材料科学(1)介绍
材料科学基础-第五章1 (1)
＝2tc
快速确定具有最大取向因子cosφcosλ的滑 移系方法 映象规则：利用投影图中心部分的八个取向三角形
4. 晶体在滑移时的转动 （rotation）
晶体滑移
滑移面上发生相对位移 晶体转动
在拉伸时使滑移面和滑移方 向逐渐转到与应力轴平行 空间取向发生变化 在压缩时使滑移面和滑移方向 逐渐转到与应力轴垂直
两个阶段
孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进 行的条件下才会发生。例如，Mg孪生所需tc4.9~34.3MPa, 而滑移时tc仅为0.49MPa。但孪晶的长大速度极快（与冲 击波的速度相当）有相当数量的能量被释放出来，故常可 听见明显可闻“咔、嚓”声，也称孪生吼叫。
3. 孪生形变的意义
三 扭折 Kink
hcp的Cd压缩时，外力与(0001)面平行， 故在(0001)面的t＝0，若此时孪生过程的阻 力也很大，不能进行。为了使晶体的形状与 外力相适应，当外力超过某一临界值时，晶 体将会产生局部弯曲，即出现扭折现象。 扭折区晶体的取向发生了不对称变化。 扭折是为适应外力而发生的不均匀局部塑性变形方式， 对变形起一定的协调作用，使应力得到松弛，使晶体不致发 生断裂。另外由于扭折引起晶体的再取向，即有可能使扭折 带区域中的滑移系处于有利取向，促使晶体形变能力进一步 发挥。 造成扭折的原因是滑移面的位错在局部地区集中，从 而引起的晶格弯曲。
四 塑变的位错机制
1. 滑移的位错机制 根据刚性滑移模型推导出的理论切变强度
tm
G 30
G 2
(G一般为104～105MPa），即使采用修正值
与实测值（约为1～10MPa）之间相差3～4个数量级。
位错概念引入解决这一矛盾。因为位错运动时只要求
其中心附近少数原子移动很小的距离（小于一个原子间距）， 因此所需的应力要比晶体作整体刚性滑移时小得多。这样借 助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。
材料科学基础(清华大学)(1)_OK
Fundamental of Materials
Prof: Tian Min Bo
Tel: 62795426 ，62772851 E-mail: tmb@ Department of Material Science and Engineering Tsinghua University. Beijing 100084
H
H
18
2. Secondary bonding
Fluctuating Dipole bonds These bonding forces arise because the asymmetrical
distribution of electron charge distribution in these atoms creates electric dipoles.
19
Permanent Dipole bonds
Permanent Dipole bonds exist between adjacent polar molecules.
105
Hydrogen
bonding
20
3. Mixed bonding Ionic-Covalent Mixed bonding
12
• Ⅲ.Secondary bonding （Van Der waals bonding)
The driving force for secondary bonding is the attract ion of the electric dipoles contained in atoms or molecu les.
An electric dipole moment is created when two equal and opposite charges are separated.
材料科学基础第一章晶体结构(三单质晶体结构)
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
配位数 12；8（8＋6）；12 致密度 0.74；0.68； 0.74
配位数（CN）：晶体结构中 任一原子周围最近且等距离 的原子数。 致密度（K）：晶体结构中 原子体积占总体积的百分数。 K=nv/V。
linear density
<100>
a
2 1 2
1
aa
a
2 1 2
1
aa
<110>
2a
2
1 2
0.7
2a a
2a
2
1 2
1
1.4
2a a
<111>
3a
2
1 2
1
1.16
3a a
3a
2
1 2
0.58
3a a
案例讨论：工程上大量使用低碳钢渗碳件，试分析材 料的渗碳行为与哪些因素有关? 晶格常数? 结构类型? 致密度?....?
1.4单质晶体结构
同种元素组成的晶体称为单质晶体。 一、金属晶体的结构 二、非金属元素单质的晶体结构
一、金属晶体的结构
香港国际机场 案例讨论：工程上大量使用钢铁材料，钢和铁在 性能上差别较大，各有优势，设想这种差别的来 源。
一、金属晶体的结构
1.常见金属晶体结构
典型金属的晶体结构是最简单的晶体结构。由于金属键的性质， 使典型金属的晶体具有高对称性，高密度的特点。常见的典型金属晶 体是面心立方、体心立方和密排六方三种晶体，其晶胞结构如图1-10 所示。另外，有些金属由于其键的性质发生变化，常含有一定成分的 共价键，会呈现一些不常见的结构。锡是A4型结构（与金刚石相似）， 锑是A7型结构等。
计算机在材料科学与工程中的应用(1)讲解
在材料科学与工程中，一些仪器就采 用了图象处理技术，如SEM等仪器。在工程 中，采用图像处理技术可代替人工对产品 进行自动检测，大大节省了人力资源，提 高了劳动生产率。
在线自动检验------通过数码相机，将照 得的图像自动处理，辨识技术，达到自动 检验的目的。
在军事上，弹道导弹，巡航导弹
第二章 计算机应用数学基础
众所周知:要是方程有唯 一的解,这 些方程应是线性无关.也就是系数矩 阵行列式不等于零.主要解法有消元 法,追赶法,迭代法.
