材料科學(xué)基礎(chǔ)(講稿1-4章)

材料科學(xué)基礎(chǔ)劉宏玉2015年3月1導(dǎo)論材料科學(xué)的重要地位工程材料的分類(lèi)及性能特點(diǎn)材料性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系材料制備和加工工藝對(duì)性能的影響本課程的任務(wù)課程的主要內(nèi)容教學(xué)和考核方式2一、材料科學(xué)的重要地位人類(lèi)使用材料的7個(gè)時(shí)代的開(kāi)始時(shí)間：公元前10萬(wàn)年→石器時(shí)代公元前3000年→青銅器時(shí)代公元前1000年→鐵器時(shí)代公元0年→水泥時(shí)代1800年→鋼時(shí)代1950年→硅時(shí)代1990年→新材料時(shí)代：以人造為特征；為特定的需要設(shè)計(jì)和加工而成。3二、工程材料的分類(lèi)及性能特點(diǎn)按使用性能分：結(jié)構(gòu)材料：主要用其力學(xué)性能。功能材料：主要用其物理性能。按屬性分：金屬材料陶瓷材料高分子材料（復(fù)合材料）41、金屬材料使用量最大，使用面最廣。高強(qiáng)度，良好的延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。黑色金屬有色金屬52、陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷：由粘土、石英、長(zhǎng)石等成分組成，用于建筑材料。新型結(jié)構(gòu)陶瓷：Al2O3、SiC、Si3N4等成分。優(yōu)點(diǎn):①重量輕；②壓縮強(qiáng)度高；③熔點(diǎn)高；④耐磨性好；⑤化學(xué)穩(wěn)定；⑥電、熱絕緣。但脆、不易成形63、高分子材料又稱(chēng)聚合物。低密度，高彈性，絕緣性，低導(dǎo)熱，低強(qiáng)度，低彈性模量，易老化。按用途分：塑料合成纖維橡膠4、復(fù)合材料高比強(qiáng)度，高比模量，抗疲勞。塑料基金屬基陶瓷基75、功能材料電功能材料磁功能材料形狀記憶合金。。。各種特殊的物理、化學(xué)性能。8三、材料性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系各種材料的性能是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。內(nèi)部結(jié)構(gòu)分四個(gè)層次：原子結(jié)構(gòu)結(jié)合鍵原子的排列方式（晶體和非晶體）顯微組織9四、材料的制備與加工工藝對(duì)性能的影響鋼材→零件：冶煉、澆鑄、軋制、鍛造、熱處理、表面處理液態(tài)→固態(tài)凝固：

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片：傳統(tǒng)為熔模鑄造，通常凝固葉片組織為任意取向小單晶；定向凝固為一定方向的柱狀晶，甚至單晶。工作溫度由850℃提高到1100℃。研究各種材料的制備與加工工藝是材料工程類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的任務(wù)。10五、本課程的任務(wù)（什么是材料科學(xué)？）是研究各種材料的結(jié)構(gòu)、制備加工工藝與性能之間關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)與工程四要素11六、課程的主要內(nèi)容ⅠⅡ材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)材料中的晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷材料的相結(jié)構(gòu)及相圖材料的凝固高分子材料的結(jié)構(gòu)固態(tài)擴(kuò)散材料的變形與斷裂固體材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能12七、教學(xué)和考核方式1、教學(xué)方式課堂講授課堂討論課堂練習(xí)課外作業(yè)考勤2、考核方式期末閉卷考試30%平時(shí)成績(jī)+70%期末成績(jī)13第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)結(jié)構(gòu)分4個(gè)層次：原子結(jié)構(gòu)結(jié)合鍵原子的排列顯微組織14第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)一、原子的電子排列1、原子的核式結(jié)構(gòu)原子由原子核及核外電子構(gòu)成原子核：體積小，質(zhì)量大，帶正電電子：質(zhì)量可忽略，在一定軌道繞核旋轉(zhuǎn)，帶負(fù)電2、電子分布（1）4個(gè)量子數(shù)：①主量子數(shù)n：電子能級(jí)的殼層序數(shù)。n=1,2,3,…7；②次量子數(shù)l(角量子數(shù)、軌道量子數(shù))：l=0,1,2,…,確定每一殼層的亞殼層數(shù)目(spdf)15③磁量子數(shù)m：確定每一亞殼層中空間取向不同的軌道數(shù)目。m=0,±1，±2，…,軌道空間取向（spdf→1357）④自旋量子數(shù)ms：確定每一軌道中能容納的電子數(shù)目。ms=+1/2,-1/2各殼層能夠容納的電子總數(shù)：2n2(n-主量子數(shù))16（2）兩個(gè)基本原理：①泡利不相容原理；一個(gè)原子中不可能存在有四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子。②最低能量原理：電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。（3）能級(jí)的重疊相鄰主殼層的能量范圍有重疊17例題

：寫(xiě)出原子序數(shù)為11的鈉原子及原子序數(shù)解：

Na:1s22s22p63s1Ca:1s22s22p63s23p64s23、原子的活潑程度主要取決于外殼層（S層和P層）填滿(mǎn)與否例如：為20的鈣原子的電子分布

He：1s2

Ne：…2s22p6

Ar：…3s23p6

Kr：…4s23d104p6

Xe：…5s24d105p6Rn：…6s24f145d106p6

Na：…3s118二、元素周期表及性能的周期性變化191、周期對(duì)應(yīng)于電子主殼層2、同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)和相似的化學(xué)性質(zhì)3、過(guò)渡族元素具有未滿(mǎn)的內(nèi)殼層和典型的金屬性4、ⅠB族和ⅡB族的內(nèi)殼層填滿(mǎn)，ⅠA族和ⅡA族的內(nèi)殼層未滿(mǎn)，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和ⅡA族活潑例如：Cu：…3p63d104s1K：…3p64s1205、電負(fù)性呈周期性變化：同周期自左至右逐漸增強(qiáng)，同族自上而下逐漸減弱21第二節(jié)原子的結(jié)合鍵一次鍵二次鍵混合鍵結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距結(jié)合鍵與性能22按結(jié)合力強(qiáng)弱分：一次鍵：通過(guò)電子的轉(zhuǎn)移或共享使原子結(jié)合的結(jié)合鍵．包括離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵，結(jié)合力較強(qiáng)．二次鍵：通過(guò)偶極吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵．包括氫鍵、范德瓦爾斯鍵，結(jié)合力較弱．一、一次鍵1、離子鍵通過(guò)正負(fù)離子間相互吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵．

23例如：NaCl,MgO對(duì)于NaCl：Na：1S22S22P63S1Cl：1S22S22P63S23P5Na原子失去一個(gè)外層電子，變成正離子，帶正電Cl原子得到一個(gè)外層電子，變成負(fù)離子，帶負(fù)電24252、共價(jià)鍵通過(guò)共用電子對(duì)使原子結(jié)合的結(jié)合鍵．例如，金剛石…26(1)具有方向性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性．金剛石109.5°(2)8-N定律—一個(gè)原子周?chē)墓灿秒娮訉?duì)的數(shù)目，其中，Ｎ為原子的價(jià)電子數(shù)ⅣA族，4個(gè)共用電子對(duì)，空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)ⅤA族，3個(gè)共用電子對(duì)，空間層狀結(jié)構(gòu)ⅥA族，2個(gè)共用電子對(duì)，空間鏈狀結(jié)構(gòu)273、金屬鍵通過(guò)正離子與自由電子之間相互吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵。價(jià)電子脫離原子成為“電子氣”，正離子整齊地排列在“電子氣”的海洋中．金屬具有高的密度，良好的塑性，導(dǎo)電，導(dǎo)熱，固態(tài)溶解28二、二次鍵1、范德瓦耳斯鍵具有穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的原子或分子通過(guò)電偶極矩相互吸引而結(jié)合的結(jié)合鍵。如石蠟、塑料…292、氫鍵含氫的分子具有極性，與另一個(gè)具有較強(qiáng)電負(fù)性的原子通過(guò)氫離子而結(jié)合的結(jié)合鍵。如冰…

X-H-YX-H:離子鍵H-Y：氫鍵30三、混合鍵大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往是各種鍵的混合。1、一次鍵混合（1）共價(jià)鍵與金屬鍵混合如ⅣA族中，CSiGeSnPb共價(jià)鍵共價(jià)鍵＋金屬鍵金屬鍵再如，過(guò)渡族元素，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)少量共價(jià)鍵31（2）金屬鍵與離子鍵混合如金屬間化合物中（3）共價(jià)鍵與離子鍵混合如陶瓷化合物中AB化合物中離子鍵的比例取決于組成元素的電負(fù)性差，差越大，離子鍵比例越高：XA,XB–A,B的電負(fù)性數(shù)值。（表1-2，P17）32例題:計(jì)算化合物(1)MgO、(2)GaAs中離子鍵結(jié)合的比例．解：(1)MgO查電負(fù)性表得XMg

=1.31,XO

=3.44代入公式得,離子鍵結(jié)合比例＝68%(2)GaAs查電負(fù)性表得,XGa

=1.81,XAs

=2.18代入公式得,離子鍵結(jié)合比例＝4%33由表可見(jiàn)，A、B原子間的電負(fù)性差越大，所形成的AB化合物中離子鍵結(jié)合的比例越高342、一次鍵與二次鍵混合例如：石墨:片層中為共價(jià)鍵,片層間為范德瓦爾斯鍵高分子:分子鏈中為共價(jià)鍵,鏈與鏈之間為二次鍵35四、結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距1、結(jié)合鍵的本質(zhì)

