材料科學(xué)基礎(chǔ)第1-2章-小結(jié)

第一章1.物質(zhì)(Substance)是由原子（atom）組成，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。在材料科學(xué)中，最為關(guān)心原子的電子結(jié)構(gòu)，原子的電子結(jié)構(gòu)決定了原子間鍵合本質(zhì)2.電子在原子核外高速運動時，就好像帶負(fù)電的云霧籠罩早原子核的周圍，故形象地稱之為電子云。電子運動沒有固定的軌道，但可以根據(jù)電子能量的高低，用統(tǒng)計學(xué)的方法判斷其在核外空間某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率的大小。根據(jù)量子力學(xué)的理論，電子的狀態(tài)時用波函數(shù)來描述的，原子中一個電子的空間位置和能量，可用四個量子數(shù)（quantumnumbers）表示：（1）主量子數(shù)n：決定原子中電子能量，以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層。（2）軌道角動量量子數(shù)li:他給出了電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級（電子亞層）。（3）磁量子數(shù)mi:給出每個軌道角動量數(shù)的能級數(shù)或者軌道數(shù)。（4）自旋角動量量子數(shù)si:反應(yīng)電子不同的自旋方向。

核外電子的排布規(guī)律在多電子原子中，核外電子的排布規(guī)律遵循以下三個原則：（1）能量最低原理：在無外界干擾的情況下，電子總是處在能量較低的狀態(tài).(電子總是先占據(jù)能量最低的內(nèi)層，再由內(nèi)向外進(jìn)入能量較高的殼層)（2）Pauli不相容原理：在一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子。主量子數(shù)為n的殼層，最多容納2n2

個電子。（3）Hund洪德定則：在同一亞層中的各個能級中，電子的排布盡可能分占不同的能級，且自旋方向相同。全滿、半滿或全空時比較穩(wěn)定，能量最低。元素周期表原子間的結(jié)合鍵原子與原子時依靠結(jié)合鍵聚集在一起的。由于原子間結(jié)合鍵的不同，故可以將材料分為金屬，無機(jī)非金屬和高分子材料。（1）金屬鍵：金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成的鍵合。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（2）離子鍵：大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵方式結(jié)合無飽和性又無方向性

●

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

●性質(zhì)：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體原子間的結(jié)合鍵（4）范德瓦爾斯力：在高分子材料中占有重要地位。它是借助瞬時的，微弱的電偶極矩的感應(yīng)作用，將原子或者分子結(jié)合在一起的鍵合。沒有方向性也沒有飽和性（5）氫鍵：它是一種極性分子鍵，存在于HF、H2O、NH3等分子間。其結(jié)合鍵能化學(xué)鍵與物理鍵之間。具有飽和性和方向性

（3）共價鍵：在亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無機(jī)非金屬材料材料中，共價鍵占有重要的地位。其實質(zhì)是：由二個或多個電負(fù)性相差不大的原子間通過共用電子對而形成的化學(xué)鍵當(dāng)一個電子和另一個電子配對以后，就不再和第三個電子配對了，成鍵的共用電子對樹木是一定的，這就是共價鍵的飽和性。亦具有方向性第二章：固體結(jié)構(gòu)物質(zhì)按聚集狀態(tài)分類:氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)按原子（或分子）排列規(guī)律性分：晶體（crystal）和非晶體（noncrystal）晶態(tài)和非晶態(tài)往往可以相互轉(zhuǎn)化。

晶體:原子（或分子，離子）在三維空間成周期性長程有序(longrangeorder)排列的固體。非晶體：原子(團(tuán))無周期性長程有序排列的物質(zhì)（包括氣體，液體和部分固體）晶體的定義

１.原子規(guī)排：晶體中原子（分子或離子）在三維空間呈周期性重復(fù)排列，而非晶體的原子無規(guī)則排列的。

２.固定熔點：晶體具有固定的熔點，非晶體無固定的熔點，液固轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。

3.

