材料科学基础复习要点.doc
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第一章 材料中的原子排列第一节 原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键 （1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差如氧化物陶瓷2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差如高分子材料3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性分子晶体：熔点低，硬度低如高分子材料氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键如复合材料3 结合键分类（1） 一次键 （化学键）：金属键、共价键、离子键2） 二次键 （物理键）：分子键和氢键4 原子的排列方式 （1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列长程有序，各向异性2）非晶体：――――――――――不规则排列长程无序，各向同性第二节 原子的规则排列一 晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1） 空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
2） 特征：a 原子的理想排列；b 有14种其中：空间点阵中的点－阵点它是纯粹的几何点，各点周围环境相同描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞3） 晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列 特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种2 晶胞 （1）――－：构成空间点阵的最基本单元2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小4） 形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示5） 晶胞中点的位置表示（坐标法）3 布拉菲点阵 14种点阵分属7个晶系 4 晶向指数与晶面指数晶向：空间点阵中各阵点列的方向晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面国际上通用米勒指数标定晶向和晶面1） 晶向指数的标定 a 建立坐标系确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。
b 求坐标u’,v’,w’ c 化整数 u,v,w. d 加[ ][uvw]说明： a 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向 b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向c 晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向用
b 晶面指数的标定 标法与立方系相同(四个截距)；用四个数字(hkil)表示；i=-(h+k) c 晶向指数的标定 标法与立方系相同(四个坐标)；用四个数字(uvtw)表示；t=-(u+w) 依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点） 坐标换算法：[UVW]~[uvtw] u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W 二 典型晶体结构及其几何特征1三种常见晶体结构 面心立方（A1, FCC）体心立方（A2, BCC）密排六方（A3, HCP）晶胞原子数 4 2 6点阵常数 a=2/2r a=4/3/3r a=2r配位数 12 8（8＋6） 12致密度 0.74 0.68 0.74堆垛方式 ABCABC.. ABABAB.. ABABAB..结构间隙 正四面体正八面体 四面体扁八面体 四面体正八面体（个数） 8 4 12 6 12 6（rB/rA） 0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414配位数（CN）：晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。
致密度（K）：晶体结构中原子体积占总体积的百分数K=nv/V间隙半径（rB）：间隙中所能容纳的最大圆球半径2 离子晶体的结构 （1）鲍林第一规则（负离子配位多面体规则）：在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于正负离子半径之和，正离子的配位数取决于正负离子的半径比 （2）鲍林第二规则（电价规则含义）：一个负离子必定同时被一定数量的负离子配位多面体所共有 （3）鲍林第三规则（棱与面规则）：在配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性3 共价键晶体的结构（1） 饱和性：一个原子的共价键数为8-N2） 方向性：各键之间有确定的方位（配位数小，结构稳定）三 多晶型性元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质第三节 原子的不规则排列原子的不规则排列产生晶体缺陷晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域晶体缺陷可分为以下三类点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷如空位、间隙原子、异类原子等线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。
主要是位错面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷如晶界、相界、表面等一 点缺陷1 点缺陷的类型 空位：肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙1） 间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子2） 置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子2 点缺陷的平衡浓度 （1）点缺陷是热力学平衡的缺陷－在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低－具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又使自由能降低其结果是在G-n曲线上出现了最低值，对应的n值即为平衡空位数2）点缺陷的平衡浓度 C=Aexp(-∆Ev/kT)3 点缺陷的产生及其运动（1） 点缺陷的产生平衡点缺陷：热振动中的能力起伏过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等2） 点缺陷的运动（迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）4 点缺陷与材料行为 （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。
2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小 力学性能（屈服强度提高二 线缺陷（位错）位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级） 1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错 1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用 1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制 之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错1 位错的基本类型（1） 刃型位错模型：滑移面/半原子面/位错线 （位错线┻晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向//位错运动方向分类：正刃型位错（┻）；负刃型位错（┳）2） 螺型位错模型：滑移面/位错线位错线//晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位错运动方向分类：左螺型位错；右螺型位错。
3） 混合位错模型：滑移面/位错线2 位错的性质（1） 形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道2） 是已滑移区和未滑移区的边界3） 不能中断于晶体内部可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环3 柏氏矢量（1） 确定方法 (避开严重畸变区)a 在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路b 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路c 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为――2） 柏氏矢量的物理意义a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）b 表示晶体滑移的方向和大小c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢量d 判断位错的类型3） 柏氏矢量的表示方法a 表示: b=a/n[uvw] （可以用矢量加法进行运算）b 求模：/b/=a/n[u2+v2+w2]1/24 位错密度（1） 表示方法：ρ＝K/V ρ＝n/A（2） 晶体强度与位错密度的关系（τ-ρ图）3） 位错观察：浸蚀法、电境法5 位错的运动（1） 位错的易动性2） 位错运动的方式a 滑移：位错沿着滑移面的移动 刃型位错的滑移：具有唯一的滑移面。
