大连理工大学材料科学基础最新考研讲义笔记内部资料Word格式.docx
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举例3 两根锯条，同时加热（8000C），然后一根水冷，一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织不同，见下图）
举例4 若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热→变硬（脆）→断（因塑性变形）。
结论：
材料科学基础是研究材料成分——组织、结构——性能之间关系的科学。
材料科学在国民经济中的地位
材料在经济生活中占有极其重要的地位。
新型材料在现代文明中的地位尤为突出。
目前已涌现出各种各样的新材料，如结构与功能陶瓷、金属基复合材料、金属间的化合物与轻金属、表面改性、薄膜及生物材料，与几十年前相比，我们已进入了一个材料多样化的时代。
新材料的发展和传统材料相比，更依赖于材料理论。
正是由于新材料、新技术对材料理论的需求和推动作用，“材料科学与工程”这一新的学科才应运而生。
从二十世纪70年代以来，国内外的大学纷纷设立了“材料科学与工程系”，其中，《材料科学基础》就是该系的一门核心专业基础课。
《材料科学基础》的主要任务，是从材料内部结构探讨其性质与行为，阐明材料结构与性能之间的内在联系及规律，为认识和改进材料的性能提供必备的基础知识。
课程的特点和学习方法：
这是一门理论性和实践性都很强的课程,与基础课相比,有很大不同：
书中概念多，术语多；
公式、定律少，定性的描述多；
内容多，需要记忆和理解的知识多。
学习时注意理解基本概念，掌握基本知识，并通过例题和习题，举一反三，加深理解。
第一章原子结构与结合键
了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。
决定材料性质最为本质的内在因素是组成材料各元素的原子结构，原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列，运动规律，以及原子集合体的形貌特征。
1.1原子结构
1.1.1物质的组成
一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。
这些微粒可能是分子、原子或离子。
原子结构直接影响原子间的结合方式。
1.1.2原子的结构
近代科学实验证明：
原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。
原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15m数量级。
然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。
因为每个质子和中子的质量大致为1.67X10-24g，而电子的质量约为9.11X10-28g，仅为质子的1/1836。
1.1.3原子的电子结构
1.描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示：
从内到外，依次为K壳层（n=1）,L壳层（n=2）,M壳层（n=3）.
1）.主量子数n
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。
2）.轨道角量子数li
给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）。
3）.磁量子数mi
给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。
4）.自旋角量子数si
反映电子不同的自旋方向。
多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三个原则，即能量最低原理
（电子优先占据最低能级,即基态）、Pauli不相容原理（一个轨道只能容纳2个电子，且自旋方向相反）和Hund规则（同能量电子尽可能分占不同轨道，且自旋平行）。
2.电子构型对元素性能的影响
1）电离能：
第一电离能
气态原子失去一个电子成为一价正离子所需最低能量I1：
A（g）→A++e-I1=E（A+）-E（A）
第二，第三电离能等
Li+电离能最小，He最大，不活泼；
周期性规律明显
2）亲合能：
气态原子获得一个电子成为一价负离子所释放的能量。
A（g）+e-→A-（g）+YY为亲合能（不明显）
3）电负性
本身对成键电子吸引力的相对大小，形成负离子倾向的大小。
差值反映键性：
离子键；
，共价键
1.1.4元素周期表
元素：
具有相同核电荷数的同一类原子。
同位素：
具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子。
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。
1.2原子间的键合
所谓结合键是指原子结合形成分子或固体时，原子间产生的相互作用力，称为结合力，也叫结合键。
结合力从本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用（库伦力）。
要计算结合力，就需要知道外层电子（价电子）围绕各原子核的分布。
根据电子围绕原子核的分布方式，可以将结合键分为5类：
离子键、共价键、金属键、分子键和氢键。
结合键能越大，原子结合越稳定;
离子键，共价键的键能最大;
金属键较低，过度族金属最大;
范氏低，氢键稍高。
电子云
NaCl的离子键
硅的共价键
聚氯乙烯的范德瓦尔斯键
1.2.1金属键
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。
金属键的基本特点是电子的共有化。
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。
1.2.2离子键
大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。
离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。
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。
离子键本质上可归为静电吸引作用。
1.2.3共价键
两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。
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“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
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位。
