的材料各有其专用测试设备与生产装置，但各类材料的研究检测设备与生产手段有颇多共同之处。
在材料生产中，许多加工装置的原理也有颇多相通之处．可以相互借鉴，从而加速材料的发展。
第三，许多不同类型的材料可以相互替代和补充，能更充分发挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。
但长期以来，金属、高分子及无机非金属材料自成体系，缺乏沟通。
由于互不了解，不利于发展创新，对复合材料的发展也极不利。
材料科学有三个重要属性：一是多学科交叉，它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷、高分子化学及计算科学相互融合与交叉的结果，如生物医用材料要涉及医学、生物学及现代分子生物学等学科；二是一种与实际使用结合非常密切的科学，发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染等；三是材料科学是一个正在发展巾的科学，不像物理学、化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的发展而得到充实和完善。
材料科学基础_01绪论_12材料的分类_
材料的分类
分类依据
1.按材料的凝聚状态分类
2.按材料的维度分类
3.按材料的尺寸分类
4.按材料的结晶状态分类
5.按材料的使用领域分类
6.按材料的性能分类
7.按材料的化学组成（或基本组成）分类
1.按材料的凝聚状态分类
气态液态固态
2.按材料的维度分类
一维材料（纤维及晶须）零维材料
（量子点或纳米团簇）二维材料
（薄膜）三维材料（块体）
3.按材料的尺寸分类
宏观(Macro-):＞10-5m,肉眼可见上至无限介观(Meso-):10-10～10-6m,
出现量子相干现象,包括团
簇、纳米和亚微米体系。
纳米(Nano-)：
10-9～10-7m
（1～100nm）
微观(Micro-):
＜10-10m,原子分
子下至无限
4.按材料的结晶状态分类
单晶材料多晶材料准晶材料非晶态材料
液晶态材料
5.按材料的使用领域分类
建筑电子机械生物能源包装医学
航空航天。
材料科学基础.第一章
3.标准投影图
以晶体的某个晶面平行于投影 面，作出全部主要晶面的极射投影 图称为标准投影图（图1.16）。立方 系中，相同指数的晶面和晶向互相 垂直，所以立方系标准投影图的极 点既代表了晶面又代表了晶向。
4.吴/乌氏网（Wulff net）
吴氏网是球网坐标的 极射平面投影，具有保 角度的特性，如右下图。
立方系 六方系
对复杂点阵(体心立方，面心立方等)，要考虑晶面层数的增加。 体心立方(001)面之间还有一同类的晶面（002），因此间距减半。
1.2.4 晶体的极射赤面投影
通过投影图可将立体图表现于平面上。晶体投影方法很多， 包括球面投影和极射赤面投影。 1.参考球与球面投影 将立方晶胞置于一个大圆球的中 心，由于晶体很小，可认为各晶面均 过球心。由球心作晶面的法线， 晶面法线与球面的交点称为极点，每 个极点代表一个晶面；大圆球称为 参考球，如图1.14所示。用球面上的 极点表示相应的晶面，这种方法称为 球面投影；两晶面的夹角可在参考球 上量出。
6.晶面间距
晶面族不同，其晶面间距也不同。通常低指数晶面的面间距 较大，高指数晶面的面间距较小；原子密集程度越大，面间距 越大。可用数学方法求出晶面间距：
d hkl ( d hkl d hkl 1 h 2 k l ) ( )2 ( )2 a b c a 正交系
h2 k 2 l 2 1 4 h 2 hk k 2 l ( ) ( )2 3 c a2
图1.12 六方系中的一些晶面与晶向
（2）用四轴坐标确定晶向指数的方法如下： 当晶向OP通过原点时，把OP沿四个轴分解成四个分量（由 晶向上任意一点向各轴做垂线，求出坐标值），可表示为 OP=u a1+v a2+l a3+w C 晶向指数用[u v l w]表示，其中t=-(u + v)。 原子排列相同的晶向属于同一晶向族。在图1.12中
材料科学基础顾宜版第一章绪论
6、泡沫金属
突破性： 重量轻、密度低、孔隙率高、比表面积大。 发展趋势： 具有导电性，可替代无机非金属材料不能导电的应用领域；在
隔音降噪领域具有巨大潜力。
7、离子液体
突破性：具有高热稳定性，宽液态温度范围，可调的酸碱性、极性、配位 能力（“可设性”），易于与其他物质分离（循环利用率高），良好的导 电性等。
材料是全球新技术革命的四大标志之一（新 材料技术、新能源技术、信息技术、生物技 术）。
未来最具潜力的新材料 1、石墨烯
突破性：非同寻常的导电性能、极低的电阻率极低和极快的电子迁移 的速度、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性。
发展趋势：2010年诺贝尔物理学奖造就近年技术和资本市场石墨烯炙 手可热，未来5年将在光电显示、半导体、触摸屏、电子器件、储能 电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、复合材料、生物医药 等领域将爆发式增长。
发展趋势：在绿色化工领域，以及生物和催化领域具有广阔的应用前景。
8、超材料
突破性：具有常规材料不具有的物理特性，如负磁导率、负介电常数 等。
