上海交大考研材料科學(xué)基礎(chǔ)總結(jié)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第1章原子結(jié)構(gòu)和鍵合1.1原子結(jié)構(gòu)1.1.1物質(zhì)的組成（Substance Construction）物質(zhì)由無數(shù)微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：單獨存在 保存物質(zhì)化學(xué)特性 dH2O=0.2nm M(H2)為2 M（protein）為百萬原子（Atom）： 化學(xué)變化中最小微粒1.1.2原子的結(jié)構(gòu)1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu)核外電子排布遵循以下3個原則：1.1.4元素周期表1.2原子間的鍵合 1.2.1金屬鍵（Metallic bonding）典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價電子（valence electron）極易 掙脫原子核之束縛而成

2、為自由電子（Free electron），形成電子云（electron cloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵特點：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好1.2.2離子鍵（Ionic bonding)實質(zhì)： 金屬原子 帶正電的正離子（Cation） 非金屬原子 帶負(fù)電的負(fù)離子（anion） 特點：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列， 且無方向性，無飽和性性質(zhì)：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體1.2.3共價鍵（covalent bonding）亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無機(jī)非金屬材料實質(zhì)：由二個或

3、多個電負(fù)性差不大的原子間通過共用電子對而成 特點：飽和性 配位數(shù)較小 ，方向性（s電子除外）性質(zhì)：熔點高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差1.2.4范德華力（Van der waals bonding)包括：靜電力(electrostatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力(dispersive force)屬物理鍵 ，系次價鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改變材料性質(zhì)1.2.5氫鍵（Hydrogen bonding）極性分子鍵 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位，氫 原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價鍵結(jié)合），裸露原子核將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引氫橋介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具

4、有飽和性 1.3高分子鏈（High polymer Chain) 近程結(jié)構(gòu)（一次結(jié)構(gòu)）：化學(xué)結(jié)構(gòu)，分子鏈中的原子排列，結(jié)構(gòu)單元高分子鏈結(jié)構(gòu) 的鍵接順序，支化，交聯(lián)等 相對分子質(zhì)量及其分布，鏈的柔順性及構(gòu)象1.3.1高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（the Chemistry of mer units)2.高分子鏈的幾何形態(tài)（structure）熱塑性：具有線性和支化高分子鏈結(jié)構(gòu)，加熱后會變軟，可反復(fù)加工再成型熱固性：具有體型（立體網(wǎng)狀）高分子鏈結(jié)構(gòu)，不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化后不能再改變形狀，無法再生3.高分子鏈的鍵接方式4.高分子鏈的構(gòu)型（Molecular confi

5、gurations）1.3.2高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)1.高分子的大小2.高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象主鏈以共價鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長 d和鍵角，每個單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chain twisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1( m為每個單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目) 鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)使得高分子存在多種構(gòu)象存在an 構(gòu)劑，也不能熔融，一旦受熱固化統(tǒng)計學(xué)角度高分子鏈取 伸直（straight）構(gòu)象幾率極小，呈卷曲（zigzag）構(gòu)象幾率極大3.影響高分子鏈柔性的主要因素（the main influencing factors on the molecular flexibility）高分子鏈能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱

6、為柔性（Flexibility） 第2章 固體結(jié)構(gòu)2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)（Basis Fundamentals of crystallography） 晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復(fù)排列（periodic repeated array） ，即存在長程有序（long-range order）性能上兩大特點：1.固定的熔點（melting point）,2.各向異性（anisotropy）2.1.1空間點陣和晶胞空間點陣的概念將晶體中原子或原子團(tuán)抽象為純幾何點（陣點 lattice point），即可得到一個由無數(shù)幾何點在三維空間排列成規(guī)則的陣列空間點陣（space la

7、ttice）特征：每個陣點在空間分布必須具有完全相同的周圍環(huán)境(surrounding)晶胞（Unite cells）代表性的基本單元（最小平行六面體）small repeat entities選取晶胞的原則： )選取的平行六面體應(yīng)與宏觀晶體具有同樣的對稱性；）平行六面體內(nèi)的棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多；）當(dāng)平行六面體的棱角存在直角時，直角的數(shù)目應(yīng)最多；）在滿足上條件，晶胞應(yīng)具有最小的體積。 晶系布拉菲點陣晶系布拉菲點陣三斜Triclinicabc ，單斜 Monoclinicabc， =90º正交Orthorhombicabc，=90º 簡單三斜簡單單斜底心單斜簡單正交底心正交

8、體心正交面心正交六方 Hexagonala1=a2a3c，=90º ， =120º菱方 Rhombohedrala=b=c, =90º 四方（正方）Tetragonala=bc, =90º 立方 Cubica=b=c， =90º 簡單六方簡單菱方簡單四方體心四方簡單立方體心立方面心立方2.1.2晶向指數(shù)和晶面指數(shù)1.晶向指數(shù)（Orientation index）求法：1)確定坐標(biāo)系2)過坐標(biāo)原點，作直線與待求晶向平行；3)在該直線上任取一點，并確定該點的坐標(biāo)（x，y，z），若某一坐標(biāo)值為負(fù)，則在其上加一負(fù)號。4)將此值化成最小整數(shù)u，v，w并加

