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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，科技的进步
2、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（工程材料中的金属材料（metal ma
3、terial metal material）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（工程材料中的金属材料（metal material metal material）金属材料的分类金属材料的分类:金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。属材料。1）广义的黑色金属还包括铁、铬、锰及
4、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
5、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原子的组成 Anatom
6、iscomposedofanucleussurroundedbyelectrons.Thenucleuscontainsneutronsandpositivelychargedprotonsandcarriesanetpositivecharge.Thenegativelychargedelectronsareheldtothenucleusbyanelectrostaticattraction.Theelectricalchargeqcarriedbyeachelectionandprotonis1.6010-19coulomb(C).Becausethenumberofelectionsa
7、ndprotonsintheatomareequal,theatomasawholeiselectricallyneutral.1Theatomicnumberofanelementisequaltothenumberofelectronsorprotonsineachatom.Thus,anironatom,whichcontains26electronsand26protons,hasanatomicnumberof26.1Mostofthemassoftheatomiscontainedwithinthenucleus.Themassofeachprotonandneutronis1.6
8、710-24g,butthemassofeachelectronisonly9.1110-28g.TheatomicmassM,whichisequaltotheaveragenumberofprotonsandneutronsintheatom,isalsothemassingramsoftheAvogadronumberNAofatoms.ThequantityNA=6.221023atoms/molisormoleculesinamole.Therefore,theatomicmasshasunitsofg/mol.Analternateunitforatomicmassistheato
9、micmassunit,oramu,whichis1/12themassofcarbon12(i.e.,carbonatomwith12protons).Asanexample,oneofmoleofironcontains6.221023atomsandhasamassof55.847g,or55.847amu.原子结构核外电子排布核外电子排布原子的核外电子排布遵循下面3个原则：（1）Pauli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
10、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
11、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
12、基本键）种类：典型的化学键有三种：离子键、共价键、金属键离子键、共价键、金属键分子键(范氏键)、氢键：已形成一次键的分子等已形成一次键的分子等之间的结合。之间的结合。晶体学基础金属键（晶体）特点：原子原子团团聚形成；聚形成；电负电负性很小；吸引力相当性很小；吸引力相当弱；弱；电电子子“共有化共有化”（价电子几乎自由、被共用），如 下图下图，无方向性。成键、强度及轨道（关系）：电电子气和正离子子气和正离子实间库仑实间库仑作用成作用成键键（电电子子气密度越大，气密度越大，库仑库仑作用越作用越强强，直至与斥力平衡），直至与斥力平衡）离子结合（离子键）离子结合（离子键）离子键（晶体）特点：负电荷原子排
13、列，正电荷负电荷原子排列，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，原子最外层价电子给予非金属原子，如 下图下图；正负离子相间排列正负离子相间排列成键、强度：相反相反电电荷荷间间 静静电电力，静力，静电电力力满满足足Coulombs law，与两离子间距离的平方成反比离子键形成的条件：两具有大两具有大电负电负性差的原子性差的原子间间形成，以离子形成，以离子为结为结合合单单元。元。共价共价结结合（共价合（共价键键）共价键(晶体)特点：两个原子各两个原子各贡贡献一价献一价电电子共用子共用(自旋相反)，如下图下图；原子排
14、列可有方向性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）形成的分子形成的分子对对称，无明称，无明显显偶极矩；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，有形成的分子非对称，有极性且具偶极矩；极性且具偶极矩；键-能、键-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：晶体中原子或分晶体中原子或分子的空子的空间规则间规则排列如
