四川大学材料科学与工程基础期中总结

期中总结《材料科学与工程基础》期中总结1/73材料科学与工程基础FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering主讲教师：冉起超四川大学高分子科学与工程学院期中总结2016.5.6期中总结《材料科学与工程基础》期中总结2/73第一、二章总结（共五讲，15学时）材料？用来制造各种产品的物质具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。材料分类？---组成金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料材料科学与工程？1960关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学期中总结《材料科学与工程基础》期中总结3/73PerformancePropertiesSynthesisandProcessingCompositionsandStructures四要素第二章共性第三章个性第四章第五章各章材料科学与工程学科？1960期中总结《材料科学与工程基础》期中总结4/73材料结构？：是影响材料性能的基本因素，随化学组成及外界条件改变第二章材料结构基础第三章组成与结构四个层次：宏观组织结构：＞10-4m肉眼可见复合材料显微组织结构：10-4~10-8m显微镜观察相、形态原子或分子排列结构：10-10m排列方式原子中的电子结构：10-13m状态、相互作用期中总结《材料科学与工程基础》期中总结5/73材料----原子---原子核+电子原子的性质--电子----数量+状态量子化、几率分布(电子云)、四个量子数、能级、价电子原子间相互作用------电子交换的方式和程度（键合方式）距离、结合强度、空间排布方式，配位数（一）原子中的电子结构多原子体系中电子的相互作用-----有机分子、金属、固体原子杂化轨道，分子轨道费米能级，能带期中总结《材料科学与工程基础》期中总结6/73probabilitydistributionorelectroncloud.Figure2.3bothwavelikeandparticle-likecharacteristics.波-粒轨道非固定，几率最大的分布构成电子云层。Wave-mechanicalmodel期中总结《材料科学与工程基础》期中总结7/73电子的填充及能级泡利不相容原理能量最低原则洪特规则四个量子数，电子云，价电子，稳定性期中总结《材料科学与工程基础》期中总结8/73结合方式：基本结合：离子键、金属键、共价键派生结合：分子间作用力、氢键原子之间的相互作用和结合要点电子交换的方式和程度相互作用的饱和性和方向性期中总结《材料科学与工程基础》期中总结9/73孤立原子（非键合）的半径——范氏半径结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，a，不同，半径不同(a)金属半径：金属键结合的原子距离的一半：a，/2(b)离子半径：a，=r++R-原子半径和离子半径期中总结《材料科学与工程基础》期中总结10/73元素金属原子离子共价键CN半径(nm)价CN半径(nm）)键长/2（nm）碳单键双键三键0．0770．0650．06硅4+64+40．0420．038单键0．117氧2-82-62-40.0420.0380.444单键双键0.0750.065氯2-21-81-60.1400.1270.181单键0．099钠80.018751+60.097镁120.1612+60.066铝120.14313+63+40.0540.046铁8120.12410.1272+63+60.0740.064铜120.12781+60.096期中总结《材料科学与工程基础》期中总结11/73配位数：①共价，一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目②原子的有效堆积，体积大小，离子电荷量键长：①金属键和离子键：无方向性，无键长，三维空间（集体效应），体积和电荷②共价键：有方向性(和饱和性)，键长为相连原子间的距离，共价半径之和。