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材料科学基础课件材料科学基础课件制作人：张通制作人：张通目录目录材料结构的基本知识材料结构的基本知识材料中的晶体结构材料中的晶体结构高分子材料的结构高分子材料的结构晶体缺陷晶体缺陷材料的相结构及相图材料的相结构及相图材料的凝固与气相沉积材料的凝固与气相沉积扩散与固态相变扩散与固态相变材料的变形与断裂材料的变形与断裂固体材料的电子结构与物理性能固体材料的电子结构与物理性能材料概论材料概论导论导论一一.材料使用时间划分：石器时代材料使用时间划分：石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代水泥时代水泥时代钢时代钢时代硅时代硅时代新材料新材料时代时代二二.工程材料划分：金属材料（钢铁材料和有色金工程材料划分：金属材料（钢铁材料和有色金属）、陶瓷材料（粘土、石英和长石）、高分子属）、陶瓷材料（粘土、石英和长石）、高分子材料材料(塑料、合成纤维和橡胶）、复合材料。塑料、合成纤维和橡胶）、复合材料。三三.其它材料其它材料 电子材料电子材料 ：在电子学和微电子学使用的材料，：在电子学和微电子学使用的材料，包括半导体材料、介电功能材料和磁性材料包括半导体材料、介电功能材料和磁性材料 光电子材料：具有光子和电子的产生、转换和传光电子材料：具有光子和电子的产生、转换和传输功能的材料。输功能的材料。超导材料：具有一定的低温条件下呈现出电阻等超导材料：具有一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。于零以及排斥磁力线的性质的材料。四四.材料性能材料性能 金属材料：金属材料：导电性，高的塑性和韧性，可作导体导电性，高的塑性和韧性，可作导体 陶瓷材料：陶瓷材料：高硬度，较脆，可作绝缘体高硬度，较脆，可作绝缘体 高分子材料高分子材料:弹性模量，强度，塑性都很低，多弹性模量，强度，塑性都很低，多数不导电数不导电五五.内部结构划分层次：内部结构划分层次：原子结构、结合键、原子原子结构、结合键、原子的排列方式和显微组织的排列方式和显微组织六六.内部结构决定性能内部结构决定性能 举例：举例：金属键材料内部有大量移动电子，使金属金属键材料内部有大量移动电子，使金属具有良好导电性。变形时金属键不会破坏，使金具有良好导电性。变形时金属键不会破坏，使金属具有良好塑性。金属键结合的原子排列紧密，属具有良好塑性。金属键结合的原子排列紧密，晶体结构简单，金属密度高。共价键结合的材晶体结构简单，金属密度高。共价键结合的材料，电子受束缚不能自由运动，通常不导电。料，电子受束缚不能自由运动，通常不导电。共价键结合力很强，变形时要破坏局部键的结共价键结合力很强，变形时要破坏局部键的结合，故材合，故材料硬而脆。原子排列不紧密，晶体结构复杂，料硬而脆。原子排列不紧密，晶体结构复杂，故共价键晶体陶瓷密度低。故共价键晶体陶瓷密度低。七七.材料科学定义：材料科学定义：研究各种材料的结构、制备研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的学科。加工工艺与性能之间关系的学科。八八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材料概论等主要内容。料概论等主要内容。第一章第一章 材料结构的基本知识材料结构的基本知识原子结构原子结构原子结合键原子结合键原子排列方式原子排列方式晶体材料的组织晶体材料的组织材料的稳态结构与亚稳态结构材料的稳态结构与亚稳态结构第一节第一节 原子结构原子结构一、原子的电子排列一、原子的电子排列1.1.原子组成：原子组成：原子核（质子和中子）和核外原子核（质子和中子）和核外电子。电子。2.2.电子排列：电子排列：原子核外电子的分布，它不仅原子核外电子的分布，它不仅决定了单个原子的行为，也对工程材料内决定了单个原子的行为，也对工程材料内部原子的结合以及材料的某些性能起着决部原子的结合以及材料的某些性能起着决定性作用。定性作用。3.3.电子排列参数：电子排列参数：主主量子数、次量子数、磁量子数、次量子数、磁量子数以及自旋量子数量子数以及自旋量子数（1 1）主量子数）主量子数n n：决定原子中电子能量以及与核决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。的平均距离，即电子所处的量子壳层。（n=1、2、3、4）（2 2）次量子数）次量子数l l：也称为轨道角量子数，给出电子也称为轨道角量子数，给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚壳层）。在同一量子壳层内所处的能级（电子亚壳层）。