15、排列如图图所示，所示，表表现现出出长长程周期性程周期性的特性的特性点阵特点：各各阵阵点点为为彼此等彼此等同的原子群或分子群的中心，同的原子群或分子群的中心，周周围环围环境都相同，在空境都相同，在空间间的的位置一定位置一定点阵基本要素：阵阵点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晶胞。如果只要求反映空间点
16、阵的周期性，就可以取体积最小的晶胞，叫做原胞原胞。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。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
17、点上就形成了晶体结构晶体结构。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：点点阵阵中取出的一个反映点中取出的一个反映点阵对阵对称性的代表性基本称性的代表性基本单单元元(通常取最小平通常取最小平行六面体行六面体)。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、晶轴轴X、Y、Z；2、点、点阵阵常数常数a、b、c；3、晶、晶轴夹轴夹角角a a、b b、g g，见见右右图图；晶胞矢量描述：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
18、移量，亦即该阵点的坐标布拉菲点阵：空间点阵的排列形式。空间点阵的排列形式。空间点阵只有14种 晶系晶系边长边长夹角夹角晶体实例晶体实例立方立方a=b=c=90Cu,NaCl四方四方a=bc=90Sn,SnO2正交正交abc=90I2,HgCl2三方三方a=b=c=90Bi,Al2O3a=bc=90=120六方六方a=bc=90=120Mg,AgI单斜单斜abc=90=120S,KClO3三斜三斜abc90CuSO45H2O七个晶系及有关特征七个晶系及有关特征晶系晶系特征对称元素特征对称元素晶胞特点晶胞特点空间点阵型式空间点阵型式立方晶系4个按立方体对角线取向的3重旋转轴a=b=ca=b=c=9
19、0=90简单立方 立方体心 立方面心 六方晶系6重对称轴a=bca=bc=90,=1=90,=12020简单六方 四方晶系4重对称轴a=bca=bc=90=90简单四方 体心四方 三方晶系3重对称轴a=b=ca=b=c=90=90简单六方 R心六方 正交晶系2个互相垂直的对称面或3个互相垂直的2重对称轴abcabc=90=90简单正交 C心正交 体心正交 面心正交 单斜晶系2重对称轴或对称面abcabc=90=90 简单单斜 C心单斜 三斜晶系无abcabcabc90abc90 简单单斜 七个晶系及有关特征七个晶系及有关特征14种种空空间间点点阵阵形形式式晶体晶体结结构与空构与空间间点点阵阵晶
20、体结构与空间点阵区别：空空间间点点阵阵是晶体是晶体质质点排列几何学点排列几何学抽象，描述周期性和抽象，描述周期性和对对称性，由于各称性，由于各阵阵点的周点的周围环围环境相同，境相同，它只可能有它只可能有1414种种类类型；晶体型；晶体结结构是指晶体中原子构是指晶体中原子(包括同包括同类类的的或异或异类类的原子的原子)或分子的具体排列情况，它或分子的具体排列情况，它们们能能组组成各成各类类型排型排列，因此可能存在的晶体列，因此可能存在的晶体结结构是无限的构是无限的晶体结构与空间点阵的关联：晶体晶体结结构构按其原子或分子排列按其原子或分子排列的周期性和的周期性和对对称性称性归归属于属于1414种空
21、种空间间点点阵阵中的一种。不同中的一种。不同结结构构可属同一点可属同一点阵阵，相似，相似结结构又可能属不同点构又可能属不同点阵阵。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：考考虑虑周周围环围环境相同，确定境相同，确定阵阵点（可几个点（可几个原子共同原子共同组组成）。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
22、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。对称要素对称要素对称要素：反映晶体对称性的参数反映晶体对称性的参数。晶体通过相应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反映出晶体中原子排列的对称性子排列的对称性对称轴：晶体晶体绕绕其一其一轴轴回回转转而能完全复原；回而能完全复原；回转转一周中，复原几次，就称一周中，复原几次，就称几次几次对对称称轴轴。有1、2、3、4及6次五种，其它会有堆垛空隙，如(图图、图图)对
23、称面：过过晶体作一平面，晶体各晶体作一平面，晶体各对应对应点点经经此面反映后都能重合一致。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，图图对称中心（反演中心）：晶体中心晶体中心O点一点一边边的每点在其另一的每点在其另一边边有有对应对应等同点，等同点，且每且每对对点点连线过连线过O点并被它等分。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：回转对称轴：1、2、3、4、6对称面：对称面：m（）（）对称中心：（对称中心：（z）回转回转-反演轴：、反演轴：、滑动面：滑动面：a、b、c、n、d螺旋轴：螺旋轴：21、31、32、41、42、43、61、62、63、64、
24、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、单形及空间群点群：晶体可能存在的对称类型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。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。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。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！