材料科学基础

《材料科学基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础（113页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、The Fundamentals(Elements,Principles)of Materials Science An Introduction to Materials Science主讲 蔡 珣珣 戎咏华戎咏华 沈耀沈耀实验 孟二扣 李晓玲 http:/202.120.6.136/fms前言l材料(Materials)是国民经济的物质基础。l广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)l材料无处不在，无处不有工工农农业业生生产产国国防防科科学学技技术术人人民民生生活活材料材料能源 现代技术的三大支柱能源 现代技术的三大支柱信息信息材料品种材料品种数量国家现代化程度标志

2、之一数量国家现代化程度标志之一质量质量我国材料的历史进程l漫长而又曲折的历程：漫长而又曲折的历程：简单复杂简单复杂单一性能综合性能单一性能综合性能结构材料功能材料结构材料功能材料单一材料复合材料单一材料复合材料（Stone Age）（Stone Age）石器时代：石器时代：石斧、凿、刀、铲、箭头、石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗址）纺轮、钵等（西安半坡遗址）石斧 （Bronze Age)（Bronze Age)巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安阳晚商遗址）（河南安阳晚商遗址）青铜器时代:青铜器时代:湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄ron

3、Age（I）铁时 器代器代l明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态停滞状态l解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。一整套材料体系一整套材料体系 门类全齐门类全齐 数量数量 质量质量 钢铁突破两亿七千万吨钢铁突破两亿七千万吨 世界第一世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭原子弹、氢弹、人造卫星、火箭长征三号运载火箭在发射架上的图片长征三号运载火箭在发射架上的图片宝钢高炉宝钢高炉材料分类氯2334223342金金属属材材料料（Metallic Mater

4、ials):Metallic Materials):钢钢铁铁、铝铝、铜铜、钛钛合合金金陶陶瓷瓷材材料料（CeramicsCeramics）：Al OAl O、SiCSiC、Si NSi N、SiOSiO、TiNTiN 或或无无机机非非金金属属材材料料（Inorganic Materials)Inorganic Materials)高高分分子子材材料料（High Polymers)High Polymers)：纤纤维维、蛋蛋白白质质、聚聚乙乙烯烯、聚聚乙乙烯烯Matel-MatrixMatel-Matrix复复合合材材料料（Composites)Composites)：CompositesCom

5、positesPolymer-MatrixPolymer-Matrix金属材料金属学金属材料金属学陶瓷材料陶瓷学材料科学基础 突出材料共性教学陶瓷材料陶瓷学材料科学基础 突出材料共性教学高分子材料高分子物理高分子材料高分子物理材料科学基础是研究材料的成分、组织结构与性能之间关系材料科学基础是研究材料的成分、组织结构与性能之间关系、学：原原子子结结构构和和键键合合、固固体体结结构构、晶晶体体缺缺陷陷、材材料料的的变变形形与与再再结结晶晶：扩扩散散、合合金金凝凝固固、相相图图材材料料物物理理、化化性性能能显微镜结构原理显微镜结构原理样品制备样品制备材料科学基础（）实验 显微摄影和暗室技术材料科学基

6、础（）实验 显微摄影和暗室技术位错位错塑性变形与再结晶塑性变形与再结晶材料的微观结构材料的微观结构（Microstructure of Materials）决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构，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 物质(Substance)是由原子（atom）组成在材料科学中，最为关心原子的电子结构原子的电子结构原子间键合本质决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力学一、物质的组成（Substance Construction）物质由无数微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：

7、单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒l18791879年年 J.J Thomson J.J Thomson 发现电子（发现电子（electron),electron),揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密l19111911年年 E.RutherfordE.Rutherford提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型l19131913年年 N.BohrN.Bohr将将 lBohr atomic modelBohr atomic model M.PlankM.Plank和A.Einstein量子论和A.Ei

8、nstein量子论原子结构的量子理论原子结构的量子理论Rutherford Rutherford 原子有核模型原子有核模型-2-2H H-1-1AlAl原子（atom)原子（atom)r=3.7 10 nmr=3.7 10 nmr=1.43 10 nmr=1.43 10 nm-2 27 7-2 27 7-3 31 1（p pr ro ot to on n）（n ne eu ut tr ro on n）质质子子：正正电电荷荷m m1 1.6 67 72 26 61 10 0k kg g原原子子核核（n nu uc cl le eu us s)：位位于于原原子子中中心心、带带正正电电中中子子：电电