—結(jié)合鍵的強(qiáng)弱反映了原子或分子間結(jié)合時(shí)互作用能降低的程度．離子鍵、共價(jià)鍵最強(qiáng)，金屬鍵次之，氫鍵再次之，范德瓦爾斯鍵最弱。362、原子間的互作用力及結(jié)合能（1）雙原子模型固體原子間總存在著兩種力：吸引力、排斥力引力與斥力相等時(shí)，r0稱(chēng)原子間距。平衡距離下的作用能定義為原子的結(jié)合能Ｅ0結(jié)合能越大，原子結(jié)合越穩(wěn)定。37（2）原子結(jié)合能的實(shí)驗(yàn)測(cè)定及理論計(jì)算實(shí)驗(yàn)測(cè)定原理測(cè)定固體的蒸發(fā)熱理論計(jì)算(自學(xué)P24例題)五、結(jié)合鍵與性能1、對(duì)物理性能的影響1)熔點(diǎn)：共價(jià)鍵、離子鍵的最高，高分子材料 的最低．2)密度：金屬鍵的最高，共價(jià)鍵、離子鍵的較 低，高分子材料的最低．3)導(dǎo)電導(dǎo)熱性：金屬鍵最好，共價(jià)鍵、離子鍵最差。382、對(duì)力學(xué)性能的影響（1）強(qiáng)度：結(jié)合鍵強(qiáng)，則強(qiáng)度也高，但還受組織的影響．（2）塑韌性：金屬鍵最好，共價(jià)鍵、離子鍵最低.（3）彈性模量：共價(jià)鍵、離子鍵最高，金屬鍵次之，二次鍵最低39第三節(jié)原子排列方式晶體與非晶體原子排列的研究方法一、晶體與非晶體1、晶體原子(原子團(tuán)或分子)在空間有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的固體。一般情況下，金屬、大多數(shù)陶瓷、少數(shù)高分子材料為晶體。40非晶體：排列無(wú)序，不存在長(zhǎng)程的周期規(guī)則排列。二氧化硅結(jié)構(gòu)示意圖a)晶體b)非晶體412、結(jié)晶過(guò)程晶核形成晶核長(zhǎng)大423、晶體與非晶體性能的主要差別晶體：有確定熔點(diǎn)單晶體各向異性多晶體各向同性非晶體：無(wú)確定熔點(diǎn)各向同性43二、原子排列的研究方法X射線或電子束衍射原理布拉格定律：根據(jù)衍射分布圖，可分析晶體中原子排列的特征（排列方式、原子面間距等）44第四節(jié)晶體材料的組織1、結(jié)晶過(guò)程及多晶組織452、材料的組織各種晶粒的組合特征。即各種晶粒的相對(duì)量、尺寸大小、形狀及分布等特征。組織是影響材料性能的極為敏感而重要的結(jié)構(gòu)因素。463、組織的顯示與觀察宏觀組織：肉眼能觀察顯微組織：用金相顯微鏡或電子顯微鏡才能看到。磨光→拋光→浸蝕→顯微鏡下觀察：474、單相與多相組織（1）單相組織所有晶粒的化學(xué)組成相同，晶體結(jié)構(gòu)也相同。描述單相組織特征的主要用晶粒尺寸及形狀。（2）多相組織兩相以上的晶體材料，各個(gè)相具有不同的成分和晶體結(jié)構(gòu)。兩相例子：48第五節(jié)材料的穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)（平衡態(tài)結(jié)構(gòu)）能量最低的結(jié)構(gòu)。亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)能量相對(duì)較高的結(jié)構(gòu)。材料最終得到什么結(jié)構(gòu)，必須綜合考慮結(jié)構(gòu)形成的熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件。1、熱力學(xué)條件結(jié)構(gòu)形成時(shí)必須沿著能量降低的方向進(jìn)行，或者說(shuō)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變必須存在一個(gè)推動(dòng)力。49等溫等容過(guò)程：亥姆霍茲自由能變化，自發(fā)過(guò)程等溫等壓過(guò)程：吉布斯自由能變化，自發(fā)過(guò)程2、動(dòng)力學(xué)條件反應(yīng)速度?；瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的Arhennius方程：v-反應(yīng)速度；Ａ－常數(shù)；Ｑ－激活能；Ｔ－熱力學(xué)溫度；Ｒ－氣體常數(shù)。50激活能的意義激活能可看作阻力。材料最終的結(jié)構(gòu)？取決于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)哪個(gè)起支配作用。51本章作業(yè)P36:第3題，第6題，第8題52第二章材料中的晶體結(jié)構(gòu)晶體可分為：①金屬晶體②離子晶體③共價(jià)晶體④分子晶體晶體結(jié)構(gòu)晶體中原子（離子或分子）在三維空間的具體排列方式。53主要內(nèi)容:晶體學(xué)基礎(chǔ)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)離子晶體的結(jié)構(gòu)共價(jià)晶體的結(jié)構(gòu)54第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ)空間點(diǎn)陣和晶胞晶系和布拉菲點(diǎn)陣晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶面間距晶帶及晶帶定理55第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ)一、空間點(diǎn)陣和晶胞1、空間點(diǎn)陣人為地將晶體結(jié)構(gòu)抽象為空間點(diǎn)陣。指由幾何點(diǎn)在三維空間作周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。2、陣點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）構(gòu)成空間點(diǎn)陣的每一個(gè)點(diǎn)。晶體→點(diǎn)陣→晶格→晶胞563、晶格人為地將陣點(diǎn)用一系列相互平行的直線連接起來(lái)形成的空間格架。4、晶胞構(gòu)成晶格的最基本單元，選取晶胞應(yīng)滿(mǎn)足的條件：①充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱(chēng)性；②要具有盡可能多的直角；③晶胞的體積要最小。簡(jiǎn)單晶胞：只在八個(gè)角點(diǎn)上有陣點(diǎn)；復(fù)合晶胞：體心、面心上也有陣點(diǎn)。575、晶胞形狀和大小的表達(dá)①由三個(gè)棱邊長(zhǎng)度a、b、c（點(diǎn)陣常數(shù)）及其夾角α、β、γ六個(gè)參數(shù)完全表達(dá)。②點(diǎn)陣中任一陣點(diǎn)位置：r：原點(diǎn)到某陣點(diǎn)的矢量；u,v,w：沿三個(gè)點(diǎn)陣矢量方向平移的基矢數(shù)或坐標(biāo)值。

58二、晶系和布拉菲（A.Bravais）點(diǎn)陣7個(gè)晶系（表2-1，P40）14種空間點(diǎn)陣（布拉菲點(diǎn)陣）59三、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶向空間點(diǎn)陣中各陣點(diǎn)列的方向代表晶體中原子排列的方向。晶面空間點(diǎn)陣中任意一組陣點(diǎn)的平面代表晶體中的原子平面。60用密勒（Miller）指數(shù)來(lái)表示晶向和晶面指數(shù)。1、晶向指數(shù)確定步驟：（確定已知晶向的指數(shù)）①建立坐標(biāo)系：以待定晶向上的某一陣點(diǎn)為原點(diǎn)，晶軸為坐標(biāo)軸。②確定坐標(biāo)值：確定距原點(diǎn)最近的一個(gè)陣點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值。③化整并加方括號(hào)：坐標(biāo)值化為最小整數(shù)uvw，并加括號(hào)[uvw]，負(fù)號(hào)在數(shù)值上方。61特別說(shuō)明：一個(gè)晶向代表相互平行、方向一致的所有晶向。兩晶向平行但方向相反→數(shù)字相同，符號(hào)相反。如晶體中原子排列相同，但空間位向不同的一組晶向，稱(chēng)為晶向族，用<uvw>表示。如立方<111>包括：

立方體４個(gè)體對(duì)角線。如果不是立方晶系，改變晶向指數(shù)的順序所表示的晶向可能不是同等的。如：正交晶系中[100]、[010]、[001]不是等同晶向，因a≠b≠c，原子排列的情況不同，不屬于同一晶向族。62２、晶面指數(shù)確定步驟：（確定已知晶面的指數(shù)）①建立坐標(biāo)：以晶胞的某一陣點(diǎn)O為原點(diǎn)，以過(guò)原點(diǎn)的晶軸為坐標(biāo)軸，以點(diǎn)陣常數(shù)a、b、c為三個(gè)坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位?！镒鴺?biāo)原點(diǎn)的選取應(yīng)便于確定截距，且不能選在待定晶面上。②求截距：晶面與某坐標(biāo)軸平行，截距為∞。③取倒數(shù)。④化整并加圓括號(hào)→(hkl)63特別說(shuō)明：(hkl)不是指一個(gè)晶面，而是代表著一組相互平行的晶面。平行晶面的面指數(shù)相同，或數(shù)字相同而正負(fù)號(hào)相反。晶體中具有相同條件（原子排列和面間距完全相同）而只是空間位向不同的各組晶面稱(chēng)為晶面族，用{hkl}表示。如立方晶系中：對(duì)正交晶系，(100)、(010)、(001)原子排列情況不同，晶面間距不等，不屬于同一晶面族。立方晶系，相同指數(shù)的晶向和晶面必定相互垂直，如[100]⊥(100)，但不適應(yīng)于其它晶系。64課堂練習(xí)：A、寫(xiě)出MN晶向指數(shù)65解：（1）選M點(diǎn)為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系（2）N點(diǎn)的坐標(biāo)：-1/2,1/2,1（3）化整數(shù)：-1，1，2（4）加括號(hào)：[-112]66B、寫(xiě)出BCD晶面指數(shù)67解：（1）以A點(diǎn)為原點(diǎn)建坐標(biāo)系（2）求截距：-1/2,-3/4,1（3）取倒數(shù)：-2，-4/3,1（4）化整數(shù)：-6，-4，3（5）加括號(hào)(-6-43)68C、寫(xiě)出圖示立方晶胞中晶向及晶面的指數(shù)693、六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)(1)確定已知晶面的指數(shù)（hkil）①建坐標(biāo)．四軸坐標(biāo)，坐標(biāo)軸為a1、a2、a3和c，坐標(biāo)原點(diǎn)不能位于待定晶面內(nèi)②求截距．以晶格常數(shù)為單位，求待定晶面在坐標(biāo)軸上的截距值③取倒數(shù)．將截距值取倒數(shù)④化整數(shù)．將截距值的倒數(shù)化為一組最小整數(shù)⑤加括號(hào)．（hkil），可以證明，i=－(h+k)70例題:71課堂練習(xí)寫(xiě)出圖中六方晶胞六個(gè)側(cè)面的Miller-Bravais指數(shù)，及其晶面族的指數(shù)．72(2)確定已知晶向的指數(shù)[uvtw]移步法公式換算法正射投影修正系數(shù)法第１種方法—移步法：坐標(biāo)原點(diǎn)依次沿a1、a2、a3、c軸移動(dòng)到待定晶向上的某個(gè)陣點(diǎn)，所移動(dòng)步數(shù)即為［uvtw］第2種方法—公式換算法：73先用三軸坐標(biāo)系標(biāo)出待定晶向指數(shù)[UVW]，然后用下列公式換算成四軸坐標(biāo)系[uvtw]:74第３種方法－正射投影修正系數(shù)法：在四軸坐標(biāo)中，從待定晶向上的某個(gè)陣點(diǎn)向四個(gè)坐標(biāo)軸作垂直投影，給C軸的投影值乘以3/2，再將四個(gè)投影值化為一組最小整數(shù)，即為[uvtw]75課堂練習(xí):

