材料科学基础笔记(上)

第一章材料中的原子排列原子结合键（1）金属键：由金属内正离子和自由电子相互作用构成的键合。无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性：金属内自由电子在外加电场下定向移动。延展性：金属受力变形，原子相对位置变化但金属键未被破坏。光泽：自由电子的存在，使得易吸收光子。（2）离子键:由阴阳离子静电作用形成的化学键。无方向性和饱和性；（3）共价键：由电负性相差不大的原子通过共用电子对形成的化学键。有方向性和饱和性；（4）分子键无方向性和饱和性。氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性和饱和性。原子结构四个参量第二章固体结构一晶体学基础（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。1、空间点阵与晶胞空间点阵：由几何点（阵点，周围环境相同）做周期性的规则排列所形成的三维阵列。晶胞：在空间点阵中具有代表性的基本单元作为点阵的组成单元。选取原则：a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有尽可能多的直角；d体积最小。晶体分为7个晶系，14个布拉维点阵（每个阵点周围环境相同）2、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）晶向指数形如[uvw]。P24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uvw表示，数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。（2）晶面指数形如(hkl)。0的意义：面与对应的轴平行；平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；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。晶向与晶面位置关系同面，则hu+kv+lw=0;垂直，则u=h,k=v,w=l。（3）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晶面指数形如(hkil)表示；i=-(h+k)。c晶向指数形如[uvtw]表示；t=-(u+w)。坐标换算法：[UVW]~[uvtw]u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W。（4）晶带：所有平行或相交于某一晶向直线晶面。用晶带轴的晶向指数[uvw]表示；晶带定律：凡满足hu+kv+lw=0的晶面都属于以[uvw]为晶带轴的晶带。推论：p26矩阵表示(a)由两晶面(h1k1l1)(h2k2l2)求其晶带轴[uvw]：u=k1l2-k2l1;v=l1h2-l2h1;w=h1k2-h2k1。(b)由两晶向[u1v1w1][u2v2w2]求其决定的晶面(hkl)。H=v1w2-v2w1;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v1。(5)晶面间距：一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。低指数面间距大，原子排列密集；高指数相反。P27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+l=奇数时，d(hkl)=d/2。3、晶体对称性（1）宏观对称元素a、回转对称轴：晶体绕某一轴会转而能复原，此轴即为回转对称轴。b、对称面：晶体通过某一平面做镜像反映而能得到复原，此平面即为对称面。c、对称中心：晶体中所有点经过某一点反演后能复原，此点即为对称中心。d、回转-反演轴：晶体绕某轴回转360/n，再以轴上一中心作反演能复原，此轴即为回转-反演轴。（2）微观对称元素a、滑动面：对称面加此面上的平移。（符号p29）b、螺旋轴：回转轴加平行于轴的平移。点群：一个晶体中所有点对称元素的集合。空间群：用以描述晶体中原子组合所有可能方式。晶体中可能有230种空间群，分属于32个点群。4、极射投影极射投影：过投射点和球心在参考圆上作与其相切的投影面，极点与投影点所在直线与投影面的交点即为极点在投影面上的极射投影。标准投影：以晶体的某个晶面平行于投影面作全部主要晶面的极射投影图，成为极射投影。5、倒易点阵倒易点阵作用a、解释x射线及电子衍射图像，通过倒易点阵可把电子衍射斑点解释为晶体相应晶面的衍射结果。b、研究能带理论。c、推导晶体学公式，如晶带定律方程。二、金属晶体结构：1、三种常见晶体结构（p36）面心立方（A1,FCC）体心立方（A2,BCC）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..结构间隙正四面体正八面体四面体扁八面体四面体正八面体（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。面密度线密度A1(111)110A2(110)111A3(0001)11-202、原子的堆垛方式及间隙原子堆垛方式：ABAB...密排六方结构ABCABC...面心立方结构晶体结构间隙p413、多晶型性多晶型性:元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。三、合金相结构合金与相1合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。组元：组成合金最基本的物质。合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。2相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（如单相、两相、多相合金。）分类：固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。含溶剂和溶质。中间相（金属化合物）：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同的相。