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1、材料科学基础,Foundations of Materials Science,材料科学的发展概况,按照物理化学属性,金属材料,按用途,电子材料，航空航天材料，核材料建筑材料，能源，生物材料等等,其它分类,结构材料和功能材料,无机非金属材料,高分子材料,复合材料,传统材料和新型材料,材料的重要性,原始社会,奴隶社会,封建社会,资本主义社会,石器时代,(陶器时代),青铜器时代,铁器时代,新材料时代,中华民族处于世界领先地位,材料能源信息,材料的发展史,新材料，信息技术和生物技术,三大支柱与重要标志,分析方法与手段,光学显微镜（1863），2000倍，金相学,观察，移动和重新排列原子,费曼语录：如
2、何将信息储存到一个微小的尺度？另人惊讶的是自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅30个原子就隐藏了不可思议的遗传信息。如果有一天人们能够按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。,电子显微镜（1932），几十万倍,扫描隧道显微镜（1981）,材料工作者面临的任务,开发新材料,挖掘现有材料的潜力,第一章 材料的晶体结构,(Chapter 1 The structure of crystalline solids),1.1 材料结构的基本知识(Fundamental concepts)1 原子结合键(atomic bonding)1.1 结合键和能量(Bonding forces
3、 and energies),位能(potential energy):,吸引力(attractive force,Fa),排斥力(repulsive force,Fr),合力(net force,Fn):Fn=Fa+Fr,结合能(Bonding energy):Eo,平衡距离下的作用能,作用力为零的平衡距离下位能达到最低值，系统最稳定,Chapter 1 The structure of crystalline solids,1.2一次键(primary bonding)1）离子键(ionic bonding)：NaCl 金属和非金属原子分别形成正负离子，结合力强 熔点高、强度高、塑性低,2
4、）共价键(covalent bonding)：相邻原子共享电子对 来达到稳定结构-SiO2 熔点高、强度高、塑性低,3）金属键(metallic bonding)：金属原子容易失去外层价电子形成 阳离子在空间整齐排列，远离核的 电子在正离子之间形成“电子气”导电、导热、塑性好、固溶能力强,1.3二次键(secondary bonding)范德瓦耳斯键（van der Waals bonding）如果原子的正电荷中心和负电荷中心不重叠，则产生一个偶极矩。这种偶极矩所产生的原子间结合力-范德瓦耳斯键结合力较弱，塑料、石蜡等,氢键（hydrogen bonding）类似于范德瓦耳斯键，结合力较范德瓦
5、耳斯键强。氢原子起关键作用,Chapter 1 The structure of crystalline solids,Chapter 1 The structure of crystalline solids,Bonding energies and melting temperatures,PROPERTIES FROM BONDING:TM,Melting Temperature,Tm,Tm is larger if Eo is larger.,16,Elastic modulus,E,E curvature at ro,E is larger if Eo is larger.,17,C
6、oefficient of thermal expansion,a,a asymmetry at ro,a is larger if Eo is smaller.,Ceramics,(Ionic&covalent bonding):,Metals,(Metallic bonding):,Polymers,(Covalent&Secondary):,Large bond energylarge Tmlarge Esmall a,Variable bond energymoderate Tmmoderate Emoderate a,Directional PropertiesSecondary b
7、onding dominatessmall Tmsmall Elarge a,2原子的排列(arrangement of atoms)2.1 晶体和非晶体（crystalline and noncrystalline materials）晶体（crystalline solids）原子按一定方式在三维空间内 周期性地规则重复排列固定的熔点，各向异性等,Chapter 1 The structure of crystalline solids,非晶体（noncrystalline solids,amorphous materials）原子没有长程的周期排列 无固定的熔点，各向同性等,2.2 单晶