寫(xiě)出圖示六方晶胞中ABCDA晶面指數(shù)及其與晶胞表面交線的指數(shù)76解:(1)求ABCDA晶面指數(shù)1)四個(gè)軸的截距為:1,∞,-1,12)倒數(shù):1,0,-1,13)整數(shù)化:(10-11)(2)BA晶向:(晶向采用公式法)先求三軸坐標(biāo):1)坐標(biāo)原點(diǎn)為B點(diǎn)2)A的三軸投影:-1,-1,1[UVW]3)公式轉(zhuǎn)成四軸:-1/3,-1/3,2/3,14)整數(shù)化:[-1-123]5)AB=[11-2-3]77(3)BC晶向:先求三軸坐標(biāo):1)坐標(biāo)原點(diǎn)為B點(diǎn)2)C點(diǎn)的三軸投影:0,1,0[UVW]3)公式轉(zhuǎn)成四軸:-1/3,2/3,-1/3,04)整數(shù)化:[-12-10](4)CD晶向:先求三軸坐標(biāo):1)坐標(biāo)原點(diǎn)為C點(diǎn)2)D點(diǎn)的三軸投影:-1,0,1[UVW]3)公式轉(zhuǎn)成四軸:-2/3,1/3,1/3,14)整數(shù)化:[-2113]78(5)DA晶向:先求三軸坐標(biāo):1)坐標(biāo)原點(diǎn)為D點(diǎn)2)A點(diǎn)的三軸投影:0,-2,0[UVW]3)公式轉(zhuǎn)成四軸:4/3,-8/3,4/3,04)整數(shù)化:[4-840]5)化簡(jiǎn):[1-210]794、晶面間距（1）晶面間距-相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離。（2）計(jì)算公式對(duì)于各晶系的簡(jiǎn)單點(diǎn)陣，晶面間距dhkl

與晶面指數(shù)(hkl)和點(diǎn)陣常數(shù)(a,b,c)之間有如下關(guān)系：80（3）特別說(shuō)明1)應(yīng)用公式的條件：各晶系中的簡(jiǎn)單點(diǎn)陣，如簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣、簡(jiǎn)單四方點(diǎn)陣、簡(jiǎn)單正交點(diǎn) 陣、簡(jiǎn)單六方點(diǎn)陣等。2)對(duì)于非簡(jiǎn)單點(diǎn)陣，其某些面的面間距與簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的相同，某些卻是簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的分?jǐn)?shù)倍。如，對(duì)于簡(jiǎn)單立方，d100=a

對(duì)于面心立方，d100=a/23)較為穩(wěn)妥的方法是利用下式計(jì)算：

面間距＝面密度／體密度如：面心立方的81課后自主練習(xí):1.計(jì)算體心立方晶體{100}面間距2.計(jì)算面心立方晶體{110}面間距3.計(jì)算密排六方晶體(0001)面間距82（4）特點(diǎn)晶面間距越大，晶面上的原子排列越密集；晶面間距最大的晶面通常是原子最密排的晶面。低指數(shù)的晶面間距較大。835、晶帶(1)相交和平行于某一晶向直線的所有晶面的組合，稱(chēng)為晶帶；此直線稱(chēng)晶帶軸；同一晶帶中的晶面，稱(chēng)共帶面。晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示[uvw];(2)晶帶定律晶帶軸[uvw]與該晶帶中任一晶面(hkl)之間均滿(mǎn)足：hu+kv+lw=084推論：兩個(gè)不平行晶面(h1k1l1)、(h2k2l2)必定屬于同一個(gè)晶帶，其晶帶軸[uvw]可由下式求得：[uvw]=h1k1l1×h2k2l2=兩不平行晶向[u1v1w1]、[u2v2w2]所決定的晶面指數(shù)（hkl）：85例題講解作圖表示立方晶體的晶面及晶向。書(shū)上例題（P44）

課后仔細(xì)閱讀。86金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)多晶型性晶體的原子半徑第二節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)87一、金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)FCC(face-centeredcubic)Cu,Ni,Al,γ-Fe…88體心立方結(jié)構(gòu)BCC(body-centeredcubic)Cr,V,β-Ti,α-Fe,δ-Fe…89密排六方結(jié)構(gòu)CPH(close-packedhexagonal)Zn,Mg,α-Ti…90原子密排面和密排方向一個(gè)晶胞中的原子數(shù)原子的配位數(shù)點(diǎn)陣常數(shù)致密度間隙原子堆垛方式911、原子最密排面和最密排方向結(jié)構(gòu)類(lèi)型最密排面最密排方向fcc{111}<110>bcc{110}<111>cph{0001}<11-20>2、一個(gè)晶胞中的原子數(shù)fccbcccph42692每個(gè)晶胞所包含的原子數(shù)N:N=Ni+Nf/2+Nr/mNi:晶胞內(nèi)原子數(shù)；Nf:面心上的原子數(shù)；Nr:角頂上的原子數(shù)；m=8(立方晶系)；m=6（六方晶系）933、原子的配位數(shù)晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周?chē)罱徢业染嚯x的原子數(shù)。fccbcccph128124、點(diǎn)陣常數(shù)晶胞的棱邊長(zhǎng)度a、b、c稱(chēng)為點(diǎn)陣常數(shù)。如把原子看做半徑為r的剛性球，則：結(jié)構(gòu)類(lèi)型點(diǎn)陣常數(shù)特征點(diǎn)陣常數(shù)fcca=b=cbcca=b=ccpha=b≠c94晶體中原子體積占總體積的百分?jǐn)?shù)。K=nv/Vn-晶胞中原子數(shù)；v-一個(gè)原子的體積，v=4/3(πr3)；V-晶胞的體積。5、致密度f(wàn)ccbcccph0.740.680.7495若將晶體中的原子視為球形，則相互接觸的最近鄰原子間的空隙稱(chēng)為間隙。間隙內(nèi)能容納的最大剛性球的半徑稱(chēng)為 間隙半徑rB。間隙大小常用間隙半徑與原子半徑rA之比rB/rA

表示。6、間隙96（1）面心立方結(jié)構(gòu)晶體中的間隙正八面體間隙：位于晶胞各棱邊中點(diǎn)及體心位置。一個(gè)晶胞中共有4個(gè)。rB

/rA

≈0.41497正四面體間隙：位于晶胞體對(duì)角線的四分之一處。一個(gè)晶胞中共有8個(gè)。rB

/rA

≈0.22598（2）體心立方結(jié)構(gòu)晶體中的間隙扁八面體間隙：位于晶胞各棱邊中點(diǎn)及面心處。一個(gè)晶胞中共有6個(gè)。rB

/rA

≈0.15599四面體間隙：位于晶胞各面中線的四分之一處。一個(gè)晶胞中共有12個(gè)。rB

/rA

≈0.291100（3）密排六方結(jié)構(gòu)晶體中的間隙正八面體間隙：一個(gè)晶胞中共有6個(gè)。rB

/rA

≈0.414101正四面體間隙：一個(gè)晶胞中共有12個(gè)。rB

/rA

≈0.225102103原子密排面在空間沿其法線方向?qū)訉悠叫卸讯?，可?gòu)成各自的晶體結(jié)構(gòu)。7、原子的堆垛方式（1）fcc堆垛密排面：{111}ABCABCABC……104（2）cph堆垛密排面：{0001}ABABAB……105當(dāng)外界條件改變時(shí)，元素的晶體結(jié)構(gòu)可發(fā)生轉(zhuǎn)變。Fe：小于912℃，bcc,α-Fe;912-1394℃,fcc,γ-Fe;大于1394℃，bcc,δ-Fe;高壓下（150KPa），hcp,ε-Fe.二、多晶型性106例題講解P51（見(jiàn)黑板）107三、晶體結(jié)構(gòu)中的原子半徑1、原子半徑若將晶體中的原子看成剛球，則晶體中最近鄰的原子中心間距的一半定義為原子半徑。2、影響原子半徑的主要因素

原子半徑并非固定不變，受溫度、壓力、結(jié)合鍵、配位數(shù)以及外層電子結(jié)構(gòu)等因素的影響。108（1）溫度與壓力的影響一般隨溫度的升高和壓力的降低而變大。（2）結(jié)合鍵的影響結(jié)合鍵增強(qiáng)時(shí)，原子（或離子）半徑變小。