（一）、固溶体按溶质原子位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。按固溶度不同，可分为有限固溶体和无限固溶体。按溶质原子分布不同，可分为无序固溶体和有序固溶体。1置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。（1）影响置换固溶体溶解度的因素（金属与合金的电子理论）a原子尺寸因素原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。△r=(rA-rB)/rA当△r15%时，有利于大量互溶。b晶体结构因素结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。c电负性因素电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。d电子浓度因素电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与溶剂晶体结构有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48。2间隙固溶体:溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体。（1）影响因素：原子半径和溶剂结构。（2）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。3固溶体的结构（1）晶格畸变。（2）偏聚与有序：完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。4固溶体的性能固溶体的强度和硬度高于纯组元，塑性则较低。（1）固溶强化：由于溶质原子的溶入而引起的强化效应。（2）点阵常数改变：点阵畸变导致（3）物理化学性能变化：磁导率和腐蚀性能。（二）中间相：1正常价化合物（1）形成：电负性差起主要作用，符合原子价规则。（2）键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。（3）组成：AB或AB2。2电子化合物（电子相）（1）形成：电子浓度起主要作用，不符合原子价规则。（2）键型：金属键（金属－金属）。（3）组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表示，可形成以化合物为基的固溶体。3间隙相和间隙化合物间隙相:当非金属（X）和金属（M）原子半径的比值rX/rM0.59时，形成的具有简单晶体结构的相，称为间隙相。间隙化合物:当非金属（X）和金属（M）原子半径的比值rX/rM0.59时，形成具有复杂晶体结构的相，称为间隙化合物。（1）形成：尺寸因素起主要作用。（2）结构：简单间隙化合物（间隙相）：金属原子呈现新结构，非金属原子位于其间隙，结构简单。复杂间隙化合物：主要是铁、钴、铬、锰的化合物，结构复杂。（3）组成：可用化学式表示，可形成固溶体，复杂间隙化合物的金属元素可被置换。4拓扑密堆相:由两种大小不同的金属原子所构成的一类中间相，其中大小原子通过适当的配合构成空间利用率和配位数都很高的复杂结构。由于这类结构具有拓扑特征，故称这些相为拓扑密堆相。（1）形成：由CN为12、14、15、16配位多面体堆垛，层状结构。（2）组成：AB2。四、离子晶体结构五、共价晶体结构典型结构：金刚石结构六、聚合物晶体结构七、准晶态结构准晶是准周期性晶体，不符合晶体的对称结构，但呈一定周期性有序排列的类似于晶体的固体。介于晶态与非晶态之间新的原子聚集状态。大部分为亚稳态结构。八、液晶态结构九、非晶态结构特点：原子排列无长程有序和周期性特点。分为玻璃和其他非晶态两大类。第三章晶体缺陷原子的不规则排列产生晶体缺陷（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：在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷。1点缺陷的类型（1）空位：肖特基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗仑克尔空位－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：少量点缺陷存在使系统能量降低，内能最低对应的浓度。（1）晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值增加，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（易形成攀移）。（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，体积膨胀）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。位错是在研究晶体滑移时提出的。1位错的基本类型p90（1）刃型位错模型：滑移面/半原子面/位错线分类：正刃型位错（┻）；负刃型位错（┳）。（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。）（2）螺型位错模型：滑移面/位错线。分类：左螺型位错；右螺型位错。（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。）（3）混合位错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。（4）位错是不平衡的缺陷，熵增不能抵消应变能的增加。3柏氏矢量p92（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伯氏矢量。（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位错强度（畸变程度）/b/=a/n[u2+v2+w2]1/2。4位错的运动（易动性）1、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，形成双交滑移和交滑移。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。原子面下端原子的扩散――位错随半原子面