材料科学与工程基础
The Fundamentals(Elements,Principles )of
Materials Science & Engineering
An Introduction to Materials Science
材料科学系, 刘天模
绪论
Introduction
材料 (Materials)是国民经济的物质基
础。
广义的材料包括人们的思想意识之
外的所有物质 (substance)
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工农业生产
国防
科学技术
人民生活
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材料品种
数量 国家现代化程度标志之一
质量
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材料
能源 现代技术的三大支柱
信息
材料无处不在，无处不有
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简单→复杂
单一性能→综合性能
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结构材料→功能材料
单一材料→复合材料
材料发展过程
我国材料的历史进程
(Historical perspective)
漫长而又曲折的历程,
（S t o n e A g e ）
石器时代,
石斧、凿、刀、铲、箭头、
纺轮、钵等（西安半坡遗址）
石斧
（B r o n z e A g e )
巨型司母戊鼎
（河南安阳晚商遗址）
青铜器时代,
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
中国古代铁器的金相组织
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
r o n A g e（I ）铁时 器代
古代科技名著：, 考工记, （先秦）,,梦溪笔谈, （宋代沈 括）,
,天工开物, （明代宋应星）
明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态
解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。
一整套材料体系 门类全齐 数量 质量
钢铁突破 2亿吨大关 世界第一
原子弹、氢弹、人造卫星、火箭
长征三号运载火箭在发射架上的图片 宝钢高炉
材料分类 (Classification of
Materials)
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氯
2 3 3 4 2
金属材料（M e t a l l i c M a t e r i a l s ), 钢铁、铝、铜、钛合金
陶瓷材料（C e r a m i c s ）：A l O,S i C,S i N,S i O,T i N
或无机非金属材料（In or ga ni c M at er ia ls )
高分子材料（H i g h P o l y m e r s ),纤维、蛋白质、聚乙烯、聚 乙烯
M a t e l - M a t r i x
复合材料（C o m p o s i t e s ), C o m p o s i t e s
P o l y m e r - M a t r i x
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金属材料－金属学
陶瓷材料－陶瓷学 材料科学基础 突出材料共性教学
高分子材料－高分子物理
材料科学与工程基础是研究材料的成分、
组织结构与性能之间关系
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非金属材料、复合材料：材料学：金属材料、
变形与再结晶：材料变形学：材料的
相图、热处理：材料相变学：凝固、
晶体缺陷构与键合、固体结构、：材料结构学：原子结
VI
III
II
I
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综合实验
常用材料组织观察
察铁碳合金非平衡组织观
铁碳合金平衡组织观察
材料电阻温度系数测定
材料密度测定
验材料科学与工程基础实
学习方法,
培养能力为主，学习知识为辅
要掌握正确的思维方式，不要死记硬背
认真记好笔记，课后短时复习
抓住主线条，不钻牛角尖
考试前及早复习，不要临阵磨枪
积极参加答疑，不要闭门复习
第一章 材料的结构
Structure of Material
?材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。
?材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。
第一节 结合键
Binding Bond
一、结合力与结合能
双原子模型,
d0 dc
A B
结合力
排斥力
吸引力
原子间距 d
排
斥
力
＋ F
－ F
吸
引
力
d0 dc
A B
结合能
排斥能
吸引能
原子间距 d
排
斥
能
吸
引
能
EAB
（ a） （ b）
图 1－ 1 双原子作用模型
二、结合键
离子键 氯
钠
NaCl的晶体结构
Si形成的四面体
109°
金属离子
金属键模型
电子气
共价键
金属键
分子键和氢键
三、材料的键性
金属材料
金属材料的结合键主要是金属键。
金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展
性；金属光泽等。
陶瓷村料
陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要
是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料
相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，
但同时陶瓷材料的脆性也很大。
高分子材料
高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成
分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德华
键。尽管范德华键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所
以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好
的力学性能
第二节 晶体学基础
Fundamentals of crystallogphy
一、晶体的概念
晶体的特性
晶体的三大特征,
原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。
空间点阵和晶胞
c
a
X b
β α
γ Y
Z
（ a） （ b） （ c）
简单立方晶体
（ a） 晶体结构 （ b） 晶格 （ c） 晶胞
二、配位数和致密度
配位数
所谓配位数是指晶体中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。
致密度
若把原子看成刚性球, 则原子之间必有空隙存在, 可用原子刚球所占体
积与晶体体积之比来表示晶体结构排列的紧密程度, 称为致密度或密
集系数 。 可用下式表示,
VnVK 0?
例,计算简单立方晶体的致密度
解,简单立方：晶格常数为 a,原子半径为
一个晶胞内所含的原子数 ； ；
所以：致密度
a21
1881 ???n 330 612134 aaV ?? ???????? 3aV?
616 3
3 ?? ???
aaK
三、晶向指数和晶面指数
在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为
晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中的空间位向，就需要引入一个统一的规则来标志它们，这种
统一的标志，叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用的是密勒（ Miller） 指数。
晶向指数
晶向指数的确定步骤如下,
（ 1） 以晶胞中的某一阵点为原点, 以三条棱边为 X,Y,Z轴, 并以晶胞棱边的长度为单位长度；
（ 2） 如果所求晶向未通过坐标原点, 过原点引一条平行于所求晶向的有向直线；
（ 3） 在所引直线上取离原点最近的那个原子, 求出其在 X,Y,Z轴上的坐标；
（ 4） 将三个坐标值按比例化为最小整数, 依次记入方括号 [ ]中, 即得所求晶向指数 。
通常以 [uvw]表示晶向指数的普遍形式，若其中某数为负值，应将负号标注在该数的上方，例
如 。
]111[
[110]
[110]
[111]
[100]
X
Y
Z
图 1－ 7 立方晶系中的三个重要晶向
如图给出了立方晶系中的一些主要晶向的晶向指数。
对于一个晶向指数，表示的不是一个具体的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶
向。如果两个晶向指数数值大小相等，符号相反，则这两组晶向相互平行但是方向相反。
晶向族
在立方晶系中,[111],[111],[111],[111],[111],[111]、
[111],[111]八个晶向, 指的是立方体中四个对角线的方向 。 从晶
体的对称关系来看, 这一组晶向在性质上是等同的, 故总称之为
晶向族 。 原子排列情况相同, 但空间位向不同的所有晶向称为晶
向族, 用 <>表示, 上述八个晶向即可用 <111>表示 。
同理, <100>代表,[100],[010],[001],[100],[010],[001]
六个晶向 。
应当指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指数可以通过改
变指数和正负号的排列组合方式求出。对于其他晶系并不一定适
用。
晶面指数
晶面指数的一般表达式为 （ hkl）, 其确定步骤如下,
（ 1） 与确定晶面指数类似建立坐标系, 但坐标原点应位于待定晶面之外, 以避免
出现零截距 。
（ 2） 以晶格常数为长度单位求出待定晶面在各轴上的截距 。 若晶面与某轴平行,
则认为该晶面在该轴上的截距为无穷大, 其倒数为零 。
（ 3） 取截距的倒数，将其化为最小整数，置于圆括号内，写成（ hkl） 的形式，
即得晶面指数。
如图给出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指数。
X X X
Y Y Y
Z Z Z
（ 100） （ 111） （ 110）
立方晶格中的三种重要晶面
与晶向指数类似，如果有截距为负值，应将负号记在相应的指数上面。晶
面指数（ hkl） 不是指一个晶面，而是代表一组相互平行的晶面。当两个晶面
指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行。
晶面族
在同一晶体结构中, 有些晶面上的原子排列和晶面间距完全相同,
但具有不同的空间位向, 这些晶面均归并为一个晶面族, 用表示 。
例如, 在立方晶系中,
｛ 100｝ 包括 （ 100）,（ 010）,（ 001）
｛ 110｝ 包括 （ 110）,（ 101）,（ 011）,（ 110）,（ 101）,（ 011）
｛ 111｝ 包括 （ 111）,（ 111）,（ 111）,（ 111）
晶面族不仅包括了相互平行的一组晶面, 而且也包括了位向不同,
但晶面间距相等, 原子排列相同的若干组平行晶面 。
在立方晶系中,{hkl}晶面族所包括的晶面可用改变 h,k,l的正
负号及数字的排列组合来求得。但是这种方法不适用于其他晶系。
晶面指数的几何意义
γ
β
α
X
Y
Z
N
O
晶面指数与晶面位向间的关系
A
B
C
D；haOA? ；kaOB? ；laOC?；OAOD??cos ；OBOD??cos ；OCOD??cos
OCOBOA 1:1:1c o s:c o s:c o s ????
