材料科學課件與試題

篇一：材料科學基礎課件(山大)

材料科學基礎

上課班級：金屬材料00級

主講教師： 呂 宇 鵬

緒 論

1 課程性質：技術基礎課。

2 學習材料科學的重要性

（1）材料科學

研究材料的成分、組織結構、加工工藝與性能之間關係的科學。（四要素關係如

2）材料科學在社會與社會發展中的地位

① 社會需求是材料發展的巨大動力

信息與材料：信息獲取（傳感器：化合物）－信息傳遞（光纖：無機、有機材料）－信息貯存（金屬與合金）－信息顯示（用於液晶顯示的非晶硅、有機液晶材料）－信息處理（處理器芯片硅－鍺）。

② 能源與材料：貯氫材料（鈦錳及稀土類合金）、太陽能電池材料（硅、合金、化合物）、核能用材料（鋯合金等）。

③ 航空航天材料：發動機（高温合金，金屬基複合材料，陶瓷與陶瓷基複合材料）、汽輪機部件（纖維增強金屬基複合材料、陶瓷基複合材料）、火箭噴嘴（難熔金屬）等。

④ 人與材料：金屬、無機、高分子及其複合材料。

（3）材料的四大家族

① 金屬材料：綜合性能等。

② 陶瓷材料：高温、穩定性能等。

③ 高分子材料；耐腐蝕等特殊性能。

④ 複合材料：1＋1大於2。

3 內容安排

（1）內容核心：材料的化學成分、組織結構、加工工藝與性能之間的關係及其在各種條件下的變化規律。

（2）內容結構

材料學原理（1－8章）―相變原理（9章）―工程與功能材料學（10－11章）

（3）學時安排

總學時：114 （週一3，4；週三1，2；週五1，2）

實 驗：12

4 學習方法

提綱挈領、記好筆記、及時複習。

5 教材與參考書

教材

劉智恩.材料科學基礎.西北工業大學出版社.2000年8月第一版

參考書

石德柯.材料科學基礎.機械工業出版社.1999年5月第一版

趙 品.材料科學基礎教程.哈爾濱工業大學出版社.2002年三月第二版 殷景華.功能材料概率.哈爾濱工業大學出版社.1999年8月第一版

預習名詞：金屬鍵、晶體、空間點陣、晶體結構、晶胞

第一章 材料中的原子排列

第一節 原子的結合方式

1 原子結構

2 原子結合鍵

（1）離子鍵與離子晶體

原子結合：電子轉移，結合力大，無方向性和飽和性；

離子晶體；硬度高，脆性大，熔點高、導電性差。如氧化物陶瓷。

（2）共價鍵與原子晶體

原子結合：電子共用，結合力大，有方向性和飽和性；

原子晶體：強度高、硬度高（金剛石）、熔點高、脆性大、導電性差。如高分子材料。

（3）金屬鍵與金屬晶體

原子結合：電子逸出共有，結合力較大，無方向性和飽和性； 金屬晶體：導電性、導熱性、延展性好，熔點較高。如金屬。

金屬鍵：依靠正離子與構成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使諸原子結合到一起的方式。

（3）分子鍵與分子晶體

原子結合：電子雲偏移，結合力很小，無方向性和飽和性。

分子晶體：熔點低，硬度低。如高分子材料。

氫鍵：（離子結合）X-H---Y（氫鍵結合），有方向性，如O-H—O

（4）混合鍵。如複合材料。

3 結合鍵分類

（1）一次鍵 （化學鍵）：金屬鍵、共價鍵、離子鍵。

（2）二次鍵 （物理鍵）：分子鍵和氫鍵。

4 原子的排列方式

（1）晶體：原子在三維空間內的週期性規則排列。長程有序，各向異性。

（2）非晶體：――――――――――不規則排列。長程無序，各向同性。

第二節 原子的規則排列

一 晶體學基礎

1 空間點陣與晶體結構

（1）空間點陣：由幾何點做週期性的規則排列所形成的三維陣列。圖1-5 特徵：a 原子的理想排列；b 有14種。

其中：

空間點陣中的點－陣點。它是純粹的幾何點，各點周圍環境相同。 描述晶體中原子排列規律的空間格架稱之為晶格。

空間點陣中最小的幾何單元稱之為晶胞。

（2）晶體結構：原子、離子或原子團按照空間點陣的實際排列。

特徵：a 可能存在局部缺陷； b 可有無限多種。

2 晶胞 圖1－6

（1）――－：構成空間點陣的最基本單元。

（2）選取原則：

a 能夠充

分反映空間點陣的對稱性；

b 相等的稜和角的數目最多；

c 具有儘可能多的直角；

d 體積最小。

（3）形狀和大小

有三個稜邊的長度a,b,c及其夾角α,β,γ表示。

（4）晶胞中點的位置表示（座標法）。

3 布拉菲點陣 圖1－7 14種點陣分屬7個晶系。

4 晶向指數與晶面指數

晶向：空間點陣中各陣點列的方向。

晶面：通過空間點陣中任意一組陣點的平面。

國際上通用米勒指數標定晶向和晶面。

（1）晶向指數的標定

a 建立座標系。確定原點（陣點）、座標軸和度量單位（稜邊）。 b 求座標。u’,v’,w’。

c 化整數。 u,v,w.