l=0、1、2、3，这些亚壳层习惯上以，这些亚壳层习惯上以s、p、d、f表示。表示。（3 3）磁量子数）磁量子数m m：给出每个轨道角动量量子数给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。它基本上确定了轨道的空间的能级数或轨道数。它基本上确定了轨道的空间取向。取向。m=0、1、2、3。（4 4）自旋量子数（全名为自旋角动量量子数）自旋量子数（全名为自旋角动量量子数）ms ms：反映电子不同的自旋方向反映电子不同的自旋方向，ms=+1/2，-1/2。5.5.电子分布服原从理：电子分布服原从理：(1)(1)最低能量原理：最低能量原理：原原子总是优先占据能量低的轨子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。道，使系统处于最低的能量状态。(2)(2)泡利不相容原理：一个原子中不可能存在有四泡利不相容原理：一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。个量子数完全相同的两个电子。(3)Hund(3)Hund规则：规则：在在同一亚层中的各个能级中，电子同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低是比较稳定的，整个原子的能量最低 。二二.元素周期表元素周期表1.1.具有相同核电荷数的同一类原子为一种元具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。素。2.2.元素周期表是元素周期律的具体表现形式，元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。结构和一定的性质。三三.结论结论1.1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定原子核周围的电子按照四个量子数的规定从低能到高能依次排列在不同的量子状态从低能到高能依次排列在不同的量子状态下，同一原子中电子的四个量子数不可能下，同一原子中电子的四个量子数不可能完全相同。完全相同。2.2.根根据排列次序建立了元素周期表，各个周据排列次序建立了元素周期表，各个周期中的元素的性质呈现相同的周期变化规期中的元素的性质呈现相同的周期变化规律，元素在周期表上的位置不仅决定了单律，元素在周期表上的位置不仅决定了单个原子的行为，也决定了材料中原子的结个原子的行为，也决定了材料中原子的结合方式以及材料的化学性能和物理性能。合方式以及材料的化学性能和物理性能。第二节第二节 原子结合键原子结合键一一.原子结合键原子结合键 1.1.存在状态：存在状态：凝聚态（液态和固态）凝聚态（液态和固态）分类 2.2.一次键：一次键：结合力较强，包括离子键、共结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。价键和金属键。3.3.二次键：二次键：结合力较弱，包括范德瓦耳斯结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。键和氢键。二二.一次键一次键1.1.离子键离子键 （1 1）通过电子转移形成稳定结构，存在于大）通过电子转移形成稳定结构，存在于大多数盐类、碱类和金属氧化物，如多数盐类、碱类和金属氧化物，如NaCINaCI、MgOMgO、CuOCuO、Mg2SiMg2Si、CrO2CrO2。（2 2）基本特点是以离子为基本结合单位。基本特点是以离子为基本结合单位。(3 (3）一般离子晶体中正负离子静电引力较强，）一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在 高温熔融状态时，正负离子在外电场作用高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。下可以自由运动，即呈现离子导电性。2.2.共价键共价键（1 1）通过共用电子对形成稳定结构）通过共用电子对形成稳定结构（2 2）共价键键合的基本特点是核外电子云达）共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成到最大的重叠，形成“共用电子对共用电子对”，有，有确定的方位，且配位数较小。确定的方位，且配位数较小。（3 3）共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、）共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。位。