∴
lkh,:c o s:c o s:c o s ????即,
从立体几何可知，在正交晶系中,
1c o sc o sc o s 222 ??? ???
所以, 只要晶面指数一旦确定, 晶面位向即可求得 。
因此，晶面 （ hkl） 的法线矢量为,
)(1 222 kljkihlkhON ??? ?????
即晶面 （ hkl） 的法线与晶向 [hkl]的方向平行，这就是晶面指数的几何意义。
如图,ON为晶面（ hkl） 的法线,ON与该晶面交于 D点； OA,OB,OC分别为
（ hkl） 在 X,Y,Z轴上的截距； ON与 X,Y,Z轴之间的夹角分别为 α,β,γ；
cosα,cosβ,cosγ就是法线 ON的方向余弦。立方点阵中晶胞的三个基矢相等，
设其为 a,则根据晶面指数的确定方法可知,
晶带
平行或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带 。 这一组晶
面叫做共带面, 而该直线 （ 用晶向指数表示 ） 叫做晶带轴 。 同
一晶带中各晶面的法线均与晶带轴垂直 。
在立方晶系中，晶向指数与晶面指数的数字和顺序相同时，
该晶向垂直于该晶面，则有 [hkl]⊥ (hkl),就是说该晶向即为该
晶面的法线。 若晶带轴的指数为 [uvw],由矢量代数可以证明，
该晶带轴中的任一晶面（ hkl） 与晶带轴指数间具有下列关系,
0??? lwkvhu
该式又称为晶带方程。
第三节 金属及合金的结构特点
Structure Characteristic of Metal & Alloy
一、常见纯金属的晶格类型
体心立方晶格：记为 BCC
（ a） （ b） （ c）
体心立方晶胞
（ a） 模型； （ b） 晶胞； （ c） 晶胞原子数
属于这种晶格类型的金属有 α -Fe,Cr,W,Mo,V等
致密度：晶格常数为 a,原子半径为； ； ；
所以：致密度
a43
21881 ????n 3
3
0 16
3
4
3
3
4 aaV ?? ???
?
???
?
?? 3aV?
68.08311632 330 ????? ?? aaVnVK
配位数为 8
面心立方晶格：记为 FCC
属于这种晶格类型的金属有 γ － Fe,Cu, Al, Ag,Au,Pb、
Ni等。
（ a） （ b） （ c）
面心立方晶胞
（ a） 模型； （ b） 晶胞； （ c） 晶胞原子数
配位数＝ 12；致密度＝ 0.74
密排六方晶格：记为 HCP
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方体的
侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。属于这种
晶格类型的金属有 Mg,Zn,Be,Cd等。
（ a） （ b） （ c）
密排六方晶胞
（ a） 模型； （ b） 晶胞； （ c） 晶胞原子数
配位数,12；致密度,0.74（与面心立方相同）
晶胞中的间隙
由致密度计算结果可知，晶体中应存在一定数量的间隙。
例如，对于体心立方，致密度 k＝ 0.68,说明仅有 68％的体
积被原子占有，存在 32％的间隙。这些间隙对金属的性能，
合金的相结构，扩散以及相变等都有重要的影响。从几何
形状上看，晶格中有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙。
金属原子
八面体间隙
金属原子
四面体间隙
(a) (b)
体心立方结构中的间隙
(a) 八面体间隙 (b) 四面体间隙
面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种，如图
所示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙
金属原子
八面体间隙
金属原子
四面体间隙
(a) (b)
面心立方结构中的间隙
(a) 八面体间隙 (b) 四面体间隙
原子的堆垛方式
前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度与配位数
完全一致，均属于最密排列晶格，但是晶格类型却不同，为了
搞清这个问题，就需要了解原子的堆垛方式。
面心立方结构的原子堆垛方式 密排六方的原子堆垛方式
A层 B层 C层
A层 B层 C层
面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式
二、实际金属的晶体结构
单晶体与多晶体
晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体，称为 单
晶体 。在实际应用中金属材料中较少的用单晶体金属，工程上
使用的金属材料，几乎都是多晶体材料。
通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内
部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不
同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为 晶粒 。每一个晶粒相
当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为 晶界 。这种由许
多晶粒组成的晶体称为 多晶体 。
点缺陷
点缺陷是指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小
（相当于原子尺寸）的一种缺陷。晶体的点缺陷主要包括三
种形式：晶体空位、间隙原子和置换原子，如图所示。
晶体中的点缺陷
－空位； －间隙原子； －置换原子
线缺陷
线缺陷是指在三维空间中两维方向的尺寸较小，在另一
维方向的尺寸相对较大的缺陷，所以又称为一维缺陷。晶体
中最普通的线缺陷就是位错。
位错是晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些有
规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，
根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错，最简
单、最基本的类型有 刃型位错 和 螺型位错 两种，由它们组合
可以构成混合位错和不全位错等线缺陷。
刃型位错
（ a)立体模型 （ b） 平面图
刃型位错示意图
G
H
E
F
晶体局部滑移造成的刃型位错
τ
τ
位错运动示意
螺型位错
C
B A
D
(b)
（ a） 立体模型 ； （ b） 平面图
螺型位错示意图
A B
C
D
(a )
螺型位错示意图
螺型位错示意图
柏氏矢量
柏氏矢量是描述位错几何特性最重要的参数之一。柏氏矢量由柏
氏回路确定。
b
l
l
b
柏氏矢量的物理意义,
柏氏矢量代表晶体的滑移方向。
面缺陷
晶体中的面缺陷是指在两个方向尺寸很大而第三方向尺寸很小，呈面状分布的
缺陷。这类缺陷主要是晶粒边界和亚晶界。
晶界
晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界
处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，
而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要
的面缺陷。
晶界是晶体中的一种重要的缺陷。由于晶界上的原子排列不规则，脱离平衡位
置，所以晶界具有较高的能量，使其具有一系列不同于晶粒内部的特征。例如，
晶界比晶粒容易被腐蚀，熔点较低；原子沿晶界扩散速度快；在常温下晶界对金
属的塑性变形起阻碍作用。因此，金属材料晶粒愈细小，则晶粒愈多，其室温强
度愈高。
亚晶界
实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些
位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过 2° ），如图 1－ 27所示。这些小晶块