9、中中性性m m1 1.6 67 74 48 81 10 0k kg g电电子子（e el le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋转转，带带负负电电，按按能能量量高高低低排排列列，如如电电子子云云（e el le ec ct tr ro on n c cl lo ou ud d）m m9 9.1 10 09 95 5 1 10 0k kg g，约约为为质质子子的的1 1/1 18 83 36 6iinKLMNl(the orbital quantum number)主量子数（the principal quantum number)：决定原子中电子能量和核间距离(the

10、energy of the electron)，即量子壳层，取正整数1、2、3、4、5，用、表示轨道动量量子数：给出电子在同一量子壳层内所处的能级,与电子运动的角动量有in1,spdfm the inner quantum number)(spatial orientation of an electron cloud)1),1,0,ii关(shape of the electron subshell)，取值为0，1，2，用，表示磁量子数(：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-l，-(li1,s the spin quantum number)il自旋角动量量子数(：表示电子自旋（s

11、pin moment）的方向，11 取值为 或-22l描述原子中一个电子的空间和能量，可描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数用四个量子数（quantum numbersquantum numbers）表示表示l核外电子的排布（electron configuration)规律不可能有运动状态完全相同的电子，同一亚层中电子尽量分占不同能级，2 2能能量量最最低低原原理理（M Mi in ni im mu um m E En ne er rg gy y p pr ri in nc ci ip pl le e)电电子子总总是是占占据据能能量量最最低低的的壳壳层层 1 1s s-2 2s s

12、-2 2p p-3 3s s-3 3p p-4 4s s-3 3d d-4 4p p-5 5s s-4 4d d-5 5p p-P Pa au ul li i不不相相容容原原理理（P Pa au ul li i E Ex xc cl lu us si io on n p pr ri in nc ci ip pl le e):2 2n nH Hu un nd d原原则则（H Hu un nd d R Ru ul le e)自自全全充充满满半半充充满满 全全空空旋旋方方向向相相同同 三、l元素（元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共总称，共116种

13、，核电荷数是划分元素的依据种，核电荷数是划分元素的依据l同位素（同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子子数的同一元素的原子 l l元素有两种存在状态：游离态和化合态（元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State&Combined Form)121314121314666666C C，C，C，C，Cl7个横行（个横行（Horizontal rows)周期（周期（period）按原子序数（）按原子序数（Atomic Number)递增的顺序从左至右排列递增的顺序从左至右排列l18个纵行（个纵行（column）16族（族（Gro

14、up），），7个主族、个主族、7个副族、个副族、1个个族、族、1个零族（个零族（Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。层数递增的顺序从上而下排列。l原子序数核电荷数原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数周期序数电子壳层数l主族序数最主族序数最 外外 层层 电电 子子 数数 零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8（氦为（氦为2）l 价电子数（价电子数（Valence electron）电离核核电电荷荷 ，原原子子半半径径 能能 ，失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 最最外外层层电电子子数数相相同同，电电子子层

15、层数数 ，原原子子半半径径 电电离离能能 ，失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 同同周周期期元元素素：左左右右，金金属属性性 ，非非金金属属性性 同同主主族族元元素素：上上下下，金金属属性性 ，非非金金属属性性 l22原子间的键合原子间的键合 (Bonding type with other atom)(Bonding type with other atom)金属键（Metallic bonding）金属键（Metallic bonding）化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding）主化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic

16、bonding）主 价键primary interatomic bonds价键primary interatomic bonds共价键（covalent bonding）共价键（covalent bonding）物理键（physical bonding),次价键(Secondary bond物理键（physical bonding),次价键(Secondary bond ing)ing)，亦称Van der Waals bonding，亦称Van der Waals bonding氢键（Hydrogen-bondin氢键（Hydrogen-bondin和g)g)介于化学键范德华力之间介于化学键