发展趋势： 改变传统根据材料的性质进行加工的理念，未来可根据需 要来设计材料的特性，潜力无限、革命性。
9、超导材料
突破性：超导状态下，材料零电阻，电流不损耗，材料在磁场中表现 抗磁性等。
材料科学基础
XX学院XX班 主讲教师：XXX
Tel: XXX E-mail: XXX Nhomakorabea绪论
0.1 什么是材料？
材料与人类文明—材料的重要性 什么是材料科学与工程？
0.2 材料的分类 0.3 组成-结构-工艺过程-性质之间的关系
教学目标
了解材料的定义、分类与发展简史（现状 与趋势）。
材料科学基础第一章
5）晶体中原子的堆垛方式
39
40
6）晶体结构的多晶型性
多晶型性:有些金属（如Fe， Mn，Ti，Co，Sn，Zr等） 固 态下在 不同温 度或不 同 范 围内具 有不同 的晶体 结 构的性质。 同素异构转变：多晶型的金属在温度或压力变 化时，由一种结构转变为另一种结构的过程称 为多晶型性转变，也称为同素异构转变。
晶胞－空间点阵中反映晶格特征的最小的几何 单元。
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通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为 晶胞。 晶胞参数： 点阵常数晶胞大小 晶轴夹角晶胞形状
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晶胞选取原则：
a 能够充分反映空间点阵的对称性；
b 相等的棱和角的数目最多；
c 具有尽可能多的直角；
d 体积最小。
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结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分 的晶胞。 特点:空间重复堆垛，就得到晶体结构。
44
SiC型：类似于金刚石型 SiO2型：面心立方 点阵，1个硅原子 被4个氧原子所包 围，每个氧原子则 介于两个硅原子之 间，起着连接两个 四面体的作用。单 胞共有24个原子。
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第三节 原子的不规则排列
原子的不规则排列产生晶体缺陷（在晶体中所 占比例低）。 晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现 不完整性的区域。 晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律 产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能 和物理化学变化有重要的影响。
53
2）螺型位错 screw dislocation
模型：滑移面//位错线。（位错线//晶体滑移方 向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位 错运动方向。） 分类：左螺型位错,右螺型位错。 左螺型位错和右螺型位错有着本质的区别。 无论位置如何摆放也不会改变其类型。 螺型位错特征：滑移方向//位错线
材料科学基础-第1章
复合材料和纳米材料
1 复合材料
由两种或更多种不同材料组成，具有综合性 能优于单一材料。
2 纳米材料
具有纳米级尺寸的材料，具有特殊的电学、 磁学和光学性质造和航空航天等领域。
聚合物材料
用于塑料制品、纤维和包装材料等领域。
陶瓷材料
用于电子、玻璃和医疗器械等领域。
材料的晶体结构、晶格缺陷和晶界等对性能的影响。
2
特定结构的特定性能
不同结构的材料具有不同的力学、电学和热学性能。
3
性能优化
通过调整材料的结构来优化其性能，例如热处理和合金化。
基础金属和非金属材料
基础金属材料
如铁、铜、铝等，具有良好的导电性和导热性，广 泛用于电子和建筑领域。
非金属材料
如玻璃、塑料和陶瓷等，具有良好的绝缘性和耐腐 蚀性，在化工和医疗领域有重要应用。
复合材料
用于航空航天、运动器材和建筑领域。
材料科学的发展和未来趋势
1
新材料的发展
石墨烯、有机发光二极管等新材料的研究和应用。
2
可持续发展
可再生能源、环保材料和循环利用的发展。
3
智能材料的兴起
具有传感、响应和自修复功能的智能材料的研究。
总结和回顾
材料科学是一个广泛的领域，涵盖了各种材料和应用领域。掌握材料特征、结构与性能的关系对于材料科学的 发展至关重要。
材料科学基础-第1章
材料科学研究材料的特征、性能和应用。它是现代工程学的基础，涉及多个 领域，包括金属、聚合物、陶瓷、复合材料和纳米材料等。
材料的特征和分类
1 材料的特征
2 材料的分类
材料的密度、强度、导电性和导热性等特性。
金属、陶瓷、聚合物和复合材料等不同类型 的材料。
材料科学基础 第1章 绪论
人造卫星上天，美国震惊，认为落后的主
要原因之一是先进材料的落后，于是在一
些大学相继成立了材料研究中心——采用
先进的科学理论与实验方法对材料进行深
入的研究，取得重要成果，从此“材料科
学
”
名词开始流行。
工程材料：用于工程结构和机器零件及元
器件的材料。
材料科学基础－绪论