9、以方括號u v w即是。（代表一組互相平行，方向一致的晶向）晶向族<u v w>：具有等同性能的晶向歸并而成； 2.晶面指數(shù)（Indices of Crystallographic Plane）求法：1）  在所求晶面外取晶胞的某一頂點為原點o，三棱邊為三坐標(biāo)軸x，y，z2）  以棱邊長a為單位，量出待定晶面在三個坐標(biāo)軸上的截距。若某一截距為負(fù)，則在其上加一負(fù)號。3）  取截距之倒數(shù)，并化為最小整數(shù)h，k，l并加以圓括號（h k l）即是。（代表一組互相平行的晶面；指數(shù)相同符號相反晶面互相平行）晶面族hkl：晶體學(xué)等價的晶面總合。3.六方晶系指數(shù)（In

10、dices of hexagonal crystal system orhexagonal indices） 4.晶帶（Crystal zone）所有相交于某一晶向直線或平行于此直線的晶面構(gòu)成一個“晶帶” 此直線稱為晶帶軸（crystal zone axis），所有的這些晶面都稱為共帶面。晶帶軸n v w與該晶帶的晶面（h k l）之間存在以下關(guān)系 凡滿足此關(guān)系的晶面都屬于以h k l為晶帶軸的晶帶5.晶面間距（Interplanar crystal spacing）上述公式僅適用于簡單晶胞,對于復(fù)雜晶胞則要考慮附加面的影響 立方晶系：fcc 當(dāng)（hkl）不為全奇、偶數(shù)時，有附加面： bcc

11、當(dāng)hkl奇數(shù)時，有附加面：六方晶系 通常低指數(shù)的晶面間距較大，而高指數(shù)的晶面間距則較小2.1.3對稱性元素點群（point group）晶體中所有點對稱元素的集合根據(jù)晶體外形對稱性，共有32種點群空間群（space group）晶體中原子組合所有可能方式根據(jù)宏觀、微觀對稱元素在三維空間的組合，可能存在230種空間群（分屬于32種點群） 2.1.4極射投影 Stereographic projection2.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2.1 三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)點陣常數(shù)（lattice parameter） a，c原子半徑（atomic radius） R配位數(shù)（coordination numbe

12、r） N 致密度（Efficiency of space filling） 軸比（axial ratio） c/a 2.2.2 晶體的原子堆垛方式和間隙fcc，hcp 間隙為正多面體，且八面體和四面體間隙相互獨立bcc 間隙不是正多面體，四面體間隙包含于八面體間隙之中 2.2.3多晶型轉(zhuǎn)變（allotropic transformation）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2.3合金的相結(jié)構(gòu) 合金：由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉，燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì) 2.3.1固溶體 Solid solution固溶體：溶質(zhì)原子(solute atom)溶入基體(matrix)中所形成

13、的均勻結(jié)晶相。晶體結(jié)構(gòu)保持基體金屬的結(jié)構(gòu) 1.置換固溶體 Substitutional solid solution溶質(zhì)原子置換了部分的溶劑原子影響溶解度的因素：) 組元的晶體結(jié)構(gòu)crystal structure of components 晶體結(jié)構(gòu)相同是組元之間形成無限固溶體的必要條件）原子尺寸因素the size factor effect r1415才有可能形成溶解度較大甚至無限固溶的固溶體）化學(xué)親和力（電負(fù)性因素）the electrochemical effect 在不形成化合物的條件下，電負(fù)性差值增大，溶解度增大 在形成化合物的條件下，電負(fù)性差值增大，溶解度減?。╇娮訚舛龋ㄔ觾r

14、因素）the relative valency effect 合金中各組元的價電子總和（e）與組元的原子數(shù)總和（a）之比極限電子濃度（臨界電子濃度）與溶劑晶體點陣類型有關(guān)對一價溶劑而言 fcc:1.36; bcc:1.48; hcp:1.752. 間隙固溶體 Interstitial solid solution間隙固溶體：溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體溶質(zhì)原子 （R<0.1nm）如： H B C N O 0.046 0.097 0.077 0.071 0.060間隙固溶體都是有限固溶體，且溶解度很小溶解度不僅與溶質(zhì)原子大小有關(guān)，溶解度還與溶劑元素的晶格類型密切相關(guān)C 在-Fe

15、（bcc） 0.0218 wt % -Fe (fcc) 2.11 wt %3.固溶體的微觀不均勻性長程有序固溶體超結(jié)構(gòu) 4. 固溶體的性質(zhì) 點陣畸變 點陣常數(shù) 間隙原子 固溶強(qiáng)化 HV， 物理化學(xué)性能 電極電位 有序化影響 HV 磁性2.3.2中間相 Intermediate Phase中間相：兩組元A和B組成合金時，除了形成以A為基或以B為基的固溶體外，還可以形成晶體結(jié)構(gòu)與A、B兩組元均不相同的新相。由于它們在二元相圖的位置是位于中間，故通常把這些相稱為中間相。中間相的特征：具有不同于組元的晶體結(jié)構(gòu)可用化學(xué)分子式表示，但并不一定符合化合價規(guī)律原子間的結(jié)合方式：(金屬鍵其他鍵）混合，具有金屬性