8、体（single crystal）如果晶体周期性的规则排列贯穿整个试样而没有中断，则形成单晶,Chapter 1 The structure of crystalline solids,2.3 多晶体材料（polycrystalline materials）如果材料是由小晶体或晶粒组成，则称其为多晶体材料。,Turbine blade,单相(single phase)：所有晶粒的化学成分相同，晶体结构相同,多相材料(polyphase materials,heterogeneous)：材料由多相组成，各相的化学成分和晶体结构不同,Chapter 1 The structure of cryst
9、alline solids,1.2晶体结构（crystal structures）1 晶体学基础(Fundamental concepts)空间点阵（space lattice）：指几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列，是人为的对晶体结构的抽象。,Chapter 1 The structure of crystalline solids,晶胞（unit cells）：构成晶格的最基本单元,阵点或结点(lattice points)：构成空间点阵的每一个点,晶格（crystal lattice）：人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来所形成的空间格架，常用于表示空间点阵的几何规
10、律。,晶胞的描述,Chapter 1 The structure of crystalline solids,Lattice parameters,晶轴(cystal axes)：晶胞上过原点的三个棱边 x，y，z,点阵常数(lattice constant,axial lengths)：三个棱边的长度 a，b，c,夹角(interaxial angles)：，,原点(origin)：晶胞角上的某一阵点,Demo of unit cell,Chapter 1 The structure of crystalline solids,选取晶胞条件：1 能充分反映整个空间点阵的对称性；2 尽可能多的
11、直角；3 所选取的晶胞体积最小,简单晶胞（初级晶胞,simple unit cell）：只在平行六面体的八个角顶上有阵点，每个角顶上的阵点分属于8个简单晶胞，所以每个晶胞中只有一个阵点,复合晶胞(composite unit cell)：除了在平行六面体的八个角顶上有阵点外，在其体心、面心或底心也有阵点，每个复合晶胞中有一个以上的阵点,Chapter 1 The structure of crystalline solids,晶系（crystal system）和布拉菲点阵（Bravais Lattice）,考虑每个阵点的周围环境，晶体的空间点阵共有14种,根据晶胞棱边长度之间的关系和晶轴之间
12、夹角对晶体的分类,所有晶体可归为7个晶系,晶向指数和晶面指数(Miller indices):是用于表示不同晶面和晶向的一种符号 1)晶向(Crystal directions):空间点阵中的某些代表晶体中原子列的方向,确定晶向指数(Miller indices for the direction)：,Chapter 1 The structure of crystalline solids,o,A,P,C,B,建立坐标系；确定坐标值；化整并加方括号 uvw,OA,1,1,1,111,OB=PA=110,OA=111,晶向指数和晶面指数(Miller indices):,一个晶向指数代表相互平
13、行、方向 一致的所有晶向；,Chapter 1 The structure of crystalline solids,如立方晶系中：,若晶体中两晶向相互平行但方向相反，则晶向指数中的数字相同，方向相反；,晶体中原子排列情况相同但空间位向 不同的一组晶向称为晶向族（a family of directions）,Example problem 1-1,Draw a direction within a cubic unit cell,2.Determine the projections of along x,y,z axes,Solution:,1.Construct a cubic uni
14、t cell and coordinate axes system,(a,-a,0a),point P,3.Draw a vector passing from the origin to point P,P,o,z,x,y,a,a,a,OP=,-a,2)晶面(Crystal planes):通过空间点阵中的任意一组阵点的原子平面,确定晶面指数(Miller indices for the plane)：,Chapter 1 The structure of crystalline solids,-1,1/2,0,-1,2,建立坐标系；求截距；取三个截距值的倒数；化整并加园括号（hkl）,2)
15、晶面(Crystal planes):通过空间点阵中的任意一组阵点的原子平面,一个晶面指数代表一组相互平行的晶面；,Chapter 1 The structure of crystalline solids,在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。,如立方晶系中：,平行晶面的晶面指数相同，或数字相同，正负号相反；,晶体中具有等同条件而只是空间位向不 同的各组晶面称为晶面族（a family of planes）hkl,Example problem 1-2,Determine the Miller index for the plane shown in the accompany
