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材料科学基础教案
材料科学基础
(FoundationsofMaterialsScience)
材料工程系
材料成型与控制工程专业
任课教师-张敬尧
绪论
(Introduction)
一.什么是《材料科学基础》
二.材料科学的重要地位
三.学习《材料科学基础》的必要性
四.《材料科学基础》涵盖的主要内容
五.怎样学好《材料科学基础》
一.什么是《材料科学基础》
什么是材料科学?
什么是材料科学基础?
材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、材料的性能与应用之间的相互关系的科学。
其核心为研究材料组织结构与性能的关系。
它是当代科技发展的基础、工业生产的支柱,是当今世界的带头学科之一。
作为分支之一的新兴的纳米材料科学与技术是20世纪80年代发展起来的新兴学科,成为21世纪新技术的主导中心。
材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论,它将各种材料(包括金属、陶瓷、高分子材料)的微观特性和宏观规律建立在共同的理论基础上,用于指导材料的研究、生产、应用和发展。
它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。
二、材料科学的重要地位
●人类社会发展的历史阶段常常根据当时使用的主要材料来划分。
从古代到现在人类使用材料的历史共经历了6个时代:
石器时代→青铜器时代→铁器时代→钢时代→半导体时代→新材料时代
●20世纪70年代,人们把信息、材料和能源称为当代文明的三大支柱;80年代,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;90年代以来,把材料、信息、能源和生物技术作为国民经济发展的四大支柱产业。
●1986年《科学的美国人》杂志指出“先进材料对未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的,材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。
”1990年美国总统的科学顾问Allany.Bromley明确指出“材料科学在美国是最重要的学科”。
1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7项是基于先进材料基础之上。
故材料科学是科技发展的基础、技术进步和工业化生产的支柱。
三.学习《料料科学基础》的必要性
(一)材料科学的核心问题
材料科学是以物理、化学、物理化学等学科为基础,涉及材料晶体结构、材料热力学、材料动力学、材料性能等系统的材料科学知识。
材料科学的核心问题是材料的组织结构(Structure)和性能(Property)以及它们之间的关系。
下图为材料科学与工程四要素。
所以,先要了解材料的结构是什么?
●材料的结构包括晶体结构和非晶体结构,以及显微镜下的微观结构,哪些主要因素能够影响和改变结构?
只有了解了这些才能实现控制结构的目的。
●其内部结构包括四个层次:
①原子结构;②结合键;③原子的排列方式;④显微组织
●材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。
(二)材料科学与材料工程的关系
材料科学的形成:
“材料”早存在,“材料科学”提出于20世纪60年代,1957年苏联卫星上天,美国震动很大,在大学相继建立十余个材料科学研究中心,自此开始,“材料科学”一词广泛应用。
一般来讲,科学是研究“为什么”的学问,而工程是解决“怎么做”的问题。
●材料科学:
是一门科学,它从事材料本质的发现、分析和了解,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。