離子鍵、共價(jià)鍵：原子間距較小；范德瓦爾斯鍵：原子間距最大。FeFe2+Fe3+0.124nm0.083nm0.067nm109（3）配位數(shù)的影響原子半徑隨配位數(shù)的降低而減少。（4）原子核外層電子結(jié)構(gòu)的影響原子半徑隨原子序數(shù)的遞增而呈現(xiàn)周期性的變化。110111黑板：例題1例題講解112第三節(jié)離子晶體的結(jié)構(gòu)離子晶體的主要特點(diǎn)離子半徑、配位數(shù)和負(fù)離子配位多面體離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則離子晶體的典型結(jié)構(gòu)113一、離子晶體的主要特點(diǎn)離子鍵結(jié)合，鍵合力強(qiáng)，高熔點(diǎn)，小熱脹系數(shù)，高硬度，高脆性，絕緣性，無(wú)色透明。二、離子半徑、配位數(shù)和負(fù)離子配位多面體1、離子半徑從原子核中心到其最外層電子的平衡距離。用X射線結(jié)構(gòu)分析，可測(cè)得正負(fù)離子半徑之和R0=R+

+R-，再用鮑林公式計(jì)算出R+或R-。114用鮑林（Pauling）法計(jì)算離子半徑： 單價(jià)離子半徑：R1=Cn/(Z-σ)多價(jià)離子半徑：Rw=R1(W)-2/(n-1)式中,Z—原子序數(shù)W—離子價(jià)數(shù) σ—屏蔽常數(shù)n—外層電子的主量子數(shù) Cn—由n決定的常數(shù)1152、離子配位數(shù)離子周?chē)罱彽染嚯x的異號(hào)離子數(shù)。如，NaCl晶體中，Na+的配位數(shù)為６，

Cl?的配位數(shù)也為６。1163、負(fù)離子配位多面體（1）由正離子周?chē)罱彽染嚯x的負(fù)離子所構(gòu)成的多面體，正離子位于多面體中心。（2）離子晶體可以看成是由負(fù)離子配位多面體堆積而成。MgO晶格中的配位多面體—鎂氧八面體[MgO6]的連接方式117（3）負(fù)離子配位多面體的形狀取決于正、負(fù)離子半徑之比：R+/R-118三、離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則鮑林（L.Pauling）經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：1、鮑林第一規(guī)則：負(fù)離子配位多面體規(guī)則離子晶體中，正離子的周?chē)纬梢粋€(gè)負(fù)離子配位多面體，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。1192、鮑林第二規(guī)則：電價(jià)規(guī)則(共用同一個(gè)頂點(diǎn)的多面體數(shù)目，即負(fù)離子的配位數(shù))在一個(gè)穩(wěn)定的離子晶體中，每個(gè)負(fù)離子的電價(jià)Z-等于或接近等于與之鄰接的各正離子靜電鍵強(qiáng)度S的總和，即

Z-=∑Si=∑(Z+/n)i正離子的靜電鍵強(qiáng)度：S=Z+/n

Z+-正離子電荷；

n-正離子的配位數(shù)。在一個(gè)離子晶體中，一個(gè)負(fù)離子必定同時(shí)被一定數(shù)量的負(fù)離子配位多面體所共有。120對(duì)于MgO:Z+=2,Z?=2,n=6則，S=1/3,i=6即６個(gè)[MgO6]八面體共用一個(gè)頂點(diǎn)121例題講解黑板：例題31223、鮑林第三規(guī)則：負(fù)離子共用點(diǎn)、棱與面規(guī)則在一配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，會(huì)降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)于電價(jià)高、配位數(shù)低的正離子來(lái)說(shuō)，這個(gè)效應(yīng)尤為顯著。2個(gè)多面體，中央正離子間的庫(kù)侖力會(huì)隨它們間的共用頂點(diǎn)數(shù)的增加而激增。123四、離子晶體的典型結(jié)構(gòu)1、NaCl晶型晶型點(diǎn)陣類(lèi)型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例NaCl面心立方1個(gè)正離子1個(gè)負(fù)離子66八面體MgO,CaO,FeO, NiO,…1242、CsCl型晶型晶型點(diǎn)陣類(lèi)型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例CsCl簡(jiǎn)單立方1個(gè)正離子1個(gè)負(fù)離子88立方體CsBr,CsI,…1253、立方ZnS（閃鋅礦）晶型晶型點(diǎn)陣類(lèi)型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例立方ZnS面心立方1個(gè)正離子1個(gè)負(fù)離子44四面體GaAs,AlP,…1264、六方ZnS（纖鋅礦）晶型晶型點(diǎn)陣類(lèi)型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例六方ZnS簡(jiǎn)單六方2個(gè)正離子2個(gè)負(fù)離子44四面體ZnO,SiC,…1275、CaF2（螢石）晶型晶型點(diǎn)陣類(lèi)型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例CaF2面心立方1個(gè)正離子2個(gè)負(fù)離子84立方體ZrO2,ThO2,Mg2Si, CuMgSb,…1286、TiO2（金紅石）晶型晶型點(diǎn)陣類(lèi)型基元正離子配位數(shù)負(fù)離子配位數(shù)負(fù)離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例TiO2體心四方1個(gè)正離子2個(gè)負(fù)離子63八面體VO2,NbO2,MnO2,SnO2,PbO2,…129例題講解黑板：例題4130P60例題：Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。已知Al3+、O2+的離子半徑分別為0.057nm、0.132nm，試對(duì)圖中的結(jié)構(gòu)給予解釋。131第四節(jié)共價(jià)晶體的結(jié)構(gòu)共價(jià)晶體的主要特點(diǎn)共價(jià)晶體的典型結(jié)構(gòu)132一、共價(jià)晶體的主要特點(diǎn)（1）由同種或異種非金屬元素的原子以共價(jià)鍵結(jié)合而成的無(wú)限大分子→共價(jià)晶體（原子晶體）（2）周期表中間位置的具有3，4，5個(gè)價(jià)電子的元素，獲得和丟失電子的能力相近。形成分子或晶體時(shí)，容易以共用價(jià)電子形成穩(wěn)定的電子滿(mǎn)殼層的結(jié)合方式。133（3）主要特點(diǎn)共價(jià)鍵結(jié)合，鍵合力通常強(qiáng)于離子鍵鍵的飽和性和方向性，配位數(shù)低于金屬和離子晶體高熔點(diǎn)、高硬度、高脆性、絕緣性134二、共價(jià)晶體的典型結(jié)構(gòu)1、金剛石晶型晶型點(diǎn)陣類(lèi)型基元配位數(shù)該晶型的其他晶體舉例金剛石面心立方2個(gè)原子4Si,Ge,Sn,…1351362、ZnS晶型

1373、SiO2晶型晶型點(diǎn)陣類(lèi)型基元A原子配位數(shù)B原子配位數(shù)該晶型的其他晶體舉例SiO2面心立方2個(gè)A原子4個(gè)B原子42GeO2,…138本章作業(yè)（P62-63）：第1、4、10、15題。139第三章高分子材料的結(jié)構(gòu)高分子材料概述高分子鏈的結(jié)構(gòu)及構(gòu)象高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高分子材料的性能與結(jié)構(gòu)140第一節(jié)高分子材料概述高分子材料的基本概念高分子材料的合成高分子材料的分類(lèi)141一、高分子材料的基本概念1、高分子化合物由一種或多種簡(jiǎn)單低分子化合物聚合而成的相對(duì)分子量大于5000的化合物，又稱(chēng)聚合物或高聚物。如，聚乙烯：—CH2—CH2—CH2—1422、單體構(gòu)成高分子鏈的低分子化合物。如：聚乙烯的單體：CH2=CH2聚氯乙烯的單體：CH2=CHCl3、鏈節(jié)高分子鏈中的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元。如：聚乙烯結(jié)構(gòu)式：[-CH2-CH2-]n-CH2-CH2-為鏈節(jié)。1434、聚合度高分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)。5、官能度一個(gè)單體上能與別的單體發(fā)生鍵合的位置數(shù)目。如：聚乙烯單體(CH2＝CH2

)的官能度為2,是雙官能的單體144單體分子的官能度決定著高分子的結(jié)構(gòu)單官能的單體:可作為鏈聚合的終止劑雙官能的單體:

只能聚合為鏈狀結(jié)構(gòu),形成熱塑性塑料，有較低的強(qiáng)度三官能的單體:

可聚合為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有更高的強(qiáng)度1456、多分散性高分子化合物中各個(gè)分子的相對(duì)分子質(zhì)量不相等的現(xiàn)象。多分散性決定了高分子材料的物理和力學(xué)性能的分散性。7、平均分子量數(shù)均分子量：