共价键晶体中各个键之间都有确定的共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为方位，配位数比较小。共价键的结合极为 牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。电性能差。3.3.金属键金属键（1 1）金属中的自由电子和金属正离子相互作用所）金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键，例如构成键合称为金属键，例如NaNa、MgMg、AlAl等。等。（2 2）金属键的基本特点是电子的共有化。）金属键的基本特点是电子的共有化。（3 3）金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原）金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。金属一般都具有良好的导电和导热性能。三三.二次键二次键1.1.二次键：二次键：借原子之间的偶极吸引力结合，例如借原子之间的偶极吸引力结合，例如CH4CH4、CO2CO2、H2H2、H2OH2O。2.2.范德瓦耳斯键：范德瓦耳斯键：属物理键，系一种次价键，没有属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能少方向性和饱和性。比化学键的键能少1 12 2个数量个数量级，这主要是因为偶极吸引力的作用级，这主要是因为偶极吸引力的作用3.3.范德瓦耳斯键的键能低，但它仍然是材料结合键范德瓦耳斯键的键能低，但它仍然是材料结合键的重要组成部分，依靠它大部分气体才能聚合为的重要组成部分，依靠它大部分气体才能聚合为液态甚至固态，当然它们的稳定性极差。液态甚至固态，当然它们的稳定性极差。4.4.氢键氢键氢键是一种特殊的分子间作用力，本质上与氢键是一种特殊的分子间作用力，本质上与范德瓦耳斯键一样，它是由氢原子同时与两个电范德瓦耳斯键一样，它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（负性很大而原子半径较小的原子（O O，F F，N N等）相等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力。也是结合而产生的具有比一般次价键大的键力。也是靠原子（或分子、原子团）的偶极吸引力结合起靠原子（或分子、原子团）的偶极吸引力结合起来的，只是氢键中氢原子起了关键作用。来的，只是氢键中氢原子起了关键作用。原子核原子核电子云电子云原子核原子核电子云电子云a a）理论电子云的分布）理论电子云的分布b b）原子偶极矩的产生）原子偶极矩的产生质上是一个裸露的质子，对另一个电负性值较大质上是一个裸露的质子，对另一个电负性值较大的原子的原子Y Y表现出较强的吸引力，这样，氢原子便表现出较强的吸引力，这样，氢原子便在两个电负性很强的原子（或原子团）之间形成在两个电负性很强的原子（或原子团）之间形成一个桥梁，把二者结合。起来，成为氢键。所以一个桥梁，把二者结合。起来，成为氢键。所以氢键可以表达为：氢键可以表达为：X-HX-HY Y。氢与氢与X X原子原子（或原子团）为离子键结合，与（或原子团）为离子键结合，与Y Y之间为氢键结之间为氢键结合，通过氢键将合，通过氢键将X X、Y Y结合起来，结合起来，X X与与Y Y可以相同或可以相同或不同。不同。氢键具有饱和性和方向性，氢键在高分子材氢键具有饱和性和方向性，氢键在高分子材料中特别重要料中特别重要。（3 3）混合键）混合键 对于某一具体材料而言，似乎只具有单一的对于某一具体材料而言，似乎只具有单一的结合键，如金属应为金属键，结合键，如金属应为金属键，AA族元素应为共族元素应为共价键，电负性不同的元素应结合成离子键。然而，价键，电负性不同的元素应结合成离子键。然而，实际材料中单一结合键的情况并不是很多，大部实际材料中单一结合键的情况并不是很多，大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。陶瓷化合物中出现离子键和共价键混合的情陶瓷化合物中出现离子键和共价键混合的情况很常见，通常金属正离子与非金属离子所组成况很常见，通常金属正离子与非金属离子所组成的化合物不是纯粹的离子化合物，它们的性质不的化合物不是纯粹的离子化合物，它们的性质不能仅用离子键理解。化合物中离子键的比例取决能仅用离子键理解。化合物中离子键的比例取决于组成元素中电负性差。电负性差相差越大，则于组成元素中电负性差。电负性差相差越大，则离子键比例越高。鲍林推荐以下公式来确定化合离子键比例越高。