16、1.正常價化合物（electrochemical compounds） M 、族元素 按化學(xué)上的正常原子價規(guī)律形成 成分可用分子式來表示：Mg2Pb，Mg2Sn，Mg2Ge，Mg2Si負(fù)電性差愈大，化合物愈穩(wěn)定，愈趨于離子鍵結(jié)合負(fù)電性差愈小，化合物愈不穩(wěn)定，愈趨于金屬鍵結(jié)合2.電子化合物對應(yīng)于同類分子式的離子化合物結(jié)構(gòu)特點：凡具有相同電子濃度，則相的晶體結(jié)構(gòu)類型相同3.原子尺寸因素化合物 Size factor Compounds(1)間隙相和間隙化合物 Interstitial Phase and Compounds原子半徑較小的非金屬元素占據(jù)晶格的間隙，然而間隙相，間隙化合物的晶格與組成他

17、們的任一組元晶格都不相同。他們成分可在一定范圍內(nèi)波動，但組成他們的組元大致都具有一定的原子組成比,可用化學(xué)分子式來表示。(2)拓?fù)涿芏严?Topological close-packed phase由兩種大小不同的原子所構(gòu)成的一類中間相，其中大小原子通過適當(dāng)?shù)呐浜蠘?gòu)成空間利用率和配位數(shù)很高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，具有拓?fù)鋵W(xué)特點。a）結(jié)構(gòu)特點 大小原子的適當(dāng)配合，由四面體間隙組成的晶體點陣，配位數(shù)可以達(dá)12、14、15及16配位多面體：把晶體點陣中一個原子周圍最近鄰原子的中心彼此用 直線連接起來所構(gòu)成的多面體 特點：凸出的面，呈三角形；每個頂角至少連接五個三角形原子密堆層TCP相可以看作由兩種排列不同的原子

18、層相間地組成密集層狀結(jié)構(gòu)。主層系由三角形、四邊形、六邊形組成起來的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。系由原子半徑較小組元構(gòu)成的密堆層；次層則由較大原子組成并分布于主層的大空隙中（由小原子組成三維配位多面體的中心位置）4.超結(jié)構(gòu)（有序固溶體）有序化影響因數(shù)：1.溫度升高，原子熱運(yùn)動提高，S降低2.冷卻速度 Tc 以上溫度快速冷卻無序3.合金成分 例：對 CuAu 合金 Cu:Au3:1 或 1:1 時完全有序2.4離子晶體結(jié)構(gòu) Ionic Crystal這類晶體是以正離子（cation)、負(fù)離子(anions) 為結(jié)合單元，即依靠正、負(fù) 離子之間的庫侖作用結(jié)合。例如 NaCl晶體 Na、Cl為單元結(jié)合成的。陶瓷材料(C

19、eramics)的晶體結(jié)構(gòu)，大多屬離子晶體，部分則為共價晶體。離子鍵沒有方向性和飽和性離子晶體的配位數(shù)也較高典型結(jié)構(gòu)有四種：AB、AB2、A2B3、AB2O42.4.1離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則1.Pauling第一規(guī)則負(fù)離子配位多面體規(guī)則在離子晶體中，正離子（cations）的周圍形成一個負(fù)離子（anions)配位多面體，正負(fù)離子間的平衡距離取決于離子半徑之和，而正離子的配位數(shù)則取決于正負(fù)離子的半徑比。r+/r- 00.155 0.1550.255 0.2550.414 0.4140.732 0.7321 1配位數(shù) 2 3 4 6 8 12形狀 啞鈴狀 三角形 四面體 八面體 立方體 立方八面體2.

20、Pauling第二規(guī)則電價規(guī)則3. Pauling第三規(guī)則負(fù)離子多面體共用頂、棱和面規(guī)則在一個配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。對電價高，配位數(shù)低的正離子，此效應(yīng)尤為顯著4. Pauling第四規(guī)則不同種類正離子多面體間連接規(guī)則在含多種正負(fù)離子的離子晶體中，電價高、配位數(shù)低的正離子配位多面體間，盡量互不結(jié)合5. Pauling第五規(guī)則節(jié)約規(guī)則同一晶體同種正離子與同種負(fù)離子的結(jié)合方式應(yīng)最大限度的趨于一致2.4.2典型的離子晶體結(jié)構(gòu)1.AB型化合物結(jié)構(gòu)CsCl型結(jié)構(gòu) ：Cs+ 和 Cl 各自組成簡單立方，套配而成的復(fù)式簡單立方點陣NaCl型結(jié)構(gòu)：由 Na 和 Cl 各自組成的兩

21、個fcc疊加而成的：其中一個不動，而另一個fcc的所有陣點都相對于第一個點陣平移一個點陣矢量 2.4.3硅酸鹽(Silicate)晶體結(jié)構(gòu)基本特點：(1) 基本結(jié)構(gòu)單元SiO44-四面體Silicon-oxygen tetrahedron(2) 每個O2-最多只能為兩個SiO44-四面體所共有(3) 可共用四面體頂點彼此連接成單鏈、雙鏈或成層狀、網(wǎng)狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不能共棱和共面連接，且同一類硅酸鹽中SiO44-四面體間連接只有1種(4) SiO44-四面體中的Si-O-Si結(jié)合鍵 通常呈鍵角為145º的折線。 1.孤島狀硅酸鹽特點 ：SiO44-以孤立態(tài)存在，即SiO44-只通過與其他正