重均分子量：i=1-∞;Ni-相對(duì)分子質(zhì)量為Mi的分子在聚合物中所占的分子分?jǐn)?shù)。一般情況下，用重均分子量表征聚合物比用數(shù)均分子量更恰當(dāng)。146二、高分子材料的合成1、加聚反應(yīng)：由一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng)。其生成物叫加聚物。如：乙烯→聚乙烯1472、縮聚反應(yīng)：由一種或多種單體相互混合而連接成聚合物，同時(shí)析出某種低分子物質(zhì)的反應(yīng)，生成縮聚物和副產(chǎn)品。如：對(duì)苯二甲酸脂+乙二醇→聚酯纖維+甲醇滌綸（的確良）148三、高分子材料的分類(lèi)按聚合反應(yīng)的類(lèi)型按高分子的幾何結(jié)構(gòu)按聚合物的熱行為加聚聚合物，如：聚乙烯縮聚聚合物，如：聚酯纖維線型聚合物：線型或支鏈型結(jié)構(gòu)體型聚合物：網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)熱塑性聚合物熱固性聚合物149熱塑性聚合物線型或支鏈型分子結(jié)構(gòu)，加熱軟化，可制成一定形狀，冷卻變硬；再加熱仍軟化和成型。熱固性聚合物網(wǎng)狀或體型分子結(jié)構(gòu)，初熱變軟，可制成一定形狀，加入固化劑后硬化定型，重復(fù)加熱不軟化。150四、高分子化合物的命名和常見(jiàn)類(lèi)型黑板例題1151第二節(jié)高分子鏈的結(jié)構(gòu)及構(gòu)象高分子鏈的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和構(gòu)型高分子鏈的幾何形狀高分子鏈的構(gòu)象及柔順性152高分子材料的結(jié)構(gòu)高分子鏈的結(jié)構(gòu)高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu):高分子結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成鍵接方式空間構(gòu)型高分子鏈的幾何形狀高分子鏈的構(gòu)象分子鏈的排列和堆積結(jié)構(gòu)153一、高分子鏈的化學(xué)組成1、碳鏈高分子：主鏈全部由C原子以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)而成的高分子鏈如：-C-C-C-C-或-C-C=C-C-（側(cè)基可以各種各樣）2、雜鏈高分子：主鏈中除C原子外，還有其它原子的高分子鏈如：-C-C-O-C-C、-C-C-N-C-C-雜原子能大大改變聚合物的性能。如：O原子增強(qiáng)鏈的柔性，提高聚合物的彈性。1543、元素有機(jī)高分子：主鏈一般由無(wú)機(jī)元素和有機(jī)元素原子組成，側(cè)基一般為有機(jī)基團(tuán)如：-O-Si-O-Si-O-有機(jī)基團(tuán)使聚合物具有較高的強(qiáng)度和彈性；無(wú)機(jī)原子能提高耐熱性155二、結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和構(gòu)型1、鍵接方式以乙烯型為例156多種單體共聚無(wú)規(guī)共聚，a)交替共聚，b)嵌段共聚，c)接枝共聚，d)（黑球代表一種重復(fù)單元，白球代表另一種重復(fù)單元）157各種連接方式主要受能量和空間阻礙兩個(gè)因素所控制，即聚合時(shí)力求使能量體系最穩(wěn)定和所受的空間阻礙最小。2、空間構(gòu)型由化學(xué)鍵所固定的空間排列稱(chēng)為分子鏈的構(gòu)型。即使分子鏈組成相同，但由于取代基所處的位置不同，也有不同的立體異構(gòu)。158(1)全同立構(gòu)取代基X同側(cè)容易結(jié)晶(2)間同立構(gòu)取代基X相間容易結(jié)晶(3)無(wú)規(guī)立構(gòu)取代基X無(wú)規(guī)不易結(jié)晶159三、高分子鏈的幾何形狀線型線團(tuán)形支化形梳形星形a)b)c)d)交聯(lián)形網(wǎng)形e)f)體型1601、高分子鏈的構(gòu)象：由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起的原子在空間據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象。單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)：每一個(gè)單鍵圍繞其相鄰單鍵按一定角度進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。四、高分子鏈的構(gòu)象及柔順性1612、高分子鏈的柔順性：由構(gòu)象變化而獲得的不同卷曲程度的特性。柔順性的度量末端距h均方末端距h2容易內(nèi)旋轉(zhuǎn)的鏈→柔性鏈不易內(nèi)旋轉(zhuǎn)的鏈→剛性鏈1623、影響高分子鏈柔順性的主要因素（1）主鏈結(jié)構(gòu)主鏈全由單鍵組成，柔順性最好碳鏈高分子，雜鏈高分子，元素有機(jī)高分子主鏈含孤立雙鍵時(shí)，柔順性較好主鏈含芳雜環(huán)時(shí)，因芳雜環(huán)不能旋轉(zhuǎn)，柔順性很差，但剛性好，能耐高溫柔順性163（2）側(cè)基性質(zhì)側(cè)基的極性：極性越大，柔順性越差側(cè)基的體積：體積越大，柔順性越差側(cè)基分布的對(duì)稱(chēng)性：對(duì)稱(chēng)分布，柔順性較好聚異丁烯聚丙烯好于164第三節(jié)高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)聚合物的結(jié)晶度與玻璃化溫度165高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：又稱(chēng)超分子結(jié)構(gòu)，指聚合物本體中分子鏈的排列和堆積結(jié)構(gòu)。即使具有相同結(jié)構(gòu)的同一聚合物，在不同加工成型和后處理?xiàng)l件下，也會(huì)產(chǎn)生不同的聚集狀態(tài)，從而使制品具有不同的性能，因此，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響更為直接和重要固態(tài)聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分為晶態(tài)和非晶態(tài)（無(wú)定型）兩種166一、晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)1、纓狀膠束結(jié)構(gòu)模型早期的模型，現(xiàn)已被替代纓狀膠束結(jié)構(gòu)模型a)未受外力拉伸b)受外力拉伸1672、折疊鏈結(jié)構(gòu)模型（目前最成功的模型）晶體形態(tài)片狀晶體（片晶）球狀晶體（球晶）線狀晶體（串晶）樹(shù)枝狀晶體（枝晶）

…1681、無(wú)序結(jié)構(gòu)模型二、非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)無(wú)規(guī)線團(tuán)模型1692、局部有序結(jié)構(gòu)模型折疊鏈纓狀膠粒模型粒子相粒間相粒子相170半晶態(tài)聚合物的霍斯曼（Hosemann）模型171三、聚合物的結(jié)晶度與玻璃化溫度1、結(jié)晶度：晶態(tài)聚合物中結(jié)晶的程度

式中，Wc—結(jié)晶區(qū)的總重量Wa—非晶區(qū)的總重量Vc—結(jié)晶區(qū)的總體積Va—非晶區(qū)的總體積重量結(jié)晶度：體積結(jié)晶度：172測(cè)定結(jié)晶度的方法：常用密度法

ρ

—聚合物的密度ρa(bǔ)

—聚合物完全不結(jié)晶時(shí)的密度ρc

—聚合物完全結(jié)晶時(shí)的密度例題：P821732、分子結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶能力的影響體型聚合物：不易結(jié)晶，為非晶態(tài)線型聚合物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)整度高、對(duì)稱(chēng)性好，有利于結(jié)晶等規(guī)（側(cè)基排布規(guī)整）聚合物易結(jié)晶縮聚物都能結(jié)晶高分子鏈的支化不利于結(jié)晶影響結(jié)晶的其他因素 (與金屬相似)冷卻速度過(guò)冷度雜質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)1743、玻璃化溫度Tg（1）無(wú)定型聚合物的三種物理狀態(tài)粘流態(tài)：分子鏈可動(dòng)高彈態(tài)：鏈段可動(dòng)玻璃態(tài)：鏈段也不可動(dòng)

線型非晶態(tài)高聚物的變形-溫度曲線示意圖175（2）玻璃化溫度Tg

高聚物由高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度，指無(wú)定型聚合物（包括結(jié)晶型聚合物中的非結(jié)晶部分）由玻璃態(tài)向高彈態(tài)或者由后者向前者的轉(zhuǎn)變溫度一般聚合物的Tg/Tm=0.5-0.75結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)聚合物Tg/Tm=0.5結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)聚合物Tg/Tm=0.75176第四節(jié)高分子材料的性能與結(jié)構(gòu)高分子材料的主要性能特點(diǎn)高分子材料性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系改變高分子材料性能的途徑177一、高分子材料的主要性能特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)原料豐富、成本低密度小，～1g/cm3化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕，如聚四氟乙烯耐磨性好，很大的、或很小的摩擦系數(shù)電絕緣性好絕熱性好良好的光學(xué)性能，如有機(jī)玻璃178（2）缺點(diǎn)彈性模量低強(qiáng)度低熱性能差易蠕變、應(yīng)力松弛易老化降解—強(qiáng)度↓，彈性↓交聯(lián)—變硬，變脆179二、高分子材料的性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系通常將高分子材料分為：熱塑性塑料熱固性塑料橡膠1801、熱塑性塑料線型鏈狀結(jié)構(gòu)。線型分子鏈之間以二次鍵結(jié)合。加熱至Tg以上溫度時(shí)，二次鍵破壞，分子鏈很容易運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出一定彈性和粘性流動(dòng)，可改變其形狀。溫度<0.75Tg，完全脆性；>0.75Tg-1.0Tg，鋼硬，只能發(fā)生彈性變形；>1.0Tg，先后發(fā)生皮革狀、橡膠狀的粘彈性變形；溫度再升高，發(fā)生粘性流動(dòng)，可加工成型。1812、熱固性塑料體型結(jié)構(gòu)。加熱加壓成型后，分子鏈之間強(qiáng)烈交聯(lián)，成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。從而具有較高硬度、剛度和脆性，不能再改變其形狀。塑性加工只能在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成前進(jìn)行。1823、橡膠線型分子鏈之間有少量交聯(lián)(在C的主鏈上大約幾百個(gè)C原子中有一個(gè)C原子與S原子共價(jià)結(jié)合)，因而具有高彈性。Tg＜＜室溫；相對(duì)分子質(zhì)量大，鏈段長(zhǎng)，柔性好；不結(jié)晶或結(jié)晶度很??；硫化處理，產(chǎn)生少量交聯(lián)（加硫過(guò)多，交聯(lián)太強(qiáng)，變硬脆失去彈性）183三、改變高分子材料性能的途徑熱塑性塑料能最大程度地改變材料的結(jié)構(gòu)與性能。改變熱塑性塑料性能（主要限于力學(xué)性能）的主要途徑：1、改變結(jié)晶度結(jié)晶度增加→強(qiáng)度、彈性模量、密度、尺寸穩(wěn)定性提高，塑性、吸濕性降低。尼龍-66屈服強(qiáng)度與結(jié)晶度的關(guān)系1842、改變側(cè)基的性質(zhì)側(cè)基原子團(tuán)尺寸增大（尤其產(chǎn)生苯環(huán)結(jié)構(gòu)上），單鍵旋轉(zhuǎn)困難，不易改變構(gòu)象，剛性鏈程度增強(qiáng)→強(qiáng)度、模量提高，塑性減低。柔性鏈→剛性鏈強(qiáng)度↑彈性模量↑塑性↓185例如：聚乙烯→聚苯乙烯，側(cè)鏈：H→C6H5,彈性模量：9384-23460MPa→62560-78200MPa伸長(zhǎng)率：100-600%→1.5-2.0%3、改變主鏈的結(jié)構(gòu)聚烯烴類(lèi)高分子主鏈：C-C鍵；甲醛：引入C-O鍵，剛性增大。