鲍林推荐以下公式来确定化合物物ABAB中离子结合键的相对值：中离子结合键的相对值：另一种混合键表现为两种类型的键独立另一种混合键表现为两种类型的键独立纯在例如一些气体分子以共价键结合，而纯在例如一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多有机材料的长链分子内部是共价键结合，有机材料的长链分子内部是共价键结合，链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为范德瓦力二次键结合。范德瓦力二次键结合。正由于大多数工程材料的结合键是混合正由于大多数工程材料的结合键是混合的，混合的方式比例又随材料的组成而变，的，混合的方式比例又随材料的组成而变，因此材料的性能可在很广的范围变化。从因此材料的性能可在很广的范围变化。从 而满足工程实际各种不同的需要。而满足工程实际各种不同的需要。（4 4）结合键的本质及原子间距）结合键的本质及原子间距 固固体中原子是依靠结合键力结合起来的体中原子是依靠结合键力结合起来的 不论是何种类型的结合键，固体原子间不论是何种类型的结合键，固体原子间 总总存在着两种力：一是吸引力，来源于电荷存在着两种力：一是吸引力，来源于电荷间的静电吸引；二是同种电荷之间的排斥间的静电吸引；二是同种电荷之间的排斥力。当距离很远时，排斥力很小，只有当力。当距离很远时，排斥力很小，只有当原子间接近至电子轨道互相重叠时，排斥原子间接近至电子轨道互相重叠时，排斥与吸引力相等，两原子便稳定在此相对与吸引力相等，两原子便稳定在此相对位位置上，这一距离置上，这一距离r0相当于原子的相当于原子的平衡距离平衡距离，或称为或称为原子间距原子间距。当原子距离被外力拉开。当原子距离被外力拉开时，吸引力则力图使它们回到平衡距离时，吸引力则力图使它们回到平衡距离r0反之，当原子压缩时，排斥力起作用，使之回到反之，当原子压缩时，排斥力起作用，使之回到平衡距离平衡距离r0。如果从能量的角度来看问题的话，我们说，如果从能量的角度来看问题的话，我们说，在作用力等于零的平衡距离下能量应该达到最低在作用力等于零的平衡距离下能量应该达到最低值，表明在该距离下体系处于稳定状态。当两个值，表明在该距离下体系处于稳定状态。当两个原子无限远时，原子间无作用力，作用能为零。原子无限远时，原子间无作用力，作用能为零。当距离在吸引力作用下靠近时，体系的位能逐渐当距离在吸引力作用下靠近时，体系的位能逐渐下降下降,使体系的组态熵增加，引起自由能下降。使体系的组态熵增加，引起自由能下降。当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。因为系统都具有最小自由能的倾向，由此确定的因为系统都具有最小自由能的倾向，由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。（5 5）结合键与性能）结合键与性能 材料结合键的类型及键能大小对某些性能材料结合键的类型及键能大小对某些性能有重要影响，主要表现在以下两个方面：有重要影响，主要表现在以下两个方面：1.1.物理性能：物理性能：（1 1）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。物）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。物质加热时，当热振动能足以破坏相邻原子间的稳质加热时，当热振动能足以破坏相邻原子间的稳定结合时，便会发生熔化，所以熔点与键能值有定结合时，便会发生熔化，所以熔点与键能值有较好的对应关系：共价键、离子键化合物的熔点较好的对应关系：共价键、离子键化合物的熔点较高，其中纯共价键金刚石具有最高熔点，金属较高，其中纯共价键金刚石具有最高熔点，金属的熔点相对较低，但过渡族金属有较高的熔点，的熔点相对较低，但过渡族金属有较高的熔点，特别是难熔金属特别是难熔金属W W、MoMo、TaTa等熔点都很高。而具等熔点都很高。而具有二次键结合的材料的熔点一般很低，如聚合物有二次键结合的材料的熔点一般很低，如聚合物 （2 2）材料的密度与结合键的类型有关。大多数金）材料的密度与结合键的类型有关。大多数金属有高的密度，主要有两个原因：第一，金属元属有高的密度，主要有两个原因：第一，金属元素有较高的相对原子质量；第二，也是更重要的，素有较高的相对原子质量；第二，也是更重要的，金属键的结合方式没有方向性，金属原子总是趋金属键的结合方式没有方向性，金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的情况，情况，原子排列不可能很致密，所以它们的化合原子排列不可能很致密，所以它们的化合物的密度较低。而聚合物由于二次键结合，分子物的密度较低。而聚合物由于二次键结合，分子链堆垛不紧密，加上组成原子的质量较小（链堆垛不紧密，加上组成原子的质量较小（C C、H H、O O），在工程材料中具有最低的密度。），在工程材料中具有最低的密度。