22、離子連接，而使化合物達(dá)到飽和，可以是單一四面體，成對或環(huán)狀四面體2.組群狀硅酸鹽特點：通過共用氧而連接成2個，3個，4個或6個硅氧組群。 3.鏈狀硅酸鹽特點：通過橋氧在一維方向伸展或單鏈或雙鏈 4.層狀硅酸鹽特點：SiO44-的某一面在平面內(nèi)以共用頂點方式連接成六角對稱的二維結(jié)構(gòu)即層狀結(jié)構(gòu)。 5.架狀硅酸鹽特點：每個SiO44-四面體中的氧離子全部都被共用。SiO44-四面體連成無限六元環(huán)狀。2.5共價晶體結(jié)構(gòu) Covalent Crystal 金剛石結(jié)構(gòu) 碳的價電子數(shù)為4，按8-N規(guī)則，其配位數(shù)為8-4=4 復(fù)雜立方晶體結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)可視為兩個面心立方晶胞沿體對角線相對位移1/4長度穿插而成。碳

23、原子在胞內(nèi)除按fcc排列之外，在相當(dāng)于fcc內(nèi)四個四面體間隙位置處還各有一個碳原子，故每個晶胞內(nèi)原子數(shù)為8。 在SiC晶體結(jié)構(gòu)與金剛石結(jié)構(gòu)相同，只不過Si原子取代了復(fù)雜立方晶體結(jié)構(gòu)中位于四面體間隙中的C原子。 2.6聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu) 當(dāng)聚合物的一次和二次結(jié)構(gòu)規(guī)則簡單的以及分子鍵作用力強(qiáng)的大分子易于形成晶體結(jié)構(gòu)。與一般低分子晶體相比，聚合物晶體具有不完善、無完全確定的熔點結(jié)晶速度慢的特點。聚合物晶體結(jié)構(gòu)包括晶胞結(jié)構(gòu)、晶體中大分子鏈的形態(tài)以及單晶和多晶的形態(tài)等。 2.6.1聚合物的晶體形態(tài)1.高分子單晶2.高分子球晶3.高分子樹枝狀晶4.高分子串晶5.伸直鏈晶體2.6.2聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型基本模型有

24、三種：1、纓須狀膠束模型它認(rèn)為聚合物結(jié)晶中存在許多膠束和膠束間區(qū)域，膠束是結(jié)晶區(qū)，膠束間是非晶區(qū)；2、折疊鏈模型它認(rèn)為在聚合物晶體中大分子鏈?zhǔn)且哉郫B形式堆砌而成；3、伸直鏈模型如聚乙烯和聚四氟乙烯等不帶側(cè)基的聚合物在極高壓力下緩慢結(jié)晶多層片晶，片晶是大分子鏈系取最緊密伸直鏈結(jié)構(gòu)。 2.7非晶態(tài)（Amorphous）結(jié)構(gòu) 氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)都是非晶體。固體的非晶體實際上是一種過冷狀態(tài)的液體，其原子在三維空間不存在長程的周期性排列。玻璃是典型例子，故往往將非晶體稱為玻璃態(tài)。 性能特點：1.沒有固定熔點2.各向同性第3章 晶體缺陷 宏觀缺陷：孔洞，裂紋，氧化，腐蝕，雜質(zhì)材料中的缺陷 晶體缺陷微觀缺陷：

25、非晶體缺陷 晶體缺陷：晶體中各種偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域根據(jù)幾何特征分為三類:1.點缺陷 （point defect) 三維空間的各個方向均很小2.線缺陷 （line defect) 在二個方向尺寸均很小3.面缺陷 （plane defect) 在一個方向上尺寸很小3.1點缺陷3.1.1點缺陷的形成 空位：原子有足夠大的振動能使振幅增大到一定程度時，就能克服周圍原子對它的制約作用，跳離原來的位置，使點陣中形成空結(jié)點，稱為空位。原因：熱運(yùn)動：強(qiáng)度是溫度的函數(shù)能量起伏=原子脫離原來的平衡位置而遷移別處空位(vacancy)：Schottky 空位，-晶體表面Frenkel 空位，-晶體間隙色心Fch:電

26、子受激活而逸出，脫離原子核束縛變成載流子進(jìn)入到負(fù)離子的空位上，在其原位留下正孔，這種并發(fā)缺陷稱為色心Fch。色心Vch:電子受激活而逸出，脫離原子核束縛變成載流子進(jìn)入到正離子的空位上，在其原位留下負(fù)孔，這種并發(fā)缺陷稱為色心Vch3.1.2點缺陷的平衡濃度3.1.3點缺陷的運(yùn)動點缺陷對性能的影響：1。電阻增大2。提高機(jī)械性能3。有利于原子擴(kuò)散4。體積膨脹，密度減小3.2位錯3.2.1位錯的基本類型和特征1.刃型位錯 其形狀類似于在晶體中插入一把刀刃而得名。特征： 1）有一額外原子面， 額外半原子面刃口處的原子列稱為位錯線 2）位錯線垂直于滑移矢量，位錯線與滑移矢量構(gòu)成的面是滑移面， 刃位錯的滑移

