《材料科学基础》第一章 原子结构与结合健

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《材料科学基础》教学大纲四年制本科材料科学与工程专业用80学时4学分一、课程性质和任务《材料科学基础》是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于一般基础课与专业课之间的专业基础课。本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识，诸如固体材料的结合键，材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料紧密地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。二、课程学习的目标和基本要求：1．对能力培养的要求通过学习，要求学生掌握材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，深入理解材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开发和使用中实际问题的能力。初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。2．课程的重点和难点本课程重点是料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等，3．先修课程及基本要求无机化学、物理化学、材料力学三、课程内容及学时分配• 教学基本内容第一章材料的结构（22学时）1.1晶体学基础1.2常见的晶体结构1.3固溶体的晶体结构1.4金属间化合物的晶体结构 1.5硅酸盐结构1.6非晶态固体结构1.7固体的电子能带结构理论1.8团簇与纳米材料结构1.9准晶结构本章重点：• 结晶学基础知识(晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、• 单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则)。• 常见材料的结构理论与模型（常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构）。• 给定条件下晶胞参数和堆积系数的计算、硅酸盐玻璃4个基本结构参数计算。• 固体的电子能带结构理论及应用本章难点：晶体的微观对称要素、晶体定向与晶面指数、晶向指数的确定晶体极射赤平投影、缺陷化学反应方程、硅酸盐晶体结构固体的电子能带结构。第二章晶体缺陷（8学时）2.1点缺陷2.2位错的结构2.3位错的运动2.4位错的应力场2.5位错与晶体缺陷的相互作用2.6位错的增殖、塞积与交割…．2.7实际晶体中的位错本章重点： • 位错基本概念和类型，位错的应力场，位错间的交互作用，位错的起源与增殖、位错的塞积、位错的交割、位错反应。• 实际晶体中的位错；有序结构中的位错；离子晶体的位错；面心立方晶体的位错反应。本章难点：位错的概念；位错反应；实际晶体中的位错。第三章固体中的扩散（5学时）3.1扩散的宏观规律3.2扩散的微观机制3.3扩散系数3.4扩散的热力学分析3.5反应扩散3.6离子晶体中的扩散本章重点：扩散定律（扩散第一、二定律）及其应用，影响扩散的因素。本章难点：扩散的热力学分析，离子晶体的扩散。第四章纯质材料的凝固（4学时）4.1结晶的基本规律4.2晶核的形成与长大4.3结晶动力学4.4结晶生长形态4.4结晶后的晶粒大小及其内部结构缺陷本章重点：形核与长大，形核的热力学分析本章难点：形核的热力学分析第五章相平衡与相图（6学时）5.1相与相平衡5.2匀晶相图及其凝固过程 5.3共晶相图及其凝固过程5.4包晶相图及其凝固过程5.5其他类型二元相图5.6二元相图的分析与应用5.6Fe-C合金相图5.7相图的热力学解释本章重点：三种基本类型相图，平衡凝固过程和非平衡凝固过程，杠杆定律的应用，Fe-C合金相图。本章难点：杠杆定律，相图的热力学第六章三元相图（6学时）6.1三元相图的几何规则6.2三元匀晶相图6.3固态互不溶解的三元共晶相图6.4固态有限溶解的三元共晶相图6.5三元相图中的四相平衡6.6三元相图的实例分析本章重点：三元合金成分表示法，直线法则，重心定律，三元共晶相图，三元相图的实际应用。本章难点：固态有限溶解的三元共晶相图，三元相图的实际应用。第七章合金的凝固（5学时）7.1合金凝固时溶质的重新分布7.2凝固过程中的成分过冷7.3凝固技术7.4合金铸锭组织与缺陷本章重点：溶质重新分布，成分过冷本章难点：溶质重新分布，成分过冷 第八章固体材料的界面（4学时）8.1晶体表面8.2界面结构8.3晶界能量8.4晶界平衡偏析8.5晶界迁移8.6相界面8.7界面能与显微组织形貌本章重点：晶界结构与性质，相界结构与性质，界面能量本章难点：晶界结构第九章固态反应与固态相变（6学时）9.1固相反应及其动力学特征9.2固相反应动力学方程9.3影响固相反应的因素9.4固态相变特点9.5固态相变的分类9.6固态相变的形核与长大9.5固态相变动力学本章重点：固相反应动力学方程，固态相变的特点与分类，固态相变的形核与长大。本章难点：固相反应动力学方程，固态相变的形核与长大。第十章材料变形与再结晶（10学时）10.1材料的弹性变形10.2单晶体的塑性变形10.3多晶体的塑性变形 10.4塑性变形对材料组织和性能的影响10.5晶体的断裂10.6冷变形金属的回复与再结晶10.7晶体的高温变形本章重点：单晶体的塑性变形，多晶体的塑性变形，塑性变形对材料组织和性质的影响，冷变形金属的回复、再结晶及晶粒长大。本章难点：塑性变形的微观机制，晶界对变形和强度地影响，回复的微观机制。第十一章材料强韧化的基本原理（4学时）11.1材料强化的基本原理11.2材料韧化的基本原理11.3材料强韧化的常用方法本章重点：强化的基本原理，韧化的基本原理本章难点：材料韧化的基本原理2．