它包括下面的三个环节,核心是结构和性能:
●材料工程:
是工程的一个领域,其目的在于经济地,而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。
它包括下面的五个环节:
●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,它们之间并没有一条明确的界限;材料科学的基础理论,为材料工程指明方向,为更好地选择、使用材料,发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。
因此,后来人们常常将二者放在一起,采用一个复合名词-材料科学与工程(MSE,MaterialScienceandEngineering)
(三)材料的分类
(І)根据服役要求分类—结构材料和功能材料
●结构材料:
以强度,硬度,刚度,韧性,疲劳强度等力学性能为特征的材料。
●功能材料:
以声,光,电,磁,热等物理性能为特征的材料(如电子材料、光电子材料、超导材料等)。
(Π)按物理化学属性(结合键种类)分类—金属、陶瓷、高分子和复合材料
●金属材料:
黑色金属(钢铁)、有色金属(除钢铁以外的)
●陶瓷材料:
氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷
●高分子材料:
塑料、橡胶、合成纤维
●复合材料:
金属基、陶瓷基、树脂基复合材料
(四)材料的应用
●计算机与材料
1、计算机经历:
电子管→晶体管→集成电路时代
2、个人电脑移动存储器的比较
材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。
●飞机和材料
种类
使用的材料
存储容量
特点
软盘
氧化铁
1.44Mb
容量小,文本文件存储
CD-RW
以ZnS等为主的陶瓷材料
650Mb
CD光盘,价低,用量大
MO(磁光盘)
TbFeCo合金磁光材料
650Mb,1.3Gb
需专用驱动器,价格高,局限在广告图形用户
DVD-RW
ZnS等为主的陶瓷材料
单面单层为4.7Gb
CD-RW和CD光盘,用量大
实例
压气机叶片
压气机机匣
飞机尾翼
硼纤维铝合金板和管路
材料
铝合金
钛合金
碳纤维复合材料
硼纤维增强铝合金
强度范围MPa
150-450
350-1100
1000-1200(顺纤维方向)
1500(顺纤维方向)
比强度
MPa
55-160
80-245
625-750
570
●材料和生活用品
如钛合金自行车、形状记忆合金百叶窗等。
四.《材料科学基础》涵盖的主要内容
●理论课程的主要内容:
1.材料的微观结构,包括原子的排列方式,固体结构、晶体缺陷、固体中原子和分子的运动(扩散)、材料的变形和回复再结晶。
2.材料组织结构的变化规律,包括单元系的相变、二元合金系的相变规律、三元合金系的相变规律。
3.实际材料的状态,包括晶体、非晶体、亚稳态。
●实验内容:
1.金相显微镜的使用;
2.金相试样的制备;
3.结晶过程观察;
4.二元合金显微组织观察;
5.铁碳合金平衡组织观察
6.金属冷变形组织与再结晶组织观察。
五.怎样学好《材料科学基础》
●性质:
必修课,专业基础课
●学时:
75学时
●本课程特点:
●概念术语多
●理解记忆的知识多
●涉及相关学科多(物理学、化学、热力学、矿物学、金属学、陶瓷学以及高分子学等)
●学习方法:
●作为一门应用学科,做到理论联系实际;
●要学以致用,善于总结归纳;
●加强实践环节,通过综合实验培养创新能力;
●将微观与宏观结合起来分析和解决问题;
●掌握基础理论和基本概念要掌握;
●通过参考书和网络资源,博览相关知识。
●教材和主要参考书目
教材-《材料科学基础》王章忠主编机械工业出版社
参考书目-《材料科学基础》刘智恩主编西北工大出版社
《材料科学基础》石德珂主编机械工业出版社
《材料科学基础》胡赓祥主编上海交大出版社
●自学辅导参考网址
http:
