材料科学基础 绪论 陶杰 主编 化学工业出版社
材料 强度范围 MPa 比强度 MPa
铝合金 150- 150-450 55- 55-160
碳纤维复合材料 硼纤维增强铝合 金 1000- 1500( 1000-1200 1500(顺纤维方 顺纤维方向) (顺纤维方向) 向) 625- 625-750 570
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待升空的美国航天飞机
23
材料和生活用品
2
《材料科学基础》的基本概念 材料科学基础》
材料是指人类社会能接受地,经济地的制造有用物品的物质. 材料是指人类社会能接受地,经济地的制造有用物品的物质. 是指人类社会能接受地 材料科学是研究材料的成分,组织结构,制备工艺,加工工艺, 材料科学是研究材料的成分,组织结构,制备工艺,加工工艺,材料的性 是研究材料的成分 能与材料应用之间的相互关系的科学.材料科学是当代科学技术发展的基础, 能与材料应用之间的相互关系的科学.材料科学是当代科学技术发展的基础, 工业生产的支柱,是当今世界的带头学科之一.纳米材料科学与技术是20世纪 20世纪 工业生产的支柱,是当今世界的带头学科之一.纳米材料科学与技术是20 80年代发展起来的新兴学科,成为21世纪新技术的主导中心. 80年代发展起来的新兴学科,成为21世纪新技术的主导中心. 年代发展起来的新兴学科 21世纪新技术的主导中心 材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论, 它将各种材料( 材料科学基础 是进行材料科学研究的基础理论,它将各种材料 ( 包括金 是进行材料科学研究的基础理论 陶瓷,高分子材料)的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上, 属,陶瓷,高分子材料)的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上, 用于指导材料的研究,生产,应用和发展. 用于指导材料的研究,生产,应用和发展.它涵盖了材料科学和材料工程的基 础理论. 础理论.
4
石斧
商代巨型司母戍鼎
楚墓出土越王勾践宝剑
三号火箭在发射塔上
7
20世纪70年代,人们把信息,材料和能源称为 20世纪70年代,人们把信息,材料和能源称为 世纪70年代 当代文明的三大支柱; 当代文明的三大支柱; 20世纪80年代,又把新材料,信息技术和生物 20世纪80年代,又把新材料, 世纪80年代 新材料 技术并列为新技术革命的重要标志; 技术并列为新技术革命的重要标志; 20世纪90年代以来, 材料,信息, 20世纪90年代以来,把材料,信息,能源和生 世纪90年代以来 物技术作为国民经济发展的四大支柱产业. 物技术作为国民经济发展的四大支柱产业.
钛结构自行车: 钛结构自行车: 自行车发烧友" 选择钛合金制自行车. "自行车发烧友" 选择钛合金制自行车.钛合金的应用场合很 特殊.通常用于需要抗腐蚀,耐疲劳,高弹性的场合.
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生命科学材料
《材料科学基础》 材料科学基础》
《Foundations of Materials Science》
主讲:徐敏虹
1
绪论
材料科学基础》 一,《材料科学基础》的基本概念 材料科学基础》 二,《材料科学基础》的地位 学习《材料科学基础》 三,学习《材料科学基础》的意义 材料科学基础》 四,《材料科学基础》的内容 如何学好《材料科学基础》 五,如何学好《材料科学基础》
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是一门科学,它从事与材料本质的发现, 材料科学 :是一门科学,它从事与材料本质的发现,分析和 了解方面的研究, 目的在于提供材料结构的统一描绘或模型 在于提供材料结构的统一描绘或模型, 了解方面的研究 , 其 目的 在于提供材料结构的统一描绘或模型 , 以及解释这种结构与性能之间的关系.它包括下面的三个环节, 以及解释这种结构与性能之间的关系. 它包括下面的三个环节, 核心是结构和性能. 核心是结构和性能.