键能：化学键物理键（分子键）化学键中:共价键≈离子键金属键期中总结《材料科学与工程基础》期中总结12/73有序结构晶体：原子(团)沿三维空间呈周期性长程有序(longrangeorder)排列的固体物质（金属，大多陶瓷及一些聚合物）。（二）原子或分子排列结构无序结构晶体：缺陷（点、线、面、体）和固溶体（合金）非晶体：原子(团)无周期性长程有序排列的物质（多数聚合物、玻璃等）。期中总结《材料科学与工程基础》期中总结13/73晶体结构特征：有序性和对称性对称元素：a．对称中心（点）——反演（倒反）操作b．旋转轴——旋转操作、可旋360°/n，n（轴次）:仅1，2，3，4，6c．镜面——反映操作d．反轴——旋转反演操作（旋转与反演的复合）轴次同旋转轴e．平移对称——点阵(Lattice）——平移操作（平移轴）f.螺旋轴——旋转平移操作（旋转与平移的复合）g．滑移面——平（滑）移反映操作（反映与平移的复合）期中总结《材料科学与工程基础》期中总结14/73晶胞、晶系和空间点阵型式晶胞(UnitCell)：代表晶体内部结构的基本重复单位（平行六面体）晶胞的基本要素：A．大小和形状；B．各原子坐标位置晶格常数(Latticeparameters):晶轴上晶胞三个边的长度a,b,c和其夹角α,β,γ期中总结《材料科学与工程基础》期中总结15/737个晶系(点阵常数+对称性），14种空间点阵型式（晶系+点阵）期中总结《材料科学与工程基础》期中总结16/73晶胞定位：原点（0,0,0），点的位置（x,y,z）分数坐标:x，y，z≤1点在晶胞内,无符号晶向：是原点出发通过某点的射线（或过若干结点的直线方向）晶向指数：用晶胞各轴上投影的最低整数标明，[uvw]、〈uvw〉族晶面：晶体内的阵点（组成的）平面晶面组：晶体所有阵点被划成平行等距的一组晶面晶面指数：晶面在三个晶轴上的截距倒数，最小整数。（hkl）、{hkl}族晶面间距(dhkl)：晶面组中最近两晶面间的距离期中总结《材料科学与工程基础》期中总结17/73金属晶体金属键；无方向性；原子呈圆球状密堆积最紧密堆积体心立方面心立方密排六方期中总结《材料科学与工程基础》期中总结18/73ad42ad23acad4322028811462188168.0)43)(34(233aa74.0)42)(34(433aa结构特征结构类型体心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）点阵类型体心立方面心立方简单六方点阵常数a（4R/√3）a（4R/√2）a，c，c/a=1．633(2R)最近的原子间距（原子直径）晶胞中原子数6配位数81212致密度0.74典型金属结构晶体学特点2期中总结《材料科学与工程基础》期中总结19/73间隙四面体间隙(Tetrahedralposition)八面体间隙（Octahedralposition）期中总结《材料科学与工程基础》期中总结20/73晶胞类型四面体间隙八面体间隙配位数数量间隙大小配位数数量大小面心立方(密排六方)48(12)0.225R64(6)0.414R体心立方4120.291R66〈001〉方向0.154R〈110〉方向0.633R表2-13面心立方、密排六方与体心立方晶胞中的间隙期中总结《材料科学与工程基础》期中总结21/73离子晶体：离子键，无方向性。正离子周围配位多个负离子，离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制，堆积形式决定于正负离子的电荷数和相对大小。Section3.6期中总结《材料科学与工程基础》期中总结22/73（等电荷时，负离子密堆）正、负离子半径比越大，配位（负离子）数越高期中总结《材料科学与工程基础》期中总结23/73多由非金属元素组成(Ⅳ—ⅥA族)共价晶体的配位数为（8－N）共价晶体期中总结《材料科学与工程基础》期中总结24/73分子晶体:组元为分子；范氏力和氢键.