称为亚结构，。亚结构之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列的位错
所组成。亚晶界上原子排列也不规则，具有较高的能量，与晶界类似的特征，故
细化亚结构，可显著提高金属的强度。
晶界示意图 亚晶界示意图
固溶体
固溶体是指固态下以某一合金组元为溶剂，在其晶格中溶入
其他组元原子（溶质）后形成的一种合金相，其特点是固溶体具
有溶剂组元的晶格类型。
置换固溶体
溶剂原子
溶质原子
置换固溶体示意图
固溶体中溶质原子引起的晶格畸变示意图
（ a） 正畸变 （ b） 负畸变
(a) (b)
间隙固溶体
当溶质与溶剂原子半径的比值 rb/ra＜ 0.59时，形成间隙固溶
体。溶质原子填充到溶剂晶格的间隙中形成间隙固溶体，如图所
示。形成间隙固溶体的溶质原子通常都是一些原子半径小的非金
属元素，如氢（ 0.046nm）、氧（ 0.061nm）、氮（ 0.071nm）、
碳（ 0.077nm）、硼（ 0.097nm），溶剂则大多数是过渡族元素。
溶剂原子
溶质原子
间隙固溶体示意图
金属间化合物
在合金中，溶质原子浓度超过固溶体的固溶极限时，将会形
成一种晶格结构，特性完全不同任一组元的新相，因其具有金属
性质，称之为金属间化合物。由于它们常处在相图的中间位置，
所以又被称为中间相。中间相分为正常价化合物、电子化合物和
间隙化合物三种。
正常价化合物
正常价化合物就是符合原子价规律的，受电负性控制的一种
金属化合物。如 MnS,MgS,Mg2Si 等。正常价化合物的熔点，
硬度及脆性均较高。
电子化合物
电子化合物通常是 IB族或过渡族元素与 Ⅱ B,Ⅲ A,Ⅳ A和 Ⅴ A
族元素所组成，它们不遵守化合价规律而是按照一定电子浓度比
值形成金属间化合物。电子浓度不同，晶体结构类型也不同。
间隙相
间隙相具有比较简单的晶体结构，如面心立方、密排六方和简单六方
等。金属占据晶格中的正常结点位置，而非金属位于晶格的间隙之中。
间隙化合物
间隙化合物主要是过渡族元素和碳原子所形成的碳化物。在合金钢中
常见的主要是 M3C型（如 F3C）,M7C3型（如 Cr7C3）等。间隙化合物的晶
体结构都很复杂，部分金属元素往往会被另外一种或几种元素所置换，而
形成更为复杂的化合物，如 (Fe,Mn)3C等 。
V原子
C原子
(a) (b)
间隙相和间隙化合物的晶体结构
（ a）间隙相 VC （ b）间隙化合物
第四节 高分子材料的结构特点
Polymer Structures
一、高分子材料概述
高分子的含义
高分子化合物是经常用到和见到的各种塑料、橡胶、纤维等非金属材料的总
称。所谓高分子是是指分子量特别大的有机化合物，是由一种或者多种单体，通
过聚合反应形成的相对分子质量很大的化合物，它是相对于低分子而言。
一般地说，低分子化合物没有什么强度和弹性，而高分子化合物则具有一定
的强度和弹性。
高分子的组成
由一种或几种简单的低分子有机化合物结以重复的方式连接而成，就像一根
链条由众多链环连接在一起一样。
大分子链中的重复结构单元称之为, 链节, 。组成大分子链时，链节的数目
（ n）叫做聚合度。聚合度和高分子的分子量有如下关系,M=m× n
M----高分子的分子量
n----高分子的聚合度
m----链节的分子量
高分子的基本特点
高分子具有和低分子截然不同的结构特征,
（ 1）大分子的可分割性：低分子物质的分子不能用一般的机械方法把它
分开。如果把它分开，它就改变性质（即分解）成另外的物质。高分子
则不然，因为它分子很大。一个分子量很大的分子用外力把它拉断或切
开，变成两个分子后，高分子化合物的性质一般没有明显的改变。高分
子结构的这种特征称为可分割性。
（ 2）具有弹性：高分子化合物在外力作用下容易发生变形，当外力解除，
这种变形就可以恢复到原状。
（ 3）具有可塑性：高分子化合物受热以后先是经过一个较长的软化过程，
而后才能变为可流动的液体。因为高分子化合物是由很长的大分子链所
构成，当链的某一部分受热时，这一部分链的运动能量增加，但由于大
分子链不易传热，因此，除了这一部分受热外，链的其他部分则受热不
多，这些部分的运动能量就不大。只有经过一个较长的时间和温度间隔，
分子链受热部分不断扩大，整个大分子链才会变软。总之，高分子化合
物不可能一下子达到由固体状态变为液体状态。这是高分子化合物具有
可塑性的原因。
（ 4）具有绝缘性：高分子化合物对电、热、声具有良好的绝缘性能。从
结构上看这是因为高分子化合物大都是有机化合物，分子中的化学键都
是共价键，不能电离，因此不能传递电子，又因为大分子呈蜷曲状态，
互相纠缠在一起，在受热，受声作用之后，分子不易振动起来，因而它
对热、声也具有绝缘性。
二、大分子链的分子量及其分布
高聚物分子量的多分散性
高聚物的分子量有两个特点, 一是分子量很大, 二是分子量
多分散性 。 对于低分子化合物而言, 每种分子都有确定的分子量,
分子大小一样, 所以都有固定的分子量 。 而绝大多数高分子聚合
物都是分子量不等的同系物的混合物 。 例如通常所说分子量 10万
的聚乙烯, 可能是由分子量 2万－ 20万大小不同的聚乙烯分子组
成的, 这种现象称为分子量的 多分散性 。
高聚物材料是数量众多的大分子链的聚集体，由于大分子链
长短不同，每根大分子链的分子量也不同。高聚物的分子量用
,平均分子量, 表示，高聚物分子量不是一个确定值，而是一个
数值范围。根据统计平均方法不同，其分子量的表示也不同。如
果按高聚物中各级分的分子数平均叫, 数均分子量,,以表示；
如果按高聚物中各级分的重量平均，得到的是, 重均分子量,,
用表示。此外还有粘均分子量和 Z均分子量等。
常用统计平均分子量的表示
数均分子量
按分子数的统计平均, 定义为,
式中,Mi,第 i组分子的单分子质量； Ni,第 i组分子的分子
数 。
重均分子量
按重量的统计平均, 定义为,
式中,Wi,第 i组分子的总质量 。
?
?
?
i
i
i
ii
n N
MN
M
?
?
?
i
i
i
ii
w W
MW
M
分子量的分布
若要确切地描绘高聚物试样的分子量, 除了给出分子量的统
计平均值外, 还应给出试样的分子量分布, 最理想的是能知道该
试样的分子量分布曲线 。 如图所示为高聚物的分子量分布, 它表
示该高聚物中具有各种分子量的大分子链的重量是不同的 。
高
聚
物
重
量
W
分子量 M
高聚物分子量分布及重均分子量
三、大分子链的组成和构造
组成大分子链的元素
（ 1） 碳链聚合物
主链由碳原子一种元素组成 。 其主链结构如下,
—C—C—C—C—C—C—
乙烯基聚合物就是属于碳链聚合物的一种 。 其链节结构如下,
其中,R叫做官能团或侧基，官能团不同，得到的聚合物也
不同。如 R换为 Cl,得到氯乙烯； R换为 OH（ 羟基），得到乙烯
醇； R换为 CH3,得到丙烯。
H H
C C
H R
（ 2） 杂链聚合物
主链除碳外, 还有其它元素 。 如,
—C—C—O—C—
—C—C—H—C—
—C—C—S—C—
聚酯就是一种典型的杂链聚合物, 其特征是在碳主链中嵌入一个酯
键,
O
—C—O—
（ 3） 元素有机聚合物
主链由氧和其它元素组成, 如,
—O—Si—O—Si—O—
在大分子链中常见的 C,H,O,N等元素都是原子量较小的轻元
素 。 这就决定了高聚物材料比重较小 （ 一般只有 0.9～ 2.0）, 只有
钢铁的 1/4～ 1/7。
高分子链结构单元的键接方式和构型
大分子链形成后，由共价键固定的链内原子和原子团的几何
排列即固定不变。任何大分子链都是由链节按一定的方式连接而
成的。
键接方式, 结构单元在链中的连接方式和顺序决定于单体及合
成反应的性质 。
空间构型,高分子中结构单元由化学键所固定的原子在空间的
几何排列称为分子链的 构型 。 即使分子链组成相同, 但由于取代
基的位置不同, 也可有不同的立体构型 。 如乙烯类高分子链一般
有以下三种立体构型,
1） 全同立构 取代基 R全部处于主链的同一侧 。
2） 间同立构 取代基 R相间地分布在主链的两侧 。
3） 无规立构 取代基 R在主链的两侧作不规则的分布 。
高分子链的构象及柔顺性
（ 1）高分子链的构象
单键内旋转
由于单键内旋转所引起的原子在空间占据不同位置所构成的
分子链的各种形象，称为高分子链的构象。
（ 2） 高分子链的柔顺性