//202.120.6.136/fms/(上海交大精品课程网)
http:
//www.crystalstar.org
http:
//www.c-e-
第1章原子结构与结合键
(Ch1AtomStructureandLinkBond)
⏹原子结构
⏹原子结合键
1.1原子的结构
1.1.1原子的电子排列
一.原子的组成
质子:
正电荷
原子核:
位于原子中心,带正电
中子:
电中性
电子:
核外高速旋转,带负电,按能量高低排列,电子云
量子力学的研究发现,电子的旋转轨道不是任意的,它的确切的途径也是测不准的。
1926年,奥地利著名的物理学家薛定谔提出描述氢原子的电子的运动状态的方程,称为薛定谔方程,方程成功地解决了电子在核外运动状态的变化规律,方程中引入了波函数的概念,以取代经典物理中圆形的固定轨道,解得的波函数(习惯上又称原子轨道)描述了电子在核外空间各处位置出现的几率,相当于给出了电子运动的“轨道”。
这一轨道是由四个量子数所确定。
二.四个量子数
(一)主量子数
主量子数n决定原子轨道的能量,它的取值为1、2、3…。
n越大,电子离原子核的距离越远,电子的能量越高。
在一个原子中,常称n相同的电子为一个电子层。
当n=1、2、3、4、5、6、7时,分别称为第一、二、三、四、五、六、七电子层,相应地用符号K、L、M、N、O、P、Q表示。
(二)角量子数
角量子数l决定原子轨道的形状,它的取值为0、1、2….n-1。
在多电子原子中,当n相同而l不同时,电子的能量还有差别.又常将一个电子层分为几个亚层。
当l=0、1、2、3时,分别称为s、p、d、f亚层:
n=1时,l=0,K层只有s亚层;
n=2时,l=0、1,L层有s、p亚层;
n=3时,l=0、1、2,M层有s、p、d亚层;
n=4时,l=0、1、2、3,N层有s、p、d、f亚层。
在多电子原子中,l也决定着原子轨道的能量。
当n相同时,随l的增大,原子轨道的能量升高。
(三)磁量子数
磁量子数m决定原子轨道在空间的取向。
它的取值为0,±1,±2,±l因此有2l+1种取向。
l=0时,m只能取0,s亚层只有1个轨道;
l=1时,m可取-1、0、+1,p亚层有3个轨道。
同理,d亚层有5个轨道,f亚层有7个轨道。
n和l相同,但m不同的各原子轨道的能量相同,称为简并轨道或等价轨道。
(四)自旋量子数
自旋量子数ms描述电子的自旋方向,它的取值为+1/2和-1/2,常用箭号↑和↓表示电子的两种自旋方向。
ms不能从求解薛定谔方程得到,它是后来实验和理论进一步研究中引入的。
综上所述,n、l、m三个量子数可以确定一个原子轨道,而n、l、m、ms四个量子数可以确定电子的运动状态。
表1.1电子层、电子亚层、原子轨道与量子数之间的关系
三.原子的核外电子排布
原子的核外电子排布遵守泡利不相容原理、能量最低原理、洪德定则。
(一)泡利不相容原理:
在一个原子中,不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。
由泡利不相容原理,可知一个原子轨道最多只能容纳两个电子,而且这两个电子的自旋必须相反。
(二)能量最低原理:
在不违背泡利不相容原理的前提下,核外电子总是尽可能排布在能量最低的轨道上,当能量最低的轨道排满后,电子才依次排布在能量较高的轨道上。
(三)洪德定则:
在能级相等的轨道上,电子尽可能分占不同的轨道,且电子自旋平行。
在未填满的壳层中,电子的自旋量子数应尽量地大。
依据上述原理,电子从低的能量水平至高的能量水平,依次排列在不同的量子状态下。
决定电子能量水平的主要因素是主量子数和次量子数,各个主壳层及亚壳层的能量水平在图1-1中示意画出.由图可见,电子能量随主量子数M的增加而升高,同一壳层内各亚壳层的能量是按S、P、d、f次序依次升高的。
值得注意的是相邻壳层的能量范围有重叠现象,例如:
4s的能量水平反而低于3d;5S的能量也低于4d、4f.这样,电子填充时,有可能出现内层尚未填满前就先进入外壳层的情况。