8
1986 年《 科学的美国人》杂志指出 " 先进材料对未来的宇航, 1986年 科学的美国人》杂志指出"先进材料对未来的宇航, 电子设备,汽车以及其他工业的发展是必要的, 电子设备 ,汽车以及其他工业的发展是必要的, 材料科学的进 步决定了经济关键部门增长速率的极限范围. 步决定了经济关键部门增长速率的极限范围." 1990年美国总统的科学顾问Allany Bromley 明确指出 " 材料科 明确指出" 1990 年美国总统的科学顾问Allany Bromley明确指出 年美国总统的科学顾问 学在美国是最重要的学科" 学在美国是最重要的学科". 1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7项是 1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有 年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7 基于先进材料之上. 基于先进材料之上.
是工程的一个领域, 目的在于经济地 在于经济地, 材料工程 : 是工程的一个领域 , 其 目的 在于经济地 , 而又为 社会所能接受地控制材料的结构,性能和形状. 社会所能接受地控制材料的结构 , 性能和形状. 它包括下面的五 个环节. 个环节.
材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点 的不同或者说各自强调的重点不同, 的不同或者说各自强调的重点不同,它们之间并没有 一条明确的界限. 一条明确的界限. 材料科学的基础理论,为材料工程指明方向, 材料科学的基础理论,为材料工程指明方向,为更 好地选择,使用材料,发挥现有材料的潜力, 好地选择,使用材料,发挥现有材料的潜力,发展新 材料提供理论基础. 材料提供理论基础. 材料科学与工程 (MSE,Material Science and Engineering MSE, Engineering) MSE
3
材料科学基础的地位
人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分. 人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分.从古代到现在 人类使用材料的历史共经历了七个时代,各时代的开始时间: 人类使用材料的历史共经历了七个时代,各时代的开始时间: 石器时代(公元前10万年) 石器时代(公元前10万年) 10万年 青铜器时代(公元前3000年 青铜器时代(公元前3000年) 3000 铁器时代(公元前1000年 铁器时代(公元前1000年) 1000 水泥时代(公元0 水泥时代(公元0年) 钢时代(1800年 钢时代(1800年) 硅时代(1950年 硅时代(1950年) 新材料时代(1990年 新材料时代(1990年)
9
新材料阶段的特征
是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代; 是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代; 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,非自然界中现成有的; 新材料以人造为特征,非自然界中现成有的; 人造为特征 新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解,为了特定 新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解, 的需要设计和加工而成的; 设计和加工而成的 的需要设计和加工而成的; 这些新材料使新技术得以产生和应用,而新技术又促进了新工 这些新材料使新技术得以产生和应用, 新技术得以产生和应用 业的出现和发展,从而使国家财富和就业增加. 业的出现和发展,从而使国家财富和就业增加.
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学习材料科学基础的意义
(一)材料科学的内涵 材料科学是一个跨物 化学等的学科. 理,化学等的学科.材料 科学的核心问题是 的核心问题是材料的 科学的核心问题是材料的 组织结构( 组织结构(Structure)和 ) 性能( 性能(Property)以及它们 ) 之间的关系. 之间的关系.
材料科学与工程四要素. 图1 材料科学与工程四要素.