17、范德华力之间l一、金属键（一、金属键（Metallic bondingMetallic bonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electronvalence electron）极易）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electronFree electron），形成电子云），形成电子云（electron cloudelectron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键l特点：电子共有化，既无

18、饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构l性质：良好导电、导热性能，延展性好性质：良好导电、导热性能，延展性好二、离子键（Ionic bonding)多数盐类、碱类和金属氧化物l 特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性l 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体静静 电电键键引引 力力 离离 子子 三、共价键（covalent bonding）l 亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料l实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 键电对键键两键间极性(Polar bondin

19、g):共用子偏于某成原子极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非极性（Nonpolar bonding):位于成原子中非极性（Nonpolar bonding):位于成原子中l特点：饱和性 配位数较小，方向性（s电子除外）l性质：熔点高、质硬脆、导电能力差l 实质：金属原子 带正电的正离子（Cation）非金属原子 带负电的负离子（anion）e l四、范德华力（Van der waals bonding)电应邻电华偶极矩的感作用偶极矩的感作用近原子相互作用荷位移近原子相互作用荷位移偶极子(dipoles）范德力偶极子(dipoles）范德力l包括：静电力(electrosta

20、tic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)l属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 l五、氢键（Hydrogen bonding）极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性l33高分子链高分子链（High polymer Chain)High polymer Chain)链结构（Chain Structure)高分子结构聚集态结构（Structure of aggregation s

21、tate)应 发剂过键将单单应 缩应 学应释产（ploycondensation)（ploycondensation)（polyaddition)（polyaddition)加聚反添加引通共价分子聚合加聚反添加引通共价分子聚合 体聚合反聚反化反，放出副品体聚合反聚反化反，放出副品 结结属学结链结远结结态链顺近程构：一次构 于化构近程构：一次构 于化构构构程构：二次构 分子量、形、的柔性、构象程构：二次构 分子量、形、的柔性、构象l近程结构（short-range Structure)l一、结构单元的化学组成（the Chemistry of mer units)l1.碳链高分子 聚乙烯HHCC

22、HHl主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得l如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯l2.杂链高分子 涤纶OOHHCCOCCOHH l主链除C原子外还有其它原子如O、N、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等l3.元素有机高分子 硅橡胶 l l主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶l4.无机高分子 二硫化硅 聚二氯氮化磷33CHSiOCH/i/SSSSSiSSSClClPNPNClC

23、ll主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解二、高分子链结构单元的键合方式l1.均聚物结构单元键接顺序 单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：头头22CHCHCHCHCHClClCl222CHCHCHCHCHClCl尾尾222CHCHCHCHCHClCl头尾双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同 l2.共聚物的序列结构（Copolymers）l 按结构单元在分子链内排列方式的不同分为无规共聚物（R

24、andom copolymer）交替共聚物（alteranting copolymer）嵌段共聚物（block copolymer）接枝共聚物（graft copolymer）o线热变软动热链联线胶联变强韧状性性高高分分子子（l li in ne ea ar r p po ol ly ym me er rs s）:加加后后，甚甚至至流流，可可反反复复加加工工 塑塑性性（t th he er rm m p pl la as st ti ic c）支支高高分分子子（b br ra an nc ch he ed d p po ol ly ym me er rs s）：交交高高分分子子（c cr ro

25、 os ss sl li in nk ke ed d p po ol ly ym me er r）：性性天天然然橡橡用用S S交交后后耐耐磨磨体体型型（立立体体网网）高高分分子子（n ne et tw wo or rk k o on n t th hr re ee e-d di im me en ns si io on na al l p po ol ly ym me er r)三、高分子链的结构（structure）不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不能改变形状热固性（thermosetting）四、高分子链的构型（Molecular configurations）l链的构型系指分子

26、中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行l旋光异构体（stereoisomerism）l由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元，有三种排列方式处链两侧两单处链边体间无规（syndisotactic configurations):（isotactic configurations):（atactic configurationR取代基交替地在主平面，即旋光异构元交替R取代基全在主平面一，即全部由一种旋光异构同立构全同立构立构链两侧规则s):R取代基在主平面不排列2CHCHRn几何异构（Geometrical isomerism）双烯类