各向異性：晶體具有各向異性（anisotropy），非晶體為各向同性。晶體與非晶體的區(qū)別：基本概念質(zhì)點（基元）：實際晶體中的結(jié)構(gòu)單元，如原子、分子、離子或原子團(tuán)陣點：將晶體中的每個質(zhì)點抽象為規(guī)則排列于空間的幾何點，稱之為陣點。（也叫格點，結(jié)點）點陣，即空間點陣：將晶體中原子或原子團(tuán)抽象為純幾何點（陣點latticepoint），由這些陣點在三維空間排列成的規(guī)則的陣列—空間點陣（spacelattice）

。空間格子：用許多平行的直線將所有陣點連接起來構(gòu)成的三維幾何格架，稱為空間格子(Lattice)?？臻g點陣中的陣點僅有幾何意義，并不真正代表任何質(zhì)點。點陣是抽象的幾何圖形點陣中每個陣點的周圍環(huán)境均相同，即每個陣點都是相同的點，具有等同性。晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣的關(guān)系：晶體結(jié)構(gòu)是晶體中實際質(zhì)點的具體排列，實際存在的晶體結(jié)構(gòu)是無限的。空間點陣是陣點的排列，只有14種類型。

晶體結(jié)構(gòu)=空間點陣+基元晶胞(UnitCell)晶胞：晶格中能反映晶格特征的最小重復(fù)單元。晶胞作三維堆積就構(gòu)成了空間點陣。1、應(yīng)反映出點陣的最高對稱性2、棱和角相等的數(shù)目最多3、棱邊夾角為直角時，直角數(shù)目最多4、晶胞體積最小選取結(jié)晶學(xué)晶胞的原則晶胞的棱邊長度ａ、ｂ、ｃ（稱為點陣常數(shù)、晶格常數(shù)(latticeconstants/parameters))；棱間的夾角為α、β、γ（稱為晶軸間夾角）。晶胞參數(shù)(Latticeparameters)第二章固體結(jié)構(gòu)

SolidStructure

晶向與晶向指數(shù)晶向：晶體中原子列的方向晶向指數(shù)表示著所有相互平行、方向一致的晶向。若晶體中兩直線相互平行但方向相反，則它們的晶向指數(shù)的數(shù)字相同，而符號相反。晶向指數(shù)的標(biāo)定：四步晶向族：有些晶向在空間位向不同，但晶向原子排列相同，這些晶向可歸為一個晶向族，用〈ｕｖｗ〉表示晶向指數(shù)的確定axyzbcPo①

確定P點的坐標(biāo)

1/2,1,0[120]確定O點的坐標(biāo)

0,0,0③

通分,去分母1,2,0④

用方括號括起來[120]②終點坐標(biāo)減始點坐標(biāo)1/2,1,0晶面指數(shù)結(jié)晶學(xué)中經(jīng)常用（hkl）來表示一組平行晶面，稱為晶面指數(shù)。常稱密勒指數(shù)（MillerIndices）數(shù)字hkl是晶面在三個坐標(biāo)軸（晶軸）上截距的倒數(shù)的整數(shù)比。晶面指數(shù)的確定Oxyzabc②

取截距的倒數(shù)2,3/2,1①

確定截距1/2,2/3,1③

通分，去分母4,3,2④

圓括號括起來(432)例4基本原則為避免0截距，原點選擇在晶面外晶面與晶軸平行，截距為∞，該指數(shù)為零截負(fù)端時，上加橫線截距越大、指數(shù)越小。晶面族:在晶體中有些晶面雖方位不同，但原子排列和分布完全相同，晶面間距亦相同，這些晶面合稱為一個晶面族，常用記號{hkl}表示

