完整版厦大材料科学基础知识点总结docWord下载.docx
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空间点阵是晶体中质点的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各
点阵的周围环境相同，只有14种。
晶体是指晶体中实际质点（原子、离子和分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排
列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。
晶带
所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个“晶带”。
此直线称为晶带轴，所
有的这些晶面都称为共带面。
晶带轴[uvw]与该晶带的晶面（hkl）之间存在以下关系hu＋kv＋lw＝0————晶带定律
凡满足此关系的晶面都属于以[uvw]为晶带轴的晶带
配位数：
晶体界结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数
致密度：
晶体结构中原子体积占总体积的百分比
三种晶体结构中的原子的密排面和密排方向fcc：
{111}<
110>
ABCABCABC
·
bcc：
{110}<
111>
hcp:
{0001}<
1120>
ABABABAB
多晶型性
有些固态金属在不同的温度和压力下具有不同的晶体结构即具有多晶型性，转变的产物称为同素异构体。
由于不同晶体结构的致密度不同，当金属由一种晶体结构变为另一种晶体结构时，将伴随有质量体积的跃变即体积的突变
合金相结构
合金:
是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。
组元:
组成合金的基本的独立的物质。
组元可以是金属和非金属元素，也可以是化合物。
相：
合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。
固溶体：
以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶剂原子）所形成的均匀
混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。
影响合金相性质的主要因素：
（1）电化学因素；
（2）原子尺寸因素；
（3）电子浓度因素
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
影响溶解度的主要因素
晶体结构：
晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。
原子尺寸因素：
原子半径差小于15%，易形成溶解度较大的固溶体。
化学亲和力（电负性）：
原子间的化学亲和力愈强，易形成化合物，不易形成固溶体。
原子价因素：
溶质原子价的影响实质是“电子浓度”所决定的。
电子浓度=合金中价电子
数目与原子数目的比值。
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称为间隙固溶体
中间相：
中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体（第二类固溶体或称二次固
溶体）。
中间相通常可用化合物的化学分子式表示。
大多数中间相中原子间的结合方式属于金属键与其他典型键（如离子键、共价键和分子键）相混合的一种结合方式。
因此，它们都具有金属性。
分类：
1.正常价化合物
2.电子化合物
3.原子尺寸因素有关的化合物
1.正常价化合物
在元素周期表中，一些金属与电负性较强得Ⅳ
子价规律所形成的化合物
基本类型：
A2B（或AB2）、A3B2
正常价化合物与组元间电负性的关系：
A、ⅤA、ⅥA
族得一些元素按照化学上得原
电负性差越小，化合物越不稳定，越趋于金属键结合
电负性差越大，化合物越稳定，越趋于离子键结合
特点：
电子浓度是决定晶体结构的主要因素。
相同的电子浓度具有相同的晶体结构类型。
电子浓度为21/12的电子化合物称为ε相，具有密排六方结构电子浓度为21/13的电子化合物称为γ相，具有复杂立方结构电子浓度为21/14的电子化合物称为β相，具有体心立方结构固溶体的性质
和纯金属相比，由于溶质原子的溶入导致固溶体的点阵常数
改变，产生固溶强化及力学性能、物理和化学性能产生了不同
程度的变化
1）.具有超导性质的金属间化合物，如
Nb3Ge，Nb3Al
，Nh3Sn，V3Si，NbN
等；
2）.具有特殊电学性质的金属间化合物，如
InTe-PbSe，GaAs-ZnSe