27、面是唯一的。 3） 半原子面在上,正刃型位錯 ； 在下, 負(fù)刃型位錯 4）刃位錯的位錯線不一定時直線， 可以是折線， 也可以是曲線， 但位錯線必與滑移矢量垂直。 5）刃型位錯周圍的晶體產(chǎn)生畸變，上壓， 下拉， 半原子面是對稱的， 位錯線附近畸變大， 遠(yuǎn)處畸變小。 6）位錯周圍的畸變區(qū)一般只有幾個原子寬（一般點陣畸變程度大于其正常原子間距的1/4的區(qū)域?qū)挾龋?定義為位錯寬度， 約25個原子間距。）畸變區(qū)是狹長的管道， 故位錯可看成是線缺陷。2.螺型位錯 特征： 1）無額外半原子面， 原子錯排是軸對稱的2）位錯線與滑移矢量平行，且為直線3）凡是以螺型位錯線為晶帶軸的晶帶由所有晶面都可以為滑移面。4

28、）螺型位錯線的運(yùn)動方向與滑移矢量相垂直 5) 分左（右）螺旋位錯 6）螺型位錯也是包含幾個原子寬度的線缺陷3.混合型3.2.2伯氏矢量1.伯氏矢量的確定2.伯氏矢量的特性該矢量的方向表示位錯運(yùn)動導(dǎo)致晶體滑移的方向，而該矢量的模表示畸變的程度稱為位錯的強(qiáng)度。 3柏氏矢量的表示法在立方晶體中， 可用于相同的晶向指數(shù)來表示：位錯強(qiáng)度 位錯合并3.2.3位錯的運(yùn)動1.位錯的滑移螺形位錯的交滑移：從原滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面螺形位錯的雙交滑移：2.位錯的攀移3.位錯的交割3.2.4位錯的彈性性質(zhì)（靜力學(xué)）1.位錯的應(yīng)力場螺型位錯的應(yīng)力場刃型位錯的應(yīng)力場直角坐標(biāo)系：圓柱坐標(biāo)系：2.位錯的應(yīng)變能 位

29、錯周圍點陣畸變引起彈性應(yīng)力場導(dǎo)致晶體能量增加，這部分能量稱為位錯的應(yīng)變能混合位錯角度因素： 螺 K=1 刃 K=1- n應(yīng)變能與b2 成正比， 故具有最小b的位錯最穩(wěn)定b， 大的位錯有可能分解為b小的位錯， 以降低系統(tǒng)能量。錯的存在使晶體處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)， 可見位錯是熱力學(xué)不穩(wěn)定的晶體缺陷。 3.位錯的線張力4.作用在位錯上的力 5.位錯間的作用力a.兩平行螺形位錯的交互作用兩刃位錯間作用力的討論3.2.5位錯的生成和增殖1.位錯的密度2.位錯的生成晶體生長過程中產(chǎn)生的位錯： 1。成分不同=晶塊點陣常數(shù)不同=位錯過渡 2。晶塊偏轉(zhuǎn)、彎曲=位相差=位錯過渡 3。晶體表面受到影響=臺階或變形=

30、產(chǎn)生位錯快速凝固=過飽和空位=聚集=位錯熱應(yīng)力和組織應(yīng)力=界面和微裂紋處應(yīng)力集中=局部滑移=位錯3.位錯的增殖Frank-Read 位錯源3.2.6實際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯1.實際晶體中位錯的伯氏矢量典型晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯的柏氏矢量單位位錯：伯氏矢量等于單位點陣矢量的位錯全位錯：伯氏矢量等于點陣矢量或其整數(shù)倍的位錯不全位錯：伯氏矢量不等于點陣矢量整數(shù)倍的位錯部分為錯：伯氏矢量小于點陣矢量2.堆垛層錯堆垛層錯: 實際晶體中的密排面的正常堆垛順序遭到破壞實際晶體中的堆垛順序：密排原子面按一定順序堆垛而成。面心立方： 密排六方： 特點: 一個插入型層錯相當(dāng)于兩個抽出型層錯面心立方晶體中存在層錯時相當(dāng)于

31、在其間形成了一薄層的hcp晶體結(jié)構(gòu) 3.不全位錯不全位錯：堆垛層錯與完整晶體的分界線（b矢量不等于點陣矢量），不全位錯與堆垛層錯有關(guān)。Fcc晶體中兩種重要的不全位錯：肖克萊（Schckley)不全位錯（可動位錯）: 特點：1）b矢量永遠(yuǎn)平行于層錯面 2）層錯為一平面=>其邊界在一平面內(nèi) 3）可以為刃型、螺形、混和位錯 4）滑移的結(jié)果是層錯面的擴(kuò)大或縮小。但不能攀移，因它必須和層錯始終相連弗蘭克（Frank) 不全位錯（固定位錯）特點：a) (a/3)*<111>，純?nèi)行臀诲e b）不能在滑移面上滑移，只能攀移 c）屬不動位錯（sessile dislocation)4.位錯反應(yīng)