16、 figure,Solution:,1.The intercepts are:x-axia=4 y-axia=3 z-axia=2,2.The reciprocals are:x-axia=1/4 y-axia=1/3 z-axia=1/2,3.Reduction:change the numbers to a set of smallest integers,x-axia=12/4=3y-axia=12/3=4z-axia=12/2=6,4.The Miller index is(346),3）六方晶系的晶向指数和晶面指数(Miller-Bravais indices),六方晶系坐标轴：用4
17、个轴a1、a2、a3、c 表示,Chapter 1 The structure of crystalline solids,确定六方晶系晶面指数步骤：晶面指数与三轴坐标系相同，取晶面在四个坐标轴上的截距即可（hkil）,六方晶系晶面指数(hkil)特点：同一平面上的h、k、i三个坐标数中有一个是不独立的i=(h+k),六方晶系晶向指数特点：用 uvtw 表示晶向，t=(u+v),Chapter 1 The structure of crystalline solids,确定六方晶系晶向指数步骤：先确定三轴坐标系的晶向指数 UVW，然后换算成四轴坐标系的晶向指数 uvtw u=（2U V）/3，
18、v=（2V U）/3，t=(u+v)=(U+V)/3，w=W,4）晶面间距（inter-planer spacing）：相邻两个平行晶面之间的距离,Chapter 1 The structure of crystalline solids,在立方晶系中,在正交晶系中,晶面间距越大，晶面上原子排列越密集,5）晶带（crystal zone）：相交和平行于某一晶向直线的所有晶面 的组合称为晶带（crystal zone）,该直线称为晶带轴（zone axis）,晶带用晶带轴的晶向指数表示 uvw,晶带轴uvw与该晶带中任一晶面（hkl）之间有：hu+kv+lw=0,晶带定律：凡满足上式的晶面都属于
19、以 uvw 为晶带轴的晶带,1.3纯金属的晶体结构（metallic crystal structures）1、典型的晶体结构(typical crystal structures)面心立方结构（the face-centered cubic crystal structure，FCC，A1）,Chapter 1 The structure of crystalline solids,点阵常数（lattice constant）,晶胞中的原子数：（the number of atoms in one unit cell）,配位数(CN,coordination number)：12 晶体结构中
20、任一原子周围 最近邻且等距离的原子数,致密度（K，APF，atomic packing factor）,面心立方结构（FCC）,Chapter 1 The structure of crystalline solids,顶角原子（corner atoms）1/8 x 8=1,面心位置原子（face-centered atom）1/2 x 6=3,4,体心立方结构（the body-centered cubic crystal structure，BCC，A2）,Chapter 1 The structure of crystalline solids,点阵常数（lattice constant
21、）,晶胞中的原子数：2（the number of atoms in one unit cell）顶角原子（corner atoms）1/8 x 8=1体心位置原子（body-centered atom）1,配位数(CN,coordination number)：8,致密度（K，APF，atomic packing factor）,体心立方结构（BCC）,Chapter 1 The structure of crystalline solids,密排六方结构（the hexagonal close-packed crystal structure，HCP，A3）,Chapter 1 The s
22、tructure of crystalline solids,点阵常数（lattice constant）：a=bc a=2r,c=1.633a（理想状况）,晶胞中的原子数：6（the number of atoms in one unit cell）顶角原子（corner atoms）1/6 x 12=2 底心位置原子（center face atom）1/2 x 2=1 中间层原子(midplane interior atom)3,配位数(CN,coordination number)：12,致密度（K，APF，atomic packing factor）K=74%,密排六方结构（HCP）
23、,Chapter 1 The structure of crystalline solids,原子堆垛方式(atom packed structure)：三组晶体结构中各有一组原子密排面和原子密排方向，晶体结构可以视为原子密排面在空间一层层平行堆垛的结果,Chapter 1 The structure of crystalline solids,FCC：APF 74%111,BCC：APF 68%110,HCP：APF 74%0001,面心立方和密排六方结构具有最致密的晶体结构-密排堆垛结构（close packed crystal structures）,Demo of crystal st