等在半导
体材料用；
3）.具有强磁性的金属间化合物，如稀土元素（
Ce，La，Sm，Pr，Y
等）和
Co的化合物，具有特别优异的永磁性能；
4）.具有奇特吸释氢本领的金属间化合物（常称为贮氢材料），如LaNi5，
FeTi，R2Mg17和R2Ni2Mg15。
（R等仅代表稀土La，Ce，Pr，Nd或混合稀
土）是一种很有前途的储能和换能材料；
5）.具有耐热特性的金属间化合物，如
Ni3Al
，NiAl
，TiAl
，Ti3Al
，FeAl，Fe3Al，MoSi2，
NbBe12。
ZrBe12等不仅具有很好的高温强度，并且，在高温下具有比较好的塑性；
6）.耐蚀的金属间化合物，如某些金属的碳化物，硼化物、氨化物和氧化物等在侵蚀介质中
仍很耐蚀，若通过表面涂覆方法，可大大提高被涂覆件的耐蚀性能；
7）.具有形状记忆效应、超弹性和消震性的金属间化合物，如
Cu3Al等已在工业上得到应用
TiNi，CuZn，CuSi，MnCu，
离子晶体的结构规则
1.负离子配位多面体规则，
离子晶体中，正离子的配位数通常为
4和
6，但也有少数为
3，8，
12
2.电价规则，在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子的电价Z-等于或接近等于与之相邻接的各正离子静电强度S的总和。
这就是鲍林第二规则，也称电价规则
3.负离子多面体共用顶、棱和面的规则，鲍林第三规则指出：
“在一配位结构中，共用棱特
别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性
4.不同种类正离子配位多面体间连接规则，鲍林第四规则认为：
"
在含有一种以上正负离子
的离子晶体中，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽量互不结合的趋
势。
“
5.节约规则鲍林第五规则指出：
在同一晶体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最
大限度地趋于一致。
因为在一个均匀的结构中，不同形状的配位多面体很难有效堆积在一起。
离子晶体按其化学组成分为二元化合物和多元化合物
硅酸盐的晶体结构
硅酸盐晶体是构成地壳的主要矿物，它们也是制造水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料的主要原料。
硅酸盐的成分复杂，结构形式多种多样。
但硅酸盐的结构主要由三部分组成，一部分是由硅
和氧按不同比例组成的各种负离子团，称为硅氧骨干，这是硅酸盐的基本结构单元，另外两部分为硅氧骨于以外的正离子和负离子
1、孤岛状硅酸盐
2、组群状硅酸盐晶体结构
3、链状硅酸盐
4、层状结构硅酸盐
5、架状硅酸盐
共价晶体结构
元素周期表中Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ族元素、许多无机非金属材料和聚合物都是共价键结合。
共价晶体
的共同特点是配位数服从8－N法则小为原子的价电子数，这就是说结构中每个原子都有8
－N个最近邻的原子
第三章晶体缺陷
缺陷形成的原因:
在实际晶体中，由于原子（或离子、分子）的热运动，以及晶体的形成条
件、冷热加工过程和其他辐射、杂质等因素的影响，实际晶体中原子的排列不可能那样规则、完整，常存在各种偏离理想结构的情况，即晶体缺陷。
晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响。
点缺陷的平衡浓度：
（1）造成点阵畸变，内能升高，热力学不稳定。
（2）熵值增大，增加热力学稳定性。
点缺陷的运动：
复合：
在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子的数目是一定的，而且晶体中
的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断的运动过程中。
在运动过程中，当间隙原子与一
个空位相遇时，它将落人该空位，而使两者都消失
晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断地产生与复合才不停地由一处向另一处作无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散，是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础
位错
刃型位错的特征
1刃型位错有一个额外的半原子面。
2刃型位错可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。
