第2章材料的组成和内部结构特征

材料的结构与性能特点第一章材料的结构与性能固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。

所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。

材料的相互作用组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。

主要有共价键、离子键、金属键、分子键。

离子键形成：正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。

特性：离子键没有方向性，无饱和性。

NaCl晶体结构如图所示。

性能特点：离子晶体的硬度高、热膨胀系数小，但脆性大，具有很好的绝缘性。

典型的离子晶体是无色透明的。

共价键形成：元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。

这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。

氧化硅中硅氧原子间共价键，其结构如图所示。

性能特点：共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。

金属键形成：由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。

如图所示。

性能特点：1)良好的导电性及导热性；2)正的电阻温度系数；3)良好的强度及塑性；4)特有的金属光泽。

分子键形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华键（或分子键）。

特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。

但其绝缘性良好。

材料的结合键类型不同，则其性能不同。

常见结合键的特性见表1-1。

晶体材料的原子排列所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。

晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。

理想的晶体结构1.晶体的基本概念(1) 晶格与晶胞晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。

从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，称为晶胞。

晶胞各棱边的尺寸称为晶格常数。

(2) 晶系按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系(3) 原子半径原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。

金属材料的性能特点一般地，金属材料与非金属材料相比，金属材料具有良好的力学性能，而且工艺性能也较好。

即使都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能也会有很大的差异。

造成这些性能差异的主要原因是材料内部结构不同，因此掌握金属与合金的内部结构特点，对于合理选材具有重要意义。

金属材料是靠原子间金属键结合起来的。

金属键——金属材料内部，呈一定规律排列的正离子与公有化的自由电子靠库仑力结合起来，这种结合力即为金属键。

（正离子+公有电子云、无方向性、非饱和性）金属材料的性能特点：1、良好的导电、导热性。

2、正的电阻温度系数3、良好的塑性4、不透明、有金属光泽第一节晶体的基本知识金属材料一般都是晶体，具有晶体的特性。

一、晶体——内部原子呈规则排列的物质。

晶体材料（单晶体）的特性：①具有固定的熔点。

②具有规则的几何外形。

③具有“各向异性”。

二、晶格、晶胞和晶格常数1、晶格——描述晶体中原子排列规律的空间点阵。

将原子的振动中心抽象为一几何点，再用直线的连接表示原子之间的相互作用。

2、晶胞——由于晶格排列具有周期性，研究晶格时，取出能代表晶格特征的最小基本单元即称为晶胞。

3、晶格常数——用来描述晶胞大小与形状的几何参数。

三条棱长：a、b、c三条棱的夹角：α、β、γ对于简单立方晶胞：棱长a=b=c 夹角α= β= γ= 90°第二节纯金属的晶体结构一、典型的晶格类型各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，往往呈现出不同的物理、化学及力学性能。

除少数金属具有复杂晶格外，大多数晶体结构比较简单，典型的晶格结构主要有以下三种：1、体心立方晶格（bcc）2、面心立方晶格（fcc）3、密排六方晶格（hcp）1、体心立方晶格（bcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向（原子排列最紧密的方向）：立方体的对角线方向原子半径：属于bcc 晶格的金属主要有：α-Fe 、Cr 、W 、Mo 、V 等ar 432、面心立方晶格（fcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向：立方体表面的对角线方向原子半径：属于fcc 晶格的金属主要有：γ-Fe 、Cu 、Al 、Au 、Ag 等。

四川大学本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《材料科学与工程基础》（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：30014530课程类别：专业基础课学时/学分：48 /3先修课程：大学化学、大学物理、物理化学适用专业：高分子材料与工程等二级学科材料类专业开课时间：大学二年级下期二、课程的目的及任务材料科学与工程是二十世纪六十年代初期创立的研究材料共性规律的一门学科，其研究内容涉及金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。

材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程等二级学科材料类专业的学生必须同时具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。

本课程是材料类专业的学科基础课程，是联系基础课与专业课的桥梁。

本课程从材料科学与工程的“四要素”出发，采用“集成化”的模式，详细讲授金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各种材料的共性规律及个性特征。

使学生建立材料制备/加工——组成/结构——性能---应用关系的“大材料”整体概念，从原理上认识高分子材料等各种材料的基本属性，及其在材料领域中的地位和作用。

为以后二级学科“中材料”专业课程的学习、材料设计、以及材料的应用等奠定良好基础。

本课程采用中文教材与英文原版教材相结合，实施“双语”教学。

使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学与工程领域的主要英文专业词汇，提高对英文教材的阅读理解能力。

三、课程的教学内容、要点及学时分配（以红字方式注明重点难点）第一章绪论（1学时）本章概要：简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程的基本内容。

使学生了解本课程的学习内容和学习方法。

讲授要点：材料的定义、分类材料科学与工程的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求第二章材料结构基础（15学时）本章概要：按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子电子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构的有序性、无序性和转变规律及相互关系。