27、单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有 顺式（cis-structure)顺式（cis-structure)反式（trans-structure)反式（trans-structure)顺无顺顺反序反交替全全反3HCHHHCCCCHH3HCHHCCCCHHH顺式 反式 两种异构体之分，对于大分子链而言就有称为几何异构二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 远程结构（Long-range Structure)l一、高分子的大小（Molecular Size）l高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性l平均相对分子质量数对质为数数对质为质数niiiniii

28、iiiiii均相分子量M=x M,x分子分 均相分子量M=x M,x分子分 numberaverage molecul numberaverage molecular weightar weight重均相分子量Mww M,w量分 重均相分子量Mww M,w量分 weight-average molecular weig weight-average molecular weighthtl高分子链中重复单元数目称为聚合度nMnm()nwMM不仅影响高分子溶液和熔体的流变性质，,kHV E a对加工和使用也有很大影响。数均相对分子量每链节的质量,b对力学性能起决定作用，l二、高分子的形状（Mole

29、cular shape）l主链以共价键联结，有一定键长 d和键角，每个单键都能内旋转（Chain twisting）故高分子在空间形态有mn-1(m为每个单键内旋转可取的位置数，n为单键数目)l统计学角度高分子链取 伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲（zigzag）构象几率极大l高分子链的总链长 l均方根sin2Lndrdn三、影响高分子链柔性的主要因素（the main influencing factors on the molecular flexibility）高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility）链结响决内势垒从酰响链链对称积响联响联单键内转碍联时主构

30、的影：起定性作用,C-O,C-N,Si-O旋的比C-C低，而使聚酯，主构的影：起定性作用,C-O,C-N,Si-O旋的比C-C低，而使聚酯，聚胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好 聚胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好取代基的影：取代基的极性，沿分子排布距离，在主上性，体均有影取代基的影：取代基的极性，沿分子排布距离，在主上性，体均有影交的影：因交附近的旋受阻，交度大，柔性 交的影：因交附近的旋受阻，交度大，柔性 习 题l第一章l 1.原子核外电子的空间位置和能量，应从哪几方面来进行l 描述？核外电子的排布应遵循哪些规律？l2.用原子结构的知识，说明元素周期表里的“周期”和“族”l 是按什么划分的

31、？对于同周期和同主族元素而言，元素l 的金属性和非金属性是怎么递变的？Ag和Au的电子结构l 类似，你认为何者较稳定？为什么？l3.已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，l 试指出它属于哪个周期，哪一族，是什么元素。l4.原子间的结合键共有几种？其特点如何？l5.铬的原子序数为24，它共有四种同位素：4.31的Cr原l 子含有26个中子，83.76含有28个中子，且2.38含有l 30个中子，试求铬的原子量l6.铂的原子序数为78，它在 5d 电子亚层中只有9个电子，l 并且在 5f 电子亚层中没有电子，试从原子结构来决l 定出 Pt 的价数。l7.右下图绘出三类材料金属、离子晶体

32、和以范德l 瓦尔键结合的材料之能量距离曲线，试指出它们l 代表何种材料。l8.简述高分子链结构（包括近程结构和远程结构）热l 塑性和热周期性树脂的特点。E第二章 固体结构气态（gas state）气态（gas state）物质（substance）液态（liquid state）物质（substance）液态（liquid state）晶体（crystal）晶体（crystal）固态（solid state）固态（solid state）非晶体（amorphous solid）非晶体（amorphous solid）金的AFM 照片l 1晶体学基础l（Basis Fundamentals of

33、 crystallography）l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（periodic repeated array），即存在长程有序（long-range order）l性能上两大特点：固定的熔点（melting point）,各向异性（anisotropy）一、晶体的空间点阵（Space lattice）1.空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列空间点阵（space lattice）特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)

34、2晶胞（Unite cells）代表性的基本单元（最小平行六面体）small repeat entities选取晶胞的原则：)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。lattice parameterlattice parametera,b,ca,b,c棱边长（点阵常数）棱边长（点阵常数）描述晶胞描述晶胞,晶轴间的夹角,晶轴间的夹角uvwuvw阵点 r=ua+vb+wc阵点 r=ua+vb+wca体积V(bc)体积V(bc)简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体