如：聚乙烯

［CH2—CH2］n抗拉強(qiáng)度17.25～34.5MPa

聚甲醛［CH2—O］n

62.1～69MPa1864、共聚（“合金化”）共聚：由兩種或兩種以上的單體參加聚合而形成聚合物的反應(yīng)。是高分子材料的主要“合金化”方式。187如：ABS塑料（共聚丙烯腈（A）-丁二烯（B）-苯乙烯（S））丙烯腈（A）+苯乙烯（S）→線性共聚物（SAN塑料）→材料的基體；丁二烯（B）+苯乙烯（S）→線性共聚物（BS橡膠）→呈顆粒狀分布于SAN基體中；聚苯乙烯的缺點(diǎn)：脆性大、耐熱性差；ABS共聚物：將聚苯乙烯的優(yōu)點(diǎn)得到保持，同時(shí)丙烯腈提高了耐熱、耐蝕性；丁二烯提高彈性和韌性。ABS特點(diǎn)：“硬、韌、剛”用途：齒輪，軸承，管道，殼體…1885、拉拔強(qiáng)化一些高分子材料（如尼龍、聚氯乙烯、有機(jī)玻璃）在Tg溫度附近冷拉時(shí)，其強(qiáng)度和彈性模量大幅提高。尼龍冷拉時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開(kāi)始屈服：開(kāi)始解纏屈服延伸：不斷解纏取向強(qiáng)化：定向排列189本章作業(yè)（P90）：第3、9、15、17題190第四章晶體缺陷點(diǎn)缺陷位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)的彈性性質(zhì)作用在位錯(cuò)線上的力實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)晶體中的界面191第四章晶體缺陷晶體缺陷實(shí)際晶體中偏離理想結(jié)構(gòu)的不完整區(qū)域。晶體缺陷容易受外界條件的影響，其數(shù)量及分布對(duì)材料的行為有重要影響。根據(jù)晶體中結(jié)構(gòu)不完整區(qū)域的形狀及大小，晶體缺陷常分為如下三類(lèi):192晶體缺陷點(diǎn)缺陷面缺陷空位Vacancy間隙原子Interstitialatom位錯(cuò)Dislocation晶界Grainboundary亞晶界Subgrainboundary孿晶界Twinboundary相界Phaseboundary堆垛層錯(cuò)Stakingfault表面Surface線缺陷193（1）點(diǎn)缺陷：零維缺陷，在三維空間各方向上尺寸都很小?？瘴?、間隙原子、異類(lèi)原子等。（2）線缺陷：一維缺陷。在兩個(gè)方向尺寸小，主要為位錯(cuò)。（3）面缺陷：二維缺陷。在一個(gè)方向上尺寸小，另兩個(gè)尺寸方向較大。如晶界、相界等。194第一節(jié)點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷的類(lèi)型點(diǎn)缺陷的濃度點(diǎn)缺陷與材料行為195一、點(diǎn)缺陷的類(lèi)型1、空位：晶體中某結(jié)點(diǎn)上的原子空缺。肖脫基（Schottky）缺陷：脫位原子進(jìn)入其它空位或者逐漸遷移至晶界或表面。點(diǎn)缺陷的類(lèi)型:Schottky

空位；

Frenkel

缺陷異類(lèi)間隙原子；小置換原子；大置換原子1962、間隙原子：晶體中原子擠入結(jié)點(diǎn)的間隙。弗蘭克耳（Frenkel）缺陷：原子擠入結(jié)點(diǎn)間隙，同時(shí)原來(lái)結(jié)點(diǎn)位置空缺，產(chǎn)生空位，這一對(duì)點(diǎn)缺陷（空位和間隙原子）稱(chēng)為弗蘭克耳缺陷。在一般晶體中產(chǎn)生弗蘭克耳缺陷的數(shù)量遠(yuǎn)少于肖脫基缺陷。3、異類(lèi)原子如異類(lèi)原子尺寸很小，可能擠入晶格間隙；若原子尺寸與基體尺寸相當(dāng)，則會(huì)置換晶格的某些結(jié)點(diǎn)。1974、離子晶體中產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷缺陷的存在不應(yīng)破壞正負(fù)電荷的平衡。肖脫基缺陷：必須在晶體中同時(shí)移去一個(gè)正離子和負(fù)離子。弗蘭克耳缺陷：尺寸較小的離子擠入相鄰的同號(hào)離子的位置，形成間隙離子和空位對(duì)。對(duì)于正負(fù)離子尺寸差異較大，配位數(shù)較低的離子晶體，弗蘭克耳缺陷常見(jiàn)。（不同于金屬晶體）；配位數(shù)高，排列比較密集的晶體（如NaCl），肖脫基缺陷較重要。198二、點(diǎn)缺陷的濃度1、平衡點(diǎn)缺陷的濃度雖然點(diǎn)缺陷的存在使晶體的內(nèi)能增高，但同時(shí)也使熵增加，從而使晶體的能量下降。因此，點(diǎn)缺陷是晶體中熱力學(xué)平衡的缺陷等溫等容條件下，點(diǎn)缺陷使晶體的亥姆霍茲自由能變化為：