原子排列不可能很致密，所以它们的化合原子排列不可能很致密，所以它们的化合物的密度较低。而聚合物由于二次键结合，物的密度较低。而聚合物由于二次键结合，分子链堆垛不紧密，加上组成原子的质量分子链堆垛不紧密，加上组成原子的质量较小（较小（C C、H H、O O），在工程材料中具有最低），在工程材料中具有最低的密度。的密度。（3 3）此外，金属键使金属材料具有良好的导）此外，金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性，而由非金属键结合的陶瓷、电性和导热性，而由非金属键结合的陶瓷、聚合物均在固态下不导电，它们可以作为聚合物均在固态下不导电，它们可以作为绝缘体或绝热体在工程上应用。绝缘体或绝热体在工程上应用。2.2.力学性能：力学性能：（1 1）弹性模量是材料应力）弹性模量是材料应力-应变曲线上弹性变形应变曲线上弹性变形段的斜率，在拉伸变形中通常称它为杨式模量，段的斜率，在拉伸变形中通常称它为杨式模量，以以E E表示。而结合键能是影响弹性模量的主要因表示。而结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，则素，结合键能越大，则“弹簧弹簧”越越“硬硬”，原子，原子之间距离的移动所需要的外力就越大，即弹性模之间距离的移动所需要的外力就越大，即弹性模量越大。如金刚石具有最高的弹性模量值，量越大。如金刚石具有最高的弹性模量值，E=1000GPaE=1000GPa；其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化；其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化物等结合键能也较高，它们的弹性模量为物等结合键能也较高，它们的弹性模量为250-250-600GPa600GPa；由金属键结合的金属材料，弹性模量略；由金属键结合的金属材料，弹性模量略低些，一般约为低些，一般约为70-350GPa70-350GPa；而聚合物由于二次；而聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为键的作用，弹性模量仅为0.7-3.5GPa0.7-3.5GPa。（2 2）工程材料的强度与结合键能也有一定的）工程材料的强度与结合键能也有一定的联系，一般说来，结合键能高的，强度也联系，一般说来，结合键能高的，强度也高些，然而强度在很大程度上还取决于材高些，然而强度在很大程度上还取决于材料的其他结构因素，如材料的组织，因此料的其他结构因素，如材料的组织，因此它与键能之间的对应关系不是很明显。此它与键能之间的对应关系不是很明显。此外，材料的塑性与结合键类型有关，金属外，材料的塑性与结合键类型有关，金属键赋予材料良好的塑性；而离子键、共价键赋予材料良好的塑性；而离子键、共价键结合，使塑性变形困难，所以陶瓷材料键结合，使塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。的塑性很差。第三节第三节 原子的排列方式原子的排列方式1.固体根据原子（或原子团、分子固体根据原子（或原子团、分子)分为晶体分为晶体和非晶体。和非晶体。2.2.晶体晶体 原子排列：原子排列：粒子粒子(原子、离子或分子原子、离子或分子)在三在三维空间呈周期性的规则重复排列维空间呈周期性的规则重复排列。特点：特点：各向异性：不同方向原子的排列方各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异；式不相同，因而其表现的性能也有差异；固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体持自己形状的液体。3.3.非晶体：非晶体：粒子粒子(原子、离子或分子原子、离子或分子)在三维在三维空间呈非周期性的无规则重复排列。空间呈非周期性的无规则重复排列。特点：特点：各向同性：各向同性：不同方向原子的排列方式相同，不同方向原子的排列方式相同，因而其表现的性能也相同；因而其表现的性能也相同；无固定的熔点无固定的熔点 4.4.原子排列的研究方法原子排列的研究方法 原子的尺寸极小，用通常的光学显微镜和原子的尺寸极小，用通常的光学显微镜和电子显微镜很难直观的看到材料内部的原电子显微镜很难直观的看到材料内部的原子及其排列方式。那么，在材料研究中，子及其排列方式。那么，在材料研究中，我们经常用下面两种方法来进行研究分析：我们经常用下面两种方法来进行研究分析：1.X 1.X射线法；射线法；2.2.电子束法。电子束法。