材料科学基础 主讲: 胡晓君 Fundamentals of materials science 主讲: 胡晓君 E-mail:huxj@zjut.edu.cn Tel: 13958169012 存中楼205室 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

1.绪论 材料决定未来！ 材料专业是个好专业！ 为什么这么说呢? 从两个方面来说明: 1)材料的发展简史 2)材料的发展前景 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

标志社会生产力的发展，人类开始逐渐进入文明社会 引起世界范围的工业革命，产生了若干经济强国 1.绪论 1)材料的发展简史 人类使用材料的历史，从过去到现在共经历了7个时代 公元前10万年 石器时代 公元前3000年 青铜器时代 公元前1000年 铁器时代 公元0 水泥时代 1800年 钢时代 1950年 硅时代 1990年 新材料时代 标志社会生产力的发展，人类开始逐渐进入文明社会 引起世界范围的工业革命，产生了若干经济强国 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

上图：吴王夫差矛和越王勾践剑 右上：商周时期的青铜敦和尊 盘- 国家一级文物 右下：商代青铜纵目人面像

日本的国际贸易和工业部选择了优先发展的三个领域： 1.绪论 2)材料科学的发展前景 多数国家都认识到了材料的研究是至观重要的。 材料科学在美国是最重要的学科。 日本的国际贸易和工业部选择了优先发展的三个领域： 新材料，新装置和生物技术。 我国也很重视材料科学的发展。 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

绪论 实例:高比强Al合金给20世纪的“新材料”带来第一个突破 与我们的生活密切相关的铝合金

1. Al在自然界中以Al2O3、氢氧化物或含氧的铝硅酸盐存在。 Fundamentals of materials science-Introduction

(2)纯Al的提取 绪论 实例:高比强Al合金给20世纪的“新材料”带来第一个突破 Fundamentals of materials science-Introduction

(2)纯Al的提取 绪论 实例:高比强Al合金给20世纪的“新材料”带来第一个突破 Fundamentals of materials science-Introduction

1.2 纯铝的基本特性 比强度=强度/密度 表1 纯铝与纯铁的基本特性对比 材料 铝 铁 密度(kg/cm3) 2.7 7.8 绪论 实例:高比强Al合金给20世纪的“新材料”带来第一个突破 1.2 纯铝的基本特性 表1 纯铝与纯铁的基本特性对比 材料 铝 铁 密度(kg/cm3) 2.7 7.8 强度(Mpa) 48 500 比强度=强度/密度 Fundamentals of materials science-Introduction

? 铝飞机 铝大厦 铝易拉罐 铝活动建筑 …….. 白天鹅 丑小鸭 绪论 实例:高比强Al合金给20世纪的“新材料”带来第一个突破 铝茶壶 Fundamentals of materials science-Introduction

关键: 1.材料科学家使铝的强度最高可达700MPa。 2.铝合金的比强度达2.64×106cm，是钢的比强度0.64 ×106cm的4倍。 绪论 实例:高比强Al合金给20世纪的“新材料”带来第一个突破 关键: 1.材料科学家使铝的强度最高可达700MPa。 2.铝合金的比强度达2.64×106cm，是钢的比强度0.64 ×106cm的4倍。 Fundamentals of materials science-Introduction

1.绪论 《材料科学基础》是一门什么样的课程？ 基础：阐述材料学中的基本概念、基本原理，阐述材料的结构与性能的关系，是后续专业课程的重要基础。 核心：后续专业课程中的许多内容是围绕材料科学基础的内容来展开的。 在各高等院校的材料专业中都很受重视 材料类专业的考研课程 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

1.抓学习重点:基本概念，基本原理，基本现象 1.绪论 如何学习这门课程？ 1.抓学习重点:基本概念，基本原理，基本现象 (三基本) 如何抓重点？ 2.向金庸的武林高手学习 勤查资料、主动学习 培养独立思考的习惯和能力 在实践中学习 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

学期授课计划： 第1章 胡晓君 第2-4章 侯广亚 第5-9章 黄辉 总复习 胡晓君

常用参考书目： 1. 材料科学基础(石德珂，机械工业出版社） 2. 材料科学基础(胡赓祥，上海交通大学出版社） 3. 材料科学导论（冯端，科学出版社） ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

