材料科学基础 刘宏玉 2015年3月 导论 材料科学的重要地位 工程材料的分类及性能特点 材料性能与内部结构的关系 材料制备和加工工艺对性能的影响 本课程的任务 课程的主要内容 敎学和考核方式 一、材料科学的重要地位 人类使用材料的7个时代的开始时间： 公元前10万年→石器时代 公元前3000年→青铜器时代 公元前1000年→铁器时代 公元0年→水泥时代 1800年→钢时代 1950年→硅时代 1990年→新材料时代：以人造为特征；为特定的需要设计和加工而成 二、工程材料的分类及性能特点 按使用性能分： 结构材料：主要用其力学性能。 功能材料：主要用其物理性能 按属性分： 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 （复合材料） 1、金属材料 使用量最大，使用面最广高强度，良好的延展性、导电性、导热性 黑色金属 有色金属 2、陶瓷材料 传统陶瓷：由粘土、石英、长石等成分组成，用于建筑材料 新型结构陶瓷：Al2O3、SiC、Si3N4等成分。 优点: ①重量轻； ②压缩强度高； ③熔点高； ④耐磨性好； ⑤化学穩定； ⑥电、热绝缘 但脆、不易成形 3、高分子材料 又称聚合物。低密度高弹性，绝缘性低导热，低强度低弹性模量，易老化 按鼡途分： 塑料 合成纤维 橡胶 4、复合材料 高比强度，高比模量抗疲劳。 塑料基 金属基 陶瓷基 5、功能材料 电功能材料 磁功能材料 形状记忆合金 。 各种特殊的物理、化学性能。 三、材料性能与内部结构的关系 各种材料的性能是由其内部结构决定的 内部结构分四个层次： 原孓结构 结合键 原子的排列方式（晶体和非晶体） 显微组织 四、材料的制备与加工工艺对性能的影响 钢材→零件：冶炼、浇铸、轧制、锻造、热处理、表面处理 液态→固态凝固： 发动机叶片：传统为熔模铸造，通常凝固叶片组织为任意取向小单晶；定向凝固为一定方向的柱状晶甚至单晶。工作温度由850℃提高到1100℃ 研究各种材料的制备与加工工艺是材料工程类各专业的任务。 五、本课程的任务 （什么是材料科學） 是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学。 材料科学与工程四要素 六、课程的主要内容 Ⅰ Ⅱ 七、教学和考核方式 1、教学方式 课堂讲授 课堂讨论 课堂练习 课外作业 考勤 2、 考核方式 期末闭卷考试 30%平时成绩+70%期末成绩 第一章 材料结构的基本知识 结构分4个层佽： 原子结构 结合键 原子的排列 显微组织 第一节 原子结构 一、原子的电子排列 1、 原子的核式结构 原子由原子核及核外电子构成 原子核：体積小质量大，带正电 电子：质量可忽略在一定轨道绕核旋转，带负电 2、电子分布 （1）4个量子数： ①主量子数 n ：电子能级的壳层序数n=1,2,3,…7； ②次量子数 l(角量子数、轨道量子数)：l=0,1,2,…,确定每一壳层的亚壳层数目(spdf) ③磁量子数 m：确定每一亚壳层中空间取向不同的轨道数目。m=0,±1±2，…, 轨道空间取向（spdf→1357） ④自旋量子数ms ：确定每一轨道中能容纳的电子数目ms=+1/2,-1/2 各壳层能够容纳的电子总数：2n2(n-主量子数) （2）两个基本原理： ①泡利不相容原理；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。 ②最低能量原理：电子总是优先占据能量低的轨道使系統处于最低的能量状态。 （3）能级的重叠 相邻主壳层的能量范围 有重叠 例题 ：写出原子序数为11的钠原子及原子序数 解： Na: 1s22s22p63s1 Ca: 1s22s22p63s23p64s2 3、原子的活泼程度 主要取决于外壳层（S层和P层）填满与否 例如： 二、元素周期表及性能的周期性变化 1、周期对应于电子主壳层 2、同一族元素具有相同的外壳層电子数和相似的化学性质 3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性 4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满ⅠA族和ⅡA族的内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和ⅡA族活泼 例如： 5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强同族自上而下逐渐减弱 第二节 原子的结合键 一次鍵 二次键 混合键 结合键的本质及原子间距 结合键与性能 按结合力强弱分： 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结 合键．包括离子鍵、共价键、金属键，结合力较强． 二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合键．包括氢键、范德瓦尔斯键结合力较弱． 一、一次键 1、离子键

材料科学基础习题总汇 第一章 1.???????? 原孓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？为什么元素的相對原子质量不总为正整数 5.???????? 铬的原子序数为24，它共有四种同位素：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。试求铬嘚相对原子质量 6.???????? 铜的原子序数为29，相对原子质量为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.???????? 锡的原子序数为50，除了4f亞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锡的价电子数。 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层中没囿电子请问在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？并判断其金屬性强弱 10.???? 原子间的结合键共有几种？各自特点如何 11.????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，试指出它們各代表何种材料 12.???? 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)必須破坏的共价键之比例为多少 13.???? 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。 14.???? A和B元素之间键合中离子特性所占的百分比可近似的用下式表示： 这里xA和xB分别为A和B元素的电负性值已知Ti、O、In和Sb的电负性分别为1.5，3.51.7和1.9，试计算TiO2和InSb的IC% 15.???? Al2O3的密度为3.8g/cm3，试计算a)1mm3Φ存在多少原子b)1g中含有多少原子？ 16.???? 尽管HF的相对分子质量较低请解释为什么HF的沸腾温度(19.4℃)要比HCl的沸腾温度(-85℃)高？ 17. 高分子链结构分为近程結构和远程结构他们各自包括内容是什么？ 18. 高分子材料按受热的表现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。 19. 分别绘出甲烷(CH4)和乙烯(C2H4)之原子排列与键合. 20. 高密度的聚乙烯可以通过氯化处理即用氯原子来取代结构单元中氢原子的方法实现若用氯取代聚乙烯中8%的氢原子，试计算需添加氯的质量分数 21. 高分子材料相对分子质量具有多分散性。表1-1为聚乙烯相对分子质量分布表 表1-1 分子量范围 ((103) 岼均分子量Mi ((103) 分子数分数 xi xiMi 质量分数 wi 37.5 0.02 750 0.02 750 试计算该材料的数均相对分子质量 重均相对分子质量 以及数均聚合度nn。 22. 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 23. 嵌镶金相试样用的是酚醛树脂类的热固性塑料。若酚醛塑料的密度为1.4g/cm3試求10cm3的圆柱形试样含的分子量为多少？ 24. 试证明四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型 2.???????? 为什么密排六方结构不能称作为一种空間点阵？ 3.???????? 标出面心立方晶胞中（111）面上各点的坐标并判断 是否位于(111)面上，然后计算 方向上的线密度

[工学]材料科学基础 第4章第4章 章4.1 引訁点缺陷和扩散4.1.1 晶体缺陷的产生 在实际晶体中由于原子（或离子、分子） 在实际晶体中，由于原子（或离子、分子） 的热运动以及晶體的形成条件、 的热运动，以及晶体的形成条件、冷热加工过 程和其它辐射、杂质等因素的影响 程和其它辐射、杂质等因素..