它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。
3滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。
由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。
4晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。
就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力；
负刃型位错与此相反。
5在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。
但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。
螺型位错
螺型位错的特征
1螺型位错无额外半原子面，原子错排是对称的。
2根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错可以分为右旋和左旋螺型位错。
3螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。
4纯螺型位错的滑移面不是唯一的。
凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。
但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行的。
5螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是，只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。
6螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，包含几个原子宽度的线缺陷。
柏氏矢量的特性：
1柏氏矢量的方向表示位错的性质和位错的取向
即位错运动导致晶体滑移的方向
;
矢量的模
表示了畸变的程度,即位错的强度
2位错与回路的起点及其途径无关
只要不和其他位错线相遇
不论回路怎么扩大、缩小、或
任意移动，由此回路确定的柏氏矢量是唯一的，即柏氏矢量的守恒性
3位错有唯一的柏氏矢量
4位错可以分解，但必须符合变化前后柏氏矢量不变，强度不能大于分解前的强度
5位错可以结成环，终止于其他位错，界面，但不能终止于晶体内部位错的运动
滑移:
位错在滑移时是通过位错线或位错附近的原子逐个移动很小的距离完成的滑移的位错类型：
刃型位错、螺型位错、混合位错位错的滑移特点
（1）刃位错滑移方向与外力τ及柏氏矢量b平行，但与位错线垂直。
滑移限于单一的滑移面。
（2）螺位错滑移方向与外力τ、位错线及柏氏矢量b垂直。
对于螺型位错，由于位错线与
柏氏矢量平行，它的滑移不限于单一的滑移面。
（3）混合位错滑移方向与外力τ及柏氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。
（4）位错线运动方向的右手法则：
以拇指表示移动的那部分晶体，食指表示位错线方向，则中指就表示位错线移动方向。
攀移
位错的攀移指在热缺陷或外力作用下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。
刃位错除了滑移外，还可进行攀移运动。
攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。
螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。
运动位错的交割
当一位错在某一滑移面上运动时，会与滑移面的其他位错交割。
位错交割时会发生相互作用，这对材料的强化、点缺陷的产生有重要意义
位错的滑移运动过程中，很难同时实现全长的运动，因此位错运动时，在受到阻碍的情况下，可能通过其中一部分线段先滑移
刃型位错的攀移是通过空位或原子的扩散来实现的，而原子或空位并不是在一瞬间就能一起扩散到整条位错线上，而是逐步迁移到位错线上，这样位错已攀移段与未攀移段之间就会产生一个台阶，于是在位错线上形成了割阶。
有时位错的攀移可以理解成割阶沿位错线逐步推移，而使位错线上升或下降，因而攀移过程与割阶的形成能核移动速度有关
位错交割后的特性：
位错交割后，每根位错线上都可能产生一扭折或割阶，其大小和方向取
决于另一个位错的柏氏矢量，但是具有原位错的柏氏矢量
所有的割阶都是刃型位错，而扭折可以是刃型，也可以是螺型
扭折与原位错线位于同一滑移面上，可随主位错一起运动，几乎不产生阻力，而且扭折在线
张力作用下易于消失
