《材料科学基础》教学教案

《材料科学基础》教学教案

导论

一、材料科学的重要地位

生产力发展水平，时代发展的标志

二、各种材料概况

金属材料

陶瓷材料

高分子材料

电子材料、光电子材料和超导材料

三、材料性能与内部结构的关系

原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织

四、材料的制备与加工工艺对性能的影响

五、材料科学的意义

第一章材料结构的基本知识

§1-1 原子结构

一、原子的电子排列

泡利不相容原理

最低能量原理

二、元素周期表及性能的周期性变化

§1-2 原子结合键

一、一次键

1．离子键

2．共价键

3．金属键

二、二次键

1．范德瓦尔斯键

2．氢键

三、混合键

四、结合键的本质及原子间距

双原子模型

五、结合键与性能

§1-3 原子排列方式

一、晶体与非晶体

二、原子排列的研究方法

§1-4 晶体材料的组织

一、组织的显示与观察

二、单相组织

等轴晶、柱状晶

三、多相组织

§1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构稳态结构

亚稳态结构

阿累尼乌斯方程

第二章材料中的晶体结构

§2-1 晶体学基础

一、空间点阵和晶胞

空间点阵，阵点（结点）

晶格、晶胞

坐标系

二、晶系和布拉菲点阵

7个晶系

14个布拉菲点阵

表2-1

三、晶向指数和晶面指数

1．晶向指数

确定方法，指数含义，负方向，晶向族2．晶面指数

确定方法，指数含义，负方向，晶向族3．六方晶系的晶向指数和晶面指数

确定方法，换算

4．晶面间距

密排面间距大

5．晶带

相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合

晶带定律：hu+kv+lw=0

●晶向指数和晶面指数确定练习，例题

§2-2 纯金属的晶体结构

一、典型金属晶体结构

体心立方bcc

面心立方fcc

密排六方hcp

1．原子的堆垛方式

面心立方：ABCABCABC——

密排六方：ABABAB——

2．点阵常数

3．晶胞中的原子数

4．配位数和致密度

晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数晶体结构中原子体积占总体积的百分数

5．晶体结构中的间隙

四面体间隙，八面体间隙

二、多晶型性

α-Fe, γ-Fe, δ-Fe

例：

碳在γ-Fe 中比在α-Fe中溶解度大

三、晶体结构中的原子半径

1．温度与压力的影响

2．结合键的影响

3．配位数的影响

§2-3 离子晶体的结构

一、离子晶体的主要特点

正、负离子

二、离子半径、配位数和离子的堆积

1．离子半径

2．配位数

表2-6

3．离子的堆积

三、离子晶体的结构规则

1．负离子配位多面体规则—鲍林第一规则

配位多面体是离子晶体的真正结构基元

2．电价规则—鲍林第二规则

3．负离子多面体共用点、棱与面的规则—鲍林第三规则四、典型离子晶体的结构

6种

§2-4 共价晶体的结构

一、共价晶体的主要特点

原子晶体

二、典型共价晶体的结构

第三章 晶体缺陷

点缺陷、线缺陷、面缺陷

§3-1 点缺陷

一、点缺陷的类型

空位、间隙原子

Schottky, Frenkel 缺陷

晶个畸变

二、点缺陷的产生

1．平衡点缺陷及其浓度 kT

u A C N n e e -==exp 2．过饱和点缺陷的产生

高温淬火、辐照、冷加工

3．点缺陷与材料行为

扩散

物理性能：电阻，密度减小体积增加

力学性能：蠕变，强度，脆性

§3-2 位错的基本概念

一、位错与塑性变形

实际屈服强度远低于刚性滑移模型得到的G/30.

50年代中期证实位错的存在

二、晶体中位错模型及位错易动性

1．刃型位错

2．螺型位错

3．混合型位错

4．位错的易动性

图4-12

三、柏氏矢量

1．确定方法

2．柏氏矢量的意义

原子畸变程度

已滑移区与未滑移区的边界

滑移矢量

位错线的性质

3．柏氏矢量的表示方法

练习

四、位错的运动

1．位错的滑移

外加切应力方向、晶体滑移方向、位错线运动方向与柏氏矢量之间关系

图4-18、4-19、4-20，表4-1

2．位错的攀移

通过扩散实现

割阶的产生

正应力影响

3．作用在位错上的力

F d=τb F d=σb

五、位错密度

ρ=S/V

ρ=n/A

六、位错的观察

图4-24，4-25

§3-3 位错的能量及交互作用

一、位错的应变能

U=αGb2

二、位错的线张力

图4-30

τ=Gb/(2R)

三、位错的应力场及与其它缺陷的交互作用

1．位错的应力场

螺位错：纯剪切

刃位错：正应力为主

2．位错与点缺陷的交互作用

溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。比溶剂原