第一章 工程材料中的原子排列 本章主要内容： 决定材料性能的两个根本性问题： (1)原子间的结合键 完整晶体结构 (2)晶体结构 晶体缺陷

第一章 工程材料中的原子排列 第一节 原子键合 1.结合键 1.1 金属键 1.2 共价键 1.3 离子键 1.4 分子键 1.5 氢 键

第一章 工程材料中的原子排列 第一节 原子键合 化学键 结合键 物理键 金属键 共价键 离子键 分子键 氢键 注意：每种键的 基本特点 第一章 工程材料中的原子排列 第一节 原子键合 金属键 注意：每种键的 基本特点 性能特点 化学键 共价键 离子键 结合键 分子键 物理键 氢键

第一章 工程材料中的原子排列 工程材料的分类 金属材料 陶瓷材料 工程材料 复合材料 高分子材料

第一章 工程材料中的原子排列 1.2 原子的规则排列 几个基本概念 1.晶体：原子（分子）在三维空间按一定规律作周期性排列的固体。 第一章 工程材料中的原子排列 1.2 原子的规则排列 几个基本概念 1.晶体：原子（分子）在三维空间按一定规律作周期性排列的固体。 2.晶体结构：由实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定几何规律的具体排列方式。 3.空间点阵:由周围环境相同的阵点在空间排列的三维阵列。

第一章 工程材料中的原子排列 1.2 原子的规则排列 原子在三维空间作周期性的规则排列

第一章 工程材料中的原子排列 1.2 原子的规则排列 几个基本概念 4.晶格：用平行线将空间点阵中的各阵点连接起来，构成的三维空间格架。 第一章 工程材料中的原子排列 1.2 原子的规则排列 几个基本概念 4.晶格：用平行线将空间点阵中的各阵点连接起来，构成的三维空间格架。 5.晶胞：从晶格中选取的一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元。

第一章 工程材料中的原子排列 晶胞的形状和大小： 选取晶胞角上的某一阵点，沿其三个棱边作坐标轴，x，y，z——晶轴。 第一章 工程材料中的原子排列 晶胞的形状和大小： 选取晶胞角上的某一阵点，沿其三个棱边作坐标轴，x，y，z——晶轴。 棱边长度a，b，c和晶轴之间的夹角α、β、γ可以表示晶胞的形状和大小。 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

第一章 工程材料中的原子排列 晶胞选择原则： 1. 晶胞应能充分反映点阵的对称性， 2. 基本矢量常数a，b，c相等的数目最多， 第一章 工程材料中的原子排列 晶胞选择原则： 1. 晶胞应能充分反映点阵的对称性， 2. 基本矢量常数a，b，c相等的数目最多， 3. 晶胞要具有尽可能多的直角， 4. 晶胞的体积应尽可能小。 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

第一章 工程材料中的原子排列 1.2 原子的规则排列 几个基本概念 第一章 工程材料中的原子排列 1.2 原子的规则排列 几个基本概念 6.布拉菲点阵：满足晶体结构的周期性、对称性及各阵点的周围环境相同等条件的空间点阵。 只有14种类型。

十四种布拉菲点阵 简单三斜 简单单斜 底心单斜

简单正交 体心正交 面心正交 底心正交

简单菱方 简单六方 简单正方 体心正方

简单立方 体心立方 面心立方

体心立方 简单立方

晶向和晶面 1。晶向的概念 在晶格中，穿过两个以上结点的任一直线，都代表晶体中一个原子列在空间的位向。 2。晶向指数 求坐标，化整

晶向和晶面 已知晶向指数，在晶格中画晶向。 口诀：除大数，找点。 例题：在立方晶格中画出[120]和[233]晶向。

晶向和晶面 3。晶面的概念: 由结点组成的任一平面都代表晶体的原子平面，称为晶面。 4。晶面指数 取截距，求倒数，化整

第一章 工程材料中的原子排列 确定晶面指数应注意的问题 坐标系可以任意平移，但不可以旋转. 第一章 工程材料中的原子排列 确定晶面指数应注意的问题 坐标系可以任意平移，但不可以旋转. 2.坐标系原点可选在任何结点上（晶体的顶点，体心或面心），但一定不能选在待标定的晶面上。否则，晶面在该坐标系上的截距就是0，0，0。 3.三个指数同乘以－1，则晶面不变。 4. 如果晶面平行于哪个轴，则相应的那个指数为0。 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