35、每个顶角上有一阵点复杂晶胞：除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点 或用点阵矢量a,b,c或用点阵矢量a,b,c 3.晶系与布拉菲点阵（Crystal System and Bravais Lattice）七个晶系，14个布拉菲点阵晶系布拉菲点阵晶系布拉菲点阵三斜Triclinicabc，单斜 Monoclinicabc，=90正交Orthorhombicabc，=90 简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交六方 Hexagonala1=a2a3c，=90，=120菱方 Rhombohedrala=b=c,=90 四方（正方）Tetragonala=bc,=90 立方 Cub

36、ica=b=c，=90 简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方底心单斜简单三斜简单单斜底心正交简单正交面心正交体心正交简单菱方简单六方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方4.4.晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵 二、晶向指数和晶面指数（Miller Indices of Crystallographic Direction and Planes）1阵点坐标晶向族：具有等同性能的晶向归并而成；（x,y,z）,(x1,x2,x3)二点连线的晶向指数：x2-x1,y2-y1,z2-z1*指数看特征，正负看走向 求法：1）确定坐标系2）过坐标原点，作直线与待求晶向平行；3）在

37、该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z），若某一坐标值为负，则在其上加一负号。4）将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号u v w即是。（代表一组互相平行，方向一致的晶向）2.晶向指数（Orientation index）opxaybzc34 122！晶面族h k l中的晶面数：a）h k l三个数不等，且都0，则此晶面族中有 b）h k l有两个数字相等 且都0，则有，如1 1 2c)h k l三个数相等，则有，d）h k l 有一个为0，应除以2，则有 有二个为0，应除以22，则有 3424！组，如1 2 33!441113!组，如3!4122组，如1 2 023!432!2 组

38、，如1 0 0求法：求法：1 1）在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o o，三棱边为三坐标轴，三棱边为三坐标轴x x，y y，z z2 2）以棱边长以棱边长a a为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距。为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距。若某一截距为负，则在其上加一负号。若某一截距为负，则在其上加一负号。3 3）取截距之倒数，并化为最小整数取截距之倒数，并化为最小整数h h，k k，l l并加以圆括号（并加以圆括号（h k lh k l）即是。）即是。（代表一组互相平行的晶面；指数相同符号相反晶面互相平行）（代表一组互相平行的晶面；指数相同符号相反晶面

39、互相平行）晶面族晶面族hklhkl：晶体学等价的晶面总合。：晶体学等价的晶面总合。3.晶面指数（Indices of Crystallographic Plane）4.六方晶系指数（Indices of hexagonal crystal system orhexagonal indices）三坐标系 四轴坐标系a1，a2，c a1，a2，a3，c120 120 120 晶晶面面指指数数的的标标定定方方式式与与前前述述相相同同晶晶向向（h k i l h k i l）i i-（h hk k）u v t w tu v t w t-（u uv v）指三指数系统 四数系统三指数系统 四数系统thre

40、ethreeindex system fourindex systemindex system fourindex system（h k l）（h k i l）i-（hk）（h k l）（h k i l）i-（hk）U V W u v t wU V W u v t wU=u-t,V=v-t,W=w U=u-t,V=v-t,W=w 1111u=2U-V,v=2V-U,t=-(u+v),w=Wu=2U-V,v=2V-U,t=-(u+v),w=W33335.晶带（Crystal zone）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”（crystal zone）此直线称为晶带轴（crys

41、tal zone axis），所有的这些晶面都称为共带面。晶带轴n v w与该晶带的晶面（h k l）之间存在以下关系 hu kv lw0 晶带定律 凡满足此关系的晶面都属于以h k l为晶带轴的晶带111111222222333333uvwuvwuvwuvw 0，则三个晶轴同在一个晶面上0，则三个晶轴同在一个晶面上uvwuvw面111111222222333333hklhklhklhkl 0 0，则则三三个个晶晶同同属属一一个个晶晶带带hklhkl6晶面间距（Interplanar crystal spacing）两相邻平行晶面间的垂直距离两相邻平行晶面间的垂直距离晶面间距，用晶面间距，用d