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材料结构关系
材料的结构包括不同晶体结构和非晶体,以及显微镜下的微观结构. 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体,以及显微镜下的微观结构. 其内部结构包括四个层次: 原子结构; 结合键; 其内部结构包括四个层次:①原子结构;②结合键;③原子的排列方 式;④显微组织
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(二)材料科学与材料工程的关系
18
19
20
21
飞机和材料 从莱特兄弟实现飞行的梦想以来,航空和航天器发生了巨变. 从莱特兄弟实现飞行的梦想以来,航空和航天器发生了巨变.为了飞得快 和远,就要采用强度高和比重小的材料,重视材料的比强度,即强度/比重 和远,就要采用强度高和比重小的材料,重视材料的比强度,即强度/ 比强度 之比.因此,航空和航天器中铝 镁合金用量大 用量大. 之比. 因此, 航空和航天器中 铝,镁合金 用量大 .随着航空技术的进一步 发展,轻质和高比强度的钛合金,碳纤维高分子复合材料, 发展, 轻质和高比强度的钛合金,碳纤维高分子复合材料, 硼纤维金属复 合材料等得到愈来愈多的采用. 合材料等得到愈来愈多的采用. 实例 压气机叶片 压气机机 匣 钛合金 350- 350-1100 80- 80-245 飞机尾翼 硼纤维铝合金板 和管
16
结构材料实际上是一种按结合键种类 来分类的方法.由此可将材料分为金属, 来分类的方法.由此可将材料分为金属, 金属 陶瓷,高分子和由金属 和由金属, 陶瓷,高分子和由金属,陶瓷和高分子分 复合材料材料. 别组合成的各种复合材料材料 别组合成的各种复合材料材料. 金属材料:黑色金属材料(钢铁),有色黑色金属材料( 金属材料:黑色金属材料(钢铁),有色黑色金属材料(除钢铁 ),有色黑色金属材料 以外的) 以外的) 陶瓷材料:氧化物陶瓷, 陶瓷材料:氧化物陶瓷,非氧化物陶瓷 高分子材料:塑料, 高分子材料:塑料,橡胶合成纤维 复合材料:金属基复合材料,陶瓷基复合材料, 复合材料:金属基复合材料,陶瓷基复合材料,树脂基复合材料 功能材料:电子材料,光电子材料, 功能材料:电子材料,光电子材料,超导材料
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(三) 材料的分类
通常根据材料的结构和用途来分类. 通常根据材料的结构和用途来分类. 结构材料是以强度,刚度,韧性,耐劳性,硬度, 结构材料是以强度,刚度,韧性,耐劳性,硬度,疲劳强度等力 是以强度 学性能为特征的材料. 学性能为特征的材料. 功能材料是以声, 功能材料是以声,光,电,磁,热等物理性能为特征的材料. 是以声 热等物理性能为特征的材料. 本课程是按金属,陶瓷, 本课程是按金属,陶瓷,高分子和它们的复合材料来组织教 材的内容的. 材的内容的.
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材料科学基础绪论
高分子材料
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。
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。
第六章 固态相变 材料科学基础 陶杰 主编 化学工业出版
在形核时,新相的取向已被旧相所制约, 在形核时,新相的取向已被旧相所制约,这样的 晶面或晶向相互平行,所形成的界面能最低, 晶面或晶向相互平行,所形成的界面能最低,形核阻 力最小,形核就易于进行. 力最小,形核就易于进行. 形核时两相保持一定的位相关系, 形核时两相保持一定的位相关系,是固态相变按 阻力最小进行的有效途径之一
2
固态相变 三种基本变化: 三种基本变化: 晶体结构的变化. ①晶体结构的变化. 纯金属的同素异构转变,固溶体的多形性转变, 纯金属的同素异构转变,固溶体的多形性转变, 马氏体相变 化学成分的变化. ②化学成分的变化. 只有成分转变而无相结构的变化 有序程度的变化. ③有序程度的变化. 合金的有序化转变, 合金的有序化转变,以及与电子结构变化相关的 转变
16
界面错配度 界面上弹性应变能的大小取决于两相界面上原子间距的相 对差值,这种相对差值又称为错配度并以δ 对差值,这种相对差值又称为错配度并以 表之
αα,αβ分别是 ,β相沿平行于界面的晶向上的原子 分别是α, 相沿平行于界面的晶向上的原子 间距,δ越大 弹性应变能越大. 越大, 间距,δ越大,弹性应变能越大. δ<0.05 相界面为共格界面 0.05< 0.05<δ<0.25 为半共格界面 δ>0.25 为非共格界面
9
2). 非扩散型(位移型): ) 非扩散型(位移型) 在相变过程中没有原子的扩散运动, 在相变过程中没有原子的扩散运动,相变前后没有成 分的变化,原子以切变的方式, 分的变化,原子以切变的方式,即相对周围原子发生有规 律的少量的偏移,基本维持原来的相邻关系, 律的少量的偏移,基本维持原来的相邻关系,而发生晶体 结构的改变. 结构的改变. 新旧相的界面有共格 马氏体相变就是属于非扩散型相变. 马氏体相变就是属于非扩散型相变.