由构象变化获得不同卷曲程度的特性, 称为高分子链的柔顺性 。 高
分子链的柔顺性与单键内旋转难易程度有关 。
C1
109o28,ˊ
C2
C3
C4
碳链 C—C键的内旋转示意图
伸展链
无规线团链
折叠链
螺旋链
单个大分子链的几种构象示意图
高分子链的几何形状
由于聚合反应的复杂性, 在合成聚合物的过程中, 可以发生各
种各样的反应形式, 所以高分子链也会呈现出各种不同的形态 。
一般说来, 高分子链的几何形状有以下三种,
（ 1） 线型高分子,由许多链节组成的长链, 通常是卷曲成线团状 。
这类高聚物的特点是弹性, 塑性好, 硬度低, 是热塑性高聚物 。
此类材料加热后软化, 冷却后又硬化成型, 随温度变化可以反复
进行 。 聚乙烯, 聚氯乙烯等烯类聚合物都属于典型的 热塑性高聚
物 。
（ 2） 支链型高分子 在主链上带有支链 。 这类高聚物的性能和加工
都接近于线型高分子, 也属于 热塑性高聚物 。
（ 3）体型 (网状 )高分子 分子链之间有许多链节互相交联，呈三
维网状结构。这类高聚物的硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是
热固性高聚物 。此类材料受热发生化学变化而固化成型，成型后
再受热也不会软化变形，如酚醛树脂、环氧树脂等。
三、高分子材料的聚集态结构
组成物质的分子聚集在一起的状态称为物质的聚集态。一般
物质的聚集态可分为气体、液体和固体。高分子的聚集态结构，
是指高分子材料内部高分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称
为超分子结构，它是在高分子材料加工成型过程中形成的。高分
子链之间以范德瓦尔斯键或氢键结合，键虽弱，但因分子链很长，
故链间总作用力为各链节作用力与聚合度之积，因而大大超过链
内共价键。显然，高分子的聚集态结构与高分子材料的性能有着
直接关系。
第五节 无机非金属材料的结构特点
Structures of Inorganic Nonmetallic
Materials (Ceramics)
陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的
多晶多相固体物质，它实际上是各种无机非金
属材料的统称。传统上, 陶瓷, 是陶器与瓷器
的总称。后来，发展到泛指整个硅酸盐材料，
包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。
一、陶瓷材料的结构特点
陶瓷材料在热和化学环境中比它们的组元更稳定，通常比相
应的金属或聚合物更硬。陶瓷和金属类似，具有晶体构造，但与
金属不同的是其结构中并没有大量的自由电子。这是因为陶瓷是
以离子键或共价键 为主的离子晶体 (如 MgO,Al2O3等 )或共价晶体
(如 SiC,Si3N4等 )。
在室温下，陶瓷材料的典型组织是由晶体相、玻璃相和气相
组成。
二、陶瓷晶体相
晶体相是组成陶瓷的基本相，也称主晶相。它往往决定着陶
瓷的力学、物理、化学性能。例如由离子键结合的氧化铝晶体组
成的刚玉陶瓷，具有机械强度高、耐高温及抗腐蚀等优良性能。
氧化物结构和硅酸盐结构是陶瓷晶体中最重要的两类结构。它们
的共同特点是：①结合键主要是离子键，或含有一定比例的共价
键；②有确定的成分，可以用准确的分子式表示。
氧化物结构
氧化物结构的特点是较大的氧离子紧密排列成晶体结构，较
小的正离子填充在它们的空隙内。根据正离子所占空隙的位置和
数量的不同，形成各种不同结构的氧化物，如下表所示。
结构类型 晶体结构 陶瓷中主要化合物
AX型 面心立方 碱土金属氧化物 MgO,BaO等, 碱金属卤化物, 碱
土金属硫化物
AX2型 面心立方 CaF2(萤石 ),ThO2,VO2等 简单四方 TiO
2(金红石 ),SiO2(高温方石英 )等
A2X3型 菱形晶体 α-Al2O3(刚玉 )
ABX3型 简单立方 CaTiO3(钙钛矿 ),BaTiO3等 菱形晶系 FeTiO
3(钛铁矿 ),LiNbO3等
AB2X4型 面心立方 MgAl2O4(尖晶石 )等 100多种
硅酸盐结构
硅酸盐材料在自然界中大量存在，约占已知矿物的三分之一。
许多陶瓷材料都包含硅酸盐，一方面是因为硅酸盐丰富和便宜，
另一方面则是因为它们具有在工程上有用的某些独特性能。普通
水泥是人们最熟悉的硅酸盐，它最明显的优势是能将岩石骨料结
合成整块材料。
（ 1）硅酸盐四面体单元
O2－
Si4+
硅氧四面体结构
（ 2）硅酸盐结构分类
硅氧四面体的四个顶点均分布有 O2-,所以它能与周围其它阳
离子或另一个硅氧四面体连接起来。当整个硅氧四面体连接时由
于 O2-的排斥作用，使得各顶点只能以共有的形式相连接。但一个
顶点最多只能两个四面体共有，连接方式不同，硅酸盐化合物的
形式也就不同。
硅酸盐具有下列结构特点,
① 结构中 Si4+间没有直接的键, 而它们是通过 O2–连接起来的 。
② 结构是以硅氧四面体为基础的 。
③ 每一个 O2–只能连接 2个硅氧四面体 。
④ 硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面连接。
陶瓷晶体相中的缺陷
陶瓷材料是多晶体，同金属一样，有晶粒、晶界，有亚晶粒、
亚晶界。在一个晶粒内，也有线缺陷（位错）和点缺陷（空位和
间隙原子），这些晶体缺陷的作用亦类同金属晶体中的缺陷。如
果陶瓷的晶粒细小，晶界总面积大，则陶瓷材料的强度大；空位
和间隙原子可加速陶瓷工艺过程中烧结时的扩散，并且也影响物
理性能。但是，陶瓷晶体中的位错，却不像金属中的位错对变形
和强化起着那样重要的作用，因为陶瓷晶体的晶格常数比合金的
晶格常数大得多，而且结构复杂，位错运动极为困难，同时还很
难产生新的位错。所以陶瓷在常温下几乎没有塑性变形能力，即
脆性大。
三、玻璃相
陶瓷制品, 在烧结过程中, 有些物质, 如作为主要原料的 SiO2
已处在熔化状态 。 但在熔点附近, SiO2的粘度很高, 原子迁移困
难, 所以当液态 SiO2冷却到熔点以下时, 原子不能排列成长为有
序 （ 晶体 ） 状态, 而形成过冷液体 。 当过冷液体继续冷却到玻璃
化转变温度 Tg时, 则凝固为非晶态的玻璃相 。 因此, 玻璃相就是
陶瓷高温烧结时各组成物和杂质产生一系列物理, 化学反应后形
成的一种非晶态物质 。 它的结构是由离子多面体 （ 如硅氧四面体 ）
构成短程有序排列的空间网络 。
玻璃相在陶瓷组织中的作用是：粘结分散的晶体相，降低烧
结温度，抑制晶粒长大和填充气孔使陶瓷致密等。
玻璃相的熔点低、热稳定性差，使陶瓷在高温下容易产生蠕
变，从而降低高温下的强度。此外，由于玻璃相结构疏松，空隙
中常有金属离子填充，因而降低了陶瓷的电绝缘性，增加介电损
耗。所以工业陶瓷必须控制玻璃相的含量，一般为 20％～ 40％，
特殊情况下可达 60％。
四、气相
气相是指陶瓷孔隙中的气体即气孔，是在陶瓷生产过程中形成，
并被保留下来的。陶瓷中的气孔有开放气孔和封闭气孔两种。
气孔对陶瓷性能有显著影响 。 如果是表面开口的, 会使陶瓷质
量下降 。 如果存在于陶瓷内部 （ 闭孔 ）, 不易被发现, 这常常是
产生裂纹的原因, 使陶瓷性能大幅下降, 如组织致密性下降, 应
力集中, 脆性增加, 介电损耗增大, 电击穿强度下降, 绝缘性降
低等等 。 因此生产上要控制气孔数量, 大小及分布 。
陶瓷材料的气孔量用气孔的相对体积（气孔率）来表示，它
是衡量陶瓷材料质量的重要标志。开放气孔和封闭气孔在材料中
的总相对体积称为真气孔率；开放气孔的相对体积称为显气孔率。
普通陶瓷的气孔率为 5％～ 10％，特种陶瓷在 5％以下，金属陶瓷
要求在 0.5％以下。若要求陶瓷材料密度下，绝缘性好时，则希望
有一定量气相存在。
The Fundamentals(Elements,Principles )of
Materials Science & Engineering
An Introduction to Materials Science
材料科学系, 刘天模
绪论
Introduction
材料 (Materials)是国民经济的物质基
础。
广义的材料包括人们的思想意识之
外的所有物质 (substance)
?