实际上,可分为两大类
直接法: 高斯法
间接法 : 迭代法
2.3.1 直接解法
1. 高斯消元法 高斯消元法的分类:
a. 顺序消元法, b. 列主元素法 c.全主元素法
a. 顺序消元法
xmid=(xn+1+xn)/2 再算出点的函数值f(xmid),若f(xmid)与f(xn)同号，则用 f(xmid)代替f(xn)，否则， f(xmid)代替f(xn+1)。 于是含根区间就成为[xmid,xn+1]或[xn,xmid],根的区间范 围进一步减小。如此继续下去，当误差足够小时，就 停止迭代。
动量传递耦合应用
3.材料: 从头算,量子力 学和量子化学计算指 导分子设计
4.管理:ERP 5.CAD和CAI 6. 图象处理
(1)数值计算 数值计算（numerical computation）
就是有效使用数字计算机求数学问题近似 解的方法与过程，以及由相关理论构成的 学科。
①研究新材料。可以采用数据处理、仿真技术、数学模型、数
以x*求出发f(x*)后与f(xn)和f(xn+1)比较， 照例以f(x*)代替f(xn)和f(xn+1)中的同号者。 如果f(x*)不十分接近零，在重复上述步骤，
材料科学在全球范围内主要研究所及研究方向
材料科学在全球范围内主要研究所及研究方向材料科学是一门研究材料的结构、性能、制备以及在各个领域应用的交叉学科。
在全球范围内，存在许多主要的材料科学研究所，并且涉及的研究方向也非常广泛。
接下来将介绍全球范围内一些主要的材料科学研究所及其研究方向。
1.麻省理工学院（MIT）材料科学与工程系：该系于1950年成立，是世界上最早的材料科学与工程系之一、麻省理工学院材料科学与工程系的研究方向包括：先进材料的合成与制备、材料的表征与测量、材料的力学与力学行为、材料的电子与磁学性质。
2.斯坦福大学材料科学与工程系：该系成立于1960年，是美国最具影响力的材料科学与工程系之一、该系的研究方向包括：材料物理、材料化学、材料表征、生物材料、材料模拟与计算等。
3.剑桥大学材料科学与冶金系：该系成立于1958年，是英国乃至全球最具影响力的材料科学与冶金系之一、剑桥大学材料科学与冶金系的研究方向包括：金属与陶瓷材料、复合材料、半导体材料、能源材料等。
4.日本国立材料研究所（NIMS）：NIMS是日本最主要的材料科学研究机构之一，于2001年成立。
NIMS的研究方向包括：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、光电材料等。
5.中国科学院金属研究所：中国科学院金属研究所是国内材料科学研究的重要机构之一、其研究方向包括：先进材料制备、材料表征与加工、新型金属材料与合金等。
除了上述几个主要的研究所外，还有许多其他国家的材料科学研究所在世界范围内具有重要地位，如德国马普固体研究所、法国国家科学研究中心（CNRS）材料科学研究所、韩国国家材料科学研究院（KIMS）等。
此外，材料科学的研究方向非常广泛，包括但不限于以下几个方面：1.先进材料的合成与制备：研究新型材料的合成方法，开发新的制备技术。
2.材料的物理与化学特性研究：研究材料的结构、物理性质、化学性质等。
3.材料的力学行为研究：研究材料的力学性能、力学行为以及变形机制。
4.材料的电子与光学性能研究：研究材料的电子结构、电导性能、光学特性等。
材料科学与工程的一级学科
材料科学与工程的一级学科
（原创版）
目录
1.材料科学与工程的定义与概述
2.材料科学与工程的一级学科分类
3.材料科学与工程各一级学科的研究方向与内容
4.材料科学与工程一级学科的发展前景
正文
材料科学与工程是一门研究材料结构、性能、制备和应用的学科，它涉及到多种材料的研究，如金属、陶瓷、聚合物和复合材料等。
随着科技的飞速发展，材料科学与工程在各个领域中发挥着越来越重要的作用，成为了推动我国科技进步的重要力量。
材料科学与工程是一级学科，下设多个二级学科。
这些二级学科分别为：
1.材料物理与化学：主要研究材料的物理性能、化学组成和结构，探索材料的制备方法、性能优化和应用。