这两种方法的原理就是光学中的干涉和衍这两种方法的原理就是光学中的干涉和衍射。射。第四节第四节 晶体材料的组织晶体材料的组织1.1.材料的组织材料的组织:各种晶粒的组合特征，即各种各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量，尺寸大小、形状及分布等晶粒的相对量，尺寸大小、形状及分布等特征。特征。2.2.宏观组织：宏观组织：粗大的能用肉眼观察到的组织。粗大的能用肉眼观察到的组织。显微组织显微组织(金相组织）：需要用金相显微镜金相组织）：需要用金相显微镜或电子显微镜才能观察到的组织或电子显微镜才能观察到的组织。3.3.单相组织：单相组织：具有单一相的组织，所有晶粒具有单一相的组织，所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。的化学组成相同，晶体结构也相同。其特征主要用晶粒尺寸和形状描述。其特征主要用晶粒尺寸和形状描述。4.4.固溶体：固溶体：有些合金中合金元素完全溶解于基体中，有些合金中合金元素完全溶解于基体中，形成均匀的合金相，形成单相固溶组织形成均匀的合金相，形成单相固溶组织。5.5.多向组织多向组织:具有两相以上晶体组成具有两相以上晶体组成。第五节第五节 材料的稳态结构与亚稳材料的稳态结构与亚稳态结构态结构1 1 同一种材料在不同条件下可以得到不同的同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡态结构，而能量相对较高的结构则或平衡态结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。称为亚稳态结构。2.2.从热力学的角度来看，能量最低的结构最从热力学的角度来看，能量最低的结构最稳定，因此获得稳定结构最有利。然而，稳定，因此获得稳定结构最有利。然而，实际上体系存在的结构并不一定是稳态的，实际上体系存在的结构并不一定是稳态的，很多情况下得到的却是能量较高的亚稳态，很多情况下得到的却是能量较高的亚稳态，这是由结构转变的动力学条件决定的。因这是由结构转变的动力学条件决定的。因 此，材料最终得到什么结构必须综合考虑结构形此，材料最终得到什么结构必须综合考虑结构形成的热力学条件和动力学条件。成的热力学条件和动力学条件。3.3.热力学条件：热力学条件：是指结构形成时必须沿着能量降低是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，只有这样，过程才能自发进行。力，只有这样，过程才能自发进行。动力学条件：动力学条件：是指过程的反应速度。任何反应都是指过程的反应速度。任何反应都存在着阻力，阻力最小的过程总是进行得最快最存在着阻力，阻力最小的过程总是进行得最快最容易实现，所以动力学条件的实质是考虑阻力。容易实现，所以动力学条件的实质是考虑阻力。4.4.体系最终得到的结构还取决于转变过程的外界条体系最终得到的结构还取决于转变过程的外界条件，如温度、压力、冷却速度等。当然这些因素件，如温度、压力、冷却速度等。当然这些因素还是通过改变热力学条件和动力学条件来影响结还是通过改变热力学条件和动力学条件来影响结构的。构的。第二章材料中的晶体结构第二章材料中的晶体结构 晶体学基础晶体学基础纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构离子晶体的结构离子晶体的结构共价晶体的结构共价晶体的结构第一节第一节 晶体学基础晶体学基础1.1.空间点阵：空间点阵：由几何点做周期性的规则排列由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。它是原子的理想排列，所形成的三维阵列。它是原子的理想排列，共有共有1414种。种。阵点：阵点：空间点阵中的点。它是纯粹的几何空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同点，各点周围环境相同。晶格：晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格描述晶体中原子排列规律的空间格架。架。晶胞：晶胞：空间点阵中最小的几何单元。空间点阵中最小的几何单元。晶体结构：晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。阵的实际排列。可能存它在局部缺陷，可能存它在局部缺陷，可有无限多种。可有无限多种。2.2.晶胞选取原则：晶胞选取原则：能够充分反映空间点阵的能够充分反映空间点阵的对称性；相等的棱和角的数目最多；具有对称性；相等的棱和角的数目最多；具有尽可能多的直角；体积最小。尽可能多的直角；体积最小。3.3.