?
?
?
?
?
?
工农业生产
国防
科学技术
人民生活
?
?
?
?
?
材料品种
数量 国家现代化程度标志之一
质量
?
?
?
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?
材料
能源 现代技术的三大支柱
信息
材料无处不在，无处不有
?
?
?
简单→复杂
单一性能→综合性能
?
?
?
结构材料→功能材料
单一材料→复合材料
材料发展过程
我国材料的历史进程
(Historical perspective)
漫长而又曲折的历程,
（S t o n e A g e ）
石器时代,
石斧、凿、刀、铲、箭头、
纺轮、钵等（西安半坡遗址）
石斧
（B r o n z e A g e )
巨型司母戊鼎
（河南安阳晚商遗址）
青铜器时代,
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
中国古代铁器的金相组织
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
r o n A g e（I ）铁时 器代
古代科技名著：, 考工记, （先秦）,,梦溪笔谈, （宋代沈 括）,
,天工开物, （明代宋应星）
明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态
解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。
一整套材料体系 门类全齐 数量 质量
钢铁突破 2亿吨大关 世界第一
原子弹、氢弹、人造卫星、火箭
长征三号运载火箭在发射架上的图片 宝钢高炉
材料分类 (Classification of
Materials)
?
?
?
?
?
?
?
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氯
2 3 3 4 2
金属材料（M e t a l l i c M a t e r i a l s ), 钢铁、铝、铜、钛合金
陶瓷材料（C e r a m i c s ）：A l O,S i C,S i N,S i O,T i N
或无机非金属材料（In or ga ni c M at er ia ls )
高分子材料（H i g h P o l y m e r s ),纤维、蛋白质、聚乙烯、聚 乙烯
M a t e l - M a t r i x
复合材料（C o m p o s i t e s ), C o m p o s i t e s
P o l y m e r - M a t r i x
??
?
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??
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?
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金属材料－金属学
陶瓷材料－陶瓷学 材料科学基础 突出材料共性教学
高分子材料－高分子物理
材料科学与工程基础是研究材料的成分、
组织结构与性能之间关系
?
?
?
?
?
?
?
非金属材料、复合材料：材料学：金属材料、
变形与再结晶：材料变形学：材料的
相图、热处理：材料相变学：凝固、
晶体缺陷构与键合、固体结构、：材料结构学：原子结
VI
III
II
I
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
综合实验
常用材料组织观察
察铁碳合金非平衡组织观
铁碳合金平衡组织观察
材料电阻温度系数测定
材料密度测定
验材料科学与工程基础实
学习方法,
培养能力为主，学习知识为辅
要掌握正确的思维方式，不要死记硬背
认真记好笔记，课后短时复习
抓住主线条，不钻牛角尖
考试前及早复习，不要临阵磨枪
积极参加答疑，不要闭门复习
第一章 材料的结构
Structure of Material
?材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。
?材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。
第一节 结合键
Binding Bond
一、结合力与结合能
双原子模型,
d0 dc
A B
结合力
排斥力
吸引力
原子间距 d
排
斥
力
＋ F
－ F
吸
引
力
d0 dc
A B
结合能
排斥能
吸引能
原子间距 d
排
斥
能
吸
引
能
EAB
（ a） （ b）
图 1－ 1 双原子作用模型
二、结合键
离子键 氯
钠
NaCl的晶体结构
Si形成的四面体
109°
金属离子
金属键模型
电子气
共价键
金属键
分子键和氢键
三、材料的键性
金属材料
金属材料的结合键主要是金属键。
金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展
性；金属光泽等。
陶瓷村料
陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要
是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料
相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，
但同时陶瓷材料的脆性也很大。
高分子材料
高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成
分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德华
键。尽管范德华键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所
以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好
的力学性能
第二节 晶体学基础
Fundamentals of crystallogphy
一、晶体的概念
晶体的特性
晶体的三大特征,
原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。
空间点阵和晶胞
c
a
X b
β α
γ Y
Z
（ a） （ b） （ c）
简单立方晶体
（ a） 晶体结构 （ b） 晶格 （ c） 晶胞
二、配位数和致密度
配位数
所谓配位数是指晶体中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。
致密度
若把原子看成刚性球, 则原子之间必有空隙存在, 可用原子刚球所占体
积与晶体体积之比来表示晶体结构排列的紧密程度, 称为致密度或密
集系数 。 可用下式表示,
VnVK 0?
例,计算简单立方晶体的致密度
解,简单立方：晶格常数为 a,原子半径为
一个晶胞内所含的原子数 ； ；
所以：致密度
a21
1881 ???n 330 612134 aaV ?? ???????? 3aV?
616 3
3 ?? ???
aaK
三、晶向指数和晶面指数
在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为
晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中的空间位向，就需要引入一个统一的规则来标志它们，这种
统一的标志，叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用的是密勒（ Miller） 指数。
晶向指数
晶向指数的确定步骤如下,
（ 1） 以晶胞中的某一阵点为原点, 以三条棱边为 X,Y,Z轴, 并以晶胞棱边的长度为单位长度；
（ 2） 如果所求晶向未通过坐标原点, 过原点引一条平行于所求晶向的有向直线；
（ 3） 在所引直线上取离原点最近的那个原子, 求出其在 X,Y,Z轴上的坐标；
（ 4） 将三个坐标值按比例化为最小整数, 依次记入方括号 [ ]中, 即得所求晶向指数 。
通常以 [uvw]表示晶向指数的普遍形式，若其中某数为负值，应将负号标注在该数的上方，例
如 。
]111[
[110]
[110]
[111]
[100]
X
Y
Z
图 1－ 7 立方晶系中的三个重要晶向
如图给出了立方晶系中的一些主要晶向的晶向指数。
对于一个晶向指数，表示的不是一个具体的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶
向。如果两个晶向指数数值大小相等，符号相反，则这两组晶向相互平行但是方向相反。
晶向族
在立方晶系中,[111],[111],[111],[111],[111],[111]、
[111],[111]八个晶向, 指的是立方体中四个对角线的方向 。 从晶
体的对称关系来看, 这一组晶向在性质上是等同的, 故总称之为
晶向族 。 原子排列情况相同, 但空间位向不同的所有晶向称为晶
向族, 用 <>表示, 上述八个晶向即可用 <111>表示 。
同理, <100>代表,[100],[010],[001],[100],[010],[001]
六个晶向 。
应当指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指数可以通过改
变指数和正负号的排列组合方式求出。对于其他晶系并不一定适
用。
晶面指数
晶面指数的一般表达式为 （ hkl）, 其确定步骤如下,
（ 1） 与确定晶面指数类似建立坐标系, 但坐标原点应位于待定晶面之外, 以避免
出现零截距 。
（ 2） 以晶格常数为长度单位求出待定晶面在各轴上的截距 。 若晶面与某轴平行,
则认为该晶面在该轴上的截距为无穷大, 其倒数为零 。
（ 3） 取截距的倒数，将其化为最小整数，置于圆括号内，写成（ hkl） 的形式，
即得晶面指数。
如图给出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指数。
X X X
Y Y Y
Z Z Z
（ 100） （ 111） （ 110）
立方晶格中的三种重要晶面
与晶向指数类似，如果有截距为负值，应将负号记在相应的指数上面。晶
面指数（ hkl） 不是指一个晶面，而是代表一组相互平行的晶面。当两个晶面
指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行。
晶面族
在同一晶体结构中, 有些晶面上的原子排列和晶面间距完全相同,
但具有不同的空间位向, 这些晶面均归并为一个晶面族, 用表示 。
例如, 在立方晶系中,
｛ 100｝ 包括 （ 100）,（ 010）,（ 001）
｛ 110｝ 包括 （ 110）,（ 101）,（ 011）,（ 110）,（ 101）,（ 011）
｛ 111｝ 包括 （ 111）,（ 111）,（ 111）,（ 111）
晶面族不仅包括了相互平行的一组晶面, 而且也包括了位向不同,
但晶面间距相等, 原子排列相同的若干组平行晶面 。
在立方晶系中,{hkl}晶面族所包括的晶面可用改变 h,k,l的正
负号及数字的排列组合来求得。但是这种方法不适用于其他晶系。
晶面指数的几何意义
γ
β
α
X
Y
Z
N
O
晶面指数与晶面位向间的关系
A
B
C
D；haOA? ；kaOB? ；laOC?；OAOD??cos ；OBOD??cos ；OCOD??cos
OCOBOA 1:1:1c o s:c o s:c o s ????
