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1、工程材料学（原材料学）,金属材料部分主讲：崔国栋,绪论,什么是材料？材料是人类活动的物质基础。材料是科技进步与发展的核心支柱。材料是人类制作各种产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。(材料是人类一切物质活动的基础)。吃、穿、住、行都离不开材料。人类的文明进步主要体现在材料的发展上。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。,绪论,材料在国民经济中的地位与作用科学技术是第一生产力，材料的发展依赖于科技的进步，反过来，
2、科技的进步又依赖于材料的发展。工程材料是工程技术的基础，工程技术是国民经济发展的命脉，先进的工程技术可以推动国民经济的快速发展，为经济的快速发展提供可靠的物质保障，如高速公路的发展、高速铁路的发展、航空航天技术的发展、先进机械制造业的发展等均离不开先进的工程技术，而先进的工程材料又是这一切快速发展的基础。先进的工程材料是国民经济平稳快速发展的基础保障。落后的工程材料和技术会减缓甚至阻碍国民经济的稳定快速发展，如：没有先进的工程材料和技术作保障，也就无法实现先进的想法和先进的设计理念；也就无法保障各种高速交通设施和工具运行的可靠性、安全性等。,绪论,工程材料中的金属材料（metal materi
3、al）金属材料科学是各分门类材料科学中最早建立的分支。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。,绪论,工程材料中的金属材料（metal material）金属材料的分类:金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。1）广义的黑色金属还包括铁、铬、锰及其合金。2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。3）特种金属材料包括不同用途
4、的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。按使用性能分类：金属结构材料与金属功能材料 金属结构材料主要是利用它的力学性能，制作的各类构件或器件是为了承受各种形式的载荷，起支撑作用。金属功能材料主要利用它的物理或化学性能（如光、声、磁、电、热及化学反应特性）来制备一些兼有结构特性的功能器件。,本课程的主要学习内容及构成金属材料部分,基础理论部分原子结构、化学键、晶体结构、相图与相变 铁碳合金（一）铁碳合金（二）钢铁的热处理钢铁的性能、选材与应用有色
5、金属（一）有色金属（二）材料的表面防护技术与应用,主要参考资料,（美）詹姆斯谢弗（James P.Schaffer)等著，工程材料科学与设计，余永宁，强文江等译，机械工业出版社，2003.1Donald R.Askeland,Pradeep P.Phul.The Science and Engineering of Materials,Fourth Edition,第一节 原子结构,原子的组成 An atom is composed of a nucleus surrounded by electrons.The nucleus contains neutrons and positively
6、 charged protons and carries a net positive charge.The negatively charged electrons are held to the nucleus by an electrostatic attraction.The electrical charge q carried by each election and proton is 1.6010-19 coulomb(C).Because the number of elections and protons in the atom are equal,the atom as
7、 a whole is electrically neutral.1 The atomic number of an element is equal to the number of electrons or protons in each atom.Thus,an iron atom,which contains 26 electrons and 26 protons,has an atomic number of 26.1 Most of the mass of the atom is contained within the nucleus.The mass of each proto