工程的定义：通过学习，经验和实践获得的 数学和自然科学知识，依据判断来建立经济 利用材料和自然力得以造福人类的方法。
材料的品种、数量和质量已是衡量一个国家 技术和国民经济以及国防力量的重要标志之 一。
材料科学基础－绪论
工程材料科学与工设程计
The ScienceMaantedriDaelssiSgcnieonfcEenagnindeEenrignigneMearitnegrials
材料科学基础－绪论
材料科学：20世纪60年代初，1957年苏联
材料科学基础－绪论
材料科学基础－绪论
以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或 称谓玻璃钢。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚 醛玻璃钢之称。
材料科学基础－绪论
2、分类
A、按用途分类 结构复合材料： 以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所 应用，主要用于结构承力或维持结构外形。 功能复合材料： 以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用， 用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、 磁的功能要求。 B、按基体分类
材料科学基础－绪论
基本性质
➢ 主链为共价键，分子间为二次键结合 ➢ 分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度
Tg和粘流温度Tf； ➢ 力学状态有三态(玻璃态、高弹态、粘流态) ➢ 密度小 ➢ 绝缘性好(也有部分可以导电) ➢ 优越的化学稳定性 ➢ 成型方法多
材料科学基础 绪论 第一章
47
4、单相与多相组织 （1）单相组织 所有晶粒的化学组成相 同，晶体结构也相同。 描述单相组织特征的主要用晶粒尺寸及形状。 （2）多相组织 两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成分和 晶体结构。 两相例子：
48
第五节 材料的稳态与亚稳态结构
稳态结构（平衡态结构） 能量最低的结构。 亚稳态结构 能量相对较高的结构。
37
（2）原子结合能的实验测定及理论计算 实验测定原理 测定固体的蒸发热 理论计算(自学P24例题)
五、结合键与性能
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：金属键的最高，共价键、离子键的较 低，高分子材料的最低． 3) 导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。
K：…3p64s1
20
5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增 强，同族自上而下逐渐减弱
21
第二节 原子的结合键
一次键 二次键 混合键 结合键的本质及原子间距 结合键与性能
22
按结合力强弱分： 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结 合 键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较强． 二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合键．包括 氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱． 一、一次键 1、离子键 通过正负离子间相互吸引力 使原子结合的结合键．
18
二、元素周期表及性能的周期性变化
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1、周期对应于电子主壳层 2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的 化学性质 3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性 4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和ⅡA族 的内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和 ⅡA族活泼 例如：
材料科学基础第一章
材料科学基础第一章绪论第二章怎么做：从原料到产品第三章怎么样：从结构到功能第四章是什么：从宏观到微观第五章纳米材料第1章绪论1、什么是材料2、材料的地位3、材料的分类4、常见材料的用途5、材料研究的内涵-----四要素6、材料研究的外延------相关学科7、材料的学科定位材料性能提高材料的使用范围扩大材料性能提高材料的使用范围扩大材料是用来制造器件的物质。
人类文明的发展依赖于材料的进步。
旧石器时代：约170万年前~约公元前8000年新石器时代：约公元前8000年~约公元前3000年青铜器时代：约公元前3000年~约公元前1000年铁器时代：约公元前1000以后钢铁时代： 1850年以后材料性能提高材料的使用范围扩大钢铁时代 1854和1864年发明了转炉和平炉炼钢。