材料科学基础 复合材料 陶杰 主编 化学工业出版社
期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期 使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期 工作温度也只能在300 ℃左右。
2、复合材料的特性
(9)老化现象
在白然条件下，由于紫外光、湿热、机械应 力、化学侵蚀的作用，会导致复合材料的性能变
差，即发生所谓的老化现象。
复合材料在使用过程中发牛老化现象的程度 与其组成、结构和所处的环境有关。
３、其他基体复合材料
陶瓷基复合材料方面的研究工作，如热压烧
结的碳化硅晶须增强氧化硅，或碳化硅基体的复
合材料；氧化锆颗粒增强碳化物陶瓷复合材料等
的制备科学和结构性能研究。
５、复合材料今后的发展方向
(1)降低成本 由于复合材料的性能优于传统材料，如能降 低复合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。
(2)高性能复合材料的研制
宇宙飞行器在2000℃以上承受用温、高速气流的冲
刷作用。
2、复合材料的特性
(6)工艺性能优良
纤维增强的聚合物基复合材料具有优良
的工艺性能，能满足各种类型制品的制造需 要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量 少制品的制造，
2、复合材料的特性
(7)弹性模量
金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度 下长期使用，但是聚合物基复合材料的弹性模量 很低。因此，制成的制品容易变形 。 用碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提
例1：热固性玻璃钢＝热固性树脂＋玻璃纤维
材料 断裂能/ J
玻璃纤维 常用树脂
热固性玻璃钢
7.5×10-4 2.26×10-2
17.6
玻璃纤维增强高分子复合材料
热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂
脆性低于玻璃纤维
一、复合材料的分类
复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。
2、复合材料的特性
(9)老化现象
在白然条件下，由于紫外光、湿热、机械应 力、化学侵蚀的作用，会导致复合材料的性能变
差，即发生所谓的老化现象。
复合材料在使用过程中发牛老化现象的程度 与其组成、结构和所处的环境有关。
３、其他基体复合材料
陶瓷基复合材料方面的研究工作，如热压烧
结的碳化硅晶须增强氧化硅，或碳化硅基体的复
合材料；氧化锆颗粒增强碳化物陶瓷复合材料等
的制备科学和结构性能研究。
５、复合材料今后的发展方向
(1)降低成本 由于复合材料的性能优于传统材料，如能降 低复合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。
(2)高性能复合材料的研制
宇宙飞行器在2000℃以上承受用温、高速气流的冲
刷作用。
2、复合材料的特性
(6)工艺性能优良
纤维增强的聚合物基复合材料具有优良
的工艺性能，能满足各种类型制品的制造需 要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量 少制品的制造，
2、复合材料的特性
(7)弹性模量
金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度 下长期使用，但是聚合物基复合材料的弹性模量 很低。因此，制成的制品容易变形 。 用碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提
例1：热固性玻璃钢＝热固性树脂＋玻璃纤维
材料 断裂能/ J
玻璃纤维 常用树脂
热固性玻璃钢
7.5×10-4 2.26×10-2
17.6
玻璃纤维增强高分子复合材料
热固性玻璃钢：强度高于热固性树脂
脆性低于玻璃纤维
一、复合材料的分类
复合材料种类繁多，目前尚无统一的分类方法。
材料科学基础 液晶 陶杰 主编 化学工业出版社
7
1968年美国RCA公司—制造世界第一台使 用液晶显示的荧屏. 1970年代日本 SONY与 Sharp 两家公 司—液晶显示技术全面开发与共用.
8
形成液晶物质的条件
1,具有刚性的分子结构.导致液晶形成的刚性 具有刚性的分子结构. 刚性的分子结构 结构部分称为致晶单元 致晶单元. 结构部分称为致晶单元. 2,还须具有在液态下维持分子的某种有序排列 必需的凝聚力. 所必需的凝聚力.