2.材料学：研究材料的结构、性能、制备和应用，包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料等。
3.材料加工工程：研究材料的加工工艺和设备，包括铸造、锻造、焊接、热处理等各种加工方法。
各一级学科的研究方向和内容分别为：
1.材料物理与化学：材料制备、材料性能、材料结构、材料腐蚀与防护、材料计算等。
2.材料学：金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、纳米材料、
生物材料等。
3.材料加工工程：铸造技术、锻造技术、焊接技术、热处理技术、模具设计与制造等。
材料科学与工程一级学科在我国的发展前景十分广阔。
随着国家对新材料、新技术的重视和大力支持，材料科学与工程领域的研究取得了举世瞩目的成果。
材料科学基础第四张相平衡与相图(1)
化学位： 当温度、压力不变因组元增加一个摩尔， 引起吉布斯自由能的变化，就是组元的化 学位或偏摩尔自由能。它代表了系统内物 质传递的驱动力。
组元2在β相 中化学位等于其 在α相中的化学位 推演如下：
多元系统的吉布斯自由能是温度、压力及各组元摩尔 数n1、n2…….函数，即可写成 G＝f（T、P、n1、n2……….)
二元系中,三相平衡的热力学条件是每个组元在各相中的化学位相等,即 μα1＝μβ1＝μγ1 μα2＝μβ2＝μγ2 多元复相平衡的普遍条件是每个组元在各相中的化学势都必须彼此相等,即 μαi＝μβi＝μγ i ＝…＝μPi
其中,α、β、γ…P表示合金中存在的相,i代表合金中的第i个组元 。 μPi则表示P相中i组元的化学位，即上标表示平衡相，下标表示组元。
温度与压力都能变动的情况
二、 SiO2系统相图 •也有晶型变化：
（＜573℃）低温型α－SiO2 （α－石英） （573℃－870℃） 高温型β－SiO2 （β－石英） （870℃－1470℃） 磷石英β2－SiO2 （β2－磷石英） （1470℃－1713℃） 方石英β－方SiO2 这四种不同晶体结构的SiO2存在 的温度、压力范围不同
•确定两平衡相的相对量: •将成分坐标当作杠杆，以合金的成分点为 •支点，Wα和WL看成作用于a、b两点的力， •则与力学上的杠杆定律一样，即 • WL／Wα＝0b／a0 •上式表明合金在两相区内，两平衡相的相 •对量之比与合金成分点两边的线段长度呈 •反比关系。
•合金中两平衡相的含量也可用下式表达： Wα％＝（C－CL）／（Cα－CL） ＝a0 ／abχ100％ WL％＝（Cα－C）／（Cα－CL） ＝ 0b ／ab χ100％ 在两相区内，温度一定时，两相的质量比 是一定的。
二年级下册科学教案认识常见材料教案(一)
二年级下册科学教案认识常见材料教案(一)二年级下册科学认识常见材料教案一、教学目标1.了解常见材料的属性和用途。
2.能够辨认不同材料的特点和特性。
3.培养学生观察、实验和总结的能力。
二、教学内容1.金属材料–铁–铜–铝2.木材料–针叶木–阔叶木–竹子3.塑料材料–PE（聚乙烯）–PP（聚丙烯）–PVC（聚氯乙烯）4.纸材料–复写纸–黄色纸板–抄纸5.玻璃材料–透明玻璃–半透明玻璃–不透明玻璃三、教学过程1. 导入（5分钟）•利用问题或故事引起学生兴趣，如：“你家的门是用什么材料做的？为什么？”2. 学习金属材料（15分钟）•通过对铁、铜和铝的描述，引导学生思考金属的特点和用途。
•列举金属材料在日常生活中的实际应用，如制造汽车、建筑和家具等。
•让学生观察、摸索金属材料，了解其硬度、导电性和可塑性等特性。
3. 学习木材料（15分钟）•介绍针叶木、阔叶木和竹子的特点和用途。
•带领学生观察木材料的不同纹理和质地，引导学生发现其可塑性和质轻的特性。
4. 学习塑料材料（15分钟）•简要介绍PE、PP和PVC的特点和用途。
•准备一些不同的塑料制品，如塑料杯、塑料袋和塑料玩具等，让学生观察其柔软、透明和可塑性。
5. 学习纸材料（15分钟）•介绍复写纸、黄色纸板和抄纸的特点和用途。
