1、材料科学与工程基础材料科学与工程基础Fundamentals of Materials Science and Engineering-曹永友Chapter one 引言Learning Objectives1.列出决定材料应用的六种不同性能Mechanical properties力学性能 Electrical properties电性能 Thermal behavior热性能 Magnetic properties磁性能 Optical properties光性能 Deteriorative characteristics老化特性2.说明涉及材料设计，生产和利用的四个因素，并简要说明它们之
2、间的相互关系Processing加工过程Structure组织结构Properties性能（性质）Performance使用性能结构依赖于加工。 性质决定使用性能。因此它们之间关系是线性的。3.举出在材料的甄选过程三个标准A考利材料的使用条件 B考虑材料使用过程的老化 C优先考虑材料的经济性4. (a)列出三类主要的固体材料，并说明它们化学特点metal金属 具特有光泽而不透明（对可见光强烈反射的结果），富有展性、延性及导热性、导电性的这一类物质。ceramic陶瓷 各种无机非金属固体材料polymer聚合物由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物。(b
3、)写出其他三种材料，并说明它们特点Composites复合材料是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料
4、，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。Semiconductors半导体材料导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）10（U-9）欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。Biomaterials生物材料 生物材料是指以医疗为目的,用于和机体组织接触,以形成功能
5、的无生命的材料。生物材料的种类很多。一般可分为天然材料和人工材料两大类。人工材料又可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料以及它们的复合材料Chapter two原子结构及原子间作用力Learning Objectives1.了解所学的两种原子模型，并能区别其不同。玻尔模型 1913年，年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时最新的物理学发现（普朗克黑体辐射和量子概念、爱因斯坦光子论、卢瑟福原子带核模型等）的基础上建立了氢原子核外电子运动模型，提出了原子结构理论上的三点假设（1）任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量子化条件的轨道上运动；（2）电子轨离核越远，原子所含的能量越高，电子尽可能处在
6、离核最近的轨道上；（3）只有电子从较高能级跃迁到较低能级时，原子才会以光子形式释放能量。玻而尔理论解释了原子发光现象但无法解释精细结构和多原子、分子或固体的光谱，存在局限性。量子力学模型 量子力学是建立在微观世界的量子性和微粒运动统计性基本特征上，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做薛定谔方程，是由奥地利科学家薛定谔（E.Schrdinger 1887-1961）在1926年提出来的。薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标，它的因变量是电子波的振幅（）。给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时，薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个定态，
7、它具有一定的能量，具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式=f(x,y,z)，称为振幅方程或波动方程。2.能够描述有关电子能量的量子力学法则。能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。4.(a)能够简单描述离子键，共价键，金属键，氢键和范德华键。(b)能够列出以这些化学键结合的典型物质。离子键：原子之间发生电子转移，形成正、负离子，并通过静电作用而形成的化学键。离子键的本质是静电作用，无方向性、无饱和性。离子键程度与元素的电负性有关。共价键：不同原子依靠共享电子，或原子轨道的最大重叠而结合形成的化学键为共价键。共价键的本质是电性的，是两原子核对共用电子对或原子轨道重叠所形成负电区域
8、的吸引力，不是正负离子间的静电力。共价键有方向性和饱和性。金属键：在固态或液态金属中，价电子可以自由地在不同原子间移动，使其成为多个原子所共有，这些共用电子将许多原子粘合在一起的作用，被称为是金属键。氢键：分子中带正电的氢原子与另一分子中含有的孤对电子靠近并产生的吸引力为氢键。氢键形成的条件是必须在分子中存在电负性很强的元素使氢原子具有强极性，同时，分子中带有孤对电子，电负性大和半径小的元素所构成。氢键具有方向性和饱和性。范德华键：由分子的取向力、诱导力和色散力导致分子间的作用力称为Van der waals 键。Chapter three金属和陶瓷的结构（三种典型晶体结构、晶面、晶向）重点！
