使用性能 加工工艺 固有性能 什么是材料? 材料科学：研究材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之 间关系的科学。 材料的四大家族 金属材料：

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1 使用性能 加工工艺 固有性能 什么是材料? 材料科学：研究材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之 间关系的科学。 材料的四大家族 金属材料：
成分/组织结构 材料的四大家族 金属材料： 陶瓷材料： 高分子材料： 复合材料： 决定材料性能的最根本的因素是什么? 它们是：组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。 材料科学：研究材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之 间关系的科学。

2 都是由碳原子组成，但前者是自然界 中最坚硬的固体，而后者却很软
绪 论 材料的成分―组织、结构－性能之间的关系 例1：金刚石（钻石）和石墨， 都是由碳原子组成，但前者是自然界 中最坚硬的固体，而后者却很软 两者结构不同：

3 例2 同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同。
绪 论 材料的成分―组织、结构－性能之间的关系 例2　同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同。 因两者成分不同

4 例3 两根锯条，同时加热（800℃），然后一根水冷，一根慢冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧
绪 论 材料的成分―组织、结构－性能之间的关系 例3　两根锯条，同时加热（800℃），然后一根水冷，一根慢冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧 加工工艺不同，导致组织不同

5 例4 若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热→变硬（脆）→折断
绪 论 例4　若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热→变硬（脆）→折断 　 因塑性变形-加工硬化-脆性加大。

6 材料在现代科技中占有重要地位 材料、信息和能源是现代科技的三大支柱 材料的发展与人类社会的发展紧密联系
新材料：结构与功能陶瓷、金属基复合材料、金属间的化合物与轻金属、纳米材料、薄膜及生物材料、信息材料 材料在现代科技中占有重要地位 材料、信息和能源是现代科技的三大支柱 能源与材料：贮氢材料（钛锰及稀土类合金）、太阳能电池材料（硅、合金、化合物）、核能用材料（锆合金等）。 信息与材料： 信息获取（传感器：化合物） 信息传递（光纤：无机、有机材料） 信息贮存（金属与合金） 信息显示（用于液晶显示的非晶硅、有机液晶材料） 信息处理（处理器芯片硅－锗）

7 绪 论 课程性质：专业基础课 材料类研究生考试科目 课程任务： 研究材料的成份、组织结构、性能及三者间的关系。
掌握有关工程材料的基本理论和知识，训练用所学理论分析实际问题的方法和思路。 初步掌握材料的科学实验方法和有关的实验技术;

8 绪 论 主要内容 1. 工程材料中的原子排列 2. 固体中的相结构 3. 凝固 4. 相图 5. 材料中的扩散 6. 塑性变形
7. 回复与再结晶 8. 固态相变 9. 复合效应与界面 实验： 试样制备及金相显微镜的校验、使用（4学时） 铁碳合金平衡组织观察（2学时） 金属的塑性变形与再结晶 （2学时）

9 工程材料中的原子排列 材料的性能 内部结构 取决于 原子结构 原子键合 原子排列 显微组织 晶 体 非晶体 包括 规则排列 不规则排列 包括

10 材料的原子结构 原子：原子核、电子 原子的电子排列 原子核外电子分布服从基本原理： (1)泡利不相容原理 (2)最低能量原理 主量子数
壳层序号 次量子数 亚壳层状态 磁量子数规定的状态数目 考虑自旋量子数后的状态数目 壳层总电子数2n2 1 1s 2 2s 2p 3 6 8 3s 3p 3d 5 10 18 4 4s 4p 4d 4f 7 14 32

11 材料的原子结构 元素周期表及性能的周期性变化

12 通过价电子的转移或共用两原子的电子云达到稳定结构 不依靠电子的转移或共享，靠原子间的偶极吸引力结合
§ 固体中原子的结合键 结合键：是指原子结合形成分子或固体时，原子间产生的相互作用力，称为结合力，也叫结合键 第一节 原子键合 二次键 原子键合 一次键 分为 通过价电子的转移或共用两原子的电子云达到稳定结构 即 不依靠电子的转移或共享，靠原子间的偶极吸引力结合 （化学键） （物理键）

13 通过价电子的转移或共用两原子的电子云达到稳定结构
§ 固体中原子的结合键 一次键 通过价电子的转移或共用两原子的电子云达到稳定结构 金属键 共价键 离子键 包括 1. 电子转移，正负离子相互吸引。 2. 键合很强，无方向性。 3. 熔点、硬度高，固态不导电，导热性差，热膨胀系数小。 例： NaCl、CrO2、Al2O3