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，其导电性能差。
1.2.4范德华力
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1～2个数量级。
不同的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德华力不同是一个重要因素。
1.2.5氢键
是一种特殊的分子间作用力。
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（Ｏ，Ｆ，Ｎ等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。
氢键在高分子材料中特别重要。
表各种结合键主要特点的比较
类型
作用力来源
键强
形成晶体的特点
离子键
原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力
最强
无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电
共价键
相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力
强
有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电
金属键
自由电子气与正离子实之间的库仑引力
较强
无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性
分子键
原子间瞬时电偶极矩的感应作用
最弱
无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘
氢键
氢原子核与极性分子间的库仑引力
弱
有方向性和饱和性
第二章晶体结构
2.1晶体学基础
晶体结构的基本特征：
原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列即存在长程有序。
性能上两大特点：
固定的熔点各向异性
2.1.1空间点阵和晶胞
1.空间点阵
由几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列。
为了便于研究晶体中原子在空间分布的几何规律，先不去考虑具体的原子或分子，而把它们抽象为一个几何点，称为结点或阵点。
并不是晶体中的每一个质点都必定与空间点阵
空间点阵的基本特征：
每一个阵点的周围空间均具有等同的环境。
等同环境——当我们对每一个阵点从相同方向观察时，均呈现完全同样的景象，如果把连接任意两个近邻阵
点的矢量起点放到第三个阵点上来，则此矢量的终点必落在第四个阵点上。
2.晶胞
将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成空间格架，即为晶格。
构成晶格的最基本单元称为晶胞（简单晶胞和复杂晶胞）。
代表性的基本单元（最小平行六面体）
选取晶胞的原则：
Ⅰ）选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；
Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；
Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；
Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
晶胞的形状由
决定，晶胞的大小由a,b,c决定
不同晶体的晶胞，其大小和形状可能不同。
图2-1晶体结构
a）晶体b）晶格c）晶胞
2.1.2晶向指数和晶面指数
1．阵点坐标op=xa+yb+zc
2.晶向指数
晶向指数的确定步骤如下：
1）以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O的晶轴为坐标轴x,y,z,以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位。
2）过原点O作一直线OP，使其平行于待定晶向。
3）在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值。
4）将这3个坐标值化为最小整数u，v，w，加以方括号，[uvw]即为待定晶向的晶向指数。
举例:
有些晶向上原子排列情况完全相同，如各校边的晶向：
[100]、[010]、[001]、
、
固它们属于同一晶向族，可表示为<
100>
，它包括了上述6个晶向。
3.晶面指数
晶面指数标定步骤如下：
1）在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶向指数时相同；
2）求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某轴平行，则在此轴上截距为无穷大；
若该晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值；
3）取各截距的倒数；
4）将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为（hkl）。
晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。
另外，在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{hkl}表示，它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。
4.六方晶系指数
可以用两种指数表示：
密氏（Miller）指数：
采用三坐标系（a1,a2,c），其中a1＝a2=a，方法与前面将的相同。
密布氏（Miller-Bravais）指数:
采用四轴坐标系（a1,a2,a3,c）,其中a1,a2,a3在同一平面上，周间夹角为120°
，并与c轴垂直。
根据立体几何，应有a1+a2=a3。
晶面指数（hkil）即首先求晶面与四个轴的截距，取倒数，再化成简单整数，最后用圆括号括起来。
5.晶带定律
所有相交于某一直线或平行于此直线的所有晶面的组合称为晶带；
这条直线称为晶带轴同一晶带中的晶面叫共带面，共带面的法线垂直于晶带轴。
有一[uvw]晶带，该晶带中任一晶面（hkl）满足下列关系：
hu+kv+lw=0
推论:
1）由面求线二个不平行的晶面（h1k1l1）和（h2k2l2）决定的晶带轴[uvw]
2）由线求面两个不平行晶向[u1v1w1]=[u2v2w2]所决定的晶面（hkl）
3）两面求一面已知晶面（h1k1l1）和（h2k2l2）属于同一晶带，可求介于两晶面之间的另一晶面.