9、重点为第三章。特别是三种常见的晶体结构以及晶面和晶向及其指数。Learning Objectives1. 描述晶体与非晶体在原子核分子结构上的不同晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性。非晶体：是指原子在空间的排布没有长程有序的固体2. 画出面心立方（FCC face-centered cubic），体心立方（BCC body-centered cubic），密排六方（HCP hexagonal close-packed）晶体结构的晶胞3. 推算面心立方FCC和体心立方BCC晶胞的边长a与原子半径R之间的关系FCC： BCC： 4. 已
10、知晶胞尺寸，计算面心立方FCC和体心立方BCC结构金属的密度 5. 草绘并描述各种晶体结构的晶胞，如sodium chloride NaCl, cesium chloride CsCl, zinc blende ZnS, diamond cubic金刚石立方, fluorite CaF, and perovskite 钙钛矿CaTiO3。类似的还有C和硅酸玻璃原子结构sodium chloride NaClcesium chloride CsClblende ZnSdiamond cubic金刚石立方fluorite CaF,硅酸玻璃原子结构perovskite 钙钛矿C（graphite 石
11、墨）6.已知陶瓷复合材料的化学式，组成离子及离子半径，确定其晶体结构由阳离子和阴离子的半径比RC/RA对比上表确定其配位数CN,再确定其晶体结构7. 已知晶向指数，在晶胞中标出其晶向8. 具体说明密勒指数（晶面指数）并在晶胞中标出9.描述面心立方（FCC）密排六方（HCP）密排面的堆聚方式，类似通过阴离子的密排面描述NaCl的晶体结构面心立方（FCC）：ABCABCABC 密排六方（HCP）：ABABAB10. 区别单晶和多晶材料单晶：整体内原子排布呈在周期性和对称性，没有错排的晶体多晶：如果材料内部有许多晶粒，则为多晶，每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各
12、向异性 11. 考虑材料的特性，定义各向同性和各向异性各向同性：指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同各向异性：沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性模量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值。常用密勒指数来标志晶体的不同取向。Chapter four高分子结构（基本概念）Learning Obje
13、ctives1、根据聚合物的链的结构能够描述典型的聚合物分子，以及由重复的链节产生怎样的分子。2、画出polyethylene PE聚乙烯, polyvinyl chloride PVC聚氯乙烯, polytetrafluoroethylene PTFE聚四氟乙烯, polypropylene PP聚丙烯, and polystyrene PS聚苯乙烯和它们的链节结构。个聚合物的链节的结构如下：PE聚乙烯PVC聚氯乙烯PTFE聚四氟乙烯PP聚丙烯PS聚苯乙烯4、命名和简要说明(a) 聚合物四种通常的分子结构Linear Polymers: 线型聚合物Branched Polymers: 支链型
14、聚合物Crosslinked Polymers: 交联型聚合物Network Polymers: 网络型5、叙述热固性和热塑性聚合物的分子和表现行为上的区别。Thermoplastic Polymers热塑性聚合物：这种聚合物当加热时变软冷却时变硬。所以当这种颗粒壮的物质处于软态时能够由模具成型或挤压成型。Thermosetting Polymers热固型聚合物：这种聚合物一旦由化学作用固化或硬化，再进行加热时将不能变软或熔化。6、简要描述聚合物材料的晶体结构聚合物链呈排列有序就会结晶，但还是存在很多的非晶态，晶态中包含一定的非晶态Chapter five 固体缺陷Learning objec
15、tives 1 描述空位和自空隙原子晶体缺陷。Vacancy: 空位 一个缺失原子或离子的晶格节点位置。Self-interstitial: 自间隙原子 处于自身晶格间隙中的原子或离子。2 已知相关的常数，计算具体温度下材料中的平衡空位数。 6 对于刃型位错、螺型位错和混合位错：(a)描述并且画出每一种位错；(b)标出位错线的位置；(c)标明位错线的延伸方向。Dislocation: 位错 晶体材料中的线状缺陷，在其附近，原子发生错排。在外加切应力作用下位错的运动可以导致晶体材料的塑性变形。可能存在的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合型位错。Edge dislocation:刃型位错一种一维线
16、型晶体缺陷，形态上可是描述为晶体中存在的多余半原子面的末端附近区域所形成的原子错排组态。刃型位错的矢量垂直与其位错线。位错延伸方向与柏氏矢量平行dislocation: 螺型位错 一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为当相互平行的相邻晶面之间依次错粘合在一起形成的螺旋型斜面的中心线区域所形成的原子错排组态。螺型位错的柏氏矢量平行与其位错线。位错延伸方向与柏氏矢量垂直Mixed dislocation: 混合位错 同时含有刃型分量和螺型分量的位错。位错延伸方向与柏氏矢量既不垂直也不平行7 描述(a)晶界(b)孪晶界附近区域内的原子结构。Grain boundary: 晶界 把两个相邻具有不同晶体