晶胞的描述：晶胞的描述：有三个棱边的长度有三个棱边的长度a,b,ca,b,c及其及其夹角夹角,示晶胞中点的位置表示（坐示晶胞中点的位置表示（坐标法）。标法）。4.4.布拉菲点阵：布拉菲点阵：根据每个阵点的周围环境相根据每个阵点的周围环境相同的要求，将空间点阵分为同的要求，将空间点阵分为1414种点阵分属种点阵分属7 7个晶系。个晶系。5.5.晶向：晶向：空间点阵中各阵点列的方向。空间点阵中各阵点列的方向。晶面：晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平通过空间点阵中任意一组阵点的平 面。面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。晶向指数的标定。晶向指数的标定。6.6.晶相指数的确定步骤：晶相指数的确定步骤：（1 1）建立坐标系，确定原点（阵点）、坐标）建立坐标系，确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。轴和度量单位（棱边）。（2 2）确定坐标值）确定坐标值（3 3）化整并加方括号）化整并加方括号注意：指数意义是代表相互平行、方向一致注意：指数意义是代表相互平行、方向一致 的所有晶向。的所有晶向。负值：标于数字上方，表示同一晶向负值：标于数字上方，表示同一晶向 的相反方向。的相反方向。晶向族：晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用向不同的一组晶向。用表示，数字相表示，数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。属于同一晶向族。7.7.晶相指数的确定步骤：晶相指数的确定步骤：（1 1）建立坐标系：）建立坐标系：确定原点（非阵点）、坐确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。标轴和度量单位。（2 2）求截距：）求截距：x,y,zx,y,z。（3 3）取倒数：）取倒数：h h,k,k,l,l。（4 4）化整数加加圆括号：）化整数加加圆括号：h h、k k、l,l,加后加后(hkl)(hkl)。注意：指数意义注意：指数意义:代表一组平行的晶面；代表一组平行的晶面；0 0的意义：的意义：面与对应的轴平行；面与对应的轴平行；平行晶面：平行晶面：指数相同，或数字相同但正负指数相同，或数字相同但正负号相反号相反;晶面族：晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。用组晶面。用hklhkl表示。表示。若晶面与晶向同面，则若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;hu+kv+lw=0;若晶面与晶向垂直，则若晶面与晶向垂直，则u=h,k=v,w=lu=h,k=v,w=l8.六方系晶向指数和晶面指数六方系晶向指数和晶面指数 六方系指数标定的特殊性：六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（等价晶四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数）。面不具有等价指数）。晶面指数的标定晶面指数的标定:标法与立方系相同标法与立方系相同(四个截距四个截距)；用四个数字；用四个数字(hkil)(hkil)表示；表示；i=-(h+ki=-(h+k)。晶向指数的标定标法与立方系相同晶向指数的标定标法与立方系相同(四个坐标四个坐标)；用四个数字用四个数字(uvtw)(uvtw)表示；表示；t=-(u+w)t=-(u+w)。依次平移法：依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。适合于已知指数画晶向（末点）。坐标换算法：坐标换算法：UVWuvtwUVWuvtw u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W。9.9.晶带：晶带：相交和平行于某一晶向直线所有晶相交和平行于某一晶向直线所有晶面的组合。此直线叫晶带轴。同一晶带中面的组合。此直线叫晶带轴。同一晶带中的晶面叫共晶面。晶带用晶带轴的晶向指的晶面叫共晶面。晶带用晶带轴的晶向指数表示。晶带轴与该晶带中任一晶面之间数表示。晶带轴与该晶带中任一晶面之间均满足下列关系：均满足下列关系：hu+kv+lw=0 hu+kv+lw=0，凡满足上式的晶面都属于以凡满足上式的晶面都属于以uvwuvw为晶带轴为晶带轴的晶带。的晶带。10.