42、 dhklhkl表示表示从原点作（从原点作（h k lh k l）晶面的法线，则法线被最近的（）晶面的法线，则法线被最近的（h k lh k l）面所交截的距离即是面所交截的距离即是 hkl222a dhkl立立方方晶晶系系标hklhkl2222221 1直直角角坐坐系系d d hklhkl（）（）（）abcabchkl22221 d4 hhkkl3ac六方晶系（）（）上述公式仅适用于简单晶胞,对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响 fact 当（hkl）不为全奇、偶数时，有附加面：hkl2adhkl221，如1 0 0,1 1 02 hkl21d4 hhkkl3ac2221，如0 0 0面2（）（

43、）h2k3nn0 1 2 3 当（，），l=奇数，有附加面：通常低指数的晶面间距较大，而高指数的晶面间距则较小bcc 当hkl奇数时，有附加面：如1 0 0,1 1 1六方晶系 立方晶系：点群（point group）晶体中所有点对称元素的集合根据晶体外形对称性，共有32种点群空间群（space group）晶体中原子组合所有可能方式根据宏观、微观对称元素在三维空间的组合，可能存在230种空间群（分属于32种点群）微观1121321524311213215243滑滑动动面面 a a，b b，c c，n n，d d 螺螺旋旋轴轴 2 2；3 3，3 3；4 4，4 4，4 4；6 6，6 6，6

44、 6，6 6，6 6三、晶体的对称性晶体的对称性 crystalline symmetry symmetrization of crystals若干个相同部分 假想的几何要素，变换 重合复原对称性晶体的基本性质 对称性元素（symmetry elements）宏观回回转转对对称称轴轴（n n）1 1，2 2，3 3，4 4，6 6对对称称面面（m m）对对称称中中心心（i i）回回转转反反演演轴轴 1 1，2 2，3 3，4 4，6 6四、极射投影 Stereographic projection 极射投影原理（principle）参考球，极点、极射面、大图、基图 Wulff网（wullf n

45、et）经线、纬线、2等分沿赤道线 沿基圆读数 只有两极点位于吴氏经线或赤道上才能正确度量晶面、晶向间夹角标准投影：以某个晶面/投影面作出极射投影图。（001）l五、倒易点阵五、倒易点阵（Reciprocal lattice）l布拉格方程：n=2dsinl寻求一种新的点阵（抽象），使其每一阵点对应着实际点阵中的一定晶面，而且既能反映该晶面的取向，又能反映其晶面间距。l晶体点阵（正点阵）三个基矢a、b、c与其相应的倒易点阵的基矢a*、b*、c*之间的关系如下：l )(1)(1)(1)(000bac)(babacacc)(baacbcbcbacbaVVV1ccbbaa0bcaccbabcabaa*,

46、b*,c*与a,b,c的关系示意图 abcabcal1.标出出面心立方晶胞中（标出出面心立方晶胞中（111）面上各点的坐标，）面上各点的坐标，(320)、(112)面及面及110、011、112、211方向方向l2.计算立方晶系（包括简单立方、面心立方、计算立方晶系（包括简单立方、面心立方、体心立方）体心立方）d（345）和六方晶系和六方晶系d（1122）的晶面间距的晶面间距l3.作出立方晶系作出立方晶系111晶面族的所有晶面晶面族的所有晶面l4.为什么密排六方结构属于简单六方点阵？画出（为什么密排六方结构属于简单六方点阵？画出（1012）、）、(2111)面面 和和1120、2111方向方向

47、l5.正交点阵中画出以正交点阵中画出以001为晶带轴的所有晶面为晶带轴的所有晶面1 12 23 3面心立方结构（A）face-centred cubic lattice面心立方结构（A）face-centred cubic lattice常见金属晶体结构 体心立方结构（A）body-centred cubic lat常见金属晶体结构 体心立方结构（A）body-centred cubic lattice tice 密排立方结构（A）hexagonal close-packed lattice密排立方结构（A）hexagonal close-packed lattice2 2 金属的晶体结构金属