∴
lkh,:c o s:c o s:c o s ????即,
从立体几何可知，在正交晶系中,
1c o sc o sc o s 222 ??? ???
所以, 只要晶面指数一旦确定, 晶面位向即可求得 。
因此，晶面 （ hkl） 的法线矢量为,
)(1 222 kljkihlkhON ??? ?????
即晶面 （ hkl） 的法线与晶向 [hkl]的方向平行，这就是晶面指数的几何意义。
如图,ON为晶面（ hkl） 的法线,ON与该晶面交于 D点； OA,OB,OC分别为
（ hkl） 在 X,Y,Z轴上的截距； ON与 X,Y,Z轴之间的夹角分别为 α,β,γ；
cosα,cosβ,cosγ就是法线 ON的方向余弦。立方点阵中晶胞的三个基矢相等，
设其为 a,则根据晶面指数的确定方法可知,
晶带
平行或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带 。 这一组晶
面叫做共带面, 而该直线 （ 用晶向指数表示 ） 叫做晶带轴 。 同
一晶带中各晶面的法线均与晶带轴垂直 。
在立方晶系中，晶向指数与晶面指数的数字和顺序相同时，
该晶向垂直于该晶面，则有 [hkl]⊥ (hkl),就是说该晶向即为该
晶面的法线。 若晶带轴的指数为 [uvw],由矢量代数可以证明，
该晶带轴中的任一晶面（ hkl） 与晶带轴指数间具有下列关系,
0??? lwkvhu
该式又称为晶带方程。
第三节 金属及合金的结构特点
Structure Characteristic of Metal & Alloy
一、常见纯金属的晶格类型
体心立方晶格：记为 BCC
（ a） （ b） （ c）
体心立方晶胞
（ a） 模型； （ b） 晶胞； （ c） 晶胞原子数
属于这种晶格类型的金属有 α -Fe,Cr,W,Mo,V等
致密度：晶格常数为 a,原子半径为； ； ；
所以：致密度
a43
21881 ????n 3
3
0 16
3
4
3
3
4 aaV ?? ???
?
???
?
?? 3aV?
68.08311632 330 ????? ?? aaVnVK
配位数为 8
面心立方晶格：记为 FCC
属于这种晶格类型的金属有 γ － Fe,Cu, Al, Ag,Au,Pb、
Ni等。
（ a） （ b） （ c）
面心立方晶胞
（ a） 模型； （ b） 晶胞； （ c） 晶胞原子数
配位数＝ 12；致密度＝ 0.74
密排六方晶格：记为 HCP
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方体的
侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。属于这种
晶格类型的金属有 Mg,Zn,Be,Cd等。
（ a） （ b） （ c）
密排六方晶胞
（ a） 模型； （ b） 晶胞； （ c） 晶胞原子数
配位数,12；致密度,0.74（与面心立方相同）
晶胞中的间隙
由致密度计算结果可知，晶体中应存在一定数量的间隙。
例如，对于体心立方，致密度 k＝ 0.68,说明仅有 68％的体
积被原子占有，存在 32％的间隙。这些间隙对金属的性能，
合金的相结构，扩散以及相变等都有重要的影响。从几何
形状上看，晶格中有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙。
金属原子
八面体间隙
金属原子
四面体间隙
(a) (b)
体心立方结构中的间隙
(a) 八面体间隙 (b) 四面体间隙
面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种，如图
所示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙
金属原子
八面体间隙
金属原子
四面体间隙
(a) (b)
面心立方结构中的间隙
(a) 八面体间隙 (b) 四面体间隙
原子的堆垛方式
前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度与配位数
完全一致，均属于最密排列晶格，但是晶格类型却不同，为了
搞清这个问题，就需要了解原子的堆垛方式。
面心立方结构的原子堆垛方式 密排六方的原子堆垛方式
A层 B层 C层
A层 B层 C层
面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式
二、实际金属的晶体结构
单晶体与多晶体
晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体，称为 单
晶体 。在实际应用中金属材料中较少的用单晶体金属，工程上
使用的金属材料，几乎都是多晶体材料。
通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内
部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不
同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为 晶粒 。每一个晶粒相
当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为 晶界 。这种由许
多晶粒组成的晶体称为 多晶体 。
点缺陷
点缺陷是指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小
（相当于原子尺寸）的一种缺陷。晶体的点缺陷主要包括三
种形式：晶体空位、间隙原子和置换原子，如图所示。
晶体中的点缺陷
－空位； －间隙原子； －置换原子
线缺陷
线缺陷是指在三维空间中两维方向的尺寸较小，在另一
维方向的尺寸相对较大的缺陷，所以又称为一维缺陷。晶体
中最普通的线缺陷就是位错。
位错是晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些有
规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，
根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错，最简
单、最基本的类型有 刃型位错 和 螺型位错 两种，由它们组合
可以构成混合位错和不全位错等线缺陷。
刃型位错
（ a)立体模型 （ b） 平面图
刃型位错示意图
G
H
E
F
晶体局部滑移造成的刃型位错
τ
τ
位错运动示意
螺型位错
C
B A
D
(b)
（ a） 立体模型 ； （ b） 平面图
螺型位错示意图
A B
C
D
(a )
螺型位错示意图
螺型位错示意图
柏氏矢量
柏氏矢量是描述位错几何特性最重要的参数之一。柏氏矢量由柏
氏回路确定。
b
l
l
b
柏氏矢量的物理意义,
柏氏矢量代表晶体的滑移方向。
面缺陷
晶体中的面缺陷是指在两个方向尺寸很大而第三方向尺寸很小，呈面状分布的
缺陷。这类缺陷主要是晶粒边界和亚晶界。
晶界
晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界
处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，
而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要
的面缺陷。
晶界是晶体中的一种重要的缺陷。由于晶界上的原子排列不规则，脱离平衡位
置，所以晶界具有较高的能量，使其具有一系列不同于晶粒内部的特征。例如，
晶界比晶粒容易被腐蚀，熔点较低；原子沿晶界扩散速度快；在常温下晶界对金
属的塑性变形起阻碍作用。因此，金属材料晶粒愈细小，则晶粒愈多，其室温强
度愈高。
亚晶界
实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些
位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过 2° ），如图 1－ 27所示。这些小晶块