30
高分子液晶的应用
高分子液晶显示材料
目前小分子液晶是主要的显示材料. 目前小分子液晶是主要的显示材料.由 于高分子的粘度比小分子液晶大得多,它的 于高分子的粘度比小分子液晶大得多, 工作温度,响应时间都不及小分子液晶. 工作温度,响应时间都不及小分子液晶. 但是液晶高分子在电场作用下从无序透 明态到有序不透明态的性质使其理论上也 可用于显示器件, 可用于显示器件,但目前尚未进入实际应 用阶段. 用阶段.
145℃
179℃
4
液晶的历史
其后在Reinitzer 和德国物理学家 Lehmann的共同努 其后在 Reinitzer和德国物理学家 Lehmann 的共同努 Reinitzer 和德国物理学家Lehmann 力下, 力下,认为胆甾醇苯甲酸酯在固态和液态之间呈现出一种新 的物质相态,将其命名为液晶 这标志着液晶科学的诞生. 液晶, 的物质相态,将其命名为液晶,这标志着液晶科学的诞生.
13
液晶相的分类
致晶单元与高分子链的连接方式
液晶类型
结构形式
名称 纵向性 垂直型
主链型
星型 盘型 混合型
14
液晶相的分类
多盘型
支链型
树枝型
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液晶相的分类
第一章 材料科学基础 绪论PPT课件
❖ 功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、 热学、声学、力学、化学和生物学功能及 其相互转化的功能，被用于非结构目的的 高技术材料。
1.4.3 材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为建筑 材料、信息材料、航空航天材料、能源材 料、生物医用材料等。
❖ 火箭发动机的燃烧室与喷嘴， 需要承受2000℃的高温而不 氧化，它是用石墨表面喷涂 一层二硅化钼材料制成。石 墨已被大量用作核能工业的 “减速剂”。雷达中大型电 子管外壳，既要耐高温，又 要有优良的超高频和绝缘性 能，它是用氧化铝高频陶瓷 制成。核反应堆外部的防护 层是用一种含钡的特种水泥 筑成的。
是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同， 但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热 工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材 料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁 矿、白云母等）为原料制造的。
按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、 橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊 耐火材料；
等系统的材 料科学知识
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
1.4.4 材料按结晶状态分类
单晶材料 多晶材料 非晶态材料 准晶材料
单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的 材料，如单晶纤维、单晶硅；
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性 能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。
材料科学基础绪论
材料的分类： 材料的分类：
按化学组成（或基本组成） 按化学组成（或基本组成）分类
（1）金属材料：由金属元素或以金属元素为主体组 ）金属材料： 成的具有金属特性的材料。 （2）无机非金属材料：无机非金属材料是由硅酸盐、 ）无机非金属材料：无机非金属材料是由硅酸盐、 铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（ 铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧 化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、 化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、 卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。 卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。它与广 义的陶瓷材料有等同的含义。