6.晶面间距
晶体中相邻两个平行晶面之间的垂直距离称为晶面间距。
图中所示为简单立方点阵不同晶面的面间距（二维平面图）。
由图可见：
低指数晶面的面间距比较大，高指数晶面的面间距比较小；
晶面间距越大，则该晶面上原子排列越紧密，而晶面间距越小的晶面，原子排列越稀疏。
73.晶面夹角
立方系：
六方系：
2.1.3晶体投影
（1）极射赤平投影
极射赤平投影的投影过程为先经过球面投影，再由球面投影转换到称为赤道平面的投影面上。
如图2-16所示，首先取一定点O作为投影中心，以此点为球心，以一定长为半径作一球面，称为投影球。
然后通过球心作一水平平面，称赤道面。
投影面与球相交的水平圆，称基圆或赤道。
垂直投影面过球心的直径NS称投影轴，N为北极点或上目测点，S为南极点或下目测点。
投影过程分为如下两步：
①球面投影
如图2-17所示，将晶体放在投影球中心，晶体中心与球心重合，自中心作每个晶面的法线，延伸与球面相交，交点称相应晶面的极点，如图中a和b两点，这些极点就是晶面在球面的投影点。
②极射赤平投影
以南极S为目测点进行极射赤平投影。
由S向球面上的极点作连线，连线与赤道平面的交点即为极点的极射赤平投影点。
图2-18表示了由图2-17的球面投影到极射赤平投影的转换。
图2-19给出了它们的极射赤平投影图。
如果晶面的极点位于下半球，若以S为目测点，则晶面的极射赤平投影点将在基圆之外，在这种情况下，应以N为目测点。
为了区分上下半球的极点，上半球极点的投影用“○”表示，下半球极点的投影用“×
”表示。
从图2-17和图2-19可以看出，晶体上水平晶面的投影点位于基圆的中心（晶面E、F）；
直立晶面的投影点位于基圆上（晶面C、D、G、H）；
倾斜晶面的投影点位于基圆内（晶面A、B），倾斜度越近水平，其投影点距基圆中心越近。
极射赤平投影在晶体学中已广泛应用于晶体的对称、晶体定向、晶面符号和晶带符号等。
图2-20是等轴晶系的六八面体晶体，其对称要素的极射赤平投影见图中所示。
（2）对称要素的极射赤平投影
①对称面的投影：
将对称面扩展与投影球相交，所得球面上的大圆有如下几种（图2-21（a））：
水平对称面的投影与基圆重合（图2-21（b）中a）；
直立对称面的投影为通过基圆中心的直线（图2-21（b）中b）；
倾斜面的投影是以基圆直径为弦的大圆弧（图2-21（b）中c，只表示上半球投影）。
②对称轴的投影：
将轴线延长与投影球相交，所得两点称为该轴在球面上的出露点，其投影分为：
水平的对称轴投影在基圆的圆周上（图2-22a）；
直立的对称轴投影在基圆的中心（图2-22b）；
倾斜的对称轴投影在基圆的圆周内（图2-22c）。
对称轴L2、L3、L4、L6在投影图上分别以
表示。
③对称中心的投影：
是在投影图中心以一个小○表示（图2-23）。
2.1.4倒易点阵
倒易点阵:
晶体点阵结构与其电子衍射斑点之间可以通过另外一个假想的点阵很好地联系起来，这就是倒易点阵
零层倒易截面：
电子束沿晶带轴的反向入射时，通过原点的倒易平面只有一个，我们把这个二维平面叫做零层倒易界面。
晶体的X射线衍射结果得到的是一系列规则排列的斑点。
这些斑点虽然与晶体点阵结构有一定对应关系，但是不是晶体某晶面上原子排列的直观影像。
人们在长期实验中发现，晶体结构与其衍射斑点之间可以通过另外一个假象的点阵很好地联系起来，这就是倒易点阵。
通过倒易点阵可以把晶体的衍射斑点直接解释成晶体相应晶面的衍射结果。
也可以说，衍射斑点就是与晶体相对应的倒易点阵中某一截面上阵点排列的像。
倒易点阵是与正点阵相对应的量纲为长度倒数的一个三维空间（倒易空间）点阵，它的真面目只有从它的性质及其正点阵的关系中才能真正了解
1.倒易点阵中基本矢量的定义
设正点阵的原点为O，基矢为a，b，c，倒易点阵的原点为O*，基矢为a*，b*，c*则有a*=b×
c/V,b*=c×
a/V,c*=a×
b/V
式中，V为正点阵中单胞的体积：
V=a·
（b×
c）=b·
（c×
a）=c·
（a×
b）
表明某一倒易基矢垂直于正点阵中和自己异名的二基矢所组成的平面。
2.倒易点阵的性质
1）根据上面的式子可以得到：
a*·
b=a*·
c=b*·
a=b*·
c=c*·
a=c*·
b=0
b=c*·
c=1
即正倒点阵异名基矢点乘为0，同名基矢点乘为1。
2）在倒易点阵中，有原点O*指向任意坐标为hkl的阵点的矢量r*（倒易矢量）为：
r*=ha*+kb*+lc*
2.2纯金属的晶体结构
2.2.1三种典型的晶体结构
1.面心立方晶体结构的晶体学特征（fcc-Face-centreedcube）
（a）
刚球模型（b）
质点模型（c）晶胞原子数
面心立方晶胞结构特点a=b=c,α=β=γ=90°
原子排列规律：
晶胞原子数 8×
1/8+6×
1/2=4（个）
原子半径（r）与点阵常数的关系
n=0.74；
N=12
面心立方结构中的配位数
2.体心立方晶体结构的晶体学特征（bcc-Body-centreedcube）
刚球模型
（b）
质点模型
（c）
晶胞原子数
体心立方晶胞结构特点a=b=c,α=β=γ=90°
晶胞原子数2个原子半径（r）与晶格常数的关系
晶体中原子排列的紧密程度
致密度
配位数（n）是指晶体结构中任一原子的最近邻、且等距离的原子数目。
计该晶体的配位数。
N=8.