例题:
试根据电子从低能到高能,依次排列在不同量子态的原理,写出原子序数为11的钠(Na)原子以及原子序数为20的钙(Ca)原子中的电子排列方式。
解:
钠原子的原子序数为11,有11个电子,电子首先进入能量最低的第一壳层,它只有s态一个亚壳层,可容纳2个电子,这电子状态记做1S2;然后逐渐填入能量稍高的2S2,2p6;第11个电子便进入第三壳层的S态,所以钠原子的电子排列记作1S22S22p63S1。
钙原子有20个电子,当电子填入第三壳层s态和p态后仍有2个剩余电子,根据图1-1,4s态能量低于3d态,所以这两个剩余电子不是填入3d,而是进入新的外壳层上的4S态,所以钙原子的电子排列记作1S22S22p63S23p64S2。
根据量子力学,各壳层的s态和P态中电子的充满程度对该壳层的能量水平起着重要的作用。
一旦壳层的s态和p态被填满.该壳层的能量便落入十分低的值,使电子处于极为稳定的状态,如原子序数为2的氦,其2个电于将第一壳层的s态充满;原子序数为10的氖,其电子排列为lS22S22p6,外壳层的s态、p态均被充满,还有原子序数为18的氩,电子排列为lS22S22p63S23p6,最外壳层的s态、p态也被充满,这些元素的电子极为稳定,化学性质表现为惰性,故称惰性元素。
另一方面,如果最外壳层上的s态、p态电子没有充满,这些电子的能量较高,与原子核结合较弱,很活泼,这些电子称为价电子。
原子的价电子极为重要,它们直接参与原子间的结合,对材料的物理性能和化学性能产生重要影响。
1.1.2元素周期表
一、元素的电子层结构与周期的关系
二、元素的电子层结构与族的关系
三、元素性质的周期性
一、元素的电子层结构与周期的关系
元素周期表共有七个横行,每一横行为一个周期,共有七个周期。
元素在周期表中所属周期数等于该元素基态原子的电子层数,也等于元素基态原子的最外电子层的主量子数。
元素周期表中各周期所包含元素的数目,等于相应能级组中的原子轨道所能容纳的电子总数。
二、元素的电子层结构与族的关系
周期表上竖的各列称为族,划分方法是分为16个族,除第8、9、10三个纵行为一个族外,其余15个纵行,每一个纵行为一个族。
第1纵行和第2纵行分别为IA族和IIA族,第3~7纵行分别为IIIB~VIIB族,第8~10纵行为VIII族,第11纵行和第12纵行分别为IB族和IIB族,第13~17纵行分别为IIIA~VIIA族,第18纵行为0族。
A族由长周期元素和短周期元素组成,也称主族;B族只由长周期元素组成,也称副族。
表1.2周期与能级组的关系
同一族元素具有相同的外壳层电子数,周期表两侧的各族ⅠAⅡAⅢA…ⅦA分别对应子外壳层价电子为1、2、3..·7的情况,所以同一族元素具有非常相似的化学性能。
例如ⅠA族的Li、Na、K等都具有一个价电子,很容易失去价电子成为1价的正离子,因此化学性质非常活泼,都能与ⅦA族元素氟、氯形成相似的氟化物和氯化物。
最右边的O族元素,它们的外壳层s、p态均已充满,电子能量很低,十分稳定,不易形成离子,不能参与化学反应,是不活泼元素,在常温下原子不会形成凝聚态,故以气体形式存在,称为惰性气体。
周期表中部的ⅢB~ⅧB对应着内壳层电子逐渐填充的过程,把这些内壳层末填满的元素称为过渡元素,由于外壳层电子状态没有改变,都只有1-2个价电子,这些元素都有典型的金属性。
与ⅧB族相邻的ⅠB、ⅡB族元素.外壳层价电子数分别为1和2,这点与ⅠA、ⅡA族相似,但ⅠA、ⅡA族的内壳层电子尚未填满,而ⅠB、ⅡB族内壳层已填满,因此表现在化学性能上内壳层族元素不如ⅠA、ⅡA族活泼,如ⅠA族的钾(K)的电子排列…3p64S1,而同周期的ⅠB族Cu,其电子排列为…3p63d104S1,两者相比,钾的化学性能更活泼,更容易失去电子,电负性更弱。
三、元素性质的周期性
从上面对周期表的构成以及各族元素的共性所作的分析中不难得出:
各个元素所表现的行为或性质一定会呈现同样的周期性变化,因为原子结构从根本上决定了原于间的结合键,从而影响元素的性质。