32、1）幾何條件：b矢量總和不變2）能量條件：反應(yīng)降低位錯總能量5.面心立方晶體中的位錯湯普森四面體（1) 四個面即為4個可能的滑移面(111), (-1,1,1), (1,-1,1), (1,1,-1)(2) 6條棱邊代表12個晶向，即FCC中所有可能的12個全位錯的b矢量每個頂點與其中心的連線共代表24個(a/6)<112> 肖克萊不全位錯的b矢量4個頂點到它所對的三角形中點連線代表8個(a/3)<111>弗蘭克不全位錯的b矢量4個面中心相連即為(a/6)<110> 壓桿位錯b.擴(kuò)展位錯一種特殊的位錯組態(tài)，系由兩個不全位錯以及在兩個不全位錯之間的一片層錯所構(gòu)

33、成。一般由全位錯分解而成。擴(kuò)展位錯：通常把一個全位錯分解為兩個不全位錯中間夾著一個堆垛層錯的整個位錯組態(tài)稱為擴(kuò)展位錯（1）擴(kuò)展位錯的寬度：（2）擴(kuò)展位錯的束集：在外切應(yīng)力作用下，層錯寬度減小至零，局部收縮成原來的全位錯：位錯擴(kuò)展的反過程（3）擴(kuò)展位錯的交滑移擴(kuò)展位錯=>束集=>交滑移=>重新擴(kuò)展（在新滑移面上）擴(kuò)展位錯的交滑移比全位錯困難，層錯能越低，擴(kuò)展位錯越寬，交滑移越困難c.位錯網(wǎng)絡(luò)d.面角位錯面角位錯對面心立方的加工硬化可起重大作用6.其他晶體中的位錯a.體心立方晶體中的位錯單位位錯：(a/2)<111>, 滑移方向<111>, 通?？赡艿幕?/p>

34、面有110，112，123，隨成分、溫度計變形速度而異。交滑移=>滑移線呈波紋形<=層錯能高，不易出現(xiàn)擴(kuò)展位錯滑移切應(yīng)力的不對稱性<111>螺位錯的核心具有獨特的性質(zhì)3.3表面及界面界面包括：外表面（自由表面）和內(nèi)界面表面：固體與氣體或液體的分界面界面：幾個原子層厚，原子排列于成分不同于內(nèi)部3.3.1外表面表面能：定義為形成單位面積的新表面所需做的功3.3.2晶界和亞晶界晶界：屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面（內(nèi)界面）晶界具有5個自由度：兩晶粒的位相差（3），界面的取向（2）1.小角度晶界扭轉(zhuǎn)晶界：一般小角度晶界都可看成兩部分晶體繞某一軸旋轉(zhuǎn)一角度而形成，不過該轉(zhuǎn)

35、軸即不平行也不垂直晶界，故可看成一系列刃位錯，螺位錯或混合位錯的網(wǎng)絡(luò)組成。2.大角度晶界大角度晶界：相鄰晶粒在交界處的形狀不是光滑的曲面，而是由不規(guī)則臺階組成的重合位置點陣3.晶界能晶界能：形成單位面積晶面時，系統(tǒng)自由能的變化，即dF/dA晶界的界面能的測量4.晶界特性 1）晶界處點陣畸變大，存在晶界能，故晶粒長大和晶界平直化是一個自發(fā)過程2）晶界處原子排列不規(guī)則阻礙塑性變形Hb，sb（細(xì)晶強(qiáng)化）3）晶界處存在較多缺陷（位錯、空位等）有利原子擴(kuò)散4）晶界能量高固態(tài)相變先發(fā)生，d形核率5）晶界能高晶界腐蝕速度亞晶界：每個晶粒有時又由若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒間的界面稱為亞晶界。

36、事實上每個晶粒中還可分成若干個更為細(xì)小的亞晶粒（0.001mm），亞晶粒之間存在著小的位相差，相鄰亞晶粒之間的界面成為亞晶界。亞晶粒更接近于理想的單晶體。位相差一般小于2度，屬于小角度晶界，具有晶界的一般特征。3.3.3孿晶界 Twin boundary 孿晶指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成對稱的位相關(guān)系，這兩個晶體就稱為孿晶，這個公共的晶面即成為孿晶面 共格孿晶界：即孿晶面，其上的原子同時位于兩側(cè)晶體點陣的節(jié)點上，為兩者共有。無畸變的完全共格界面，界面能（約為普通晶界能1/10）很低很穩(wěn)定 非共格孿晶界：孿晶界相對于孿晶面旋轉(zhuǎn)一角度，其上的原子只有部分為兩者共有，原子錯排校

37、嚴(yán)重，孿晶能量相對較高，約為普通晶界的1/2孿晶的形成：1.形變孿晶：連續(xù)的(1/6)<112>類型的滑移2.生長孿晶3.退火孿晶孿晶的形成與堆垛層錯密度相關(guān)，如fcc的111面發(fā)生堆垛層錯時為ABCACBACBA CAC處為堆垛層錯 孿晶與層錯密切相關(guān)一般層錯能高的晶體不易產(chǎn)生孿晶 3.3.4相界相界:具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界 共格界面：界面上的原子同時位于兩相晶格 的節(jié)點上，彈性畸變半共格相界：兩相結(jié)構(gòu)相近而原子間距相差較大時，部分保持匹配錯配度： 位錯間距： 非共格相界：兩相在界面處的原子排列相差很大，相界與大角度晶界相似第4章 固體中原子及分子的運(yùn)動4.1表象