24、ructures,密排堆垛结构（close packed crystal structures）,Chapter 1 The structure of crystalline solids,八面体间隙(octahedral interstices)：位于六个原子组成的八面体中间的间隙四面体间隙(tetrahedral interstices)：位于四个原子组成的四面体中间的间隙,面心立方结构（FCC）的间隙,晶体结构中的间隙(interstices in crystal structure),Chapter 1 The structure of crystalline solids,1+12
25、x 1/4=4个,8 x 1=8个,(间隙大小：rB/rA）,体心立方结构（BCC）的间隙,密排六方结构（HCP）的间隙,Chapter 1 The structure of crystalline solids,6 x 1/2+12 x 1/4=6个,24 x 1/2=12个,Chapter 1 The structure of crystalline solids,多晶型性和同素异构（polymorphism and allotropy）多晶型性：同种金属在不同温度和压力下具有不同的晶体结构；这种转变称为同素异构转变，转变的产物为同素异构体。Example：Fe，Mn，Ti，Sn,Chap
26、ter 1 The structure of crystalline solids,Fe,1.4合金相结构（microstructures of alloys）,Chapter 1 The structure of crystalline solids,合金（alloy）：两种或两种以上的金属或金属与非金属 经熔炼或其它方法制成的具有金属特性的物质。,组元（component）：组成合金的基本的独立的物质，组元可以是纯金属、非金属元素、或化合物,相（phase）：合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构 和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。,（A phase may be defined as
27、a homogenous portion of a system that has uniform physical and chemical characteristics）,单相合金（homogeneous alloy）：由一种相组成的合金,多相合金（heterogeneous alloy）：由几种不同的相组成的合金,1.4.1 固溶体（solid solution）：以某一组元为溶剂(solvent,host material)，在其晶体点阵中溶入其它组元原子(溶质原子，solute atom)所形成的与溶剂有相同的晶体结构的均匀混合的固相,Chapter 1 The structure
28、 of crystalline solids,置换固溶体（substitutional solid solution）在固溶体中，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，所形成的固溶体就称为置换固溶体,间隙固溶体（interstitial solid solution）溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体,影响置换固溶体溶解度的因素：晶体结构(crystal structure)：相同可形成无限固溶体，不同则只能形成有限固溶体,Chapter 1 The structure of crystalline solids,原子尺寸因素(atomic size factor)：原子半径差小于15%，可形成溶
29、解度较大的固溶体；原子半径差大于15%时，半径差越大，溶解度越低；原因：点阵畸变随原子半径差增大而增加,化学亲和力（chemical affinity,电负性因素,electronegativity）：溶剂和溶质之间的化学亲和力越大，越容易形成化合物；电负性相近的元素间可能有较大的固溶度,原子价因素（valences,电子浓度因素）：电子浓度(electron concentration)合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数的比值 e/a=VA（1 x）+VB x；x为溶质B的原子数分数（at%）试验规律表明，超过一定的极限电子浓度（约1.4），固溶体不稳定，可能形成新相,影响置换固溶体溶
30、解度的因素：,Chapter 1 The structure of crystalline solids,间隙固溶体（interstitial solid solution）溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体；原子半径小，且与溶剂原子半径差大于41%；一般为原子半径小于0.1nm的一些非金属元素，H、B、C、N、O（0.046、0.097、0.077、0.071、0.061nm）,Chapter 1 The structure of crystalline solids,间隙固溶体为有限固溶体，产生较大的晶格畸变，有较大的强化效果,间隙固溶体的溶解度不仅与溶质大小有关，也与溶剂晶体结构中
