工程材料基础理论

把晶体中的原子想象成几何结点，并把用直线将其中心连接起来而构 成的空间各自称为“晶格”
能反映某种特定金属的晶格结构特征的最小原子群叫作单位晶胞。 它是晶体的最基本构造单元，一个单晶体含有数目巨大的单位晶胞 。如果把墙上的砖比作单位晶胞，则墙就具有晶体结构，它由规则 排列的砖组成。这面墙就象一个单晶，由许多单位晶胞组成。
绝大多数固体都是晶体
《材料加工工程 》
第二章工程材料基础理论
什么是晶体？
晶体是指原子（离子、分子和原子团） 在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质。
晶体中原子的这种排列叫作晶体结构。
晶体结构就象建筑工地上堆放的金属材料：钢管和钢柱在水平和垂直方向上均匀 地重复堆放。
《材料加工工程 》
第二章工程材料基础理论
《材料加工工程 》
第二章工程材料基础理论
密排六方晶体结构
(a) 晶格；
(b)多晶胞单晶体
图 1.4 密排六方晶体结构（HCP）
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第二章工程材料基础理论
为什么金属会形成 不同的晶体结构？?
原因是形成这些结构所需的能量最小。钨具 有bcc结构是因为对钨来说，这种结构比其 他结构需要的能量小。同样原因，铝形成fcc 结构。
要回答这些和同类问题，就需要研究金属的
结构，即金属中原子的排列。
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第二章工程材料基础理论
金属学基础引言
关于结构的知识可以指导我们控制和预测金属在各种制造过 程中的行为特征。对金属原子结构的理解也使我们能预测和 估计性能。这使我们对特定受力条件、温度和环境条件下的 特定应用能作出合理的选择。
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第二章工程材料基础理论
大多数金属的原子排列可以归纳为三种基本的晶体结构：(a) 体心立方 (bcc)，(b) 面心立方(fcc)，(c) 密排六方(hcp)。这几种结构见图。图中 的每一个球代表一个原子。这几种晶体结构中原子距离的数量级约为
0.1nm（10-10m）。这种原子结构模型叫作刚球模型，可以把它想象
பைடு நூலகம்
狭义定义
用无机非金属化合物粉体，经 高温烧结而成的，以多晶聚积 体为主的固态物均称为陶瓷。
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工程塑料的发展简述
初创时期
（1826年~20世纪20年代）
发展期
(20世纪30年代~70年代)
全面发展的时期
(20世纪70年代~至今)
一百多年的发展
复合材料的发展史
古代
（土砖、漆器）
近代
(软质复合材料，硬质复合材料)
在不同温度，同一金属可能具有不同的结构，因为在不同的温度下 另一结构所需的能量更小。例如，低于912℃和高于1394℃时，铁 具有bcc结构，而在912℃和1394℃之间则具有fcc结构。
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第二章工程材料基础理论 同种金属具有多于一种晶体结构的现象叫同素异构，或同素异形，意为有多种形 式。由于金属的性能与行为在很大程度上取决于晶体结构，同素异构现象对于金 属的热处理、压力加工和焊接工艺有重要意义。
第二章工程材料基础理论
第二章 工程材料基础理论
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图2.1 工程材料历史发展随时间推移的相对重要性示意图（时间是非线性的）
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无机非金属材料（陶瓷）的发展简述
陶瓷 是泛指一切经高温处理而 获得的无机非金属材料，
包括：陶瓷、玻璃、 搪瓷、水泥和耐火材
料等。
广义定义
不含玻璃、搪瓷和 金属陶瓷，主要是 指先进陶瓷。
成网球在一个箱子中排列成各种形状。
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第二章工程材料基础理论
体心立方晶体结构
(a) 晶胞模型;
(b) 晶格；
(c) 多晶胞单晶体
图 1.2 体心立方晶体结构（BCC）
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第二章工程材料基础理论
面心立方晶体结构
(a) 晶胞模型；
(b) 晶格；
(c) 多晶胞单晶体
图1.3 面心立方晶体结构（FCC）
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单晶体的变形与强度
就象需要一定的力来使扑克牌之间产生滑动一样，晶体也需要一定的
材料
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第二章工程材料基础理论
金属材料的发展史
青铜器时代 （公元前5000年）
铁器时代 （公元前1500-1200年）
主导地位 （到20世纪中叶）
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第二章工程材料基础理论
金属学基础引言
为什么金属有的硬有的软？为什么有的金属 很脆，而有的金属则有很好的延展性，易于 成形而不断裂？为什么有的金属能承受高温 而有的则不能？
先进复合材料
(高强度、高模量….)
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复合材料的发展简述
20世纪60年代
航空、航天等尖端技术 高强度、高模量、耐高温、低密度
碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维和氧化铝纤维等
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复合材料的发展趋势
一门综合学科
学科边缘与学科交叉点是复合材料的重要生长点
发展的重点：
1. 了解复合材料所特有的复合效应 2. 与复合材料有关的物理现象
除了原子结构外，还有一些其他因素影响金属的性能和行 为。其中包括金属的成分、结构中的杂质和空位、晶粒尺 寸、晶界、环境、金属的尺寸和表面状态、以及金属和合 金产品的制造方法等。
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金属学基础——金属的晶体结构
固体材料
非晶体 晶体
少数物质（如玻璃、松香及木材等）
单晶体 多晶体
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其他先进材料介绍
具有感知环境刺激，对之 进行分析、处理、判断， 并采取一定的措施进行适 度响应的智能特征的材料。
智能材料
生物材料
即生物医学材料,它是 指“以医疗为目的， 用于与组织接触以形 成功能的无生命的材
料”
生态环境材料
具有良好的使用 性能和优良的环 境协调性的材料
纳米材料
纳米材料统指合 成材料的基本单 元大小限制在 1~100nm范围的
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第二章工程材料基础理论
原子排列的方式决定了特定金属的性能。 我们可以通过添加一种或几种其他金属的
原子来改变这种排列。这就叫合金化，它
能带来金属性能的改善。
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第二章工程材料基础理论
单晶体的变形与强度
当晶体受到外力作用时，它首先发生弹性变形；这种变形在外 力卸去后能恢复到原来形状。这就象当拉伸一根螺旋弹簧时它 就伸长，而当载荷卸去后它又恢复到原来的形状。然而，当外 力足够大时，晶体就发生塑性变形（或叫永久变形）；这种变 形在外力卸去后不能恢复到原来形状。