左图为AL—Si合金 的共晶组织
金属铸锭组织
成分-结构-性质-工艺过程之间的关系
材料科学与工程的四个基本要素： 材料科学与工程的四个基本要素： 合成与加工、成分与组织结构、性质、使用性能， 合成与加工、成分与组织结构、性质、使用性能， 探索这四个要素之间的关系，覆盖从基础学科到工程 的全部内容。 四个要素间的密切关系确定了材料科学与工程这一领 域，确定了本课程的教学线索。
三、金属材料的性能： 金属材料的性能：
零件的加工过程：冶炼 下料（锻件、铸造件） 零件的加工过程： 预先 热处理 机加工 最终热处理 磨削 装配 使用 对金属材料性能要求： 对金属材料性能要求： 工艺性能，使用性能。 工艺性能： 工艺性能：能适应实际生产工艺要求的能力。在于能不能 保证生产、制作。 包括： 包括：铸造性能——流动性，收缩性，偏析等； 锻造性能——固态流动性，冷变形硬化能力等； 以及切削加工性能，热处理性能，焊接性能。
参 考 书： 《金属学》胡庚祥 《金属学基础》包永千 《金属学原理》刘国勋 《金属学原理》徐祖耀 《金属学》《材料科学基础》余永宁 《金属学原理》李超 《物理冶金学》曹明盛 《材料科学基础》徐恒钧 《材料科学基础》胡庚祥
陶杰版材料科学基础--第8章 材料的表面与界面
材料表界面类型（按形成途径划分） 粉末冶金界面：通过热压、热锻、热等静压、烧 结、热喷涂等粉末工艺，将粉末材料转变为块体 所形成的界面。 黏结界面：由无机或有机黏结剂使两个固体相结 合而形成的界面。 熔焊界面：在固体表面造成熔体相，然后两者在 凝固过程中形成冶金结合的界面。
根据材料的类型进行划分：
三、 固液界面与润湿
润湿是固液界面上的重要行为。润湿是一种流 体从固体表面置换另一种流体的过程。 润湿是近代很多工业技术的基础。例如：机械 的润滑、金属焊接、陶瓷与搪瓷的坯釉结合、陶瓷 与金属的封接等工艺和理论都与润湿作用有密切的 关系。 润湿的热力学定义是：固体与液体接触后，体 系（固体+液体）的吉布斯自由能降低时，就称润湿。 根据润湿情况的不同可分为：附着润湿、铺展 润湿及浸渍润湿。
1、附着润湿:
1、固体的表面能
表面能的含义是每增加单位表面积时，体系自由能的增 量，单位是J/m2 。固体表面上的质点与晶体内部相比，处 于一个较高的能量状态，所以表面积增加，体系的自由能就 增加。 也就是说，要形成一个新表面，外界必须对体系做功， 表面粒子的能量高于体系内部粒子的能量，高出的部分能量 通常称为表面过剩能，简称表面能。 固体的表面能可以通过实验测定或理论计算法来确定。 实验方法一般是将固体熔化，测定液态表面张力与温度的关 系，作图外推到凝固点以下来估算固体的表面张力。
界面不只是指一个几何分界面，而是指一个薄层， 这种分界的表面（界面）具有和它两边基体不同的 特殊性质。 物体界面原子和内部原子受到的作用力不同，它们 的能量状态也就不一样，这是一切界面现象存在的 原因。
3）相界面：任何两种不同状态之间的分界面称之 为相界面，如固-气、固-液、固-固、液-气和 液-液界面。
材料科学基础_第1章_陶杰_主编_化学工业出版社
晶轴上截距为负数则在指数上加一负 号。
33
几点说明： 1.hkl分别对应xyz上的截距，不可互换 2.若晶面与对应坐标平行，则在该坐标上的指数为0 3.hkl表示沿三个坐标单位长度范围内所含该晶面的个数，
即晶面线密度。 晶面指数规律： （1）某一晶面指数代表了在原点同一侧的一组相互平行且
无限大的晶面。 (2) 若晶面指数相同，但正负符号相反，则两晶面是以点
材料科学基础
第一章 晶体学基础
❖1.1 晶体的周期性和空间点阵 ❖1.2 布拉菲点阵 ❖1.3 晶向指数与晶面指数 ❖1.4 晶面间距、晶面夹角和晶带定理 ❖1.5 晶体的对称性 ❖1.6 极射投影
2
1.1 晶体的周期性和空间点阵
1.1.1 晶体与晶体学 晶体：是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体， 即晶体是具有格子构造的固体。 非晶体：原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。
38
a3 ＝－（a1＋a2）
六方晶系的晶面指数与晶向指数
39
三指数系统→四指数系统
（h k l） （h k il） i＝-（h＋k）
16
3 简单单斜点阵
a≠b≠c α=γ=90°≠β
17
4 简单正交点阵
a≠b≠c，α=β=γ= 90°
18
5 底心正交点阵
a≠b≠c，α=β=γ=90°