xyzabc立方晶系{100}3組晶面族中晶面數(shù)的規(guī)律六方晶系晶面族中晶面數(shù)的個數(shù)及其標(biāo)定？？對稱性來標(biāo)定和判斷e.g.:立方晶系中晶向與晶面的關(guān)系在立方晶系中，同指數(shù)的晶面和晶向之間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，即同指數(shù)的晶向與晶面相互垂直，也就是說[hkl]晶向是（hkl）晶面的法向xyzabc立方晶系[110](110)晶面指數(shù)小結(jié)某一晶面指數(shù)代表了在原點同一側(cè)的一組相互平行且無限大的晶面若晶面指數(shù)相同，但正負(fù)符號相反，則兩晶面是以原點為對稱中心，且相互平行的晶面凡晶面間距和晶面上原子分布完全相同，只是空間取向不同的晶面，可歸為同一晶面族，用{hkl}表示在立方結(jié)構(gòu)中若晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的指數(shù)和符號相同，則該晶向與晶面必定是互相垂直4六方晶系中晶向與晶面指數(shù)四軸定向：晶面符號一般寫為（hkil），指數(shù)的排列順序依次與a軸、b軸、d軸、c軸相對應(yīng)其中a、b、d三軸間夾角為120o，c軸與它們垂直它們之間的關(guān)系為：i=-(h＋k)晶面指數(shù)的確定步驟與立方晶系相同晶面指數(shù)(hkil

),晶面族{hkil}aca1(a)a2(b)a3(d)c六方晶系鏡面指數(shù)和晶向指數(shù)的標(biāo)定1.晶面指數(shù)：可以直接標(biāo)定2.晶向指數(shù)：要化成三指數(shù)，再標(biāo)定4晶帶及晶帶定律所有相交于某一直線或平行于此直線的所有晶面的組合,稱為晶帶,此直線稱為晶帶軸同一晶帶的晶面,其晶面指數(shù)和晶面間距可能不同,但它們都與晶帶軸平行晶帶定律:當(dāng)晶帶軸的指數(shù)為[uvw]時,晶帶中任何晶面指數(shù)(hkl)都能符合關(guān)系式:

hu

+kv

+lw

=0

凡滿足此關(guān)系的晶面都屬于以[uvw]為晶帶軸的晶帶，故此關(guān)系式也稱作晶帶定律。這是判斷一個晶面與一個晶向平行或相交的條件6晶面間距晶面組中最近兩晶面間的距離叫晶面間距(interplanarspacing)晶面間距用dhkl表示晶面指數(shù)低，面上具有較高的原子密度，間距大、作用力弱,晶體結(jié)構(gòu)的變化往往在此晶面間發(fā)生,從而對其性能產(chǎn)生影響簡單晶胞格子中面間距的計算晶面指數(shù)(hkl),點陣常數(shù)a,b,c立方晶系正交晶系六方晶系※2金屬的晶體結(jié)構(gòu)（CrystalStructureofMetals）

體心立方點陣面心立方點陣密排六方點陣2.2.1三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)晶胞中原子的排列方式(原子所處的位置)點陣參數(shù)(晶格常數(shù)和晶軸間夾角)晶胞中原子數(shù)n

原子半徑r和點陣常數(shù)關(guān)系配位數(shù)(coordinativenumber)和致密度致密度和原子間隙大小密排方向和密排面

需要掌握以下幾個方面：三種典型金屬結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特點堆垛方式小結(jié)晶體結(jié)構(gòu)密排方向密排面堆垛方向堆垛次序BCCFCCHCP<111>{110}<110>ABAB<110>{111}<111>ABCABC{0001}<0001>ABAB<1120>八面體間隙的數(shù)目：FCC結(jié)構(gòu)中的八面體間隙用一個與組成間隙的原子都相切的圓的半徑rin

來表示間隙的大小也就是說,半徑為主原子半徑的40%左右的其它原子可以填充在FCC結(jié)構(gòu)的八面體間隙中,其配位數(shù)為6a八面體間隙的大小21465378910四面體間隙的數(shù)目:8FCC結(jié)構(gòu)中的四面體間隙ABCD2r