第一章 工程材料中的原子排列 已知晶面指数在立方晶体中画晶面 取倒数，找截距 练习：在立方晶体中画出 和（123）面

六方晶系中的晶面指数和晶向指数的确定 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

根据几何学可知，三维空间独立的坐标轴最多不超过三个。前三个指数中只有两个是独立的，它们之间存在以下关系：i ＝－ ( h + k ) 。 六方晶系晶面指数标定 根据六方晶系的对称特点，对六方晶系采用a1，a2，a3及c四个晶轴，a1，a2，a3之间的夹角均为120度，这样，其晶面指数就以(h k i l）四个指数来表示。  根据几何学可知，三维空间独立的坐标轴最多不超过三个。前三个指数中只有两个是独立的，它们之间存在以下关系：i ＝－ ( h + k ) 。

（Indices of hexagonal crystal system orhexagonal indices） 4.六方晶系指数 （Indices of hexagonal crystal system orhexagonal indices） 三坐标系 四轴坐标系 a1，a2，c a1，a2，a3，c 120° 120° 120° （h k i l ) i= -( h+k ) [u v t w] t= -( u+v )

晶面： 晶向：

第一章 工程材料中的原子排列 求六方晶体中的晶面指数 c a3 a2 a1

求六方晶体中OA的晶向指数 A

晶带定理及其推论 共带面 [uvw]为晶带轴 相交于同一晶向的两个或多个晶面就构成一个晶带。 [uvw]为晶带轴 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

第一章 工程材料中的原子排列 5.晶带（Crystal zone） 第一章 工程材料中的原子排列 5.晶带（Crystal zone） 所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个 “晶带”（crystal zone），此直线称为晶带轴（crystal zone axis），所有的这些晶面都称为共带面。 晶带轴[u v w]与该晶带的晶面（h k l）之间存在以下关系 hu ＋ kv ＋ lw＝0 ————晶带定律 凡满足此关系的晶面都属于以[u v w]为晶带轴的晶带

晶带定律的推论 （1）已知两不平行的晶面，可以确定他们的晶带轴。 （2）已知两不平行的晶向，可以求出由他们决定的晶面指数。

晶带定律的推论（1） 晶面1 (h1 k1 l1) 晶带轴 (u v w) 晶面2 (h2 k2 l2)

晶带定律的推论（2） 晶向1 (u1 v1 w1) 晶面 (h k l) 晶向2 (u2 v2 w2)

晶面间距公式推导 晶面间距：相邻两个平行晶面之间的垂直距离。 c/l D b/k a/h 晶面ABC的晶面指数为(hkl). ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

几种晶系的晶面间距的公式 正交晶系: 立方晶系: 六方晶系: ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

（2）面心立方：当h,k,l不全为奇数或不全为偶数时； 晶面间距相关问题 （1）体心立方：当h+k+l=奇数时 （2）面心立方：当h,k,l不全为奇数或不全为偶数时； （3）密排六方：h＋2k＝3n（n＝1,2,3…..），l为奇数时， 均有附加面，故实际的晶面间距为dhkl/2。 ZJUT Fundamentals of materials science ® X. J. Hu

金属晶体的结构 最常见的有三种类型： 1.面心立方(A1或fcc: face-centered cubic) 2.体心立方(A2或bcc: body-centered cubic) 3.密排六方(A3或hcp: hexagonal close-packed)