新材料时代半导体材料的发展制作越来越小的硅芯片新材料时代，这一时代的特征是:不像以前的各个材料时代，它是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代;新材料以人造为特征，而不是在自然界中有现成的。
尼龙的商业发展是高分子材料发展的关键时期高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展高温超导体，高温超导的革命时代。
人类文明社会的先导--新材料1、材料的发展史，就是人类社会的发展史2、材料的发展史，就是科学技术的发展史材料的分类从化学组成和原子结构角度分类金属材料 (Metals) 无机非金属材料 (Ceramics)高分子材料 (Polymers)复合材料 (Composites) 从特性和性质角度分类结构材料 (力学性能)功能材料 (化学性能和物理性能)从应用角度分类航空材料建筑材料电子材料半导体材料生物材料智能材料纳米材料…主要材料的特性和用途金属材料化学组成和原子结构金属材料是由一种或几种金属元素以及少量的非金属元素的无机物。
合金是由两种或两种以上的金属元素和非金属元素构成的，其中至少一种是金属元素。
金属元素: iron(Fe), copper (Cu), aluminum (Al),magnesium(Mg), nickel(Ni), titanium(Ti)非金属元素: Carbon(C), nitrogen (N), oxygen (O),晶体结构是原子定向排列。
材料科学基础第一章
单晶体 晶体位向（或方向）一致的晶体
晶体
多晶体 包含许多小晶体，每个小 晶体内的晶格位向是一致 的，而各小晶体之间彼此 方位不同。
晶体的主要特点是：①结构有序；②物理 性质表现为各向异性；③有固定的熔点； ④在一定条件下有规则的几何外形。
晶体性质随方位 不同而有差异的 特性。
晶体中由于各晶面和晶向上的原子排列的密 度不同，因而同一晶体的不同晶面和晶向上 的原子密度不同，所以不同晶向上原子之间 的结合力便不同
§1.2原子键合
共有电子对→键有 饱和性和方向性
3.共价键
性能特点： 1）高熔点、高硬度、低 塑性 2）电绝缘体等 3）脆性大 金刚石
§1.2原子键合
分子键
正负电荷中心不重合而产生 的极化作用，以微弱静电引 力相引而结合在一起称为分 子键。
特点：分子晶体因其 结合键能很低，所以 其熔点很低，硬度也 低。但其绝缘性良好。
§1.4 晶体材料的组织
• 相组成 • 相的相对量、尺寸、形状及分布 • 组织影响强度、塑性 • 组织易随加工工艺变化
空位，间隙原子 位错 晶界，相界
原子 的不规 则排列
第一章 材料结构的基本知识
§1.2原子键合 键的定义
在所有物质结构中，质点（原子、离子或分子）
都按照一定的规则进行排列，质点之间都具有一定的 结合力，也就是说物质是依靠质点之间的键合结合在 一起的，这种质点之间所存在的结合力称为键。
第一章 工程材料中的原子排列
§1.2原子键合
氢键
形成：含氢物质中，H 与其它原子 形成共价键，共有电子强烈偏离H ， H 原子几乎为半径很小带正电的核， H 可以与另外一原子吸引，形成附 加键。 特性：有方向性，结合力较强，比 离子键、共价键小
中国矿业大学《材料科学基础》绪论
2021/8/19
0.5 本课程的特点和学习方法
• 本专业最重要的专业基础课程。 • 理论与实际相结合，承上启下。 • 实践性不如材料工艺课程。 • 理论性、逻辑性不如数、理、化，多数概论是定性的。 • 三大材料的基本理论难以系统柔和。 • 以金属学为主，剥离有关高分子个性知识。
——“金属学”。
2021/8/19
制备加工
性能
无机非金属材料
• 经历了长期沉寂的古老材料。直到20世纪后期，随着 无机化学蓬勃发展，“陶瓷工学”、“陶瓷化学”应 运而生。尤其在近几十年取得了惊人的发展。
• 现代陶瓷的概念已远远超出了传统陶与瓷的范畴。它 主要采用人工精制的高纯超细无机粉末为原料，通过 精确的化学计量来配制高性能的硅酸盐、氧化物、碳 化物和氮化物等新型陶瓷材料。
• 光导纤维 --- 光通讯。步入了高信息时代。
• 高强度复合材料 --- 太空探测器、宇宙飞船。冲出地 球在太空遨游。
• 超导材料 --- 超高速计算机、低能耗超导电机、磁悬 浮列车。
2021/8/19
超导体的优势:
• 载流能力高: 比Cu、Al线高2-3个数量级。
• 重量轻: 5万高斯中型磁体,常规电磁铁重达20吨,超 导体仅几公斤。
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0.4 材料科学的研究意义
• 材料是国民经济的基础，现代化的标致。 • 现代技术的三大支柱：材料、能源、信息。 • 新技术革命标志：新材料、信息技术、生物技术。 • 重大技术革命的产生，依赖于新材料的突破。
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历史的见证
• 半导体材料 --- 集成电路、计算机技术。跨入现代化 的门槛。
材料科学基础第一章
材料科学基础第一章第一章：基本概念和定义材料科学是研究材料性质、结构和制备方法的学科，它是现代科学和工程技术的基础之一、材料科学的发展与人类社会的进步息息相关，它为现代化生产和科技创新提供了重要的支撑。
