材料科学基础(Foundations of Materials Science)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？1/28/2011 3:16:38 PM 扬州大学机械工程学院16Synthesis+processing StructurePerformance/ApplicationProperties●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为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，Material Science and Engineering）（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●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/jwc/jpkc/index.htm/netcourse/http://202.120.6.136/fms/（上海交大精品课程网）/ghjqy/clkx第1章原子结构与结合键（Ch1 Atom Structure and Link Bond）⏹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2 l + 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m s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。

m s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 、m s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、4 f ．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1S2 2S22p63S1。