割阶与原位错不在同一滑移面上，除非发生攀移，否则就不能和主位错线一道运动，成为位错运动的障碍，通常成为割阶硬化
位错的弹性性质
位错的应力场：
位错在晶体中的存在使其周围原子偏离平衡位置而导致点阵畸变和弹性应力场的产生
位错的能量分为两部分：
位错中心的畸变能+位错应力场引起的弹性应变能
位错中心畸变能占总应变能的1/10左右，可以忽略
位错的应变能：
位错使其周围点阵畸变，点阵能量增加，点阵所增加的能量即为位错的应变
能。
位错的线张力：
位错总应变能与位错线的长度成正比。
为了降低能量，位错线有力求缩短的
倾向，故在位错线上存在一种使其变直的线张力T。
实际晶体中位错的柏氏矢量
柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为单位位错
柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错称为“全位错”，故全位错滑移后晶体原子排列不
变；
把柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为"
不全位错“柏氏矢量小于点阵矢量的位错称为"
部分位错"
b越小越稳定，即单位位错应该是最稳定的位错。
堆垛层错：
实际晶体中，密排面顺序遭到破坏和错排
形成层错时几乎不产生点阵畸变，但它破坏了晶体的完整性和正常周期性，
的衍射效应，故使晶体的能量有所增加，这部分增加的能量称“堆垛层错能”
从能量角度看，晶体中出现层错的几率与层错能有关
层错能高，出现的几率就小
使电子发生反常
不全位错：
若堆垛层错不是发生在晶体的整个原子面上而只是部分区域存在，与完整晶体的交界处就存在柏氏矢量b不等于点阵矢量的不全位错a．肖克莱不全位错
那么，在层错
位错的柏氏矢量为a/6[1-21]=b它与位错线相互垂直，故系刃型不全位错肖克莱不全位错可以是刃型、螺型和混合型位错。
b.弗兰克（Frank）不全位错
抽去型称负弗兰克不全位错
插入型称正弗兰克不全位错
它们都属于a/3<
且都垂直于层错面{111}
弗兰克位错属于纯刃型位错，不能在滑移面上滑移，但可以通过点缺陷的运动沿层错面攀移
弗兰克不全位错又称为不滑动位错或固定位错，而肖克莱不全位错属于可动位错不全位错也由柏氏矢量表示，但不全位错的回路的起始点必须从层错上出发密排六方和面心立方都可以形成这肖克莱或弗兰克不全位错
对于体心立方在{112}面出现堆垛层错时，在层错边界也会出现不全位错
界面包括外表面（自由表面）和内界面
表面是指固体材料与气体或液体的分界面，它与摩擦、磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸
附现象，以及光学、微电子学等均密切相关；
内界面可分为晶粒边界和晶内的亚晶界、孪晶界、层错及相界面等。
在晶体表面上，原子排列情况与晶内不同,表面原子会偏离其正常的平衡位置，并影响到邻
近的几层原子，造成表层的点阵畸变，使它们的能量比内部原子高，这几层高能量的原子层称为表面
多数晶体物质是由许多晶粒所组成，属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界，
它是一种内界面；
而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。
小角度晶界的结构
晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差θ小于
10度时，称为小角度晶界
分为倾斜晶界、扭转晶界和重合晶界
多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界。
纯金属中大角度晶界的宽度不超过3个原子间距。
晶界能定义为形成单位面积界面时，系统的自由能变化（
dF/dA），它等于界面区单位面积
的能量减去无界面时该区单位面积的能量。
晶界的特性
晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。
晶界处原子排列不规则，因此，晶界的存在会对位错的运动有阻碍作用，变形抗力、强度和硬度提高。
晶界处的原子的扩散比晶内快的多。
晶界的能量较高且原子活动能力大，新相在晶界处优先形成。
晶界熔点较低
晶界处腐蚀较快
孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）
沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，
这两
个晶体就称为"
孪晶"
错配度
式中aα和aβ分别表示相界面两侧的α相和β相的点阵常数，且aα＞aβ
玻璃的析晶（失透）问题分析