38、理論（擴(kuò)散的宏觀規(guī)律）4.1.1菲克第一定律4.1.2菲克第二定律4.1.3 擴(kuò)散方程的解1. 兩端成分不受擴(kuò)散影響的擴(kuò)散偶2. 一端成分不受擴(kuò)散影響的擴(kuò)散體3衰減薄膜源4.成分偏析的均勻化 固溶體合金在非平衡凝固條件下，晶內(nèi)會出現(xiàn)枝晶偏析,由此對合金性能產(chǎn)生不利的影響。通常需通過均勻化擴(kuò)散退火來削弱這種影響。這種均勻擴(kuò)散退火過程中組元濃度的變化可用菲克第二定律來描述。4.1.4置換型固溶體中的擴(kuò)散對于置換型溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，由于溶劑與溶質(zhì)原子的半徑相差不會很大，原子擴(kuò)散時必須與相鄰原子間作置換，且兩者可動性大致屬于同一數(shù)量級，因此，必須考慮溶質(zhì)和溶劑原子的不同擴(kuò)散速率。這種由于Cu、Zn不同的

39、擴(kuò)散速率導(dǎo)致鉬絲移動的現(xiàn)象叫柯肯達(dá)爾效應(yīng)。相同的現(xiàn)象也出現(xiàn)在Ag-Au，Ag-Cu，Au-Ni ，Cu-Al等擴(kuò)散偶中。4.1.5擴(kuò)散系數(shù)D與濃度相關(guān)時的求解俁野面：擴(kuò)散偶中通過它的兩組元的反向通量相等(通量等，方向反，凈通零)4.2 擴(kuò)散的熱力學(xué)分析4.3 擴(kuò)散的原子理論4.3.1擴(kuò)散機(jī)制1.交換機(jī)制2.間隙機(jī)制3.空位機(jī)制4.晶界擴(kuò)散及表面擴(kuò)散4.3.2 原子跳躍和擴(kuò)散系數(shù)對于間隙型擴(kuò)散對于置換擴(kuò)散或自擴(kuò)散,擴(kuò)散機(jī)制是空位機(jī)制,因此還需考慮空位的形成能。由此可知：置換擴(kuò)散除需要原子遷移能外，還比間隙擴(kuò)散增加了一項空位形成能。阿累尼烏斯方程：4.4 擴(kuò)散激活能通過對阿累尼烏斯方程兩邊求導(dǎo)，有

40、一般認(rèn)為D0與Q和溫度T無關(guān)，因此lnD與1/T呈線性關(guān)系，通過對lnD與1/T作圖如圖所示，則圖中直線斜率即為Q/R。4.5 無規(guī)行走與擴(kuò)散距離原子的平均遷移值（擴(kuò)散距離）還與跳躍次數(shù)n的平方根成正比：4.6影響擴(kuò)散的因素1.溫度溫度是影響擴(kuò)散速率的主要因素，溫度越高，原子熱激活能越大，擴(kuò)散系數(shù)越大。2. 固溶體類型不同類型的固溶體，原子的擴(kuò)散機(jī)制是不同的。間隙固溶體中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度要高于置換固溶體中的溶質(zhì)原子。3. 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)對擴(kuò)散的主要體現(xiàn)以下幾方面：溶質(zhì)在致密度低的晶體中的擴(kuò)散速率大于致密度高的晶體；固溶體溶解度大，有利于促進(jìn)擴(kuò)散；晶體的對稱性越低，擴(kuò)散各向異性越顯著。4.

41、晶體缺陷晶界、表面和位錯等晶體缺陷對擴(kuò)散起著快速通道的作用，這是由于晶體缺陷處點陣畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)，易于躍遷，故擴(kuò)散激活能較小。5. 化學(xué)成分不同金屬的自擴(kuò)散激活能與熔點、熔化潛熱、體積膨脹或壓縮系數(shù)相關(guān)，熔點高的金屬自擴(kuò)散激活能大。擴(kuò)散系數(shù)與溶質(zhì)的濃度有關(guān)。第三組元可能提高也可能降低二元合金原子擴(kuò)散速度，或者幾乎無作用，特別應(yīng)注意第三組元引起的上坡擴(kuò)散，如下圖所示：6.應(yīng)力的作用4.7 反應(yīng)擴(kuò)散反應(yīng)擴(kuò)散：通過擴(kuò)散形成新相的現(xiàn)象。4.8 離子晶體中的擴(kuò)散離子擴(kuò)散只能依靠空位來進(jìn)行，而且空位的分布也有其特殊性。由于分開一對異類離子將使靜電能大大增加，為了保持局部電荷平衡，需要同時