19
6 体心正交点阵
a≠b≠c，α=β=γ= 90°
20
7 面心正交点阵
a≠b≠c，α=β=γ= 90°
21
8 简单六方点阵
a=b≠ c，α=β=90°，γ=120°
选取晶胞的原则：
1. 要能充分反映整个空间点成的周期性和对称性； 2. 在满足1的基础上，单胞要具有尽可能多的直角； 3. 在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
33
几点说明： 1.hkl分别对应xyz上的截距，不可互换 2.若晶面与对应坐标平行，则在该坐标上的指数为0 3.hkl表示沿三个坐标单位长度范围内所含该晶面的个数，
即晶面线密度。 晶面指数规律： （1）某一晶面指数代表了在原点同一侧的一组相互平行且
无限大的晶面。 (2) 若晶面指数相同，但正负符号相反，则两晶面是以点
材料科学基础
第一章 晶体学基础
❖1.1 晶体的周期性和空间点阵 ❖1.2 布拉菲点阵 ❖1.3 晶向指数与晶面指数 ❖1.4 晶面间距、晶面夹角和晶带定理 ❖1.5 晶体的对称性 ❖1.6 极射投影
2
1.1 晶体的周期性和空间点阵
1.1.1 晶体与晶体学 晶体：是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体， 即晶体是具有格子构造的固体。 非晶体：原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。
38
a3 ＝－（a1＋a2）
六方晶系的晶面指数与晶向指数
39
三指数系统→四指数系统
（h k l） （h k il） i＝-（h＋k）
16
3 简单单斜点阵
a≠b≠c α=γ=90°≠β
17
4 简单正交点阵
a≠b≠c，α=β=γ= 90°
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5 底心正交点阵
a≠b≠c，α=β=γ=90°
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6 体心正交点阵
a≠b≠c，α=β=γ= 90°
20
7 面心正交点阵
a≠b≠c，α=β=γ= 90°
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8 简单六方点阵
a=b≠ c，α=β=90°，γ=120°
选取晶胞的原则：
1. 要能充分反映整个空间点成的周期性和对称性； 2. 在满足1的基础上，单胞要具有尽可能多的直角； 3. 在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
第八章 材料表面与界面 材料科学基础 陶杰 主编 化学工业出版
E a = E1 E g
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8.3.2 晶界迁移 晶界在其法线上的位移,从微观上看, 晶界迁移 — 晶界在其法线上的位移,从微观上看,是通 过晶粒边缘上的原子向其邻近晶粒的跳动实现的 典型情况:晶粒长大过程;相变过程. 典型情况:晶粒长大过程;相变过程.
22
●
影响晶界迁移的主要因素 降低迁移率,与晶界偏析, ● 溶质或杂质原子 -- 降低迁移率,与晶界偏析,晶界结构 有关. 有关. 阻碍作用, ● 晶界第二相颗粒 -- 阻碍作用,晶界脱离第二相颗粒的
d
理想表面结构
4
清洁表面:是指不存在任何吸附,催化反应, 清洁表面:是指不存在任何吸附,催化反应,杂质扩散等 物理化学效应的表面,没有表面污染的实际表面 物理化学效应的表面 没有表面污染的实际表面
台阶表面 弛豫表面结构 重构表面 [112] 台阶表面不是一个平面, 台阶表面不是一个平面, 它是由有规则的或不规 则的台阶的表面所组成 [110] [111]
19
20
8.3 界面的偏聚与迁移 8.3.1 晶界平衡偏析 晶界偏析:在平衡条件下,溶质原子(离子) ● 晶界偏析:在平衡条件下,溶质原子(离子)在晶界处 浓度偏离平均浓度. 浓度偏离平均浓度. 偏析的自发趋势:晶界结构缺陷比晶内多, ● 偏析的自发趋势:晶界结构缺陷比晶内多,溶质原子 离子)处于晶内的能量比处在晶界的能量高, (离子)处于晶内的能量比处在晶界的能量高,通过偏析 使系统能量降低. 使系统能量降低. 偏析驱动力是内能差: ● 偏析驱动力是内能差:设一个原子位于晶内和晶界的内 则偏析的驱动力为: 能分别为El 和Eg ,则偏析的驱动力为:
γ SG = γ SL + γ LG cos θ
是润湿角; 称润湿张力. 式中θ是润湿角;F 称润湿张力.