（三）、密排六方晶体结构的晶体学特征（hcp-hexagonal-closepacked）
（c）晶胞原子数
密排六方晶胞结构特点c/a≈1.633
原子排列规律晶胞原子数12×
1/6+2×
1/2+3=6（个）
原子半径（r）与点阵常数的关系
n=0.74；
N=12
2.2.2晶体的原子堆垛方式和间隙
（1）晶体中原子的堆垛方式
二维密排原子面
及其堆积方式
密排六方结构密排
面的堆砌顺序
面心立方结构密排
面的原子堆砌模型
二维密排原子面及其堆积方式:
可能的四种堆跺方式
ABAB……
实质上是相同的（
hcp
）
ACAC……
ABCABC……
fcc
）
ACBACB……
（2）间隙
对于体心立方结构
（a）八面体间隙
（b）四面体间隙
间隙密度：
八面体间隙6×
1/2+12×
1/4=6（个）
四面体间隙2×
6=12（个）
间隙半径：
八面体间隙0.15RA
四面体间隙0.29RA
对于面心立方体结构
八面体间隙
四面体间隙
八面体间隙：
1+12×
1/4=4（个）
四面体间隙：
2×
4=8
间隙大小：
八面体间隙半径为0.414RA
四面体间隙半径为本
0.225RA
密排立方结构中的间隙与面心立方结构类似。
2.2.3多晶型性
在周期表中，大约有四十多种元素具有两种或两种以上的晶体结构。
当外界条件改变时，元素的晶体结构可以发生转变，把金属的这种性质称为多晶型性。
这种转变称为多晶型转变或同素异构转变。
2.3合金相的晶体结构
2.3.1固溶体
固溶体就是在固态下两种或两种以上的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。
例如，铜镍合金就是以铜（溶剂）和镍（溶质）形成的固溶体，固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构。
这种溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体叫做固溶体。
根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两种。
如图所示。
置换固溶体
间隙固溶体
固溶体晶格的畸变使合金强度和硬度升高，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。
固溶强化是提高合金机械性能的重要途径之一。
1.置换固溶体
当溶质原子溶人溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。
金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度视不同元素而异，有些能无限溶解，有的只能有限溶解。
影响溶解度的因素很多，主要取决于四个因素：
a.晶体结构，b.原子尺寸，c.化学亲和力（电负性），d.原子价
影响固溶度大小的主要因素：
1）晶体结构
溶质与溶剂晶体结构相同是置换固溶体形成无限固溶体的必要条件。
例如具有fcc结构的Mn、Co、Ni、Cu，在γ－Fe中固溶度较大，而在α－Fe中固溶度较小。
2）原子尺寸因素
Hume-Rothery提出有利于大量固熔的原子尺寸条件为两组元的原子半径差不超过15%，即
Fe的原子直径D＝2.5
，按±
15%计算，与质量形成置换固熔体的原子直径为2.1～2.9
举例：
元素
Fe
Ni
Cr
Ti
原子直径（
2.5
2.48
2.54
2.92
最大固熔度
无限
9%
3）化学亲和力（电负性）因素
两者相差不是很大时，随电负性差值增加，固溶度增大；
当相差很大时，易形成化合物。
4）电子浓度（原子价）因素
在合金中，两个组元的价电子总数（e）和两组元的原子总数（a）之比称为电子浓度，即
如果以
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