42、形成不同電荷的兩種缺陷：肖脫基型空位和弗蘭克爾型空位。肖脫基型空位 等量陽離子和陰離子空位的無序分布。弗蘭克爾型空位形成陽離子空位或陰離子空位的電荷將由形成間隙陽離子或間隙陰離子來補(bǔ)償，這種無序態(tài)的缺陷組合被稱為弗蘭克爾型空位。4.9 高分子的分子運(yùn)動高分子的聚合方法高分子是一種以共價鍵連接大量重復(fù)結(jié)構(gòu)單元所形成的長鏈結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的化合物。高分子是由分子鏈組成的。分子鏈中的原子之間、鏈節(jié)之間的相互作用是強(qiáng)的共價鍵結(jié)合。這種結(jié)合力為分子鏈的主價力，它的大小取決于鏈的化學(xué)組成。分子鏈之間的相互作用是弱的范德華力和氫鍵。這類結(jié)合力為次價力，約為主價力的110。但因為分子鏈特別長，故總的次價力常常超過主

43、價力。4.9.1 分子鏈運(yùn)動的起因及其柔順性1.單鍵內(nèi)旋導(dǎo)致分子在空間中的不同形態(tài)構(gòu)象；2.單鍵內(nèi)旋越自由，高分子鏈可動性（柔順性）越好；3.“鏈段”是高分子獨立運(yùn)動的基本單元；4.鏈段的長度（lp)可以表征高分子鏈的柔順性。高分子的分子運(yùn)動大致可分為大尺寸單元和小尺寸單元兩種。前者是指整個高分子鏈，后者是指鏈段或鏈段以下的小運(yùn)動單元。4.9.3 分子的運(yùn)動方式及其結(jié)構(gòu)影響因素單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)或鏈段的柔順性取決于高分子的結(jié)構(gòu)和其所處的環(huán)境（溫度、壓力、介質(zhì)等）。影響高分子鏈柔順性的結(jié)構(gòu)因素主要有以下三方面：1主鏈結(jié)構(gòu)主鏈全由單鍵組成時，因單鍵可內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使分子鏈顯示出很好的柔順性。主鏈中含有芳雜環(huán)時，

44、由于它不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以柔順性很差，剛性較好，能耐高溫。帶有雙鍵的高分子鏈不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)，但柔順性增大。2取代基的特性取代基極性的強(qiáng)弱對高分子鏈的柔順性影響很大。取代基的極性越強(qiáng)，高分子鏈的柔順性越差。取代基的對稱性對柔順性也有顯著影響。對稱分布將使柔順性增大。3鏈的長度高分子鏈的長度和分子量相關(guān)，分子量越大，分子鏈越長。若分子鏈很短，可以內(nèi)旋轉(zhuǎn)的單鍵數(shù)目很少，分子的構(gòu)象很少，必然出現(xiàn)剛性，所以低分子物質(zhì)都沒有柔順性。如果鏈比較長，單鍵數(shù)目較多，整個分子鏈可出現(xiàn)眾多的構(gòu)象，因而分子鏈顯示出柔順性。不過，當(dāng)分子量增大到一定數(shù)值，也就是說，當(dāng)分子的構(gòu)象數(shù)服從統(tǒng)計規(guī)律時，分子量對柔順性的影響就不存在了。4

45、. 交聯(lián)的影響交聯(lián)較少，交聯(lián)點間的長度大于鏈段的長度，有好的柔順性；交聯(lián)較多，交聯(lián)點間的長度小于鏈段的長度，不存在柔順性。5. 結(jié)晶度4.9.3 高分子不同力學(xué)狀態(tài)的分子運(yùn)動解說高分子鏈的幾何形狀主要有線型、支化型和體型（三維網(wǎng)狀）等三類。高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)主要有晶態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶體結(jié)構(gòu)、取向態(tài)結(jié)構(gòu)、液晶態(tài)結(jié)構(gòu)，以及織態(tài)結(jié)構(gòu)。1線型非晶態(tài)高分子的三種力學(xué)狀態(tài) 根據(jù)試樣的力學(xué)性質(zhì)隨溫度變化的特征， 可把線型非晶態(tài)高分子按溫度區(qū)域劃分為三種不同力學(xué)狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，如下圖所示：2體型非晶態(tài)高分子的力學(xué)狀態(tài)3結(jié)晶高分子的力學(xué)狀態(tài)結(jié)晶高分子的力學(xué)行為將受到晶區(qū)和非晶區(qū)的共同影響，其力學(xué)狀態(tài)將隨

46、分子量的不同而發(fā)生變化，主要特點是，它的高彈態(tài)可分為皮革態(tài)和橡膠態(tài)。第5章 材料的形變和再結(jié)晶材料不同，其彈、塑性性能差異很大塑性變形，對鍛、軋、拉、擠有重要作用，對鑄造、熱處理則 要盡量避免 5.1 彈性和粘彈性5.1.1彈性變形的本質(zhì)彈性變形：指外力去除后能夠完全恢復(fù)的那部分形變（可逆性）本質(zhì):可從原子間結(jié)合力的角度來了解之5.1.2彈性變形的特征和彈性模量應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(Stress-Strain behavior)虎克定律(Hookes law)彈性模量 E (Elastic modulus)：表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量, 反映原子間的結(jié)合力,是組織結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)。對晶體而言，系各向異性沿原子最密排的晶向 Emax 沿原子最疏的晶向 Emin工程上E系材料剛度的度量彈性變形量隨材料不同而異5.1.3彈性的不完整性1. 包申格效應(yīng) （Bauschinger effect） 經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量變形（<4%） 而后同向加載則 而后反向加載則 2. 彈性后效 （Elastic aftereffect） 在彈性極限 范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，并和時間有