8、n and neutron is 1.6710-24g,but the mass of each electron is only 9.1110-28g.The atomic mass M,which is equal to the average number of protons and neutrons in the atom,is also the mass in grams of the Avogadro number NA of atoms.The quantity NA=6.221023atoms/mol is or molecules in a mole.Therefore,t
9、he atomic mass has units of g/mol.An alternate unit for atomic mass is the atomic mass unit,or amu,which is 1/12 the mass of carbon 12(i.e.,carbon atom with 12 protons).As an example,one of mole of iron contains 6.221023 atoms and has a mass of 55.847g,or 55.847amu.,原子结构,核外电子排布原子的核外电子排布遵循下面3个原则：（1）P
10、auli不相容原理在同一个原子中，没有两个电子完全相同的4个量子数，即一个原子轨道最多只能排2个电子，而且这两个电子自旋方向必须相反。（2）能量最低原理在不违背Pauli原理的条件下，电子优先占据能级较低的原子轨道，使整个原子体系能量处于最低状态。（3）Hund从大量光谱实验中发现：“电子在能量相同的轨道上分布时，总是尽可能以自旋相同的方向占据不同的轨道”。,原子结构,原子结构,原子结构,原子结构,原子结构,原子结构,原子结构,原子结构,原子结构,原子结构,（a）两个负离子“适配”,(b)第三个负离子需要重叠,CN=3的最小r/R比值为0.155,考虑当小的正离子与比其大得多的负离子相结合时的
11、几何结构，总是可以放置2个负离子与这个正离子相接触，但是如上图所示，不可能放置第三个负离子再与再与这个正离子接触而又不迫使负离子相互重叠，离子间的排斥力阻止这种重叠。对于较小的离子，由于不可能有CN=3，所以，这个r/R比值导致CN正离子=2。如果正离子的半径逐渐增加，而保持负离子的半径为常数，最终可能达到CN=3的r/R值。随着r/R继续增大，配位数有可能达到4、6、8，直至12。下表给出了每种配位数的临界半径比。对于一个给定的配位数，只要r/R大于下表中的给定值，这个配位数在几何上就是有可能的。但是，这个配位数只是在下一个更高配位数的最小值到达之前能量上是最有利的。因此，CN=8的最大值就
12、是CN=12的最小值。,晶体学基础,从化学的角度，原子是物质构成的基本单位，原子之间通过原子核外电子的相互作用相互结合在一起，电子的相互作用形成化学键，原子靠化学键相互结合形成物质的基本结构。右图是化学键的类型。,晶体学基础,化学键（一次键或基本键）种类：典型的化学键有三种：离子键、共价键、金属键分子键(范氏键)、氢键：已形成一次键的分子等之间的结合。,晶体学基础,金属键（晶体）特点：原子团聚形成；电负性很小；吸引力相当弱；电子“共有化”（价电子几乎自由、被共用），如 下图，无方向性。,成键、强度及轨道（关系）：电子气和正离子实间库仑作用成键（电子气密度越大，库仑作用越强，直至与斥力平衡）,离
13、子结合（离子键）离子键（晶体）特点：负电荷原子排列，正电荷原子排列其周围允许空间；有价电子转移；金属原子最外层价电子给予非金属原子，如 下图；正负离子相间排列,成键、强度：相反电荷间 静电力，静电力满足Coulombs law，与两离子间距离的平方成反比,离子键形成的条件：两具有大电负性差的原子间形成，以离子为结合单元。,共价结合（共价键）共价键(晶体)特点：两个原子各贡献一价电子共用(自旋相反)，如下图；原子排列可有方向性,共价键形成的条件：（伴电负性升高且基本相同的对电子强烈吸引）形成的分子对称，无明显偶极矩；（有完全不同的对电子的吸引能力）形成的分子非对称，有极性且具偶极矩；,键-能、键
14、-力曲线及应用,化学键,键-能、键-力曲线及应用,键-能、键-力曲线及应用,空间点阵,组成晶体的粒子（原子、离子或分子）在三维空间中形成有规律的某种对称排列，如果我们用点来代表组成晶体的粒子，这些点的总体就称为空间点阵。点阵中的各个点，称为阵点。空间点阵是一种数学抽象。,空间点阵：晶体中原子或分子的空间规则排列如图所示，表现出长程周期性的特性点阵特点：各阵点为彼此等同的原子群或分子群的中心，周围环境都相同，在空间的位置一定点阵基本要素：阵点,空间点阵的特点,就是它的排列具有周期性。也就是说，从点阵中的任一阵点出发，无论向哪个方向延伸，如果经过一定距离后遇到另一个阵点，那么再经过相同的距离，必然
