上海交大材料科学基础知识点总结.docx

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3(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。

图1-5特征：a原子的理想排列；b有14种其中：空间点阵中的点一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2)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3)形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角a,3，丫表示4)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力口［］［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表示，数字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相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。

2)晶面指数的标定a建立坐标系：确定原点(非阵点)、坐标轴和度量单位b量截距：x,y,zc取倒数：h',k',l'd化整数：h,k,ke加圆括号：(hkl)说明：a指数意义：代表一组平行的晶面；b0的意义：面与对应的轴平行；c平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；d晶面族：晶体中具有相同条件(原子排列和晶面间距完全相同)，空间位向不同的各组晶面用｛hkl｝表示e若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;f若晶面与晶向垂直，则u=h,k=v,w=l3)六方系晶向指数和晶面指数a六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系(等价晶面不具有等价指数)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=W4)晶带a——:平行于某一晶向直线所有晶面的组合晶带轴晶带面b性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面〃晶带轴；hu+kv+lw=0c晶带定律凡满足上式的晶面都属于以［uvw］为晶带轴的晶带。

推论：(a)由两晶面(h1k1l1)(h2k2l2)求其晶带轴［uvw］：u=k1l2-k2l1;v=l1h2-l2h1;w=h1k2-h2k1b)由两晶向［u1v1w1］［u2V2w2］求其决定的晶面(hkl)H=v1w1-v2w2;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v15）晶面间距a——:一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离b计算公式（简单立方）：d=a/（h2+k2+l2）1/2注意：只适用于简单晶胞；对于面心'立方hkl不全为偶、奇数、体心立方h+k+=奇数时,d（hkl）=d/2二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,FC体心立方（A1,BC密排六方（A3,HCP）晶胞原子数426点阵常数a=2/2ra=4/3/3ra=2r配位数128(8+6)12致密度0.740.680.74堆垛方式ABCABC..ABABAB..ABABAB..结构间隙止四面体止八面体四囿体扁八囿体四囿体止八囿体（个数）84126126(rB/rA)0.2250.4140.290.150.2250.414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8-No(1)饱和性：一个原子的共价键数为(2)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四影响原子半径的因素(1)温度与应力(2)结合键的影响(3)配位数的影响(高配位结构向低配位结构转变时，体积膨胀，原子半径减小减缓体积变化4)核外电子分布的影响(一周期内，随核外电子数增加至填满，原子半径减小至一最小值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点缺陷的类型图1—31(1)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一离位原子进入晶体间隙2)间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子3)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一在一定温度下，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一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，但体系嫡值也增加了，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：11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(丁)2)螺型位错模型：t移面/位错线位错线〃晶体滑移方向，位错线,位错运动方向，晶体滑移方向上位错运动方向)分类：左螺型位错；右螺型位错3)混合位错模型：'t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一一2)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：p=K/Vp=n/A(2)晶体强度与位错密度的关系(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：具有唯一的滑移面螺型位错的滑移：具有多个滑移面位错环的滑移：注重柏氏矢量的应用b攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动机制：原子面下端原子的扩散一一位错随半原子面的上下移动而上下运动分类：正攀移(原子面上移、空位加入)/负攀移(原子面下移、原子加入)应力的作用：(半原子面侧)压应力有利于正攀移，拉应力有利于负攀移。

3)作用在位错上的力(单位距离上)滑移：f=cb;攀移：f=(rb6位错的应变能与线张力(1)单位长度位错的应变能：W=aGb2a=0.5~1.0,螺位错取下限，刃位错取上限)(2)位错是不平衡的缺陷商增不能抵销应变能的增加)(3)位错的线张力：T=aGb24)保持位错弯曲所需的切应力：t=Gb/。