17、学取向的晶粒分离开的界面。Twin Grain：孪晶 是指两个晶体或一个晶体的两部分都沿一个公共晶面构成镜面对称的微香关系的晶体Important terms and concepts Alloy（合金）：（由两种及以上元素组成的金属材料）。Stoichiometry（正常价化合物）：（在离子化合物中，正、负离子的比例严格遵守化学公式定义的化合价关系）。Imperfection（缺陷，不完整性）：（对完美性的偏离，在材料科学领域中通常指晶体材料中原子/分子在排列顺序/连续性上的偏离）。Point defect（点缺陷）：（一种仅波及一个或数个原子的晶体缺陷）。Vacancy（空位）：（一个缺失
18、原子或离子的晶格节点位置）。Vacancy diffusion（空位扩散）：（一种扩散机制，此时原子的净迁移是从晶格节点位置迁移到相近的空位中）。Self-interstitial（自间隙原子）：（处于自身晶格间隙中的原子或离子）。Schottky defect（肖脱基缺陷）：（在离子晶体中的一种缺陷结构，它是由一个阳离子空位和一个阴离子空位组成的空位对）。Substitutional solid solution（置换固溶体）：（溶质原子取代或代替溶剂原子而形成的固溶体）。Interstitial diffusion（间隙扩散）：（一种扩散机制，此时原子的运动是从晶格间隙位置迁移到另一个相近
19、的间隙位置）。Interstitial solid solution（间隙固溶体）：（相对尺寸较小的溶质原子占据溶剂或晶格原子之间间隙位置所形成的固溶体）。Solid solution（固溶体）： 包含两种或两种以上元素的均匀单相。固溶体可以以置换固溶体或间隙固溶体的形式存在。Solid-solution strengthening（固溶体强化）：由于形成固溶体的合金化过程引起的金属硬化和强化，其机制是异类原子的存在限制了位错的可动性。Solution heat treatment（固溶处理，均匀化退火）：让沉淀物融解而形成固溶体的热处理过程。通常情况下，从固溶处理温度下快速冷却，形成室温下亚
20、稳态过饱和固溶体。Burgers vector ()（柏氏矢量）：表示位错引起晶格畸变程度和方向的矢量。Defect structure（缺陷结构，缺陷组态）：（在陶瓷化合物中，与空位、间隙原子的类型和偏聚有关的缺陷组态）。Dislocation（位错）：（晶体材料中的线状缺陷，在其附近，原子发生错排）。在外加切应力作用下位错的运动可以导致晶体材料的塑性变形。可能存在的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合型位错。Screw dislocation（螺型位错）：一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为当相互平行的相邻晶面之间依次错粘合在一起形成的螺旋型斜面的中心线区域所形成的原子错排组态。 螺型位错
21、的柏氏矢量平行与其位错线。Mixed dislocation. 混合位错同时含有刃型分量和螺型分量的位错。Dislocation density（位错密度）：（在单位体积材料中包含位错的长度，或者说在材料内部任意单位截面上位错线的根数）。Dislocation line（位错线）：（刃型位错中多余半原子面边缘的连线，或者螺型位错中错排螺旋的中心轴线）。Edge dislocation（刃型位错）：一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为晶体中存在的多余半原子面的末端附近区域所形成的原子错排组态。刃型位错的柏氏矢量垂直与其位错线。Frenkel defect（弗仑克尔缺陷）在离子固体中的阳离子-空
22、位对和阳离子-间隙原子对。Grain（晶粒）：金属或陶瓷多晶体中的一个单独的小晶体。Grain boundary（晶界）：把两个相邻具有不同晶体学取向的晶粒分离开的界面。Grain growth（晶粒长大）： 在多晶体材料中晶粒平均尺寸的增加，对大多数材料来说，这需要在一定温度下进行热处理。Microstructure(显微组织)：在显微镜下观察到的某合金的结构特征（例如：晶粒和相的组织结构特征）。Photomicrograph(显微组织照片)：在显微镜下拍摄，记录显微组织结构形态的照片。Questions and Problems5.9 For both FCC and BCC crysta
23、l structures, there are two different types of interstitial sites. In each case, one site is larger than the other, which site is normally occupied by impurity atoms. For FCC, this larger one is located at the center of each edge of the unit cell; it is termed an octahedral interstitial site. On the
24、 other hand, with BCC the larger site type is found at 0, 1/2, 1/4 positionsthat is, lying on 100 faces, and situated midway between two unit cell edges on this face and one-quarter of the distance between the other two unit cell edges; it is termed a tetrahedral interstitial site. For both FCC and