31、间隙的形状和大小有关,固溶体的微观不均匀性(micro-heterogeneity),Chapter 1 The structure of crystalline solids,完全无序(random,disorder)EAA EBB EAB,偏聚(solute cluster)(EAA+EBB)EAB,部分有序(partial order)(EAA+EBB)EAB,固溶体的性质 点阵畸变 固溶强化 物理,化学性能的变化 电阻率 磁导率等,1.4.2 中间相（intermediate phase）：两种组元组成合金时，形成的晶体结构与两组元均不相同的新相。以某种化合物为基的固溶体（interm
32、ediate solid solution）化合物（intermediate compound）金属间化合物（intermetallic compound）,Chapter 1 The structure of crystalline solids,中间相大都具有有金属的性质，不一定符合化学价规律：CuZn、Fe3C等,1正常价化合物(normal-valency compounds)：金属与电负性较强的A、A、A族的一些元素按原子价规律所形成的化合物。如：Mg2Pb、AlN、Mg2Si,正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子化合物，如NaCl型、ZnS型、CaF2型等 组元间电负性
33、大，趋于离子键或共价键结合，如Mg2Si，熔点高、稳定；组元间电负性小，趋于金属键结合，如Mg2Pb，熔点低、有金属特性,2电子化合物（electron compound,Hume-Rothery phase）：是第族或过渡族金属元素与第至第族金属元素形成的中间相，典型的是B族（Au、Ag、Cu）与B、A、A族元素形成的中间相。特征：形成的化合物不符合正常化学价规律，电子浓度是决定晶体结构的主要因素。,Chapter 1 The structure of crystalline solids,一定的电子浓度对应于一定的晶体结构 对电子浓度为21/14的化合物，晶体结构还与尺寸因素和电负性有关：
34、,电子化合物主要以金属键结合，具有明显的金属特性,电子化合物的成分可在一定范围内变化，可视为以化合物为基的固溶体,电子浓度化合物中每个原子平均占有的价电子数,3尺寸因素化合物(size factor compound)：这类化合物的形成受组元的相对尺寸控制 间隙相与间隙化合物：原子半径较小的非金属元素C、H、N、B 与金属元素（以过渡族金属为主）形成的化合物,Chapter 1 The structure of crystalline solids,间隙相(interstitial phase)：当非金属（X）和金属（M）原子半径的比值 rX/rM小于0.59时形成的具有简单晶体结构的相。间隙
35、原子占据金属晶体结构的四面体间隙（rX/rM小于0.414）或八面体间隙（rX/rM大于0.414）形成新的晶体结构。一般具有高熔点、高硬度。,间隙化合物(interstitial compound)：当非金属（X）和金属（M）原子半径 的比值rX/rM大于0.59时形成的具有复杂晶体结构的相。有M3C型（如Fe3C）、M7C3型（如Cr7C3）、M23C6型（如Cr23C6）等,Chapter 1 The structure of crystalline solids,间隙化合物一般具有高熔点、高硬度，但间隙相具有更高的熔点及硬度,拓扑密堆相(TCP,topological close-pa
36、cked phase)：两种大小不同的金属原子通过适当配对所构成的空间利用率（APF74%）和配位数（大于12，如12、14、15、16）都很高的复杂结构典型结构：拉弗斯相（Laves phase，如MgCu2、MgZn2）、相（如FeCr、FeMo）,Chapter 1 The structure of crystalline solids,MgCu2,准晶（quasicrystal）晶体原子只能有1、2、3、4、6次旋转对称轴，不可能出现5次或高于6次的对称轴近年发现不符合晶体的对称条件，但呈一定的周期性排列的类似于晶态的物质准晶态（quasicrystalline state）,准晶没有
37、平移对称性，不能用晶胞的方法来描述，但呈旋转对称性,Cu,拼砌花砖模型,准晶材料：Al86Mn14（1984）、Al65Cu20Fe10Mn5,准晶材料组织不稳定；一般较脆，性能的知识不多,1 If the atomic radius of copper is 0.128nm,calculate the volume of its unit cell in cubic meters,2 解释名词：配位数、晶胞、致密度、间隙固溶体,questions and problems,3 Draw a lattice structure of(a)FCC,(b)BCC,(c)HCP.Calculate the whole number of atoms contributed to a single lattice structure for them.,