48、的晶体结构（Crystal Structure of Metals）体心立方点阵面心立方点阵密排六方点阵表2.5三种典型金属结构的晶体学特点 晶胞中的原子数（Number of atoms in unit cell）28fcNNiN=N点阵常数（lattice parameter）a，c原子半径（atomic radius）R配位数（coordination number）N 致密度（Efficiency of space filling）343nRnvKVV轴比（axial ratio）c/a 堆垛（Stacking）密排结构（close-packed crystal structure）最

49、密排面(close-packed plane of atoms)fcc 1 1 1 ABCABCABChcp0 0 0 1 ABABABAB间隙（Interstice）四、八面体间隙fcc，hcp 间隙为正多面体，且八面体和四面体间隙相互独立bcc 间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中 溶质溶质多面体分散不对称点阵畸变多面体分散不对称点阵畸变tetrahedraloctahedralinterstice 图图2.32 面心立方结构中的间隙面心立方结构中的间隙图图2.33 体心立方结构中的间隙体心立方结构中的间隙图图2.34 密排六方结构中的间隙密排六方结构中的间隙多晶型转变（all

50、otropic transformation）同素异构转变l一一.固溶体固溶体 Solid solutionl 固溶体：溶质原子固溶体：溶质原子(solute atom)溶入基体溶入基体(matrix)中所形成的均匀中所形成的均匀 结晶相。晶体结构保持基体金属的结构结晶相。晶体结构保持基体金属的结构 置换固溶体置换固溶体 Substitutional solid solution间隙固溶体间隙固溶体 Interstitial solid solution按溶质原子位置分按溶质原子位置分 固溶体固溶体 固溶体固溶体 Solid Solution中间相中间相 Intermidiate phase

51、合金相合金相(Phase)有序有序 ordered无序无序 disordered 按原子排列秩序按原子排列秩序第一类固溶体第一类固溶体 primary solid solution第二类固溶体第二类固溶体 secondary solid solution 按溶剂（按溶剂（solvent）类别分类别分无限无限 complete solubility有限有限 limited按固溶度（按固溶度（solid solubility）分）分l1.置换固溶体置换固溶体 Substitutional solid solutionl 溶质原子置换了部分的溶剂原子溶质原子置换了部分的溶剂原子 影响溶解度的因素：影

52、响溶解度的因素：)组元的晶体结构组元的晶体结构crystal structure of components 晶体结构相同是组元之间形成无限固溶体的必要条件晶体结构相同是组元之间形成无限固溶体的必要条件 ）原子尺寸因素）原子尺寸因素the size factor effect r1415才有可能形成溶解度较大甚至无限固溶的固溶体才有可能形成溶解度较大甚至无限固溶的固溶体 ）化学亲和力（电负性因素）化学亲和力（电负性因素）the electrochemical effect 在不形成化合物的条件下，电负性差值增大，溶解度增大在不形成化合物的条件下，电负性差值增大，溶解度增大 在形成化合物的条件下

53、，电负性差值增大，溶解度减小在形成化合物的条件下，电负性差值增大，溶解度减小 ）电子浓度（原子价因素）电子浓度（原子价因素）the relative valency effect 合金中各组元的价电子总和（合金中各组元的价电子总和（e）与组元的原子数总和（）与组元的原子数总和（a）之比）之比100)100(/vxxVaeV V、v v分别为溶剂、溶质原子价分别为溶剂、溶质原子价Nb Mo Rh Pd5 6 9 10 溶剂溶剂 溶质元素的溶解度溶质元素的溶解度 Zn（二价）（二价）Ga（三价）（三价）Ge（四价）（四价）As（五价）（五价）Cu 3820 12 7 Ag 4220 12 7极限电

54、子浓度极限电子浓度（临界电子浓度）与溶剂晶体点阵类型有关（临界电子浓度）与溶剂晶体点阵类型有关对一价溶剂而言对一价溶剂而言 fcc:1.36;bcc:1.48;hcp:1.75平均族数平均族数（过渡族元素）：以原子中相当于惰性气体的满（过渡族元素）：以原子中相当于惰性气体的满壳层以外的全部电子数（壳层以外的全部电子数（spd)来计算来计算：Critical electron concentrationAverage group number溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体间隙固溶体间隙固溶体溶质原子溶质原子（R0.1nm）如：如：H B C N