（1 1）由两晶面由两晶面(h1k1l1)(h2k2l2)(h1k1l1)(h2k2l2)求其求其 晶带轴晶带轴uvwuvw：u=k1l2-k2l1;v=l1h2-u=k1l2-k2l1;v=l1h2-l2h1;l2h1;w=h1k2-h2k1 w=h1k2-h2k1。（2 2）由两晶向）由两晶向u1v1w1u2v2w2u1v1w1u2v2w2求其决定求其决定 的晶面的晶面(hkl)(hkl)。（3 3）H=v1w1-v2w2;k=w1u2-w2u1;H=v1w1-v2w2;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v1 l=u1v2-u2v1。（4 4）晶面间距（简单立方）：）晶面间距（简单立方）：d=a/(h2+k2+l2)1/2 d=a/(h2+k2+l2)1/2第二节第二节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构1.1.典型晶体结构典型晶体结构:面心立方（面心立方（A1A1或或fcc)fcc)、体、体 心立方心立方(A2(A2或或bcc)bcc)、密排六方、密排六方(A3(A3或或hcp)hcp)。2.2.配位数（配位数（CNCN）：晶体结构中任一原子周围）：晶体结构中任一原子周围 最近且等距离的原子数最近且等距离的原子数。致密度（致密度（K K）：晶体结构中原子体积占总体）：晶体结构中原子体积占总体 积的百分数。积的百分数。K=nv/VK=nv/V。间隙半径（间隙半径（rBrB）：间隙中所能容纳的最大）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。圆球半径。晶胞原子数晶胞原子数 4 42 26 6点阵常数点阵常数 a=2/2ra=4/3/3r a=4/3/3r a=2r配位数配位数8 88（86）1212致密度致密度 0.740.740.680.680.740.74堆垛方式堆垛方式ABCABCABABABABABAB结构间隙结构间隙正四面体正正四面体正八面体八面体四面体扁八四面体扁八面体面体 四面体正八四面体正八面体面体（个数）（个数）8 8 4 412 612 612 612 6（rB/rA）0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414三种典型晶体结构的特征三种典型晶体结构的特征 3.3.多晶型性：多晶型性：元素的晶体结构随外界条件的元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。变化而发生转变的性质。4.4.四四 影响原子半径的因素：影响原子半径的因素：温度与应力、结温度与应力、结合键的影响、配位数的影响（高配位结构合键的影响、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）、核外电子分布的径减小减缓体积变化）、核外电子分布的影响（一周期内，随核外电子数增加至填影响（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。满，原子半径减小至一最小值。第三节第三节 离子晶体的结构离子晶体的结构1.1.离子晶体的主要特点：离子晶体的主要特点：（1 1）硬度高强度大，熔点沸点较高，热膨胀）硬度高强度大，熔点沸点较高，热膨胀系数较小，脆性大。系数较小，脆性大。（2 2）良好的绝缘性）良好的绝缘性 （3 3）无色透明）无色透明2.2.离子半径：离子半径：从原子核中心到最外层电子的从原子核中心到最外层电子的平衡距离，反映了核对核外电子的吸引和平衡距离，反映了核对核外电子的吸引和核外电子之间排斥的平均效果，是决定离核外电子之间排斥的平均效果，是决定离子结构晶体结构类型的一个重要几何因素。子结构晶体结构类型的一个重要几何因素。配位数（配位数（CNCN）：）：晶体结构中任一原子周围晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。最近且等距离的原子数。致密度（致密度（K K）：）：晶体结构中原子体积占总体晶体结构中原子体积占总体积的百分数。积的百分数。K=nv/VK=nv/V。间隙半径（间隙半径（rBrB）：）：间隙中所能容纳的最大间隙中所能容纳的最大圆球半径。圆球半径。3.3.离子的堆积：离子的堆积：立方最密堆积、六方最密堆立方最密堆积、六方最密堆积、立方体心密堆积、四面体堆积。正离积、立方体心密堆积、四面体堆积。正离子居于负离子空隙。子居于负离子空隙。4.4.负离子配位多面体：负离子配位多面体：在离子晶体结构中，在离子晶体结构中，与某一个正离子成配位关系而紧邻的各个与某一个正离子成配位关系而紧邻的各个负离子中心线所构成的多面体负离子中心线所构成的多面体。5.5.离子晶体的结构规则：离子晶体的结构规则：