材料科学基础第零章材料概论该课程以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了材料科学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。

核心是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系。

主要内容包括：材料的原子排列、晶体结构与缺陷、相结构和相图、晶体及非晶体的凝固、扩散与固态相变、塑性变形及强韧化、材料概论、复合材料及界面，并简要介绍材料科学理论新发展及高性能材料研究新成果。

材料是指：能够满足指定工作条件下使用要求的，就有一定形态和物理化学性状的物质。

按基本组成分为：金属、陶瓷、高分子、复合材料金属材料是由金属元素或以金属元素为主，通过冶炼方法制成的一类晶体材料，如Fe、Cu、Ni等。

原子之间的键合方式是金属键。

陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、经烧结或合成而制成的一类无机非金属材料。

它可以是晶体、非晶体或混合晶体。

原子之间的键合方式是离子键，共价键。

聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以共价键连接的、由长分子链组成的髙分子材料。

它主要是非晶体或晶体与非晶体的混合物。

原子的键合方式通常是共价键。

复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。

其原子间的键合方式是混合键。

材料选择：密度弹性模量:材料抵抗变形的能力强度:是指零件承受载荷后抵抗发生破坏的能力。

韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力功能成本结构(Structure)性质(Properties)加工(Processing)使用性能(Performance)在四要素中，基本的是结构和性能的关系，而“材料科学”这门课的主要任务就是研究材料的结构、性能及二者之间的关系。

宏观结构←显微镜下的结构←晶体结构←原子、电子结构重点讨论材料中原子的排列方式（晶体结构）和显微镜下的微观结构（显微组织）的关系。

以及有哪些主要因素能够影响和改变结构，实现控制结构和性能的目的。

工程材料课后布置习题的参考解答科学出版社《工程材料》（杨瑞成等编著，2021.1）课后布置习题（参课件）的参考解答第1章机械工程对材料性能的要求1名词解释：参考书上相应部分。

3机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）在工作条件下可能受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用。

有时只受到一种负荷作用，更多时候将受到两种或三种负荷的同时作用。

在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂；在热负荷作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学、电化学腐蚀及摩擦磨损等作用。

4常用机械工程材料按化学组成分为几个大类？各自的主要特征是什么？机械工程中使用的材料常按化学组成分为四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。

材料结合键主要特征优点：良好的综合力学性能（强度和塑性等）、导电性、导金属材料金属键热性和工艺性能等，并呈特有的金属光泽。

缺点：在特别高的温度以及特殊介质环境中，由于化学稳定性问题，一般金属材料难以胜任。

优点：具有较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性及重量轻等优良性能，而且易于成形。

缺点：耐热差，尺寸稳定性低，强度硬度低，易老化。

优点：熔点高、硬度高、化学稳定性高，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘和热膨胀系数小的特点。

缺点：脆性大、不易加工成形。

优点：具有单一材料所不具备的优异性能，可按需要进行人为设计、制造。

缺点：价格昂贵提示：按强度、塑性等力学性能，化学稳定性、高温性能、电学、热学等方面特性回答。

7常用哪几种硬度试验？如何选用？硬度试验的优点何在？硬度试验布氏硬度选用常用于退火状态下的钢材、铸铁、有色金属及调质钢的硬度测试（即材料硬度相对偏中低水平的）。

不适宜于测量硬度较高的零件、成品零件及薄而小的零件。

可测量较高硬度的材料（如一般淬火处理的钢或工具钢），也可测量硬度不太高的材料（如调质钢）等，并且测量中压痕小、不易损伤零件表面。

工程材料复习思考题（全）《机械工程材料》复习思考题陈永泰第一章材料的性能1材料的力学性能主要存有哪些？强度，塑性，硬度，韧性及疲劳强度。

2详述低碳钢的形变－快速反应曲线（分成几个阶段，各特征点则表示什么含义）。

弹性变形阶段，屈服阶段，塑性变形阶段，颈变小阶段。

（画图）第二章材料的结构1体心立方晶格的墨排面和YCl方向各存有那些？面心立方晶格呢？{110}，<111>；{111}，<110>2与理想的晶体相比较，实际晶体在结构上有何特征？①多晶体结构；②具备晶体缺陷。

3为何晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好？金属的晶粒越细，晶界的总面积越大，势能制约越多，必须协同的具备相同李昭道的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高，从而引致金属强度和硬度越高。

金属晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形，在强度和硬度同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功增大，因而其韧性也较好，因此，金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越好。

4名词解释：二者固溶体金属化合物固溶加强云气加强二者：金属或合金中，凡成分相同，结构相同，并与其它成分存有界面分离的光滑组成部分。

固溶体：合金中，其晶体结构与共同组成元素之一的晶体结构相同的固相称作固溶体。

金属化合物：合金中，其晶体结构与共同组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称作金属化合物。

固溶强化：随溶质质量增加，固溶体的强度，硬度增加，塑性，韧性下降，这种现象称为固溶强化。

云气加强：即为结晶加强。

若合金中的第二相以细小云气的微粒均匀分布在基体上，则可以明显提升合金的强度，称作云气加强。

5固态合金中的相分为几类？它们是如何定义的？（提示：晶格类型）1固溶体：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体。