课程相关的实践教学内容与实验该课程相关的实践教学内容见实验课程《材料科学基础实验》3．课外作业主要围绕以下内容完成课外作业：（1）各类材料结构及其影响因素。（2）晶体缺陷的种类和性质及其对材料性能的影响。（3）扩散的宏观规律和微观机理及其影响因素。（4）形核与长大的热力学条件，微观机理。（5）相图的基本类型，相变特征，相变过程，相图分析。（6）合金凝固溶质重新分布和成分过冷。（7）界面的结构和类型，界面与材料性能的关系。 （8）固态反应的特征和动力学，固态相变的形核和长大。（9）材料变形的微观机理，塑性变形对材料组织和性能的影响，回复和再结晶的微观机理及其对材料性能的影响。（10）强化和韧化的基本原理及其应用。2．课程相关的实践教学内容与实验该课程相关的实验教学内容见实验课程“材料科学实验”四、使用大纲说明1．教学方法1）将课程内容分为三个模块进行教学：（a）材料结构与缺陷，（b）凝固与相图，（c）形变、再结晶与强韧化。2）以系统讲授为主，结合实际材料问题，注重引导和启发。3)要求学生阅读适量的课外材料。注重课堂讨论和自学。2．考试方式与成绩结构每个模块结束进行闭卷考试，着重考察对知识和掌握。期末进行综合性开卷考试，着重考察综合应用所学知识的能力。平时成绩占70％，期末占30％。五、课程教材及主要参考书• 教材：徐衡钧等，材料科学基础，北京工业大学出版社• 参考书：1）CahnR.W.,PhysicalMetallurgy.North-HollandPub.Co.19832）W.D.Callister,Jr,FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering.化学工业出版社，2004年3）潘金生等，材料科学基础，清华大学出版社，1998年4）赵品，材料科学基础教程习题及解答，哈尔滨工业大学出版社，2002年5）石德珂、沈莲，材料科学基础，西安交通大学出版社，1996年 6）Schaffer，etal.TheScienceandDesignofEngineeringMaterials,高等教育出版社2003年7）陆佩文，无机材料科学基础，武汉工业大学出版社。第１章原子结构与结合健　前言  　材料是国民经济的物质基础。通过实践和研究表明：决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。为此，我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。1.1原子结构　1.1.1物质的组成　 　　一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。　　原子结构直接影响原子间的结合方式。　1.1.2原子的结构　　近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。　　原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子的质量大致为1.67X10-24g，而电子的质量约为9.11X10-28g，仅为质子的1/1836。　1.1.3原子的电子结构　　描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。　　多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则，即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund规则。 从内到外，依次为K壳层(n=1),L壳层(n=2),M壳层(n=3). 1).主量子数n决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。 2).轨道角量子数li给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）。 3).磁量子数mi给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。 4).自旋角量子数si反映电子不同的自旋方向。　1.1.4元素周期表　　具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。　　元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。1.2原子间的键合 1.2.1金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。   金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。1.2.2离子键     大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。     一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。1.2.3共价键   两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。 图1.6SiO2中硅和氧原子间的共价键示意图   共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。 共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。1.2.4范德华力   属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。不同的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德华力不同是一个重要因素。1.2.5氢键   是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（Ｏ，Ｆ，Ｎ等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。