•准备一些不同的纸制品，如书本、纸箱和纸巾等，让学生观察其薄、轻和可撕裂的特性。
6. 学习玻璃材料（15分钟）•介绍透明玻璃、半透明玻璃和不透明玻璃的特点和用途。
•准备一些玻璃制品，如玻璃杯、玻璃窗和镜子等，让学生观察其坚硬、透明和易碎的特性。
7. 小结与评价（5分钟）•让学生回顾今天所学的常见材料及其特点和用途。
•提问学生对材料的理解和观察，以检验他们的掌握程度。
四、教学反思在此教案中，通过列举各种常见材料并配以实物观察，可以帮助学生更加直观地了解不同材料的特点和用途。
此外，通过提问和讨论，也能培养学生的思考和表达能力。
在教学过程中，应注意与学生互动，关注学生的学习情况，及时进行巩固和复习。
无机材料科学基础第一章 化学键与电子结构(1)
10
2.元素亲和能
定义：当一个气态中性原 子X得到一个电子变成一个 负离子所放出的能量I-。
X e X
I
单位为kJ /mol或eV/atom。 正值表示放出能量，负值 表示吸收能量。 在数值上，它与带负电 荷的阴离子的电离能是相等 的，但符号相反。
图1.4 不同元素原子亲和能与原子序数的关系
30
1.2.2 共价键的极性
共价键极性形成原因： 分子轨道是由原子前线轨道线性组合而成。若A原子的电负性 比B原子大，则其前线轨道能级比B原子前线轨道能级低。在形成 共价键过程中，能量低的成键轨道（Bonding Orbital）的能级与 先前的A原子前线轨道能级更接近，故此成键轨道主要由A原子的 前线轨道构成；而能量较高的反键轨道（Anti-Bonding Orbital） 能级则与原来的B原子前线轨道能级更接近，则其主要由B原子的 前线轨道构成。由于电子优先分布于成键轨道，所以，电负性较 大的A原子则占据了更多的电子，共价键的极性就这样产生了。 理论推导：利用分子轨道波函数 和 可近似计算AB原子的电
高配位数 配位数定义：在固体结构中，每个原子或离子最近邻的原子或离子数目。 离子晶体高配位数产生原因：
为使能量最低，每类离子周围要有尽可能多的异类离子配位，而同类离
子不能相互接触，从而使结构中形成尽可能多的离子键，因此，离子晶体 具有较高的配位数。
13
1.1.3 离子晶体结合能
定义：使正负离子从相互分离的状态结合成离子晶体所释放 出来的能量。 离子晶体中静电能占90%以上，故可用静电作用计算结合能。 吸引力 离子间的相互作用力 排斥力 泡利原理引起
0
2
(1-
1 n
无机材料科学基础第1-5章
体中有大量Ｏ2-存在，[SiO4]四面体之间主
方沸石Na[AlSi2O6]· H2O等沸石型矿物等。
1、石英族晶体的结构
SiO2晶体具有多种变体，常压下可分为三个系列：石英、
鳞石英和方石英。它们的转变关系如下：
870℃ -石英 573℃ -石英 1470℃ -鳞石英 160℃ -鳞石英 117℃ -鳞石英 1723℃ -方石英 268℃ -方石英 熔体
无机材料科学基础
1硅酸盐晶体结构
铝: 7.45 wt%
硅: 26.0wt%
氧: 49.130wt %
地壳中的优势矿物为硅酸盐和铝硅酸盐
硅酸盐晶体结构的共同特点：☆
（1）构成硅酸盐晶体的基本结构单元[SiO4]四面体。
（2）[SiO4]四面体的每个顶点，即O2-离子最多只能
为两个[SiO4]四面体所共用。 （3）两个相邻的[SiO4]四面体之间只能共顶而不能共 棱或共面连接。
双四面体 [Si2O7]6-
三节环 [Si3O9]6-
四节环 [Si4O12]8-
六节环 [Si6O18]12-
桥氧：四面体群中连接两个Si4+离子的氧 ☆ 非桥氧：四面体群中与Si4+离子相连接的氧☆
绿宝石Be3Al2[Si6O18]结构
绿宝石的基本结构单元是由6个[SiO4]四面体
组成的六节环，六节环中的1个Si4+和2个O2-处在同 一高度，环与环相叠起来。上下两层环错开30o， 投影方向并不重叠。环与环之间通过Be2+和Al3+离 子连接。
图1-34 绿宝石晶胞在（0001）面上的投影（上半个晶胞）
结构与性质的关系： 使晶体结构中存在大的环形空腔。 显著的离子电导（直流场） ；