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1、材料结构与性能材料结构与性能 参考教材：参考教材：材料结构与性能材料结构与性能 李宗全李宗全 陈湘明编陈湘明编 浙江大学出版社浙江大学出版社v授课教师：王耐艳v联系地址：17-243v联系电话:86843265第一章第一章 绪绪 论论课程的性质：课程的性质：材料材料结构与性能是材料类各类各专业硕士研究生必修的一门专业硕士研究生必修的一门专业专业基础课基础课。课程任务：课程任务：获得材料结构的基本理论和知识；掌获得材料结构的基本理论和知识；掌握材料握材料成分成分组织组织性能性能应用应用之间关系之间关系的一般规律。的一般规律。一、什么是材料？一、什么是材料？材料是指人类社会可接受的，能经济的制造有
2、用器件（物品）的固体物质。材料材料天然生成材料天然生成材料人工合成材料人工合成材料矿物煤炭钢铁陶瓷塑料复合材料二、材料的发展二、材料的发展 人类社会的历史是一部利用材料和制造材料的历史，材料更新推动社会进步。人类使用材料已经历了人类使用材料已经历了7个时代：个时代：石器时代石器时代石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代钢铁时代钢铁时代电子管时代电子管时代硅时代硅时代纳米材料时代纳米材料时代种类种类使用的材料使用的材料存储容量存储容量特点特点软盘氧化铁1.44 Mb容量小，文本文件存储CDRW以ZnS等为主的陶瓷材料650 MbCD光盘，价低，用量大MO(磁光盘)TbFeCo合金磁
3、光材料650 Mb，1.3Gb需专用驱动器，价格高，局限在广告图形用户DVDRWZnS等为主的陶瓷材料单面单层为4.7 GbCDRW和CD光盘，用量大材料科学材料科学工艺工艺结构结构性能性能三、材料科学材料科学：是从事材料本质的发现、分析和了解方面的研是从事材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面以及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能。的三个环节，核心是结构和性能。材料科学材料科学 材料科学是在物理化学数学工程等学科的材料科学是在物理化
4、学数学工程等学科的基础上发展起来的一个交叉学科。基础上发展起来的一个交叉学科。材料科学以材料的分子材料科学以材料的分子结构结构、分子聚、分子聚集态、构筑成材料的外形集态、构筑成材料的外形结构结构为研究内容，为研究内容，探讨材料的微观结构与宏观性能之间的内探讨材料的微观结构与宏观性能之间的内在联系的学科。在联系的学科。1.原子、分子结构：原子、分子结构：属于原始基础结构，决定材料属于原始基础结构，决定材料所具有的潜在功能。所具有的潜在功能。2.原子的排列方式即分子聚集态结构原子的排列方式即分子聚集态结构相结构：相结构：决决定材料具有某种可表现的实际功能。定材料具有某种可表现的实际功能。3.显微组
5、织显微组织各相的组合体：各相的组合体：构筑材料的外形结构：构筑材料的外形结构：决定材料具有某种特定的有效功能。决定材料具有某种特定的有效功能。四、材料与工程四、材料与工程 材料是机械、电子、化工等工程领域的物材料是机械、电子、化工等工程领域的物质基础，是工程技术的突破口。质基础，是工程技术的突破口。工程技术的高速发展为材料的改型和工程技术的高速发展为材料的改型和新材料的研制提出更高的要求。新材料的研制提出更高的要求。材料工程材料工程材料工程设备设备构件行为构件行为结构结构结构结构工艺工艺性能性能材料工程材料工程 材料工程是着重把基础知识应用于材料的研制、生产、改性、和应用的学课。材料工程是整个
6、工程学中的一个重材料工程是整个工程学中的一个重要领域。要领域。材料工程学科的目的：材料工程学科的目的：解决技术上、社会（环境）上不断出解决技术上、社会（环境）上不断出现的新问题现的新问题。能经济地、为社会所能接受的控制能经济地、为社会所能接受的控制材料的结构、性能和形状。材料的结构、性能和形状。全面考虑材料的经济性、资源性、全面考虑材料的经济性、资源性、环保性、能源性、内在和表面的质量。环保性、能源性、内在和表面的质量。材料科学与工程的关系材料科学与工程的关系 材料科学为材料工程指明方向、为更好地材料科学为材料工程指明方向、为更好地选择材料、使用材料、发挥材料的潜力提供理选择材料、使用材料、发
7、挥材料的潜力提供理论基础。论基础。材料工程为材料科学的发展提出了材料工程为材料科学的发展提出了丰富的研究课题。丰富的研究课题。材料科学和材料工程之间的区别主要在于材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说各自强调的重点不同。着眼点的不同或者说各自强调的重点不同。五、材料性能与结构的关系五、材料性能与结构的关系 材料性能：材料性能：是一种参量，用于表征材料在给定外界条件是一种参量，用于表征材料在给定外界条件（温度、载荷、电磁场、化学介质等）下的行为。（温度、载荷、电磁场、化学介质等）下的行为。材料性能材料性能 外界条件的改变涉及体系能量的改变，能量控制结构的形成和过程的进行，导致性能