d 加[ ]。[uvw]。

説明：

a 指數意義：代表相互平行、方向一致的所有晶向。

b 負值：標於數字上方，表示同一晶向的相反方向。

c 晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的一組晶向。用表示，數字相同，但排列順序不同或正負號不同的晶向屬於同一晶向族。

（2）晶面指數的標定

a 建立座標系：確定原點（非陣點）、座標軸和度量單位。b 量截距：x,y,z。

c 取倒數：h’,k’,l’。

d 化整數：h,k,k。

e 加圓括號：(hkl)。

説明：

a 指數意義：代表一組平行的晶面；

b 0的意義：面與對應的軸平行；

c 平行晶面：指數相同，或數字相同但正負號相反；

d 晶面族：晶體中具有相同條件（原子排列和晶面間距完全相同），空間位向不同的各組晶面。用{hkl}表示。

e 若晶面與晶向同面，則hu+kv+lw=0;

f 若晶面與晶向垂直，則u=h, k=v, w=l。

（3）六方系晶向指數和晶面指數

a 六方係指數標定的特殊性：四軸座標系（等價晶面不具有等價指數）。b 晶面指數的標定

標法與立方系相同(四個截距)；用四個數字(hkil)表示；i=-(h+k)。c 晶向指數的標定

標法與立方系相同(四個座標)；用四個數字(uvtw)表示；t=-(u+w)。 依次平移法：適合於已知指數畫晶向（末點）。

座標換算法：[UVW]~[uvtw]

u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。

（4）晶帶

a ――：平行於某一晶向直線所有晶面的組合。

晶帶軸 晶帶面

b 性質：晶帶用晶帶軸的晶向指數表示；晶帶面//晶帶軸；hu+kv+lw=0

c 晶帶定律

凡滿足上式的晶面都屬於以[uvw]為晶帶軸的晶帶。推論：

(a) 由兩晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶帶軸[uvw]：

u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。

(b) 由兩晶向[u1v1w1][u2v2w2]求其決定的晶面(hkl)。

H=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。

（5）晶面間距

a ――：一組平行晶面中，相鄰兩個平行晶面之間的距離。

b 計算公式（簡單立方）：

d=a/(h2+k2+l2)1/2

注意：只適用於簡單晶胞；對於面心立方hkl不全為偶、奇數、體心立方h+k+l=奇數時，d(hkl)=d/2。

二 典型晶體結構及其幾何特徵

篇二：同濟大學材料科學基礎習題1

材料科學基礎習題1（顧書英）

1． 原子結構、原子鍵合、高分子鏈結構

（1） 簡述原子間結合鍵的種類及各自的特點，並結合具體材料或物質闡述鍵合

特點與性能特點之間的相關性。

（2） 圖示金屬、離子晶體和高分子材料勢能與原子間距曲線的相對關係。a、b、

c分別代表哪類材料？

（3） 簡述高分子鏈近程結構和遠程結構的概念及其所包括的`內容。

（4） 從分子鏈結構特點，説明熱塑性和熱固性高分子材料受熱後的表現。

篇三：同濟821材料科學基礎

一.簡答題（每題10分）

1.簡述共價鍵，離子鍵和金屬鍵對材料結構和性能的影響。

2.請畫出面心立方，體心立方和密排六方三種排列方式的圖，計算緻密度。

3.晶體的基本性質，舉例詳細説明。

4.不同缺陷對材料結構和性能的影響，用哪種方法可以研究晶體缺陷？

5.高分子的柔順性，影響高分子柔順性的因素。

6.相變過程過冷度對形核功和臨界晶核半徑的影響及原因，均勻形核和非均勻形核對過冷度需求不同的原因。

7.刃型位錯和螺型位錯的異同點，什麼情況下滑移位錯和孿晶可以成為塑性形變的主要方式。

8.推導布拉格方程，及説明其在X繞射分析和電子選取繞射分析的應用。

9.紅外吸收光譜的產生條件和特點，以及在材料研究中的應用。

二.分析題（每題15分）

1.電子轟擊樣品可以產生哪些物理信號，其中哪些可以用於分析樣品表面形貌特徵？相襯度是如何產生的？為什麼電子顯微鏡的分辨能力比光學顯微鏡高？

2.熱分析及其種類，如何運用熱分析區分脱水，氧化，結晶，熔化，玻璃化轉變？

3.金屬材料，無機材料，高分子材料各自的弱點，舉一類材料説明如何改善其弱點？

4.舉例説明材料組成，工藝，結構，性能的關係。