ΔA=ΔU?TΔS ΔU=nu式中，n—點(diǎn)缺陷個(gè)數(shù)u—一個(gè)點(diǎn)缺陷引起的內(nèi)能增量，即點(diǎn)缺陷的形成能199自由能隨點(diǎn)缺陷數(shù)量的變化200平衡點(diǎn)缺陷濃度Ce=ne/N=Aexp(-u/kT)Ce:某一種類(lèi)型點(diǎn)缺陷的平衡濃度；ne:平衡點(diǎn)缺陷數(shù)目；N：晶體原子總數(shù)；A：材料常數(shù)，A=1；T：熱力學(xué)溫度；K：玻爾茲曼常數(shù)；u:該類(lèi)型缺陷的形成能。201點(diǎn)缺陷平衡濃度計(jì)算過(guò)程：見(jiàn)黑板例題1P95例題202討論（1）平衡濃度點(diǎn)缺陷的存在使晶體自由能最低（2）點(diǎn)缺陷產(chǎn)生于原子的熱振動(dòng)，故其平衡濃度隨溫度升高呈指數(shù)增加（3）點(diǎn)缺陷平衡濃度隨其形成能減小呈指數(shù)增加，故晶體中的間隙原子平衡濃度大大小于空位平衡濃度2032、過(guò)飽和點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生點(diǎn)缺陷的數(shù)目超過(guò)平衡值，稱(chēng)為過(guò)飽和點(diǎn)缺陷。原因：（1）高溫淬火（2）輻照（弗蘭克耳缺陷）（3）冷加工204三、點(diǎn)缺陷與材料行為1、點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)（1）空位的運(yùn)動(dòng)（2）間隙原子的運(yùn)動(dòng)（3）空位片的形成2052、點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響（1）點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)是晶體中原子擴(kuò)散的內(nèi)在原因。（2）引起晶體物理性能變化，如電阻率升高、密度變化。（3）引起晶體力學(xué)性能變化，如強(qiáng)度升高、韌性下降。206第二節(jié)位錯(cuò)的基本概念位錯(cuò)與塑性變形晶體中的位錯(cuò)模型及位錯(cuò)易動(dòng)性柏氏矢量位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)密度位錯(cuò)的觀察207一、位錯(cuò)與塑性變形塑性變形后，表面形成很多臺(tái)階→相對(duì)滑移的結(jié)果→滑移的微觀過(guò)程如何？→理想晶體滑移模型實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度間存在巨大差異（差2-4個(gè)數(shù)量級(jí)）→對(duì)理想模型的滑移方式產(chǎn)生懷疑→晶體內(nèi)部存在很多缺陷（位錯(cuò)）208→20世紀(jì)50年代中期TEM證實(shí)了晶體中位錯(cuò)的存在毛毛蟲(chóng)爬行過(guò)程示意圖挪動(dòng)地毯過(guò)程示意圖209二、晶體中的位錯(cuò)模型及位錯(cuò)易動(dòng)性基本類(lèi)型：刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)混合位錯(cuò)1、刃型位錯(cuò)EF列原子及其周?chē)鷧^(qū)域（若干個(gè)原子距離）半原子面在滑移面上方的稱(chēng)正刃型位錯(cuò)，“┴”半原子面在滑移面下方的稱(chēng)負(fù)刃型位錯(cuò)，“┬”210可以把位錯(cuò)定義為：晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界。位錯(cuò)不可能中斷于晶體內(nèi)部；或者在表面露頭，或者終止于晶界和相界，或者與其它位錯(cuò)線相交，或者自己在晶體內(nèi)部形成一個(gè)封閉環(huán)。刃位錯(cuò)滑移方向垂直于位錯(cuò)線2112、螺型位錯(cuò)滑移方向平行于位錯(cuò)線。右旋螺型位錯(cuò)（右手拇指代表螺旋面前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋面旋轉(zhuǎn)方向）左旋螺型位錯(cuò)2123、混合位錯(cuò)介于刃型和螺型位錯(cuò)之間。A點(diǎn)：螺型C點(diǎn)：刃型中間：混合混合位錯(cuò)可分解為刃型和螺型兩個(gè)分量2134、位錯(cuò)的易動(dòng)性原子2的移動(dòng)過(guò)程原子實(shí)際的位移距離遠(yuǎn)小于原子距離，與理想晶體的滑移模型不同。當(dāng)很多位錯(cuò)移出晶體時(shí)，會(huì)在晶體表面產(chǎn)生宏觀可見(jiàn)的臺(tái)階，使晶體發(fā)生塑性變形。位錯(cuò)移動(dòng)的比喻214215三、柏氏矢量表示位錯(cuò)區(qū)原子的畸變特征（畸變程度、方向）的物理量→柏氏（Burgers）矢量1、確定方法圍繞位錯(cuò)線作回路（從M出發(fā)）（柏氏回路）將同樣大小回路置于理想晶體中回路不封閉，需要額外矢量連接，該矢量即是bQM即是b2162、柏氏矢量與位錯(cuò)線的關(guān)系柏氏矢量與位錯(cuò)線的關(guān)系a)刃型位錯(cuò)b)螺型位錯(cuò)c)混合型位錯(cuò)217（1）對(duì)于刃位錯(cuò)線柏氏矢量垂直于位錯(cuò)線，且柏氏矢量的正方向、位錯(cuò)線的正方向、半原子面的位置三者之間符合右手定則判斷刃位錯(cuò)柏氏矢量方向的右手定則218（2）對(duì)于螺位錯(cuò)線柏氏矢量平行于位錯(cuò)線，且左相反、右相同（3）對(duì)于混合位錯(cuò)線柏氏矢量既不垂直也不平行于位錯(cuò)線，但可分解成平行于位錯(cuò)線的螺分量，和垂直于位錯(cuò)線的刃分量2193、柏氏矢量的表示方法與晶向指數(shù)相似，在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上把矢量的模也表示出來(lái)。立方晶體中(1)O’b:晶向指數(shù)為[110]，柏氏矢量：b1=1a+1b+0c=a[110](2)Oa:b2=1/2a+1/2b+0c=a/2[110]2204、柏氏矢量的特性（1）柏氏矢量的唯一性一根位錯(cuò)線只能有一個(gè)惟一不變的柏氏矢量。（2）柏氏矢量的加和性由幾根位錯(cuò)線合并成一根位錯(cuò)線的柏氏矢量是這幾個(gè)位錯(cuò)線的柏氏矢量之和。位錯(cuò)柏氏矢量的加和a)加和前;b)加和后221（3）柏氏矢量的守恒性匯聚于一點(diǎn)的幾根位錯(cuò)線，流入節(jié)點(diǎn)的位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于流出節(jié)點(diǎn)的位錯(cuò)的柏氏矢量之和。位錯(cuò)柏氏矢量的守恒性2225、柏氏矢量討論描述了位錯(cuò)線上原子的畸變特征，畸變發(fā)生的方向和大小。對(duì)于任意位錯(cuò)，不管其形狀如何，只要知道b，就可知晶體滑移的方向和大小，而不必從原子尺度考慮其運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。柏氏矢量是晶體的滑移矢量一方面，晶體局部滑移的滑移矢量就是所產(chǎn)生的位錯(cuò)的柏氏矢量；另一方面，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)會(huì)使位錯(cuò)線掃過(guò)區(qū)域兩側(cè)的晶體產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，相對(duì)滑動(dòng)的方向及大小與位錯(cuò)的柏氏矢量相同。223四、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)1、位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)滑移運(yùn)動(dòng)攀移運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的滑移—位錯(cuò)線在其滑移面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的滑移面—由位錯(cuò)線及其柏氏矢量所確定的平面或曲面（1）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向、切應(yīng)力方向及晶體滑移方向間的關(guān)系（螺、刃位錯(cuò)對(duì)比）：224開(kāi)動(dòng)位錯(cuò)的切應(yīng)力方向不同：刃：切應(yīng)力⊥位錯(cuò)線螺：切應(yīng)力‖位錯(cuò)線位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向與晶體滑移方向不同：刃：運(yùn)動(dòng)方向‖滑移方向螺：運(yùn)動(dòng)方向⊥滑移方向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向與位錯(cuò)線：均⊥225（2）位錯(cuò)環(huán)的滑移當(dāng)切應(yīng)力的作用面與位錯(cuò)環(huán)的滑移面平行且切應(yīng)力方向與位錯(cuò)柏氏矢量平行時(shí)，位錯(cuò)環(huán)在其滑移面內(nèi)擴(kuò)大或縮小。．226①各段位錯(cuò)線的性質(zhì)：A、B處：刃位錯(cuò)（A、B符號(hào)相反）；C、D處：螺位錯(cuò)（C、D符號(hào)相反）；其余位置：混合位錯(cuò)。②位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向：沿法線方向向外擴(kuò)展；環(huán)離開(kāi)晶體時(shí)，晶體上下部相對(duì)滑動(dòng)一個(gè)臺(tái)階，其方向和大小與b相同。位錯(cuò)的滑移面①位錯(cuò)線與b組成的原子面即是滑移面；②刃位錯(cuò)只能在同時(shí)包含有位錯(cuò)線和滑移矢量的滑移面上滑移，在其它面上不能滑移（唯一性）。③螺位錯(cuò)的滑移面不唯一，包含螺位錯(cuò)的平面都可以作為它的滑移面。227各類(lèi)位錯(cuò)的滑移特性類(lèi)型柏氏矢量位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面?zhèn)€數(shù)刃⊥位錯(cuò)線⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致唯一螺‖位錯(cuò)線⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致多個(gè)混合與位錯(cuò)線成一定角度⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致228P104，例題：圖中陰影面為晶體的滑移面。該晶體的ABCD表面有一個(gè)圓形標(biāo)記，它與滑移面相交，在標(biāo)記左側(cè)有根位錯(cuò)線。試問(wèn)當(dāng)刃、螺型位錯(cuò)從晶體左側(cè)滑移至右側(cè)時(shí)，表面的標(biāo)記發(fā)生什么變化？并指出使刃、螺位錯(cuò)滑移的切應(yīng)力方向。229P107，例題：圖中的晶面上有一位錯(cuò)環(huán)，其柏氏矢量b垂直于滑移面，試問(wèn)該位錯(cuò)環(huán)在切應(yīng)力下的運(yùn)動(dòng)特征。230例題分析：（1）位錯(cuò)性質(zhì)全部為刃位錯(cuò)。（2）形成空位在該面上聚集成空位片。（3）滑移面似乎是：通過(guò)位錯(cuò)環(huán)的圓柱面；但根據(jù)晶體的滑移幾何學(xué)，不是滑移面，不能滑移→固定位錯(cuò)。（4）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)只能攀移：半原子面的擴(kuò)大或縮小。231討論(1)位錯(cuò)滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行的，起作用的是既平行于滑移面又平行于位錯(cuò)柏氏矢量的切應(yīng)力分量(2)刃位錯(cuò)只有一個(gè)滑移面，螺位錯(cuò)有多個(gè)滑移面(3)位錯(cuò)線滑移過(guò)的區(qū)域，其兩側(cè)的晶體發(fā)生與位錯(cuò)柏氏矢量相同的相對(duì)位移(4)位錯(cuò)線滑移出晶體，晶體表面產(chǎn)生一個(gè)與位錯(cuò)柏氏矢量相同的臺(tái)階(5)位錯(cuò)滑移是保守運(yùn)動(dòng)：只改變晶體形狀，不改變晶體體積2322、刃位錯(cuò)的攀移刃位錯(cuò)的攀移

—刃位錯(cuò)線在垂直于其滑移面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是半原子面的擴(kuò)大或縮小。使半原子面縮小的攀移稱(chēng)為正攀移;使半原子面擴(kuò)大的攀移稱(chēng)為負(fù)攀移。刃位錯(cuò)的攀移a)攀移前;b)正攀移;c)負(fù)攀移233討論（1）位錯(cuò)攀移是在正應(yīng)力作用下進(jìn)行的，起作用的是垂直于半原子面的正應(yīng)力分量。壓應(yīng)力使其正攀移，拉應(yīng)力使其負(fù)攀移。（2）位錯(cuò)攀移需要原子的長(zhǎng)程遷移，因而比位錯(cuò)滑移困難，需要熱激活。（3）位錯(cuò)線攀移過(guò)的區(qū)域，其兩側(cè)晶體發(fā)生與位錯(cuò)柏氏矢量相同的相對(duì)位移。（4）刃位錯(cuò)攀移是非保守運(yùn)動(dòng)：既改變晶體的形狀，也改變晶體的體積，正攀移使晶體中空位減少而體積收縮，負(fù)攀移使晶體中空位增多而體積膨脹。234螺位錯(cuò)的交滑移—當(dāng)螺位錯(cuò)滑移受阻時(shí),會(huì)在與初始滑移面相交的另一個(gè)滑移面內(nèi)繼續(xù)滑移的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滑移受阻的螺位錯(cuò)通過(guò)交滑移越過(guò)障礙后，又交滑移到與初始滑移平行的滑移面內(nèi)的滑移運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為雙交滑移。3、螺位錯(cuò)的交滑移235例題1如圖所示，立方形晶體內(nèi)有一正方形位錯(cuò)環(huán)ABCD,其滑移面EFGH平行于晶體的上下底面，AB∥EF，柏氏矢量b⊥AB．在晶體的上下底面施加切應(yīng)力τ∥b．試判斷各段位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的類(lèi)型及方向236解：AB段:滑移，指向－ＹBC段:滑移，指向－ＸCD段:滑移，指向ＹDA段:滑移，指向Ｘ判斷位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向的右手法則237例題2如圖所示，立方形晶體內(nèi)有一正方形位錯(cuò)環(huán)ABCD,其滑移面EFGH平行于晶體的上下底面，AB∥EF，柏氏矢量b⊥AB.在晶體的左右表面施加壓應(yīng)力σ∥b.試判斷各段位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的類(lèi)型及方向.238解：AB段:攀移，指向－ZBC段:不動(dòng)CD段:攀移，指向ZDA段:不動(dòng)判斷刃位錯(cuò)柏氏矢量方向的右手定則239五、位錯(cuò)密度（1）位錯(cuò)密度ρ：?jiǎn)挝惑w積晶體中所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。(位錯(cuò)的體密度)