实验数据已证实了这一点。
不论是决定化学性质的电负性,还是元素的物理性质(熔点、线膨胀系数)及元素晶体的原子半径都符合周期性变化规律。
电负性:
分子中的原子对于成键电子吸引能力相对大小的量度。
电负性数据:
由表中数据可以看出:
(1)非金属元素的电负性较大,而金属元素的电负性较小。
可以近似地作为金属元素和非金属元素的分界点。
(2)一般说来,同一周期的元素的电负性从左向右随着核电荷数增加而增大;同一族的元素从上到下随着电子层的增加而减小。
(3)电负性相差大的金属元素与非金属元素之间以离子键结合,形成离子型化合物;电负性相同或相近的非金属元素之间以共价键结合,形成共价化合物;电负性相同或相近的金属元素之间以金属键结合,形成金属或合金。
上表给出电负性数据的周期变化.电负性是用来衡量原子吸引电子能力的参数。
电负性越强,吸引电子能力越强,数值越大,同一周期内,自左至右电负性逐渐增大,同一族内自上至下电负性数据逐渐减小。
达一规律有助于理解材料的原子结合及晶体结构类型的变化。
1.2原子结合键
●一次键:
离子、共价、金属
●二次键:
范德瓦耳斯键、氢键
●混合键
●结合键本质及原子间距
●结合键与性能
1.2.1一次键
一.离子键
(一)离子键的形成
当电负性较小的活泼金属元素的原子与电负性较大的活泼非金属元素的原子相互接近时,金属原子失去最外层电子形成带正电荷的阳离子;而非金属原子得到电子形成带负电荷的阴离子。
阳、阴离子之间除了静电相互吸引外,还存在电子与电子、原子核与原子核之间的相互排斥作用。
当阳、阴离子接近到一定距离时,吸引作用和排斥作用达到了平衡,系统的能量降到最低,阳、阴离子之间就形成了稳定的化学键。
这种阳、阴离子间通过静电作用所形成的化学键称为离子键。
(二)离子键及其特点
定义:
正负离子间的静电吸引力叫做离子键。
特点:
离子键既没有方向性也没有饱和性。
NaCl晶体
二.共价键
共享电子对
(一)共价键的本质和特点
本质:
原子相互接近时轨道重叠(即波函数叠加),原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低而成键。
特点:
具有饱和性和方向性。
σ键(成键轨道)头碰头π键,肩并肩
(二)共价键的键型
(三)共价键形成实例
金刚石是共价键结合的典型,下图表示了它的结合情况,碳的四个价电子分别与其周围的四个碳原子组成四个公用电子对,达到八个电子的稳定结构。
此时各个电子对之间静电排斥,因而它们在空间以最大的角度互相分开,互成109.5°,于是形成一个正四面体,碳原子分别处于四面体中心及四个顶角位置,正是依靠共价键将许多碳原子形成坚固的网络状大分子。
共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力,使共价键具有明显的方向性,这是其它键所不具备的,由于方向性、不允许改变原子间的相对位置,所以材料不具塑性且比较坚硬.像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。
三.金属键
图金刚石的共价结合及其方向性
金属键没有方向性,正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子间的结合力.因而金属具有良好的塑性。
同样,金属正离子被另一种金属的正离子取代
时也不会破坏结合键,这种金属之间的溶解
(称固溶)能力也是金属的重要特性。
图金属离子沉浸在自由电子的海洋中
此外,金属导电性、导热性以及金属晶体中原子的密集排列等都直接起因于金属键结合。
1.2.2二次键:
原子间的偶极吸引
一.范德瓦耳斯键
范德瓦耳斯键只是原子间的偶极吸引力,键力远低于一次键。
稳定性较差。
然而它仍是材料结合键的重要组成部分,依靠它大部分气体才能聚合成液态,固态。
图1-6范德瓦耳斯键力示意图
a)理论的电子云分布b)原子偶极矩的产生c)原子(或分子)间的范德瓦耳斯键结合
二.氢键