8、改变。条件条件能量能量结构结构性能性能材料结构材料结构 材料的结构是表明材料的组元及其排列和材料的结构是表明材料的组元及其排列和运动的方式。运动的方式。材料组元材料组元原子原子分子分子离子离子组元的排列方式：组元的排列方式：取决于组元的结合类型取决于组元的结合类型。结合类型结合类型金属键金属键离子键离子键共价键共价键分子键分子键组元的运动方式电子自旋运动电子自旋运动原子热运动原子热运动分子伸缩、弯曲振动分子伸缩、弯曲振动空穴的扩散空穴的扩散材料结构材料结构原子结构原子结构:影响材料的电、磁、热、光影响材料的电、磁、热、光学及耐腐蚀性能。学及耐腐蚀性能。影响材料的力学性能。影响材料的力学性能。相
9、结构：相结构：显微组织：显微组织：各相含量和形貌所构成的各相含量和形貌所构成的图像。如钢和铁。图像。如钢和铁。结构缺陷：结构缺陷：影响材料性能。影响材料性能。六、材料的分类六、材料的分类1.按化学成分、生产过程、结构与性能的特点按化学成分、生产过程、结构与性能的特点分：分：材料材料金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料金属陶瓷无机有机复合材料2.按使用功能分类结构材料：着重考虑材料的力学性能。如：材料的强度、结构材料：着重考虑材料的力学性能。如：材料的强度、硬度、塑性、韧性等。硬度、塑性、韧性等。功能材料：着重考虑材料的电磁学、光学、功能材料：着重考虑材料的电
10、磁学、光学、热学等等的性能。热学等等的性能。功能材料功能材料热电材料激光材料压电材料光电材料声光材料智能材料非线性光学材料3.按用途分类电子材料电子材料电工材料电工材料研磨材料研磨材料建筑材料建筑材料光学材料光学材料感光材料感光材料耐酸材料耐酸材料包装材料包装材料4.按结构分类按结构分类A 晶态材料：晶态材料：单晶、多晶、微晶、液晶、孪晶。单晶、多晶、微晶、液晶、孪晶。B 非晶态材料非晶态材料C 准晶材料准晶材料第二章第二章 原子结构与晶体结合力原子结构与晶体结合力2-1 原子结构原子结构原子（直径原子（直径)原子核原子核(直径直径10-3)核外电子核外电子原子和核外电子的作用原子和核外电子的
11、作用作用力作用力静电引力（库仑力）静电引力（库仑力）万有引力万有引力原子之间的作用原子之间的作用 原子中的电子受到原子中的电子受到自身原子核的作用自身原子核的作用原子中的电子受到其原子中的电子受到其他原子的电子、原子他原子的电子、原子核的作用。核的作用。电子态发电子态发生改变生改变 粒子的总能量 可以经典地表达为动能动能 T 与势能 V 的和：E=T+V=P2/2m+V ；其中，P 是动量，m 是质量。自由电子模型自由电子模型的Schrdinger方程:稳态原子量子数1.主量子数主量子数 n:与特定态的电子能量有关。与特定态的电子能量有关。2.角量子数角量子数L:量子角动量的量度。量子角动量的
12、量度。3.磁量子数磁量子数m:角动量在磁场方向的分量。角动量在磁场方向的分量。4.自旋量子数自旋量子数ms、主量子数、主量子数n 常用符号：常用符号：K,L,M,N,O,P,Q n：1,2,3,4,5,6,71）主量子数确定电子运动的能量。n值越大 电子所具有的能量 越大。2）电子出现概率最大的离核的平均距离。3）代表电子层或能层。在一个原子内，具有相同 主量子数的电子，几乎在同样的空间范围运动，故称为主量子数。n相同的电子为一个电子层。2、角量子数、角量子数l 1)l 对应的能级表示亚层，决定原子轨 道形状 2)在多电子原子中l和主量子数一起决定 电子的能级。spdfg 如：当 n=2,l=
13、0 的状态就为2s电子；处在 n=2,l=1 的状态为2p电子。常用符号：常用符号：s，p，d,f l:0,1,2,3(n-1)3、磁量子数、磁量子数m磁量子数m 取值受角量子数的限制。m=（2l+1）或者或者0,1,2,3,l。1）m 决定原子轨道在空间的取向。某种形状 原1)子轨道，可以在空间取不同的伸展方向，这2)是由线状光谱在磁场中还能发生分裂，显示出3)微小差别的现象得出的结果。4)Example:p orbit have 3 different orientation p x.p y p z2）磁量子数与电子能量无关。ms 自旋量子数:表示电子的自旋方向。ms 取值：取值：+1/2、-1/2。自旋磁量子数自旋磁量子数ms综上所述，四个量子数可以确定原子核外电子的运动状态，一个电子的一种运动状态需要用四个量子数来确定。我们把具有一定“轨道”的电子称为具有一定空间运动空间运动状态状态的电子；把既具有一定空间运动状态又具有一定自旋状态的电子称为具有一定运动状态运动状态的电子。多电子原子按能量，电子充填填充轨道的顺序：1s;2s,2p;3s,3p;4s,3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p;7s,5f,6d