ABCDoE四面體的大小(3)BCC結(jié)構(gòu)中的間隙同樣存在八面體間隙和四面體間隙bcc結(jié)構(gòu)金屬:α－Fe、δ－Fe、Cr、Mo、W、V等八面體間隙的數(shù)目:6×1/2+12×1/4=6BCC結(jié)構(gòu)中的八面體間隙八面體間隙的大小a2rABCABCD2rr+rina/4a

BCC結(jié)構(gòu)中的四面體間隙四面體的數(shù)目:6×4×1/2=12a/4a/2rin

r

四面體間隙的大小Octahedral（八面體）Tetrahedral（四面體）FCCBCC12684sitesrin/rsitesrin/r0.1550.4140.2910.225HCP60.414120.225堆垛中的間隙小結(jié)

由10,000個直徑為3厘米的鉛球按FCC堆積而成的防輻射墻，如果為了提高吸收能力而在八面體間隙中添加半徑更小的球，問：大約需要多少小球？其半徑是多少?Example1:八面體間隙FCC結(jié)構(gòu)中,一個晶胞內(nèi)的原子數(shù)目為4,所含有的八面體間隙數(shù)目為4,因此,需要小鉛球的數(shù)目與大鉛球的數(shù)目相等,即10,000個,其半徑為0.621cm.解:a思考:如果用更小的鉛球填在四面體間隙時,應(yīng)需要多少和多大的小鉛球?2.2.3多晶型性

多晶型性指某些金屬在不同溫度和壓力下具有不同的晶體結(jié)構(gòu)。多晶型性轉(zhuǎn)變指金屬在外部條件(如T和P)改變時，其內(nèi)部從一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,又稱同素異構(gòu)（同素異性）轉(zhuǎn)變例如純鐵:Example3:具有BCC結(jié)構(gòu)的Fe單位晶胞體積,在912℃時為0.02464nm3;FCC鐵在相同溫度時其單位晶胞的體積為0.0486nm3,求當(dāng)鐵由BCC轉(zhuǎn)變?yōu)镕CC時,其密度改變的百分比為多少?思考:試計算a-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)間-Fe時體積的變化率或者膨脹率.？？應(yīng)該設(shè)轉(zhuǎn)變前后a-Fe和g-Fe的質(zhì)量是相同的，都為1克，或者m克，再根據(jù)密度計算其體積的變化率Example6金屬Fe中加入碳后可以提高其力學(xué)性能(鋼),在FCC-Fe中,C原子位于其八面體間隙中,而BCC-Fe中,C原子位于其四面體間隙中.FCC-Fe的晶格常數(shù)為0.3571nm,BCC-Fe的晶格常數(shù)為0.2866nm,假設(shè)碳原子的半徑為0.071nm,試計算:(1)碳原子加入后,哪種晶體結(jié)構(gòu)畸變的程度大?(2)如果上述所有間隙都被C原子填充,兩種晶體中C原子所占的原子百分?jǐn)?shù)各為多少?a/4a/2rin

r

(1)對于BCC-Fe:a對于FCC-Fe:BCC-Fe原子畸變程度更大(2)對于BCC-Fe:晶胞中的原子數(shù)目為:2晶胞中的四面體間隙數(shù)目為:12BCC晶胞中的四面體間隙全部被C原子填充時,C原子所占的分?jǐn)?shù)為:對于FCC-Fe:晶胞中原子數(shù)為4,八面體間隙數(shù)為42.3合金相結(jié)構(gòu)一、固溶體二、金屬間化合物(中間相)2合金相分類

按照晶體結(jié)構(gòu)，可以將合金相分為固溶體和中間相兩類。固溶體是一種組元（溶質(zhì)）溶解在另一種組元（溶劑，一般是金屬）中，其特點是溶劑（或稱基體）的點陣類型不變，溶質(zhì)原子或是代替部分溶劑原子而形成置換式固溶體，或是進(jìn)入溶劑組元點陣的間隙中而形成間隙式固溶體。一般地說，固溶體都有一定的成分范圍。溶質(zhì)在溶劑中的最大含量（即極限溶解度）便稱為固溶度。

固溶體的兩種類型（置換和