称为亚结构，。亚结构之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列的位错
所组成。亚晶界上原子排列也不规则，具有较高的能量，与晶界类似的特征，故
细化亚结构，可显著提高金属的强度。
晶界示意图 亚晶界示意图
固溶体
固溶体是指固态下以某一合金组元为溶剂，在其晶格中溶入
其他组元原子（溶质）后形成的一种合金相，其特点是固溶体具
有溶剂组元的晶格类型。
置换固溶体
溶剂原子
溶质原子
置换固溶体示意图
固溶体中溶质原子引起的晶格畸变示意图
（ a） 正畸变 （ b） 负畸变
(a) (b)
间隙固溶体
当溶质与溶剂原子半径的比值 rb/ra＜ 0.59时，形成间隙固溶
体。溶质原子填充到溶剂晶格的间隙中形成间隙固溶体，如图所
示。形成间隙固溶体的溶质原子通常都是一些原子半径小的非金
属元素，如氢（ 0.046nm）、氧（ 0.061nm）、氮（ 0.071nm）、
碳（ 0.077nm）、硼（ 0.097nm），溶剂则大多数是过渡族元素。
溶剂原子
溶质原子
间隙固溶体示意图
金属间化合物
在合金中，溶质原子浓度超过固溶体的固溶极限时，将会形
成一种晶格结构，特性完全不同任一组元的新相，因其具有金属
性质，称之为金属间化合物。由于它们常处在相图的中间位置，
所以又被称为中间相。中间相分为正常价化合物、电子化合物和
间隙化合物三种。
正常价化合物
正常价化合物就是符合原子价规律的，受电负性控制的一种
金属化合物。如 MnS,MgS,Mg2Si 等。正常价化合物的熔点，
硬度及脆性均较高。
电子化合物
电子化合物通常是 IB族或过渡族元素与 Ⅱ B,Ⅲ A,Ⅳ A和 Ⅴ A
族元素所组成，它们不遵守化合价规律而是按照一定电子浓度比
值形成金属间化合物。电子浓度不同，晶体结构类型也不同。
间隙相
间隙相具有比较简单的晶体结构，如面心立方、密排六方和简单六方
等。金属占据晶格中的正常结点位置，而非金属位于晶格的间隙之中。
间隙化合物
间隙化合物主要是过渡族元素和碳原子所形成的碳化物。在合金钢中
常见的主要是 M3C型（如 F3C）,M7C3型（如 Cr7C3）等。间隙化合物的晶
体结构都很复杂，部分金属元素往往会被另外一种或几种元素所置换，而
形成更为复杂的化合物，如 (Fe,Mn)3C等 。
V原子
C原子
(a) (b)
间隙相和间隙化合物的晶体结构
（ a）间隙相 VC （ b）间隙化合物
第四节 高分子材料的结构特点
Polymer Structures
一、高分子材料概述
高分子的含义
高分子化合物是经常用到和见到的各种塑料、橡胶、纤维等非金属材料的总
称。所谓高分子是是指分子量特别大的有机化合物，是由一种或者多种单体，通
过聚合反应形成的相对分子质量很大的化合物，它是相对于低分子而言。
一般地说，低分子化合物没有什么强度和弹性，而高分子化合物则具有一定
的强度和弹性。
高分子的组成
由一种或几种简单的低分子有机化合物结以重复的方式连接而成，就像一根
链条由众多链环连接在一起一样。
大分子链中的重复结构单元称之为, 链节, 。组成大分子链时，链节的数目
（ n）叫做聚合度。聚合度和高分子的分子量有如下关系,M=m× n
M----高分子的分子量
n----高分子的聚合度
m----链节的分子量
高分子的基本特点
高分子具有和低分子截然不同的结构特征,
（ 1）大分子的可分割性：低分子物质的分子不能用一般的机械方法把它
分开。如果把它分开，它就改变性质（即分解）成另外的物质。高分子
则不然，因为它分子很大。一个分子量很大的分子用外力把它拉断或切
开，变成两个分子后，高分子化合物的性质一般没有明显的改变。高分
子结构的这种特征称为可分割性。
（ 2）具有弹性：高分子化合物在外力作用下容易发生变形，当外力解除，
这种变形就可以恢复到原状。
（ 3）具有可塑性：高分子化合物受热以后先是经过一个较长的软化过程，
而后才能变为可流动的液体。因为高分子化合物是由很长的大分子链所
构成，当链的某一部分受热时，这一部分链的运动能量增加，但由于大
分子链不易传热，因此，除了这一部分受热外，链的其他部分则受热不
多，这些部分的运动能量就不大。只有经过一个较长的时间和温度间隔，
分子链受热部分不断扩大，整个大分子链才会变软。总之，高分子化合
物不可能一下子达到由固体状态变为液体状态。这是高分子化合物具有
可塑性的原因。
（ 4）具有绝缘性：高分子化合物对电、热、声具有良好的绝缘性能。从
结构上看这是因为高分子化合物大都是有机化合物，分子中的化学键都
是共价键，不能电离，因此不能传递电子，又因为大分子呈蜷曲状态，
互相纠缠在一起，在受热，受声作用之后，分子不易振动起来，因而它
对热、声也具有绝缘性。
二、大分子链的分子量及其分布
高聚物分子量的多分散性
高聚物的分子量有两个特点, 一是分子量很大, 二是分子量
多分散性 。 对于低分子化合物而言, 每种分子都有确定的分子量,
分子大小一样, 所以都有固定的分子量 。 而绝大多数高分子聚合
物都是分子量不等的同系物的混合物 。 例如通常所说分子量 10万
的聚乙烯, 可能是由分子量 2万－ 20万大小不同的聚乙烯分子组
成的, 这种现象称为分子量的 多分散性 。
高聚物材料是数量众多的大分子链的聚集体，由于大分子链
长短不同，每根大分子链的分子量也不同。高聚物的分子量用
,平均分子量, 表示，高聚物分子量不是一个确定值，而是一个
数值范围。根据统计平均方法不同，其分子量的表示也不同。如
果按高聚物中各级分的分子数平均叫, 数均分子量,,以表示；
如果按高聚物中各级分的重量平均，得到的是, 重均分子量,,
用表示。此外还有粘均分子量和 Z均分子量等。
常用统计平均分子量的表示
数均分子量
按分子数的统计平均, 定义为,
式中,Mi,第 i组分子的单分子质量； Ni,第 i组分子的分子
数 。
重均分子量
按重量的统计平均, 定义为,
式中,Wi,第 i组分子的总质量 。
?
?
?
i
i
i
ii
n N
MN
M
?
?
?
i
i
i
ii
w W
MW
M
分子量的分布
若要确切地描绘高聚物试样的分子量, 除了给出分子量的统
计平均值外, 还应给出试样的分子量分布, 最理想的是能知道该
试样的分子量分布曲线 。 如图所示为高聚物的分子量分布, 它表
示该高聚物中具有各种分子量的大分子链的重量是不同的 。
高
聚
物
重
量
W
分子量 M
高聚物分子量分布及重均分子量
三、大分子链的组成和构造
组成大分子链的元素
（ 1） 碳链聚合物
主链由碳原子一种元素组成 。 其主链结构如下,
—C—C—C—C—C—C—
乙烯基聚合物就是属于碳链聚合物的一种 。 其链节结构如下,
其中,R叫做官能团或侧基，官能团不同，得到的聚合物也
不同。如 R换为 Cl,得到氯乙烯； R换为 OH（ 羟基），得到乙烯
醇； R换为 CH3,得到丙烯。
H H
C C
H R
（ 2） 杂链聚合物
主链除碳外, 还有其它元素 。 如,
—C—C—O—C—
—C—C—H—C—
—C—C—S—C—
聚酯就是一种典型的杂链聚合物, 其特征是在碳主链中嵌入一个酯
键,
O
—C—O—
（ 3） 元素有机聚合物
主链由氧和其它元素组成, 如,
—O—Si—O—Si—O—
在大分子链中常见的 C,H,O,N等元素都是原子量较小的轻元
素 。 这就决定了高聚物材料比重较小 （ 一般只有 0.9～ 2.0）, 只有
钢铁的 1/4～ 1/7。
高分子链结构单元的键接方式和构型
大分子链形成后，由共价键固定的链内原子和原子团的几何
排列即固定不变。任何大分子链都是由链节按一定的方式连接而
成的。
键接方式, 结构单元在链中的连接方式和顺序决定于单体及合
成反应的性质 。
空间构型,高分子中结构单元由化学键所固定的原子在空间的
几何排列称为分子链的 构型 。 即使分子链组成相同, 但由于取代
基的位置不同, 也可有不同的立体构型 。 如乙烯类高分子链一般
有以下三种立体构型,
1） 全同立构 取代基 R全部处于主链的同一侧 。
2） 间同立构 取代基 R相间地分布在主链的两侧 。