(NEW)陶杰《材料科学基础》笔记和典型题(含考研真题)详解
② 中级晶族是指对称型中只有一个高次轴，分为三方晶系、四方晶 系和六方晶系；
③ 高级晶族是指对称型中高次轴多于一个。 3．微观对称元素 微观对称元素是指微观特有的对称元素，主要有如下几种： （1）点阵沿着点阵中某一方向上任何两点的矢量进行平移，点阵可 以复原，则该方向的轴线称为平移轴 （2）晶体内部的相同部分绕一轴线周期转动，并且附以轴向平移可 以得到重复，改轴线称为螺旋轴。。 （3）滑移面是指晶体内部的相同部分沿平行于该面的直线方向平移 后再反演而会得到重复的面。 4．空间群 空间群是指把宏观对称元素的点群与微观对称元素的螺旋轴、滑移 面结合作为一部分，将其与平移再组合而形成的对称群。 六、极射投影 1．参考球和极射投影 （1）将一很小的晶体或晶胞置于一大圆球的中心，这个圆球称为参 考球。 （2）极射投影法是指一种由球面直角坐标系，即经纬网通过投影转 绘而成平面网的方法。 2．吴氏网 吴氏网是指球网坐标的极射赤面投影。 3．标准投影图 标准投影图是指以晶体的某个晶面平行于投影面作出全部主要晶面
目 录
第一部分 复习笔记 第1章 晶体学基础 第2章 固体材料的结构 第3章 固体中的扩散 第4章 凝 固 第5章 相 图 第6章 固态相变的基本原理 第7章 晶体缺陷 第8章 材料表面与界面 第9章 金属材料的变形与再结晶 第10章 非金属材料的应力－应变行为与变形机制
第二部分 典型例题 第三部分 名校考研真题
c．所选取单胞的体积要最小。 （2）点阵常数 点阵常数，又称晶格参数是指单胞的三个棱边长度a、b、c及其夹 角α、β、γ这6个点阵常数，或者说3个点阵矢量a、b、c。 2．七大晶系和14种布拉菲点阵
表1-1 七大晶系和14种布拉菲点阵
三、晶向指数与晶面指数 1．晶向指数的确定步骤 （1）以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢为坐标轴，并以点阵基矢
③ 高级晶族是指对称型中高次轴多于一个。 3．微观对称元素 微观对称元素是指微观特有的对称元素，主要有如下几种： （1）点阵沿着点阵中某一方向上任何两点的矢量进行平移，点阵可 以复原，则该方向的轴线称为平移轴 （2）晶体内部的相同部分绕一轴线周期转动，并且附以轴向平移可 以得到重复，改轴线称为螺旋轴。。 （3）滑移面是指晶体内部的相同部分沿平行于该面的直线方向平移 后再反演而会得到重复的面。 4．空间群 空间群是指把宏观对称元素的点群与微观对称元素的螺旋轴、滑移 面结合作为一部分，将其与平移再组合而形成的对称群。 六、极射投影 1．参考球和极射投影 （1）将一很小的晶体或晶胞置于一大圆球的中心，这个圆球称为参 考球。 （2）极射投影法是指一种由球面直角坐标系，即经纬网通过投影转 绘而成平面网的方法。 2．吴氏网 吴氏网是指球网坐标的极射赤面投影。 3．标准投影图 标准投影图是指以晶体的某个晶面平行于投影面作出全部主要晶面
目 录
第一部分 复习笔记 第1章 晶体学基础 第2章 固体材料的结构 第3章 固体中的扩散 第4章 凝 固 第5章 相 图 第6章 固态相变的基本原理 第7章 晶体缺陷 第8章 材料表面与界面 第9章 金属材料的变形与再结晶 第10章 非金属材料的应力－应变行为与变形机制
第二部分 典型例题 第三部分 名校考研真题
c．所选取单胞的体积要最小。 （2）点阵常数 点阵常数，又称晶格参数是指单胞的三个棱边长度a、b、c及其夹 角α、β、γ这6个点阵常数，或者说3个点阵矢量a、b、c。 2．七大晶系和14种布拉菲点阵
表1-1 七大晶系和14种布拉菲点阵
三、晶向指数与晶面指数 1．晶向指数的确定步骤 （1）以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢为坐标轴，并以点阵基矢