面心立方 面心立方金属有： γ-Fe，Mn，Al，Co，Ni，Cu，Ag，Pt，Au，Pb等

体心立方 体心立方金属有： α-Fe，Mo，Cr，Nb，V等

问题：密排六方晶体结构是否是一种空间点阵？ （0001） c 密排六方金属有： Zn，Mg，Be，Cd等 问题：密排六方晶体结构是否是一种空间点阵？ a3 a2 a1 密排六方

金属晶体的结构 晶胞中原子数 晶胞点阵常数 常见晶体结构 晶体中原子排列紧密程度 晶体结构中的间隙 晶体中原子的堆垛方式

晶胞中原子数 面心立方

晶胞中原子数 体心立方

晶胞中原子数 密排六方

晶体原子排列的紧密程度 （1）配位数CN 每个原子周围最近邻且等距离的原子数目。 (2) 致密度k 单位晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。

晶体结构中的间隙

晶体结构中的间隙

晶体结构中的间隙

RB RA 四面体间隙： 4个原子组成的四面体中间的间隙 八面体间隙： 6个原子组成的八面体中间的间隙

间隙半径：rB 金属原子半径：rA 采用rB /rA表征间隙的大小， rB /rA值越大，间隙越大。

三种典型晶体结构中的间隙 晶体结构 间隙类型 rB/rA 体心立方结构 四面体间隙 0.29 八面体间隙 0.15 面心立方结构 0.225 0.414 密排六方结构

原子的堆垛方式 问题： 面心立方和密排六方结构具有相同的配位数及致密度，说明它们的晶体中原子排列的紧密程度相同，然而晶体结构却不同，为什么？

原子的堆垛方式

(a)密排六方 (b)面心立方

C B

陶瓷的晶体结构 按离子键结合的陶瓷 四面体间隙 八面体间隙

共价晶体的典型结构——金刚石结构

第一章经典例题 例1.1 纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质量为26.97，原子半径r=0.143nm,求铝晶体的密度.

例1. 2 氧化镁(MgO)与氯化钠(NaCl)具有相同的结构. 已知Mg的离子半径r Mg 2+=0 例1.2 氧化镁(MgO)与氯化钠(NaCl)具有相同的结构.已知Mg的离子半径r Mg 2+=0.066 nm,氧的离子半径r O- 2=0.066 nm. (1)试求氧化镁的晶格常数; (2)试求氧化镁的密度.

例1.3 对于金属钽(Ta): (1)试问1mm3中有多少原子? (2)试求其原子的堆积密度为多少. (3)它是立方晶系的,试确定其具有什么样的晶体结构(相对原子质量为180.95，原子半径为0.1429nm,密度为16.6Mg/m3)?

例1. 4 具有bcc结构的Fe单位晶胞体积,在912oC时是0. 02464 nm3, fcc铁在相同温度时其单位晶胞的体积是0 例1.4 具有bcc结构的Fe单位晶胞体积,在912oC时是0.02464 nm3, fcc铁在相同温度时其单位晶胞的体积是0.0486nm3,求当铁由bcc转变为fcc时,其密度改变的百分比为多少?

例1.5 画出立方晶系中下列晶面和晶向: (010),(011),(111),(231),(3-21); [010],[011],[111],[231],[3-21].

例1.6 在六方晶体中, (1)绘出以下常见晶面:(11-20),(01-10),(10-12),(1-100),(-1012). (2)求出图示的晶向指数.

例1.7 在fcc中,<110>晶向中位于(111)平面上的有哪些?

例1.8 求[11-1]和[20-1]两晶向所决定的晶面.

作业1 例1.8 试分别计算面心立方晶格和体心立方晶格中{100},{110}和{111}晶面上原子的面密度及<100>, <110>, <111> 晶向上原子的线密度,并指出其中最密排面和最密排方向(设两种晶格的点阵常数均为a，原子半径为r). 原子面密度：单位面积中的原子数 原子线密度：单位长度上的原子数

作业2 例1.9分别计算面心立方晶格和体心立方晶格中{100},{110}和{111}晶面族的面间距,并指出面间距最大的晶面(设两种晶格的点阵常数均为a)，分析原子面密度与晶面间距的关系。

作业3： 用解析法证明p12（1-1）式中三轴与四轴坐标系晶向指数的关系。