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绪论
1. 材料和材料科学的定义：
材料：具有在特定条件下使用要求的形态和物理状态的物质（不包含燃料、化工原料或产品、食品和药品）。
材料科学：研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系及变化规律的一门学科。
材料科学的内涵：核心问题是材料的组织结构与性能以及两者之间的关系。2. 材料科学与工程的四要素模型及四要素之间的关系：
材料的成分与结构是影响其各种性质的直接因素，加工过程通过改变材料的成分与结构从而影响其性质。例如铁碳合金，不含碳时，即纯铁，延展性好但强度低；含碳量较低时，称之为钢，钢中含碳量增加，强度硬度上升，但塑性韧性下降。由同一元素碳构成的不同材料如石墨和金刚石,也有着不同的性能。
结构与成分是材料研究的核心，性质是落脚点，根据材料的性质可以确定其使用效能，例如金属具有刚性和硬度，可做结构材料。
材料的制备/合成和加工不仅赋予材料一定的尺寸和形状,而且是控制材料成分和结构的必要手段。如钢材可以通过退火、淬火、回火等热处理来改变它们内部的结构而达到预期的性能,冷轧硅钢片经过复杂的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大大减少铁损。
3. 材料结构层次与材料结构和性能的关系：
①原子结构
②结合键
内部结构
③原子排列方式（晶体、非晶体）
④显微组织
⑤宏观组织（肉眼可见）
讨论结构对性能的影响关系：①原子结构②结合键③原子排列方式④显微组织和缺陷 Eg.1 结合键受到原子结构影响，易失去电子的元素形成金属键，结合键为金属键，导致原子趋于紧密堆积，电子共有化使得受力形变时金属键不至于破坏，故而有很好的延展性。
Eg.2 组织是指金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶粒大小、方向、形状、排列方式等组成关系的组成物。如铁素体和珠光体。材料热处理加工导致组织结构变化，其力学性能也有所差异。
4. 材料选择的基本原理
①性能使用性原则：根据工作环境条件，按照材料的性能指标来选择相应的适
用材料。
②失效性选择原则：对服役后失效的材料进行失效原因、解决对策分析，选择
新的适用材料。
③加工工艺选择原则：充分考虑材料的加工工艺性，降低工艺成本。
④加工批量选择原则：结合加工批量的大小选择合适的加工设备、原料及工艺。
⑤经济原则：通过成本核算，选定合算的材料，包括原料、工艺、宣传、管理
及运输成本等。
⑥资源原则：结合国家政策，从资源的利用上考虑选取合适的材料。
第一章固体材料的结构基础知识
一、原子结构与键合
1.原子结构
1.1确定核外电子运动轨道的四个量子数：
[1]主量子数 n ——确定电子离核远近和能量高低的主要参数，电子的能量随n 的增大而增高；
[2]次量子数 l——反映轨道的形状，由s、p、d、f四个量子数表示各轨道在原子核周围的角度分布不同，次量子数也影响轨道的能级；
[3]磁量子数 m——确定轨道的空间取向；
——每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。
[4]自旋量子数 m
s
1.2核外电子排布规律：
[1]能量最低原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态；
[2]Pauli 不相容原理：一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子；
[3]Hund 规则：在未填满的壳层中，电子的自旋值应该尽量地大。
1.3原子间的键合
（1）金属键：金属正离子和自由电子之间相互作用而形成的结合
①电子共有化、自由，弥散于 M+晶格中形成电子云，导热、导电
性好；
②无方向性、无饱和性；
③趋于形成低能量密堆结构，受力形变金属键不至于破坏，延展性好；
④结合能<离子晶体、共价晶体，各种金属键的结合能差异也较大。
⑤形成条件：ΔX<0.5
（2）离子键：正负离子经库伦静电力相互结合起来的结合键。
①由于同性相斥、异性相吸，正负离子相间排列；
②无方向性，键力大小各向一致；
③一个离子可结合多个离子形成配位多面体；
高，硬度大，脆性大，热膨胀系数小；
④离子晶体结合能高，T
m
⑤仅在高温熔融下，正负离子可在外电场作用下自由运动，此时呈离子导电性。
形成条件：ΔX>1.7
（3）共价键：通过共享电子对结合使相邻原子键合起来的形式。
①极性键：电子对偏向一方；非极性键：电子对无偏向；
②饱和性：当原子的价电子数为N时，应建立（8-N）个共用电子对达到共价结合；
③方向性：电子云按最大密度的方向重叠，各共价键之间有相对取向；脆性大
④配位数小：键的方位决定；
⑤结合能高，熔点高，质地硬脆，结构稳定
⑥供用电子对难以自由运动，绝缘性好，导电性好。
⑦形成条件：0.7<ΔX<1.7
（4）范德华键：以弱静电吸引的方式使分子或原子团聚在一起的结合力。
①无方向性；
②无饱和性；
③键能远远小于化学键，属于二次键；
④高分子中总的范德华力超过了化学键；除尽范德华力前化学键已破坏，故往往没有气态；
⑤范德华力对高聚物物理性能影响比较大；
⑥包括：静电力：极性原子、分子的永久偶极之间的静电作用，与温度有关
诱导力：非极性分子中的诱导偶极与极性分子中的永久偶极的作用
色散力：电子运动导致原子瞬时偶极间的相互作用
（5）氢键：H 原子同时与两个电负性很大而半径很小的原子（O,N,F）相结合的具有比范德华力大比化学键小的键。
①饱和性
②方向性：
③分子间或分子内都可形成；
④对高分子结构和物理性能影响大；
（6）混合键：多数工程材料的结合键多为混合键，气体分子以共价键结合，以范德华力凝聚，亦为混合。
工程材料的结合键差别：
①简单金属完全为金属键，过渡金属为金属键和共价键混合，金属键为主；