14 通过价电子的转移或共用两原子的电子云达到稳定结构
§ 固体中原子的结合键 一次键 通过价电子的转移或共用两原子的电子云达到稳定结构 包括 离子键 共价键 金属键 1. 相邻原子通过共用电子对结合。 2. 键合强，有方向性、饱和性。 3. 熔点、硬度高，不导电，导热性有好有差。 例：金刚石、SiO2 1. 正负离子相互吸引。 2. 键合很强，无方向性。 3. 熔点、硬度高，固态不导电，导热性差。 例： NaCl、CrO2、Al2O3

15 通过价电子的转移或共用两原子的电子云达到稳定结构
§ 固体中原子的结合键 一次键 通过价电子的转移或共用两原子的电子云达到稳定结构 包括 离子键 共价键 金属键 1. 金属正离子与自由电子云相互吸引。 2. 键合较强，无方向性。 3. 熔点、硬度有高有低，导热、导电性好。 例： Fe、Al、W、Hg 1. 正负离子相互吸引。 2. 键合很强，无方向性。 3. 熔点、硬度高，固态不导电，导热性差。 例： NaCl、CrO2、Al2O3 1. 相邻原子通过共用电子对结合。 2. 键合强，有方向性。 3. 熔点、硬度高，不导电，导热性有好有差。 例：金刚石、SiO2

16 不依靠电子的转移或共享，靠原子间的偶极吸引力（范德华力）结合
§ 固体中原子的结合键 二次键 不依靠电子的转移或共享，靠原子间的偶极吸引力（范德华力）结合 分子键 氢键 包括 1. 分子或分子团显弱电性，相互吸引。 2. 键合很弱，无方向性。 3. 熔点、硬度低，不导电，导热性差。 例： 塑料、石蜡

17 不依靠电子的转移或共享，靠原子间的偶极吸引力结合
§ 固体中原子的结合键 二次键 不依靠电子的转移或共享，靠原子间的偶极吸引力结合 包括 分子键 氢键 1. 类似分子键，但氢原子起关键作用。XH-Y 2. 键合弱，有方向性。 3. 熔点、硬度低，不导电，导热性好。 例：水、冰、DNA 1. 分子或分子团显弱电性，相互吸引。 2. 键合很弱，无方向性。 3. 熔点、硬度低，不导电，导热性差。 例： 塑料、石蜡

18 各种结合键主要特点的比较 类 型 作用力来源 键强 形成晶体的特点 离子键 原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力 最强
无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电 共价键 相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力 强 有方向性、饱和性键，低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电----（良绝缘体） 金属键 自由电子气与正离子实之间的库仑引力 较强 无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性 分子键 原子间瞬时电偶极矩的感应作用 最弱 无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘 氢键 氢原子核与极性分子间的库仑引力 弱 有方向性

19 键合多重性 §1.1.1 固体中原子的结合键 ——有主有次、多种共存 A 实际材料以一种键合为主，辅以其它键合 IVA族的Si、Ge、Sn
§ 固体中原子的结合键 键合多重性 ——有主有次、多种共存 A 实际材料以一种键合为主，辅以其它键合 IVA族的Si、Ge、Sn 共价键＋金属键 共价键为主，金属键为辅 ——显部分金属性 过渡族的W、Mo 金属键为主，共价键为辅 ——显部分非金属性 陶瓷材料 —————————— 共价键＋离子键

20 §1.1.1 固体中原子的结合键 B 两种或多种键合独立存在 C. 复合材料 气体 ——分子内为共价键，分子间为分子键 高分子材料
§ 固体中原子的结合键 B 两种或多种键合独立存在 气体 ——分子内为共价键，分子间为分子键 高分子材料 ——分子内为共价键，分子间为分子键或氢键 石墨 ——层片内为共价键，层片间为分子键 C. 复合材料 ——兼有上述两种情况

21 §1.1.2 工程材料的分类 工程材料：主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料。 金属材料：以金属键或以金属键为主的材料。
§ 工程材料的分类 工程材料：主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料。 第一节 原子键合 金属材料：以金属键或以金属键为主的材料。

22 §1.1.2 工程材料的分类 工程材料：主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料。 第一节 原子键合
§ 工程材料的分类 工程材料：主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料。 第一节 原子键合 陶瓷材料： 以离子键为主，还有共价键。耐高温、稳定性能。

23 §1.1.2 工程材料的分类 工程材料:主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料。 第一节 原子键合
§ 工程材料的分类 工程材料:主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料。 第一节 原子键合 复合材料: 由两种或两种以上固体物质组成的材料，有多种键合机制。 1＋1大于2。

24 §1.1.2 工程材料的分类 工程材料：主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料。 第一节 原子键合
§ 工程材料的分类 工程材料：主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料。 第一节 原子键合 热塑性工程塑料——聚酰胺（即尼龙）、ABS树脂等 热固性工程塑料——酚醛塑料、环氧树脂等 高分子材料；耐腐蚀等特殊性能。 又称聚合物，是由许多分子量特别大的分子组成，以共价键、分子键为主。

25 § 工程材料的分类 第一节 原子键合