1.3高分子链    高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构两方面。链结构又分近程结构和远程结构。近程结构属于化学结构，又称一级结构。远程结构又称二级结构，是指单个高分子的大小和形态、链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象，下图是单个高分子的几种构象图。　1.3.1高分子链的近程结构  1.3.1.1链结构单元的化学组成   单体通过聚合反应连接而成的链状分子，称为高分子链，下图是聚乙烯单体的链结构。高分子中的重复结构单元的数目称为聚合度。1.3.1.2分子结构   一般高分子都是线性(如下图)的，分子链长可以蜷曲成团，也可以伸展成直线。分子链是蜷曲成团还是伸展成直线取决于分子本身的柔顺性和外部条件。线型高分子的分子间没有化学键结合，在受热或受力情况下分子间可互相滑移，所以线型高分子可以溶解，加热时可以熔融，易于加工成型。 1.3.1.3共聚物的结构 由两种或两种以上单体单元所组成的高分子称为共聚物。不同的共聚物结构，对材料性能的影响也各不相同。聚乙烯、聚丙烯均为塑料，而丙烯含量较高的乙烯－丙烯无规共聚的产物则为橡胶。有时为了改善高分子的某种使用性能，往往采用几种单体进行共聚的方法，使产物兼有几种均聚物的优点。例如ABS树脂是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，它兼具有三种组分的特性。1.3.1.4高分子链的构型  链的构型是指分子中由化学键所固定的几何排列，这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。构型不同的异构体有旋光异构和几何异构两种。 图1.13聚丙烯的立体构型  图1.14 聚丙烯螺旋形链的排列1.3.2高分子链的远程结构 1.3.2.1高分子的大小   高分子的相对分子质量不是均一的，它实际上是由结构相同、组成相同但相对分子质量大小不同的同系高分子的混合物聚集而成。低聚物转向高分子时，强度有规律地增大。但增长到一定的相对分子质量后，这种依赖性又变得不明显了，强度逐渐趋于一极限值。1.3.2.2高分子的内旋转构象   单键是由ó电子组成，线型高分子链中含有成千上万个ó键。由于分子上非键合原子之间的相互作用，内旋转一般是受阻的，即旋转时需要消耗一定的能量。高分子链的内旋转也像低分子一样，因受链上的原子或基团的影响不是完全自由的。它既表现出一定的柔性，又表现出一定的刚性。1.3.2.3影响高分子链柔性的主要因素   高分子链能够改变其构象的性质称为柔性。   a.主链结构的影响     主链结构对高分子链的刚柔性的影响起决定性的作用。   b.取代基的影响      取代基团的极性、取代基沿分子链排布的距离、取代基在主链上的对称性和取代基的体积等对高分子链的柔性均有影响。   c.交联的影响第１章原子结构与结合键例题1.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？　　答:在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然它们的化学性质相同的物质称为同位素。由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。2.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？ 答:原子数=个价电子数=4×原子数=4×2.144×1024=8.576×1024个a)b)共价键，共有2.144×1024个；需破坏之共价键数为5×1010/2=2.5×1010个；所以，3.有一共聚物ABS（A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯），每一种单体的质量分数均相同，求各单体的摩尔分数。答:丙烯腈(－C2H3CN－)单体相对分子质量为53；丁二烯(－C2H3C2H3－)单体相对分子质量为54;苯乙烯(－C2H3C6H5－)单体相对分子质量为104;设三者各为1g，则丙烯腈有1/53mol，丁二烯有1/54mol，苯乙烯有1/104mol。故各单体的摩尔分数为 本章复习1.内容提要  物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外高速旋转带负电的电子所构成的。在材料科学中，一般人们最关心的是原子结构中的电子结构。  电子在核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。电子既具有粒子性又具有波动性，即具有二象性。电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。根据量子力学理论，电子的状态是用波函数来描述的，原子中的一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示：(1)主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层；(2)轨道角动量量子数li：给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）；(3)磁量子数mi：给出每个轨道角动量数的能级数或轨道数；(4) 自旋角动量量子数si：反映电子不同的自旋方向；   至于在多电子的原子中，核外电子的排布规律则遵循以下三个原则：(1)能量最低原理：电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由里向外进入能量较高的壳层，以尽可能使体系的能量最低；(2)Pauli不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子；(3)Hund规则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低；   元素周期表反映了元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增呈周期性的变化规律。