玻璃失透的含义：
玻璃是均质体，若出现析晶将破坏玻璃的均一性，是玻璃的一种严重缺陷。
玻璃中失透的影响：
玻璃的透光性，玻璃的机械强度和玻璃的热稳定性等。
实验结果表明：
熔体析晶能力由大到小排列：
初晶区熔体>
界线上熔体>
共熔点处熔体原因：
不同晶体结构之间的相互干扰。
如何抑制玻璃析晶？
选择适当的配料点。
原料应混合均匀。
析晶的温度范围内短停留。
同时用多种氧化物来代替纯组元
第四章固体中原子及分子的运动
扩散（diffusion）:
在一个相内因分子或原子的热激活运动导致成分混合或均匀化的分子动力学过程
菲克定律描述了固体中存在浓度梯度时发生的扩散，称为化学扩散当扩散不依赖于浓度梯度，仅由热振动而引起时，则称为自扩散
置换型固溶体中的扩散
原因：
两种原子扩散速率的差异
从热力学分析可知，扩散的驱动力并不是浓度梯度，而应是化学势梯度，由此不仅能解释通常的扩散现象，也能解释“上坡扩散”等反常现象。
决定组元扩散的基本因素是化学势梯度，
不管是上坡扩散还是下坡扩散，其结果总是导致扩散组元化学势梯度的减小，直至化学势梯度为零
引起上坡扩散还可能有以下一些情况：
1）.弹性应力的作用。
晶体中存在弹性应力梯度时，
它促使较大半径的原子跑向点阵伸长部分，较小半径原子跑向受压部分，造成固溶体中溶质原子的不均匀分布。
2）.晶界的内吸附。
晶界能量比晶内高，原子规则排列较晶内差，如果
溶质原子位于晶界上可降低体系总能量，它们会优先向晶界扩散，富集于晶界上，此时溶质
在晶界上的浓度就高于在晶内的浓度。
3）.大的电场或温度场也促使晶体中原子按一定方向扩散，造成扩散原子的不均匀性。
“短路“扩散：
由于晶界、表面及位错等都可视为晶体中的缺陷，缺陷产生的畸变使原子迁移比完整晶体内容易，导致这些缺陷中的扩散速率大于完整晶体内的扩散速率。
影响扩散的因素
1．温度
温度是影响扩散速率的最主要因素。
温度越高，原子热激活能量越大，越易发生迁移，扩散系数越大
2．固溶体类型
不同类型的固溶体，原子的扩散机制是不同的。
间隙固溶体的扩散激活能一般均较小。
例如，C，N等溶质原子在铁中的间隙扩散激活能比Cr，Al等溶质原子在铁中的置换扩散
激活能要小得多，因此，钢件表面热处理在获得同样渗层浓度时，渗C，N比渗Cr或
等金属的周期短。
Al
3．晶体结构
同素异构转变
:
例如铁在
912℃时发生γ
-Fe?
α-Fe转变，α-Fe的自扩散系数大约是γ
-Fe的
240倍
合金元素在不同结构的固溶体中：
例如900℃时，在置换固溶体中，镍在α-Fe比在γ-Fe
中的扩散系数高1400倍
晶体致密度：
所有元素在α-Fe中的扩散系数都比在γ-Fe中大
结构不同固溶体中扩散元素溶解度不同而造成的浓度梯度：
例如渗碳时，碳在γ-Fe中的溶
解度远远大于在α-Fe中的溶解度，使碳在奥氏体中形成较大的浓度梯度而有利于加速碳的
扩散
各向异性：
晶体的对称性越低，扩散各向异性越显著。
对高对称的立方晶体中没有发现D
有各向异性，而对称性低的菱方结构的铋，沿不同晶向的D值差距很大，最高近1000倍
4．晶体缺陷
多晶材料扩散：
晶内扩散
<
晶界扩散
表面扩散
5．化学成分
不同金属的自扩散激活能与其点阵的原子间结合力有关，因而与表征原子间结合力的宏观参量相关，熔点高的金属的自扩散激活能必然大。
扩散系数大小除了与上述的组元特性有关外，还与溶质的浓度有关，无论是置换固溶体还是间隙固溶体均是如此。
6．应力的作用
如果合金内部存在着应力梯度，那么，即使溶质分布是均匀的，但也可能出现化学扩散现象反应扩散当某种元素通过扩散，自金属表面向内部渗透时，若该扩散元素的含量超过基体金属的溶解度，则随着扩散的进行会在金属表层形成中间相（也可能是另一种固溶体），这种通过扩散形成新相的现象称为反应扩散或相变扩散。
离子导体：
当高温时离子比紧束缚的电子更容易活动，电导是由离子的定向扩散而实现的。
第五章形变和再结晶
弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形，可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质
弹性变形的主要特征是：
（1）理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状
（2）金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或卸载时，只要在弹性变形范围内，其应力
与应变之间都保持单值线性函数关系，即服从虎克（Hooke）定律：
在正应力下，σ=Eε，在切应力下，τ=Gγ，
式中，σ，分别
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