金属化合物：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称为金属化合物。

材料科学深入了解材料属性材料科学是一门研究材料的组成、结构、性能和制备的多学科综合性科学。

深入了解材料属性对于材料科学的研究和应用具有重要意义。

本文将从材料的组成、结构和性能三个方面，介绍材料科学中对材料属性的深入了解。

一、材料的组成材料的组成是指材料的基本成分和元素组成。

不同的材料具有不同的组成，决定了材料的基本性质。

在材料科学中，常用的材料分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等。

金属材料主要由金属元素组成，具有高强度、导电性等优良性能；无机非金属材料以氧化物为主要成分，如陶瓷材料、塑料材料等；有机高分子材料主要由碳、氢、氧等元素组成，如塑料、橡胶等。

进一步了解材料的组成，可以通过化学分析、质谱分析等手段进行。

二、材料的结构材料的结构是指材料内部的原子、分子或离子的排列顺序和空间位置关系。

材料的结构对其性能和功能起着决定性影响。

晶体结构是材料中最常见的结构之一，通过晶体学方法可以确定材料的晶体结构。

晶体结构的了解可以帮助科学家和工程师掌握材料的热稳定性、机械性能等。

此外，非晶态和纳米结构也是研究材料结构的重要方向。

通过电子显微镜等仪器和技术可以观察和研究材料的结构特征。

三、材料的性能材料的性能是指材料在特定条件下所表现出的特点和特性。

不同的材料具有不同的性能，如机械性能、热性能、电性能、光学性能等。

深入了解材料的性能可以为材料的合理选择和应用提供科学依据。

例如，了解材料的力学性能可以为工程设计中的材料选取及结构设计提供参考，了解材料的热性能可以为能源开发、储存等领域提供支持。

通过材料测试和分析技术，可以获得材料的力学性能、热性能、电性能等数据，进一步了解材料的特性。

结论材料科学的发展为深入了解材料属性提供了丰富的理论和实验基础。

只有深入了解材料的组成、结构和性能，才能对材料进行科学合理的选取、应用和改进。

通过不断深入研究材料，材料科学家和工程师能够开发出更优良的材料，推动科技进步和社会发展。

材料化学导论第2章-完美晶体的结构第２章完美晶体的结构绝⼤多数材料以固体形态使⽤。

因此研究固体的结构⼗分重要。

固体可以划分为如下种类：⽆定形体和玻璃体[固体中原⼦排列近程有序、远程⽆序](Amorphous and Glassy)固体(Solid states) 完美晶体[原⼦在三维空间排列⽆限延伸（Perfect crystals）有序，并有严格周期性]晶体（Crystals）缺陷晶体[固体中原⼦排列有易位、错（Defect crystals）位以及本体组成以外的杂质] 由于晶体结构是固体结构描述的基础，我们在本章中描述完美晶体的结构，下⼀章则讲授缺陷晶体的结构。

§2.1 晶体的宏观特征和微观结构特点§2.1.1晶体的宏观特征晶体的宏观特征主要有四点：1．规则的⼏何形状所有晶体均具有⾃发地形成封闭的⼏何多⾯体外形能⼒的性质。

规则的⼏何多⾯体外形表明晶体内部结构是规则的。

当然晶体的外形由于受外界条件的影响，往往同⼀晶体物质的各种不同样品的外形可能不完全⼀样。

因此，晶体的外形不是晶体品种的特征因素。

例如，我们⼤家熟知的⾷盐晶体在正常结晶条件下呈⽴⽅晶体外形，当在含有尿素的母液中结晶时，则呈现出削取顶⾓的⽴⽅体甚或⼋⾯体外形。

2．晶⾯⾓守恒在适当条件下晶体能⾃发地围成⼀个凸多⾯体形的单晶体。

围成这样⼀个多⾯体的⾯称作晶⾯。

实验测试表明，同⼀晶体物质的各种不同样品中，相对应的各晶⾯之间的夹⾓保持恒定，称作晶⾯⾓守恒。

例如，⽯英晶体根据结晶条件不同，可有各种⼏何外形，但对应晶⾯之间的夹⾓却是不变。

晶体的晶⾯相对⼤⼩和外形都是不重要的，重要的是晶⾯的相对⽅向。

所以，可以采⽤晶⾯法线的取向表征晶⾯的⽅位，⽽共顶点的晶⾯法线的夹⾓表⽰晶⾯之间的夹⾓。

3．有固定的熔点晶体熔化过程是晶体长程序解体的过程。

破坏长程序所需的能量就是熔化热。

所以晶体具有特定的熔点。

反之，也说明晶体内部结构的规则性是长程有序的。