若仅有范氏力：无方向性、饱和性、趋于密堆，常还受分子非球性及永久偶极相互作用影响，有氢键时：有方向性、饱和性，堆积密度低。期中总结《材料科学与工程基础》期中总结25/73从分子排列的有序性分：A.丝状相（向列相nematic）分子具长程取向有序，质心无长程有序B.螺旋状相（胆甾相cholesteric）螺旋式改变取向方向的丝状相液晶C.层状相（近晶相smectic）二维有序更接近晶体（质心仍无远程有序），排列呈层状结构。期中总结《材料科学与工程基础》期中总结26/73晶体中的无序缺陷：点：金属---空位、间隙原子离子---肖基特、弗兰克尔线：棱位错压力螺旋位错剪切力面：体；固溶体：合金---两种组份及以上置换型间隙型非化学计量化合物（离子）EF⊥BB’AD∥B’B期中总结《材料科学与工程基础》期中总结27/73非晶体：结构在体积范围内缺乏重复性的材料（非晶型、无定形amorphous）无平移对称，无长程有序（短程有序），原子位置排布完全无周期性，具有统计规律。硬球密乱堆垛，共价无规网络期中总结《材料科学与工程基础》期中总结28/73分布函数：径向分布函数：J(r)=4πr2ρ(r)可求两个参数：配位数：第一峰面积原子间距：峰位置统计学，描述非晶体和晶体双体分布函数：以某原子为原点，距离r处找到另一原子的几率g(r)=ρ(r)/ρ0ρ(r)为r处原子的数目密度；ρ0为整个样品的平均原子数密度期中总结《材料科学与工程基础》期中总结29/73Nv=Nexp(-)QvkT空位数Nv与温度和空位形成能有关。扩散系数与温度和扩散激活能相关：D=Doe–Q/RTFick第一定律（稳态扩散）：Jx=-DΔc/ΔxJx：扩散通量金属晶体体积扩散与t无关期中总结《材料科学与工程基础》期中总结30/731.同素异构转变晶体结构变化所有晶体材料外界条件变化固体中的结构转变热力学和动力学因素2.非晶态的晶化有序程度变化所有结晶性的材料3.结构弛豫有序程度变化弛豫：偏离了原平衡态或亚稳态的体系回复到原状态的过程。高分子与时间相关4.相分离多组元体系分离成不同组份和结构的几相化学成分变化所有多组分材料晶体、非晶体期中总结《材料科学与工程基础》期中总结31/73拐点分解Spinodal△GN－△Gn＜0△GM－△Gm＞0机制：自发形核和生长期中总结《材料科学与工程基础》期中总结32/73（三）显微组织结构（相形态结构）晶体结构类型有序与无序程度化学组成差异相：物理化学性质相同、完全均匀、可含多种物质相图：多相系统平衡状态与其影响变数的关系图。二元相图：匀晶共晶共析包晶期中总结《材料科学与工程基础》期中总结33/73杠杆法则（LeverRule）：QL/QS=l(cb)/l(ac)SFigure10.2QL=l(cb)/l(ab)Qs=l(ac)/l(ab)期中总结《材料科学与工程基础》期中总结34/73表面力和表面力场固体内部：质点受到周围质点的控制，静力平衡，存在力场，力场对称。固体表面：周期性重复中断，力场对称性破坏，产生指向空间的剩余力场。表面张力：扩张表面时单位长度上所需要的力；单位N/m表面能：增加单位面积的表面所需要做的功；单位J/m2大小与物质原有的键合方式相关固体表面结构：微观质点排列状态——原子、分子表面几何形态——显微结构排列状态：原子密堆，离子极化和位移，杂质迁移降低表面能期中总结《材料科学与工程基础》期中总结35/73吸附——气体-润湿——液体-固体固体表面特性接触角：三相交界处，自固液界面经液体内部至液气界面的夹角润湿方程：SG-SL=LGcos粘附——固体-固体粘附功：分开单位面积粘附表面所需要的功或能WAB=A+B-AB期中总结《材料科学与工程基础》期中总结36/733-1金属材料•金属原子的电子结构与其晶体结构特点的关系(应用2-5-1中的公式计算不同金属晶体的有关参量)•金属合金的三种结构类型的特点•铁碳合金相图中点、线、区域的物理意义、微相结构特点及随温度和C含量的变化规律•铜的组成和结构特点•非晶态合金的三T图•金属再结晶的物理意义及T、t、l的影响期中总结《材料科学与工程基础》期中总结37/73金属原子的电子结构与