材料是构成物质的基本单元，是由原子、离子或分子组成的。
材料可分为金属材料、非金属材料和新型材料三大类。
其中，金属材料具有良好的导电性和热传导性，主要用于制造工程结构和电子器件；非金属材料具有绝缘性和高温耐受性，主要用于绝缘和耐火材料；新型材料则是指在人工合成的基础上通过改变晶格结构、添加元素等手段制造出来的材料。
材料科学的研究对象主要包括材料的结构、性能、制备方法和应用等。
材料的结构是指材料的组织形态，包括晶体结构、非晶态结构和微观结构等。
晶体结构是指材料中原子、离子或分子排列成有序的方式，它对材料性能有重要影响。
非晶态结构是指材料中原子、离子或分子排列成无序的方式，具有特殊的物理和化学性质。
微观结构是指材料中原子、离子或分子的尺寸和形态分布等，它也会直接影响材料的性能。
材料的性能是指材料在特定条件下表现出来的特性，包括机械性能、电磁性能、热性能、化学性能和光学性能等。
机械性能是指材料在外力作用下的变形和破坏行为，主要包括强度、硬度和韧性等。
电磁性能是指材料在电场、磁场和光场等作用下的响应能力，主要包括导电性、磁性和光学性质等。
热性能是指材料在热力学条件下的热传导、膨胀和熔化等特性。
化学性能是指材料与其他物质之间的化学反应和变化行为，主要包括腐蚀性、氧化性和还原性等。
光学性能是指材料对光的透射、反射和吸收等特性。
材料的制备方法是指制造材料的过程和方法，主要包括物理方法、化学方法和生物方法等。
物理方法是指通过物理性质的变化来改变材料的结构和性能，如高温熔炼、沉淀和烧结等。
化学方法是指通过化学反应来合成材料，如溶胶-凝胶法、沉淀法和电化学方法等。
生物方法是指利用生物体或生物分子来制备材料，如生物矿化和生物复合材料等。
材料科学基础1绪论
材料科学基础1绪论材料科学是研究材料的性质、结构、制备、性能和应用的学科，具有广泛的领域和深远的影响。
材料是构成物质世界的基本单元，不同材料具有不同的特性和用途。
材料科学基础就是研究材料的基本原理和基础知识，为后续的材料科学研究和应用打下坚实的基础。
材料科学基础研究的内容包括材料的组成、结构、性质以及制备和加工技术等方面。
首先，材料的组成是指材料的成分和元素的种类和比例。
不同的元素组合可以形成不同的材料，例如金属、陶瓷、塑料等。
其次，材料的结构是指材料内部的原子、分子或晶体的排列方式。
不同的结构决定了材料的性质。
再次，材料的性质是指材料特定条件下所表现出来的特征和行为。
例如，强度、硬度、导电性、热传导性等都是材料的性质。
最后，材料的制备和加工技术是指制备材料的方法和工艺，例如熔炼、凝固、烧结、激光制造等。
制备和加工技术可以改变材料的结构和性质，从而满足不同的需求和应用。
材料科学在许多领域中都起着关键的作用。
首先，在材料工程领域，材料科学的基础研究为新材料的设计和开发提供了理论支持和指导。
新材料的研发可以改善产品的性能和功能，从而推动技术进步和社会发展。
其次，在能源领域，材料科学的研究可以帮助开发高效的能源材料和设备，例如太阳能电池、锂离子电池等，促进可再生能源的利用和节能减排。
此外，在医学领域，材料科学的研究为生物材料的设计和应用提供了基础，例如人工关节、组织工程材料等，改善了医疗技术和治疗效果。
材料科学基础的研究方法包括实验研究和理论分析。
实验研究是获取材料性质和行为的主要方法，通过实验可以测试材料的力学性能、导电性能、光学性能等。
实验结果可以用于验证理论模型和假设，并指导材料的设计和制备。
理论分析是对材料的组成、结构和性质进行推断和预测的一种方法，通过数学模型和计算机模拟可以分析材料的行为和相互作用。
实验研究和理论分析相互补充，在材料科学的研究中起着重要的作用。
总之，材料科学基础是研究材料的组成、结构、性质和制备技术的学科，对于材料科学的研究和应用具有重要的意义。
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一、材料科学的重要地位
表0-1 人类使用材料的
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二、各种材料概况
1.金属材料 2.陶瓷材料 3.电子材料、光电子材料和超导材料
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1.金属材料
图0-1 汽车中各种材料的大致比例
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1.金属材料
图0-2 波音767飞机所用的各种材料比例
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2.陶瓷材料
第二节 原子结合键
三、混合键 解：(1) MgO 据表1-2得电负性数据XMg=1.31；XO= 3.44，代入式(1-1)得： (2) GaAs 1)得 据表1-2得XGa=1.81；XAs=2.18，代入式(1表1-3 某些陶瓷化合物的混合键特征
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第二节 原子结合键
