工程材料授课教案

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1、授课教案第一章材料的结构重点与难点：    在晶体结构中，最常见的面心立方结构（fcc）、体心立方结构（bcc）、密排六方结构（hcp）、金刚石型结构及氯化钠型结构。内容提要：    在所有固溶体中，原子是由键结合在一起。这些键提供了固体的强度和有关电和热的性质。例如，强键导致高熔点、高弹性系数、较短的原子间距及较低的热膨胀系数。由于原子间的结合键不同，我们经常将材料分为金属、聚合物和陶瓷3类。在结晶固体中，材料的许多性能都与其内部原子排列有关。因此，必须了解晶体的特征及其描述方法。根据参考轴间夹角和阵点的周期性，可将晶体分为7种晶系，14种晶胞

2、。本章重点介绍了在晶体结构中，最常见的面心立方结构（fcc）、体心立方结构（bcc）、密排六方结构（hcp）、金刚石型结构及氯化钠型结构。务必熟悉晶向、晶面的概念及其表示方法（指数），因为这些指数被用来建立晶体结构和材料性质及行为间的关系。在工程实际中得到广泛应用的是合金。合金是由金属和其它一种或多种元素通过化学键合而成的材料。它与纯金属不同，在一定的外界条件下，具有一定成分的合金其内部不同区域称为相。合金的组织就是由不同的相组成。在其它工程材料中也有类似情形。尽管各种材料的组织有多种多样，但构成这些组织的相却仅有数种。本章的重点就是介绍这些相的

3、结构类型、形成规律及性能特点，以便认识组织，进而控制和改进材料的性能。学习时应抓住典型例子，以便掌握重要相的结构中原子排列特点、异类原子间结合的基本规律。    按照结构特点，可以把固体中的相大致分为五类。    固溶体及金属化合物这两类相是金属材料中的主要组成相。它们是由金属元素与金属元素、金属元素与非金属元素间相互作用而形成。固溶体的特点是保持了溶剂组元的点阵类型不变。根据溶质原子的分布，固溶体可分为置换固溶体及间隙固溶体。一般来说，固溶体都有一定的成分范围。化合物则既不是溶剂的点阵，也不是溶质的点阵，而是构成了一个新的点阵。虽然化合物通常可

4、以用一个化学式（如AxBy）表示，但有许多化合物，特别是金属与金属间形成的化合物往往或多或少由一定的成分范围。材料的成分不同其性能也不同。对同一成分的材料也可通过改变内部结构和组织状态的方法，改变其性能，这促进了人们对材料内部结构的研究。组成材料的原子的结构决定了原子的结合方式，按结合方式可将固体材料分为金属、陶瓷和聚合物。根据其原子排列情况，又可将材料分为晶体与非品体两大类。本章首先介绍材料的晶体结构。基本要求：1.认识材料的3大类别：金属、聚合物和陶瓷及其分类的基础。2.建立原子结构的特征，了解影响原子大小的各种因素。3.建立单位晶胞的概念，

5、以便用来想像原子的排列；在不同晶向和镜面上所存在的长程规则性;在一维、二维和三维空间的堆积密度。4.熟悉常见晶体中原子的规则排列形式，特别是bcc，fcc以及hcp。我们看到的面心立方结构，除fcc金属结构外，还有NaCl结构和金刚石立方体结构。5.掌握晶向、晶面指数的标定方法。一般由原点至离原点最近一个结点（u,v,w）的连线来定其指数。如此放像机定为[u,v,w]。u,v,w之值必须使互质。晶面指数微晶面和三轴相交的3个截距系数的倒数，约掉分数和公因数之后所得到的最小整数值。若给出具体的晶向、镜面时会标注“指数”时，会在三维空间图上画出其位置

6、。6.理解Hume-Rothery规则，能用事例说明影响固溶度（摩尔分数）的因素（原子尺寸、电负性、电子浓度及晶体结构）。7.熟悉下列概念和术语：金属学、材料科学基础；晶体、非晶体；结合能、结合键、键能；离子键、共价键、金属键、分子键、氢键；金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料；晶体结构、晶格、晶胞、晶系、布拉菲点阵；晶格常数、晶胞原子数、配位数、致密度；晶面、晶向、晶面指数、晶向指数、晶面族、晶向族；各向异性、各向同性；原子堆积、同素异构转变;陶瓷、离子晶体、共价晶体。1.1材料的结合方式1．1．1化学键    组成物质整体的质点(原子、分

7、子或离子)问的相互作用力叫化学键。由于质点相互作用时，其吸引和排斥情况的不同，形成了不同类型的化学控，主要有共价健、离子键和金属链。1．共价键    原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合，形成共价键。金刚石、单质硅、SiC等属于共价键。共价键具有方向性，故共价键材料是脆性的。具有很好的绝缘性。2．离子键    大部分盐类、碱类和金属氧化物在固态下是不能导电的．熔融时可以导电。这类化合物为离子化合物。当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子

8、成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。在Nacl晶体中，离子型晶体中，正、负离子间有很强的电的吸引力，所以有较高熔点，故离