3） 无规立构 取代基 R在主链的两侧作不规则的分布 。
高分子链的构象及柔顺性
（ 1）高分子链的构象
单键内旋转
由于单键内旋转所引起的原子在空间占据不同位置所构成的
分子链的各种形象，称为高分子链的构象。
（ 2） 高分子链的柔顺性
由构象变化获得不同卷曲程度的特性, 称为高分子链的柔顺性 。 高
分子链的柔顺性与单键内旋转难易程度有关 。
C1
109o28,ˊ
C2
C3
C4
碳链 C—C键的内旋转示意图
伸展链
无规线团链
折叠链
螺旋链
单个大分子链的几种构象示意图
高分子链的几何形状
由于聚合反应的复杂性, 在合成聚合物的过程中, 可以发生各
种各样的反应形式, 所以高分子链也会呈现出各种不同的形态 。
一般说来, 高分子链的几何形状有以下三种,
（ 1） 线型高分子,由许多链节组成的长链, 通常是卷曲成线团状 。
这类高聚物的特点是弹性, 塑性好, 硬度低, 是热塑性高聚物 。
此类材料加热后软化, 冷却后又硬化成型, 随温度变化可以反复
进行 。 聚乙烯, 聚氯乙烯等烯类聚合物都属于典型的 热塑性高聚
物 。
（ 2） 支链型高分子 在主链上带有支链 。 这类高聚物的性能和加工
都接近于线型高分子, 也属于 热塑性高聚物 。
（ 3）体型 (网状 )高分子 分子链之间有许多链节互相交联，呈三
维网状结构。这类高聚物的硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是
热固性高聚物 。此类材料受热发生化学变化而固化成型，成型后
再受热也不会软化变形，如酚醛树脂、环氧树脂等。
三、高分子材料的聚集态结构
组成物质的分子聚集在一起的状态称为物质的聚集态。一般
物质的聚集态可分为气体、液体和固体。高分子的聚集态结构，
是指高分子材料内部高分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称
为超分子结构，它是在高分子材料加工成型过程中形成的。高分
子链之间以范德瓦尔斯键或氢键结合，键虽弱，但因分子链很长，
故链间总作用力为各链节作用力与聚合度之积，因而大大超过链
内共价键。显然，高分子的聚集态结构与高分子材料的性能有着
直接关系。
第五节 无机非金属材料的结构特点
Structures of Inorganic Nonmetallic
Materials (Ceramics)
陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的
多晶多相固体物质，它实际上是各种无机非金
属材料的统称。传统上, 陶瓷, 是陶器与瓷器
的总称。后来，发展到泛指整个硅酸盐材料，
包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。
一、陶瓷材料的结构特点
陶瓷材料在热和化学环境中比它们的组元更稳定，通常比相
应的金属或聚合物更硬。陶瓷和金属类似，具有晶体构造，但与
金属不同的是其结构中并没有大量的自由电子。这是因为陶瓷是
以离子键或共价键 为主的离子晶体 (如 MgO,Al2O3等 )或共价晶体
(如 SiC,Si3N4等 )。
在室温下，陶瓷材料的典型组织是由晶体相、玻璃相和气相
组成。
二、陶瓷晶体相
晶体相是组成陶瓷的基本相，也称主晶相。它往往决定着陶
瓷的力学、物理、化学性能。例如由离子键结合的氧化铝晶体组
成的刚玉陶瓷，具有机械强度高、耐高温及抗腐蚀等优良性能。
氧化物结构和硅酸盐结构是陶瓷晶体中最重要的两类结构。它们
的共同特点是：①结合键主要是离子键，或含有一定比例的共价
键；②有确定的成分，可以用准确的分子式表示。
氧化物结构
氧化物结构的特点是较大的氧离子紧密排列成晶体结构，较
小的正离子填充在它们的空隙内。根据正离子所占空隙的位置和
数量的不同，形成各种不同结构的氧化物，如下表所示。
结构类型 晶体结构 陶瓷中主要化合物
AX型 面心立方 碱土金属氧化物 MgO,BaO等, 碱金属卤化物, 碱
土金属硫化物
AX2型 面心立方 CaF2(萤石 ),ThO2,VO2等 简单四方 TiO
2(金红石 ),SiO2(高温方石英 )等
A2X3型 菱形晶体 α-Al2O3(刚玉 )
ABX3型 简单立方 CaTiO3(钙钛矿 ),BaTiO3等 菱形晶系 FeTiO
3(钛铁矿 ),LiNbO3等
AB2X4型 面心立方 MgAl2O4(尖晶石 )等 100多种
硅酸盐结构
硅酸盐材料在自然界中大量存在，约占已知矿物的三分之一。
许多陶瓷材料都包含硅酸盐，一方面是因为硅酸盐丰富和便宜，
另一方面则是因为它们具有在工程上有用的某些独特性能。普通
水泥是人们最熟悉的硅酸盐，它最明显的优势是能将岩石骨料结
合成整块材料。
（ 1）硅酸盐四面体单元
O2－
Si4+
硅氧四面体结构
（ 2）硅酸盐结构分类
硅氧四面体的四个顶点均分布有 O2-,所以它能与周围其它阳
离子或另一个硅氧四面体连接起来。当整个硅氧四面体连接时由
于 O2-的排斥作用，使得各顶点只能以共有的形式相连接。但一个
顶点最多只能两个四面体共有，连接方式不同，硅酸盐化合物的
形式也就不同。
硅酸盐具有下列结构特点,
① 结构中 Si4+间没有直接的键, 而它们是通过 O2–连接起来的 。
② 结构是以硅氧四面体为基础的 。
③ 每一个 O2–只能连接 2个硅氧四面体 。
④ 硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面连接。
陶瓷晶体相中的缺陷
陶瓷材料是多晶体，同金属一样，有晶粒、晶界，有亚晶粒、
亚晶界。在一个晶粒内，也有线缺陷（位错）和点缺陷（空位和
间隙原子），这些晶体缺陷的作用亦类同金属晶体中的缺陷。如
果陶瓷的晶粒细小，晶界总面积大，则陶瓷材料的强度大；空位
和间隙原子可加速陶瓷工艺过程中烧结时的扩散，并且也影响物
理性能。但是，陶瓷晶体中的位错，却不像金属中的位错对变形
和强化起着那样重要的作用，因为陶瓷晶体的晶格常数比合金的
晶格常数大得多，而且结构复杂，位错运动极为困难，同时还很
难产生新的位错。所以陶瓷在常温下几乎没有塑性变形能力，即
脆性大。
三、玻璃相
陶瓷制品, 在烧结过程中, 有些物质, 如作为主要原料的 SiO2
已处在熔化状态 。 但在熔点附近, SiO2的粘度很高, 原子迁移困
难, 所以当液态 SiO2冷却到熔点以下时, 原子不能排列成长为有
序 （ 晶体 ） 状态, 而形成过冷液体 。 当过冷液体继续冷却到玻璃
化转变温度 Tg时, 则凝固为非晶态的玻璃相 。 因此, 玻璃相就是
陶瓷高温烧结时各组成物和杂质产生一系列物理, 化学反应后形
成的一种非晶态物质 。 它的结构是由离子多面体 （ 如硅氧四面体 ）
构成短程有序排列的空间网络 。
玻璃相在陶瓷组织中的作用是：粘结分散的晶体相，降低烧
结温度，抑制晶粒长大和填充气孔使陶瓷致密等。
玻璃相的熔点低、热稳定性差，使陶瓷在高温下容易产生蠕
变，从而降低高温下的强度。此外，由于玻璃相结构疏松，空隙
中常有金属离子填充，因而降低了陶瓷的电绝缘性，增加介电损
耗。所以工业陶瓷必须控制玻璃相的含量，一般为 20％～ 40％，
特殊情况下可达 60％。
四、气相
气相是指陶瓷孔隙中的气体即气孔，是在陶瓷生产过程中形成，
并被保留下来的。陶瓷中的气孔有开放气孔和封闭气孔两种。
气孔对陶瓷性能有显著影响 。 如果是表面开口的, 会使陶瓷质
量下降 。 如果存在于陶瓷内部 （ 闭孔 ）, 不易被发现, 这常常是
产生裂纹的原因, 使陶瓷性能大幅下降, 如组织致密性下降, 应
力集中, 脆性增加, 介电损耗增大, 电击穿强度下降, 绝缘性降
低等等 。 因此生产上要控制气孔数量, 大小及分布 。
陶瓷材料的气孔量用气孔的相对体积（气孔率）来表示，它
是衡量陶瓷材料质量的重要标志。开放气孔和封闭气孔在材料中
的总相对体积称为真气孔率；开放气孔的相对体积称为显气孔率。
普通陶瓷的气孔率为 5％～ 10％，特种陶瓷在 5％以下，金属陶瓷
要求在 0.5％以下。若要求陶瓷材料密度下，绝缘性好时，则希望
有一定量气相存在。