图1-8 原子间结合力 a)原子间吸引力、排斥力、合力 b)原子间 作用位能与原子间距的关系
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图1-15 利用显微镜观察材料的 组织
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第四节 晶体材料的组织
图1-16 单相组织的两种晶粒形状 a)等轴晶 b)柱状晶
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第四节 晶体材料的组织
二、单相组织 三、多相组织
图1-17 两相组织的一些基本组织形态
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第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
图1-18 激活能的物理意义
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第三节 原子排列方式
二、原子排列的研究方法
图1-13 X射线在原子面AA′和BB′上的衍射
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第三节 原子排列方式
图1-14 X射线衍射分析示意及衍射分布图 a) X射线衍射分析示意图 b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图
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第四节 晶体材料的组织
一、组织的显示与观察
第一节 原子结构
一、原子的电子排列
表1-1 各电子壳层及亚壳层的电子状态
(1)泡利不相容原理 一个原子中不可能存在有四个量 子数完全相同的两个电子。
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第一节 原子结构
(2)最低能量原理 电子总是优先占据能量低的轨道， 使系统处于最低的能量状态。
图1-1 电子能量水平随主量子数 和次量子数的变化情况 11924B
图0-3 航天飞机上的先进结构陶瓷 1—增强的碳-碳(RCC) 2—高温再用的表面绝缘材料(HRSI) 3—Nomex涂层(No mex) 4—低温再用的表面绝缘材料 5—金属或玻璃 11924B
3.电子材料、光电子材料和超导材料
(1)电子材料 是指在电子学和微电子学中使用的材料， 主要包括半导体材料、介电功能材料和磁性材料等。 (2)光电子材料 有人估计，今天光电子技术给世界带 来的影响不亚于30多年前将晶体管用于计算机的影响。 (3)超导材料 大多数科学家相信，在今后10年或更长 一些时间内，高温超导的研究和应用开发会有巨大进 展，其中，大电流应用和电子学应用将有实质性的突 破，这必将对国民经济和国防建设等带来巨大的效益。
材料科学基础
主编：石德珂
绪论１ 第一章 材料结构的基本知识 第二章 材料中的晶体结构 第三章 高分子材料的结构 第四章 晶体缺陷 第五章 材料的相结构及相图 第六章 扩散与固态相变 第七章 材料的变形与断裂 第八章 固体材料的电子结构与物理性能
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绪论 一、材料科学的重要地位 二、各种材料概况 三、材料的制备与加工工艺对性能的影响 四、什么是材料科学
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第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
3.稀土元素电子排列的特点是什么?为什么它们处于周 期表的同一空格内? 4.简述一次键与二次键的差异。 5.描述氢键的本质，什么情况下容易形成氢键? 6.为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价 键固体为高? 7.应用式(1-2)～式(1-5)计算Mg2+O2-离子对的结合键能， 以及每摩尔MgO晶体的结合键能。 8.计算下列晶体的离子键与共价键的相对比例 (1) NaF (2) CaO
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第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
9.什么是单相组织?什么是两相组织?以它们为例说明显 微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 10.说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说 明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。 11.归纳并比较原子结构、原子结合键、原子排列方式以 及晶体的显微组织等四个结构层次对材料性能的影响。
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三、材料的制备与加工工艺对性能的影响