氢键的本质与范德瓦耳斯键一样,也是靠原子(或分子、原子团)的偶极吸引力结合起来的.只是氢键中氢原子起了关键作用,氢原子很特殊,只有一个电子,当氢原子与一个电负性很强的原子(或原子团)X结合成分子时,氢原子的一个电子转移至该原子壳层上;分子的氢离子侧实质上是一个裸露的质子.对另一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力,这样,氢原子便在两个电负性很强的原子(或原子团)之间形成一个桥梁,把两者结合起来,成为氢键。
所以氢键可以表达为:
X-H—Y。
氢与X原子(或原子团)为离子键结合,与Y之间为氢键结合,通过氢键将X、Y结合起来。
X、Y可以相同或不同。
氢键的结合力比范德瓦耳斯键强。
在带—COOH、—OH、—NH2原子团的高分子聚合物中常出现氢键。
氢键在一些生物分子如DNA中也起重要作用。
图冰的结构
1.2.3混合键
初看起来,上述各种键的形成条件完全不同,故对具体材料而言,似乎只能满足其中的一种,只具有单一的结合键,如金属应为金属键,ⅦA族元素应为共价键,电负性不同的元素应结合成离子键……。
然而,实际材料中单一结合键的情况并不很多,前面讲的只是一些典型的例子,大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。
化合物中离子键的比例取决于组成元素的电负件差.电负性相差越大则离子键比例越高,鲍林推荐以下公式来确定化合物AB中离子键结合的相对值:
式中.XA、XB分别为化合物组成元素A、B的电负性数值。
陶瓷化合物中出现离子键与共价键混合的情况很常见.通常金属正离子与非金属离子所组成的化合物并不是纯粹的离子化合物.它们的性质不能仅用离子键予以理解。
表1-3给出了某些陶瓷化合物中混合键的相对比例。
表1-3某些陶瓷化合物中混合键特征
1.2.4结合键的本质及原子间距
固体中原子是依据结合键力结合起来的。
结合力是怎样产生的呢?
下面以最简单的双原子模型来说明。
不论是何种类型的结合键,固体原子间总存在两种力,一是吸引力,来源于异类电荷间的静电吸引;二是同种电荷之间的排斥力。
根据库伦定律,吸引力和排斥力均随原子间距的增大而减小。
但两者减小的情况不同,根据计算,排斥力更具有短程力的性质,即当距离很远时,排斥力很小,只有当原子间接近至电子轨道互相重叠时,排斥力才明显增大,并超过了吸引力(图1-8a)在某距离下吸引力与排斥力相等,两原子便稳定在此相对位置上,这一距离、相当于原子的平衡距离,或称原子间距。
当原子距离
被外力拉开时,相互吸引力则力图使它们缩回到平衡距离r0;反之,当原子受到压缩时,排斥力又起作用,使之回到平衡距离r0。
根据物理学,力(F)和能量(E)之间的转换关
系:
所以两原子相互作用的能量随
距离的变化(如图1-8b)所示。
在作用力等于零的平衡距离下能量应该达到最低值,表征该距
离下体系处于稳定状态。
能量曲线可解释如下:
当两个原子无限远时.原子间不发生作用,作用能可视为零。
当距离在吸引力作用下靠近时,体系的位能逐渐下降、到达平衡距离时,位能最低。
当原子距离进一步接近,就必须克服反向排斥力,使作用能重新升高。
通常把平衡距离下的作用能定义为原子的结合能E0。
1.2.5结合键与性能
一.物理性能
(一)熔点:
熔点的高低代表了材料稳定性的程度。
熔点与键能值有较好的对应关系。
由表1-4可见:
共价键、离子键化合物的熔点较高,其中纯共价键的全刚石具有最高的熔点,金属的熔点相对较低,这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。
金属中过渡族金属有较高的熔点,特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点更高,这可能起因于内壳层电子未充满,使结合键中有
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