15、遇到第三个阵点，如此等等。这种距离称为平移周期。在不同方向上，有不同的平移周期。取一个阵点做顶点，以不同方向上的平移周期a、b、c为棱长，做一个平行六面体。这样的平行六面体叫做晶胞。如果只要求反映空间点阵的周期性，就可以取体积最小的晶胞，叫做原胞。原胞的重复排列，可以形成整个点阵。原胞的三个棱，可以选作描写点阵的基本矢量，用a、b、c来表示。选择任一阵点做原点，点阵中任何一个阵点的矢径都可以用方程 r=ma+nb+pc 来表示，式中的m、n、p都是整数。由a、b、c的大小和方向决定 整个点阵，所以叫做点阵常数。根据布喇菲（18111863）的研究，晶体的构造可分为七大晶系，共有14种不同的点阵
16、。应该注意的是空间点阵是一种数学上的抽象。理想的晶体，它的结构单元是单个原子。但是，大多数晶体的结构单元不是单个原子，而是由多个原子组成的原子群。我们把这种原子或原子群叫做基元。把基元置于阵点上就形成了晶体结构。可见，晶体结构和空间点阵，尽管有着密切的联系，仍然是两个不同的概念，不能混淆。二者之间的关系是：点阵+基元=晶体结构,晶胞：点阵中取出的一个反映点阵对称性的代表性基本单元(通常取最小平行六面体)。在点阵中基本单元选取如图所示。为更好表现点阵对称性，可不取简单晶胞，如取体心、面心或底心晶胞晶胞描述：1、晶轴X、Y、Z；2、点阵常数a、b、c；3、晶轴夹角a、b、g，见右图；晶胞矢量描述：
17、,式中ruvw为从原点到某一阵点的矢量，u、v、w分别表示沿三个点阵矢量的平移量，亦即该阵点的坐标,布拉菲点阵：空间点阵的排列形式。空间点阵只有14种,七个晶系及有关特征,七个晶系及有关特征,14种空间点阵形式,晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵区别：空间点阵是晶体质点排列几何学抽象，描述周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只可能有14种类型；晶体结构是指晶体中原子(包括同类的或异类的原子)或分子的具体排列情况，它们能组成各类型排列，因此可能存在的晶体结构是无限的晶体结构与空间点阵的关联：晶体结构按其原子或分子排列的周期性和对称性归属于14种空间点阵中的一种。不同结构可属同一点阵，相
18、似结构又可能属不同点阵。如 图为具有相同点阵的晶体结构示意、图则为晶体结构相似而点阵不同的情况特殊空间点阵确定：考虑周围环境相同，确定阵点（可几个原子共同组成）。如 图为密排六方晶体结构，密排六方结构由0,0,0和2/3,1/3,1/2两原于为阵点组成简六方点阵。,图1-8,第二节 晶体结构,晶体的对称性从一些生长得较完整、外表面充分发展的晶体可以看出，其外形具有一定的对称性。晶体的对称性也从其物理性质方面如热膨胀、弹性模量和光学常数等反映出来。在分析晶体的对称性时，可将其分解成一些基本的对称要素，通过它们的组合运用而构成晶体的整个对称性。,对称要素对称要素：反映晶体对称性的参数。晶体通过相应
19、对称操作后的位置与原始位置完全重合宏观对称要素：反映出晶体外形和其宏观性质的对称性微观对称要素：与宏观对称要素配合运用能反映出晶体中原子排列的对称性,对称轴：晶体绕其一轴回转而能完全复原；回转一周中，复原几次，就称几次对称轴。有1、2、3、4及6次五种，其它会有堆垛空隙，如(图、图),对称面：过晶体作一平面，晶体各对应点经此面反映后都能重合一致。犹如镜面反映一样，用符号m表示，图,对称中心（反演中心）：晶体中心O点一边的每点在其另一边有对应等同点，且每对点连线过O点并被它等分。即经反演动作而与其对应点重合，用符号z表示，,回转对称轴：1、2、3、4、6对称面：m（）对称中心：（z）回转-反演轴
20、：、滑动面：a、b、c、n、d螺旋轴：21、31、32、41、42、43、61、62、63、64、65,第二节 晶体结构,第二节 晶体结构,第二节 晶体结构,第二节 晶体结构,点群、单形及空间群点群：晶体可能存在的对称类型。通过宏观对称要素在一点上组合运用而得到。只能有32种对称类型，称32种点群,单形：由对称要素联系起来的一组同形等大晶面的组合。32种对称型总共可以导出47种单形，,聚形：属于同一晶类的两个或两个以上的单形聚合而成的几何多面体。大量的晶体形态是由属于同一晶类的单形聚合而成的封闭一定空间的几何多面体，如单形四方柱与平行双面形成了四方柱体的真实晶体形态空间群：描述晶体中原子通过宏观和微观对称要素组合的所有可能方式。属于同一点群的晶体可因其微观对称要素的不同而分属不同的空间群，空间群有230种,第二节 晶体结构,第二节 晶体结构,第二节 晶体结构,谢谢！,