ρ=S/V（m/m3）(1/m2)（2）也可理解為穿越單位截面積的位錯(cuò)線數(shù)目。ρ=n/A(1/m2)(位錯(cuò)的面密度)超純金屬經(jīng)充分退火：ρ=109-1010（m/m3）冷變形或引入第二相：ρ=1014-1016（m/m3）240(3)位錯(cuò)密度與晶體強(qiáng)度晶須：位錯(cuò)密度10m/cm3,強(qiáng)度高，但不能直接用于制造零件，只能作為復(fù)合材料的強(qiáng)化纖維。依靠減少位錯(cuò)密度提高強(qiáng)度在工程上沒(méi)有實(shí)際意義，目前主要靠增加位錯(cuò)密度來(lái)提高強(qiáng)度。241六、位錯(cuò)的觀察1、蝕坑法2、透射電鏡法位錯(cuò)的腐蝕坑(1000×)用電子顯微鏡觀察位錯(cuò)a)電鏡下觀察的位錯(cuò)組態(tài)圖(30000×)b)該組位錯(cuò)在三維試樣中的分布2423、場(chǎng)發(fā)射高分辨透射電鏡法243第三節(jié)位錯(cuò)的彈性性質(zhì)應(yīng)力和應(yīng)變分析位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)位錯(cuò)的應(yīng)變能244一、應(yīng)力和應(yīng)變分析1、應(yīng)力應(yīng)力σ是一個(gè)張量，包含應(yīng)力的作用面、方向及大小。固體中任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài) 都可用單元體上的正應(yīng)力和切應(yīng)力分量來(lái)表示。（1）直角坐標(biāo)系中的應(yīng)力分量245應(yīng)力分量符號(hào)有兩個(gè)下標(biāo):第一個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力的作用面,第二個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力的作用方向.如果應(yīng)力符號(hào)的兩個(gè)下標(biāo)字母相同,此即正應(yīng)力(應(yīng)力的方向垂直于作用面);如果兩個(gè)下標(biāo)字母不同,此即切應(yīng)力(應(yīng)力的方向平行于作用面).246（2）圓柱坐標(biāo)系中的應(yīng)力分量2472、應(yīng)變應(yīng)變?chǔ)乓彩且粋€(gè)張量，固體中任一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)都可用九個(gè)應(yīng)變分量來(lái)表示，其中三個(gè)正應(yīng)變分量和六個(gè)切應(yīng)變分量。248249二、位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)1、螺位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)（1）圓柱坐標(biāo)系中的螺位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)公式250251（2）直角坐標(biāo)系中的螺位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)公式252（3）螺位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)1）只有切應(yīng)力分量，無(wú)正應(yīng)力分量2）切應(yīng)力分量在θ面內(nèi)，平行于位錯(cuò)線方向3）切應(yīng)力分量的大小，4）與Ｚ方向（位錯(cuò)線所在方向）無(wú)關(guān)，且徑向?qū)ΨQ(chēng)，即在以位錯(cuò)線為軸線的圓柱面內(nèi)切應(yīng)力相同，大小只與圓柱半徑成反比。2532、刃位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)（1）直角坐標(biāo)系中的刃位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)公式254255（2）圓柱坐標(biāo)系中的刃位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)公式256（3）刃位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)1）既有切應(yīng)力分量，也有正應(yīng)力分量2）正應(yīng)力分量有σxx、σyy、σzz

，其中σxx：在滑移面上方為壓；在滑移面下方為拉；在滑移面內(nèi)為零。3）切應(yīng)力分量τxy=τyx：在滑移面內(nèi)，有最大值

在x=0處及|x|=|y|處，τ=02573、混合位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)由于混合位錯(cuò)是由一個(gè)刃位錯(cuò)和一個(gè)螺位錯(cuò)混合而成，那么，它的應(yīng)力場(chǎng)就是這兩個(gè)位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的迭加。在直角坐標(biāo)系中，刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)表達(dá)式正好互補(bǔ)。這樣，只需將混合位錯(cuò)的柏氏矢量b分解為刃分量be和螺分量bs，就可以方便地寫(xiě)出任何一個(gè)混合位錯(cuò)在直角坐標(biāo)系中的應(yīng)力場(chǎng)表達(dá)式。2584、討論（1）關(guān)于螺位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)公式：①位錯(cuò)線過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)且平行于Ｚ軸，否則應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)變換;②適用于右螺位錯(cuò)，對(duì)于左螺位，每個(gè)應(yīng)力分量前應(yīng)加“－”（2）關(guān)于刃位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)公式：①位錯(cuò)線過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)且平行于Ｚ軸，半原子面垂直于x-z面,否則應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)變換；②適用于正刃位，對(duì)于負(fù)刃位錯(cuò)，每個(gè)應(yīng)力分量前應(yīng)加“－”（3）關(guān)于混合位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)公式：①位錯(cuò)線過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)且平行于Ｚ軸，否則，應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)變換；②螺分量應(yīng)符合螺位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)公式的條件，刃分量應(yīng)符合刃位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)公式的條件。259三、位錯(cuò)的應(yīng)變能位錯(cuò)線周?chē)娱g的相對(duì)位移使晶體的能量明顯升高，這部分能量稱(chēng)為位錯(cuò)的應(yīng)變能。位錯(cuò)的應(yīng)變能包括兩部分：位錯(cuò)中心區(qū)的非彈性應(yīng)變能，占應(yīng)變能的很小一部分，可以忽略；位錯(cuò)中心區(qū)以外區(qū)域的彈性應(yīng)變能，是應(yīng)變能的主要部分，常用以代表位錯(cuò)的應(yīng)變能。2601、單位長(zhǎng)度螺位錯(cuò)的應(yīng)變能ES2612622、單位長(zhǎng)度刃位錯(cuò)的應(yīng)變能Ee2632643、討論（1）混合位錯(cuò)的應(yīng)變能為其刃分量和螺分量應(yīng)變能之和（2）位錯(cuò)總是使晶體的能量升高，所以位錯(cuò)是晶體中熱力學(xué)不穩(wěn)定的缺陷（3）同一晶體中，柏氏矢量大小相同的刃位錯(cuò)的應(yīng)變能高于螺位錯(cuò)的應(yīng)變能，Ee≈1.5ES（4）位錯(cuò)的應(yīng)變能與其柏氏矢量平方成正比，即 E=αGb2,α≈0.5?1.0,螺位錯(cuò)取下限，刃位錯(cuò)取上限。265第四節(jié)作用在位錯(cuò)線上的力外加應(yīng)力對(duì)位錯(cuò)的作用力位錯(cuò)間的互作用力位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的互作用力位錯(cuò)的線張力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)陣阻力映像力266一、外加應(yīng)力對(duì)位錯(cuò)的作用力以滑移為例，將力簡(jiǎn)單處理成沿位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向有一個(gè)力F推著位錯(cuò)線前進(jìn)→找到F與位錯(cuò)滑移的切應(yīng)力τ之間的關(guān)系1、以虛功原理計(jì)算267微元位錯(cuò)，長(zhǎng)度dl，在切應(yīng)力τ下前進(jìn)ds距離。在ds×dl面積內(nèi)，晶體上下半部相對(duì)滑移︱b︱。切應(yīng)力作功：dw=τ(dsdl)bF作功：dw’=Fds根據(jù)虛功原理，dw=dw’單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的力：Fd=F/dl=τbFd的方向垂直于位錯(cuò)線，指向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方向。對(duì)于攀移：Fd=σb，σ-使攀移進(jìn)行的正應(yīng)力，方向指向攀移方向，與位錯(cuò)線垂直。2682、討論(1)對(duì)于刃位錯(cuò)，公式中的τ代表作用面與位錯(cuò)滑移面平行、作用方向與位錯(cuò)柏氏矢量方向平行的切應(yīng)力，或作用面與半原子面垂直、作用方向與位錯(cuò)柏氏矢量方向平行的正應(yīng)力(2)對(duì)于螺位錯(cuò)，公式中的τ代表作用面與位錯(cuò)滑移面平行、作用方向與位錯(cuò)柏氏矢量方向平行的切應(yīng)力(3)對(duì)于混合位錯(cuò)，將其分解為刃分量和螺分量,求出各自的作用力后再進(jìn)行矢量合成(4)作用在位錯(cuò)線上的力垂直于位錯(cuò)線，與位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向相同269二、位錯(cuò)間的相互作用力1、兩平行螺位錯(cuò)間的互作用力兩個(gè)相距為d、柏氏矢量分別為b1和b2的平行螺位錯(cuò)，單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線的互作用力在兩位錯(cuò)線的連線方向，大小為f=Gb1b2/2πd，且同號(hào)相斥、異號(hào)相吸。2702、同一滑移面內(nèi)兩平行刃位錯(cuò)間的互作用力同一滑移面內(nèi)，兩個(gè)相距為d、柏氏矢量分別為b1和b2的平行刃位錯(cuò)，單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線的互作用力在兩位錯(cuò)線的連線方向，大小為f=Gb1b2/2π(1?ν)d，且同號(hào)相斥、異號(hào)相吸。2713、平行刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)間無(wú)互作用力2724、平行滑移面內(nèi)兩平行刃位錯(cuò)間的互作用力273274三、位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的互作用力1、位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的彈性交互作用（1）柯垂?fàn)?Cottrell)氣團(tuán)275276277278279（2）斯諾克(Ｓnoek)氣團(tuán)因引起晶格非球形對(duì)稱(chēng)畸變而有序分布在螺位錯(cuò)周?chē)娜苜|(zhì)原子稱(chēng)為斯諾克(Ｓnoek)氣團(tuán)。斯諾克氣團(tuán)會(huì)阻礙螺位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)。例如，位于體心立方結(jié)構(gòu)扁八面體間隙中的溶質(zhì)原子。2802、位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的化學(xué)交互作用溶質(zhì)原子與擴(kuò)展位錯(cuò)的層錯(cuò)區(qū)發(fā)生化學(xué)交互作用，形成與基體中溶質(zhì)原子濃度不同的濃度,從而阻礙擴(kuò)展位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。這種分布在擴(kuò)展位錯(cuò)的層錯(cuò)區(qū)中的溶質(zhì)原子稱(chēng)為鈴木(Suzuki)氣團(tuán)。281表面張力σ表面能γ在數(shù)值上相等，量綱上相同。表面能單位：J/m2=Nm/m2=N/m位錯(cuò)具有應(yīng)變能U，使其有自動(dòng)縮短或