25、BCC crystal structures, compute the radius r of an impurity atom that will just fit into one of these sites in terms of the atomic radius R of the host atom. FCC八面体间隙r=0.41R BCC四面体间隙r = 0.29 R解: FCC： BCC： 5.29 Cite the relative Burgers vectordislocation line orientations for edge, screw, and mixed d
26、islocations.刃型位错的矢量垂直与其位错线。螺型位错的柏氏矢量平行与其位错线。混合位错柏氏矢量既不垂直也不平行其位错线。5.D1* Aluminum-lithium alloys have been developed by the aircraft industry in order to reduce the weight and improve the performance of its aircraft. A commercial aircraft skin material having a density of 2.55 g/cm3 is desired. Comput
27、e the concentration of Li (in wt%) that is required. Al=2.702 g/cm3, Li=0.534 g/cm3Chapter six 扩散Learning objectives 1说出并描述两种原子扩散机制。Vacancy diffusion: 空位扩散 一种扩散机制，这时候原子的净迁移过程是从晶格结点位置移动到邻近的空位中。Interstitial diffusion: 间隙扩散 晶体扩散机制的一种。间隙原子由一个间隙位置迁移至邻近的间隙位置所构成的扩散。2区别恒稳态扩散和非恒稳态扩散。Steady-state diffusion: 恒
28、稳态扩散 扩散组元既没有净堆积也没有净亏空的扩散过程是稳定态扩散。也可以描述为：扩散通量与时间无关的扩散过程是稳定态扩散。Nonsteady-state diffusion: 非稳态扩散 扩散过程中，扩散组元存在净堆积或净亏空的扩散过程是非稳定态扩散。也可以描述为：扩散通量与时间有关的扩散过程是非稳定态扩散。Self-diffusion: 自扩散 纯金属中的原子迁移过程。3(a)用方程的形式写出菲克第一定律和第二定律，并解释所有的参数。(b)指出每个方程通常用在什么类型的扩散中。菲克第一定律恒稳态扩散菲克第二定律如果扩散系数不受成分影响，则非稳态扩散4向半无限长固体中扩散，并且固体表面扩散原子
29、的浓度保持不变，写出这种情况下，菲克第二定律的解法。， Constant， Constant 5已知扩散常数的近似值，计算一些材料在给定温度下的扩散系数。Important terms and conceptsDiffusion扩散Steady-state diffusion稳定态扩散Diffusion flux (J)扩散通量Nonsteady-state diffusion非稳定态扩散Diffusion coefficient (D)扩散系数Self-diffusion自扩散Ficks first law菲克第一定律Interstitial diffusion间隙扩散Ficks secon
30、d law菲克第二定律Vacancy diffusion空位扩散Activation energy (Q)激活能，QCarburizing渗碳Interdiffusion, impurity diffusion互扩散Diffusion: 扩散 固体中原子，或分子等，通过热运动而发生长程迁移，或宏观物质传输现象。这里所谈的原子迁移，在是指固体中原子脱离它原来的平衡位置跃迁到另一平衡位置的位移。从产生扩散的原因来看，原子的迁移主要分为两大类，一类称为化学扩散，它是由于扩散物质在固体中分布不均匀、在化学浓度梯度的推动下产生的扩散；另一类称为自扩散，它是在没有化学浓度梯度情况下，仅仅由于热振动而产生的
31、扩散。自扩散现象只有采用放射性同位素技术才能察觉。此外，还有应力场、热场和电场等所引起的扩散。Diffusion flux (J): 扩散通量 单位时间内通过一个垂直与扩散方向上单位横截面积内的通过物质量。Diffusion coefficient (D): 扩散系数 Fick第一定律中，扩散通量和浓度梯度之间的比例系数。其量级表示了原子扩散的速度。Ficks first law: 菲克第一定律，扩散第一定律 扩散通量与浓度梯度成正比例。这种关系被用于描述稳定态扩散。Ficks second law: 菲克第二定律，扩散第二定律 浓度对时间的变化率成正与浓度对距离的二阶导数。这种关系被用于描述非稳定态扩散。Steady-state diffusion: 稳定态扩散 扩散组元既没有净堆积也没有净亏空的扩散过程是稳定态扩散。也可以描述为：扩散通量与时间无关的扩散过程是稳定态扩散。Nonsteady-state diffusion: 非稳定态扩散 扩散过程中，扩散组元存在净堆积或净亏空的扩散过程是非稳定态扩散。也可以描述为：扩散通量与时间有关的扩散过程是非稳定态扩散。Self-d