图0-5 航空发动机的构造
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四、什么是材料科学
图0-6 材料科学与工程四要素
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第一章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
材料结构的基本知识
原子结构 原子结合键 原子排列方式 晶体材料的组织 材料的稳态结构与亚稳态结构
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2.共价键
图1-5 金属键结合示意图
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第二节 原子结合键
二、二次键 1.范德瓦耳斯键
图1-6 范德瓦耳斯键力示意图 a)理论的电子云分布 b)原子偶极矩的产生 c)原子(或分子) 间的范德瓦耳斯键结合
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第二节 原子结合键
2.氢键
图1-7 冰中水分子的排列及氢键的作用
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第二节 原子结合键
图1-9 原子间结合 力性质的模拟
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第三节 原子排列方式
一、晶体与非晶体
图1-10 二氧化硅结构示意图 a)晶态 b)非晶态
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第三节 原子排列方式
图1-11 从液态转变为晶体及非晶体 的比体积变化
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第三节 原子排列方式
图1-12 结晶过程示意图及相应的多晶体组织
第一节 原子结构
二、元素周期表及性能的周期性变化
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第一节 原子结构
表1-2 元素的电负性(鲍林)
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第二节 原子结合键
一、一次键 1.离子键
图1-3 NaCl的离子结合键示意图
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第二节 原子结合键
图1-4 金刚石的共价结合及其方向性
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第二节 原子结合键
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第二节 原子结合键
体不是直接分解成其组成的单原子气体，所
以数据并不是准确的蒸发热。 1)计算公式
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第二节 原子结合键
2)在式(1-3)中b为未知量，先解得b值。
3)计算Na+Cl-离子对的结合能E0，在平衡间距时E合=E0
五、结合键与性能 1.物理性能 2.力学性能
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第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
图1-19 反应速度随激活能 减小呈指数关系上升
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第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
图1-20 稳态与亚稳态转变的 热力学和动力学条件
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第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
1.原子中的电子按照什么规律排列?什么是泡利不相容 原理? 2.下述电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、 碱族、碱土族元素及过渡金属? (1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2 (2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 (3) 1s2 2s2 2p5 (4) 1s2 2s2 2p6 3s2 (5) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2 (6) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1