可根据元素在周期表中的位置，推断它的原子结构和一定的性质。   原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起的。由于原子间结合键不同，故可将材料分为金属、无机非金属和高分子材料。原子的电子结构决定了原子键合的本身，原子间的结合键可分为化学键和物理键两大类。化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键三种：(1)金属键：绝大多数金属均为金属键方式结合，它的基本特点是电子的共有化；(2)离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键方式结合，这种键的基本特点是以离子而不是以原子为结合单位；(3) 共价键：在亚金属（C、Si、Sn、Ge等）、聚合物和无机非金属材料中共价键占有重要地位，它的主要特点共用电子对。　　物理键为次价键，亦称范德华力，在高分子材料中占着重要作用。它是借助瞬时的、微弱的电偶极矩的感应作用将原子或分子结合在一起的键合。它包括静电力、诱导力和色散力。　　此外还有一种氢键，它是一种极性分子键，存在于HF、H2O、NH3等分子间。其结合键能介于化学键与物理键之间。　　由于高分子材料的相对分子质量可高达几十万甚至上百万，所包含的结构单元可能不止一种，每一种结构单元又具有不同构型，而且结构单元之间可能有不同键接方式与序列，故高分子的结构相当复杂。　　高分子结构包括高分子键结构和聚集态结构两方面。键结构又分近程结构和远程结构。近程结构属于化学结构，又称一次结构，是指大分子链中原子的类型和排列，结构单元的键接顺序、支化、交联以及取代基在空间的排布规律等。远程结构又称二次结构，是指高分子的大小与形态，键的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。2.重点与难点*1.描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数；*2.核外电子排布遵循的原则;*3.元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系；*4.原子间结合键分类及其特点；*5.高分子链的近程和远程结构。3.重要概念与名词 分子，原子；主量子数n，轨道角动量量子数l，磁量子数m，自旋角动量量子数s；能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则；元素，元素周期表，周期，族；结合键，金属键，离子键，共价键，范德华力，氢键；高分子链，近程结构，结构单元，线性、支化、交联和三维网络分子结构；无规、交替、嵌段和接枝共聚物；全同立构、间同立构、无规立构，顺式、反式构型；远程结构、数均、重均相对分子质量，聚合度；热塑性、热固性塑料。　第１章原子结构与结合键　1.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？2.在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些个原则？3.在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？ 4.何谓同位素？为什么原子量不总为整数？ 5. 铬的原子序数为24，共有四种同位数：4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。试求铬的原子量。6.铜的原子序数为29，原子量为63.54，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素之含量百分比。7.铟的原子序数为49，除了4f亚层之外其它内部电子亚层均已填满。试从原子结构角度来确定铟的价电子数。8.铂的原子序数为78，它在5d亚层中只有9个电子，并且在5f层中没有电子，请问在Pt的6s亚层中有几个电子？ 9.已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性强弱。10.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 11.已知Si的原子量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？ 12.S的化学行为有时象6价的元素，而有时却象4价元素。试解释S这种行为的原因。13.高分子链结构分为近程结构和远程结构。他们各自包括内容是什么？14.按分子材料受热的表现分类可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释之。15.分别绘出甲烷(CH4)和乙烯(C2H4)之原子排列与键合。16.下图1-1绘出三类材料——金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离关系曲线，试指出它们各代表何种材料。  图1-1　答案5.M=00431×(24+26)+0.8376×(24+28)+0.0955×(24+29)+0.0238×(24+30)=52.05696.73%(Cu63);27%(Cu65)7.1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p18.1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d96s111.a)5.833×10-15b)1.168×10-14