材料科学基础笔记

第一章 材料中的原子排列 第一节 原子的结合方式

1 原子结构 2 原子结合键

（1）离子键与离子晶体

原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；

离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。 （2）共价键与原子晶体

原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性； 原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。如高分子材料。 （3）金属键与金属晶体

原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性； 金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。

金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。

（3）分子键与分子晶体

原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。 分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。 氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O （4）混合键。如复合材料。 3 结合键分类

（1） 一次键 （化学键）：金属键、共价键、离子键。 （2） 二次键 （物理键）：分子键和氢键。 4 原子的排列方式

（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。

第二节 原子的规则排列

一 晶体学基础

1 空间点阵与晶体结构

（1） 空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。图1-5 特征：a 原子的理想排列；b 有14种。 其中：

空间点阵中的点－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。 描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。 空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。

（2） 晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。 特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。

2 晶胞 图1－6

（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。 （2）选取原则：

a 能够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 具有尽可能多的直角； d 体积最小。 （3） 形状和大小

有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。 （4） 晶胞中点的位置表示（坐标法）。

3 布拉菲点阵 图1－7 14种点阵分属7个晶系。

4 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） 晶向指数的标定

a 建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。 b 求坐标。u’,v’,w’。 c 化整数。 u,v,w. d 加[ ]。[uvw]。 说明：

a 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。 b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。

c 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） 晶面指数的标定

a 建立坐标系：确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。 b 量截距：x,y,z。 c 取倒数：h’,k’,l’。 d 化整数：h,k,k。 e 加圆括号：(hkl)。

说明：

a 指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行；

c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；

d 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。

e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; f 若晶面与晶向垂直，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 晶面指数的标定

标法与立方系相同(四个截距)；用四个数字(hkil)表示；i=-(h+k)。 c 晶向指数的标定

标法与立方系相同(四个坐标)；用四个数字(uvtw)表示；t=-(u+w)。 依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。 坐标换算法：[UVW]~[uvtw]

u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。

（4）晶带

a ――：平行于某一晶向直线所有晶面的组合。

晶带轴 晶带面 b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面1l2l1l2l4/3/3 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） 8 4 12 6 12 6 （rB/rA） 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。

2 离子晶体的结构

（1）鲍林第一规则（负离子配位多面体规则）：在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于正负离子半径之和，正离子的配位数取决于正负离子的半径比。

（2）鲍林第二规则（电价规则含义）：一个负离子必定同时被一定数量的负离子配位多面体所共有。

（3）鲍林第三规则（棱与面规则）：在配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。 3 共价键晶体的结构

（1） 饱和性：一个原子的共价键数为8-N。

（2） 方向性：各键之间有确定的方位 （配位数小，结构稳定）

三 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。

四 影响原子半径的因素

（1） 温度与应力 （2） 结合键的影响

（3） 配位数的影响 （高配位结构向低配位结构转变时，体积膨胀，原子半径减小减

缓体积变化。

（4） 核外电子分布的影响（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。

第三节 原子的不规则排列

原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。

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

1 点缺陷的类型 图1－31

（1） 空位：

肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。 弗兰克尔空位－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

（1）点缺陷是热力学平衡的缺陷－在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低－具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又使自由能降低。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。 （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。） 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。 意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）

位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。

1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。

1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。 1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。

1 位错的基本类型

（1） 刃型位错

△ 模型：滑移面/半原子面/位错线 （位错线┻晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向2GT≥△Tk是结晶的必要条件。

（4）形核功与能量起伏

△Gk＝Skσ/3

临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。

能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。

（5）形核率与过冷度的关系

N= (图3－11，12)

由于N受两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。

2 非均匀形核

（1） 模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。 （2） 自由能变化：表达式与均匀形核相同。 （3） 临界形核功

计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系σlw=σsw+σslcosθ计算能量变化和临界形核功。

△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4

a θ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核； b 180>θ>0时, △Gk非<△Gk, 杂质促进形核； cθ=180时，△Gk非＝△Gk， 杂质不起作用。 （4） 影响非均匀形核的因素

a 过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。（图3－16）

b 外来物质表面结构：θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，点阵常数相近。

c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图3－17）

第四节 晶核的长大

1 晶核长大的条件

（1） 动态过冷

动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件） （2） 足够的温度

（3） 合适的晶核表面结构。 2 液固界面微结构与晶体长大机制

粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金从来可的界面）：垂直长大。 光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：二维晶核长大、依靠缺陷长大。

3 液体中温度梯度与晶体的长大形态

（1） 正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）

粗糙界面：平面状。 光滑界面：台阶状。

（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低） 粗糙界面：树枝状。

光滑界面：树枝状－台阶状。

第五节 凝固理论的应用