55、O 0.046 0.097 0.077 0.071 0.060溶剂元素大多为过渡族元素溶剂元素大多为过渡族元素有限固溶体有限固溶体溶解度与溶剂元素的晶格类型密切相关溶解度与溶剂元素的晶格类型密切相关C 在在-Fe（bcc）0.0218 wt%-Fe (fcc)2.11 wt%间隙固溶体间隙固溶体 Interstitial solid solution原子偏聚原子偏聚 atom segregation短程有序短程有序 short range order固溶体的微观不均匀性固溶体的微观不均匀性短程有序参数短程有序参数XAXP1AAXP B原子周围出现原子周围出现A原子的几率原子的几率0AAXP 0

56、AAXP 0完全有序完全有序短程有序短程有序B偏聚偏聚A原子的原子百分数原子的原子百分数B周围出现周围出现A原子的几率与其它原子相等原子的几率与其它原子相等B周围出现周围出现A原子的几率大于其它原子原子的几率大于其它原子倾向于以异类原子为邻倾向于以异类原子为邻B周围出现周围出现A原子的几率小于其它原子原子的几率小于其它原子倾向于以同类原子为邻倾向于以同类原子为邻3.有序固溶体有序固溶体 Ordered solid solution长程有序固溶体（长程有序固溶体（Long Range OrderLong Range Order）超结构超结构 （superlattice,superstructur

57、esuperlattice,superstructure）超结构的结构类型超结构的结构类型a)fcc CuAu型型 385以下形成以下形成 CuAu型型 385410以下形成以下形成 b）bcc Fe-Al CuZnc)hcp Mg-CdCu3Au 型型 390有序化有序化长程有序参数长程有序参数 AAXXPS1BBXXP1或PA(或或B）原子正确位置上出现）原子正确位置上出现A（B）原子几率）原子几率完全有序时完全有序时 P1 S1 最大值最大值完全无序时完全无序时 PXA S1 01.温度升高，原子热运动提高，温度升高，原子热运动提高，S降低降低2.冷却速度冷却速度 Tc 以上温度快速冷却

58、以上温度快速冷却无序无序3.合金成分合金成分 例：对例：对 CuAu 合金合金 Cu:Au3:1 或或 1:1 时完全有序时完全有序有序化影响因数有序化影响因数4.固溶体的性质固溶体的性质 Properties of the solid solution 点阵畸变点阵畸变 点阵常数点阵常数 间隙原子间隙原子 固溶强化固溶强化 HV，物理化学性能物理化学性能 电极电位电极电位 有序化影响有序化影响 HV 磁性磁性bdcdc中间相：两组元中间相：两组元A和和B组成合金时，除了形成以组成合金时，除了形成以A为基或以为基或以B为基的固溶体外，还可以形成晶体结构与为基的固溶体外，还可以形成晶体结构与A、

59、B两组元均不两组元均不相同的新相。由于它们在二元相图的位置是位于中间，故相同的新相。由于它们在二元相图的位置是位于中间，故通常把这些相称为中间相。通常把这些相称为中间相。金属化合物（金属化合物（metallic Compounds)金属间化合物（金属间化合物（Intermetallic Compounds)二二 中间相中间相 Intermediate PhaseIntermediate Phase中间相的特征中间相的特征：具有不同于组元的晶体结构：具有不同于组元的晶体结构 可用化学分子式表示可用化学分子式表示 但并不一定符合化合价规律但并不一定符合化合价规律原子间的结合方式：原子间的结合方式：

60、(金属键其他键）混合，具有金属性金属键其他键）混合，具有金属性中间相的形成和晶体结构的影响因素中间相的形成和晶体结构的影响因素电负性电负性电子浓度电子浓度原子尺寸原子尺寸1.正常价化合物（正常价化合物（electrochemical compounds）M 、族元素族元素 按化学上的正常原子价规律形成按化学上的正常原子价规律形成 成分可用分子式来表示：成分可用分子式来表示：Mg2Pb，Mg2Sn，Mg2Ge，Mg2Si如如 CuZn,Fe3C负电性差愈大，化合物愈稳定，愈趋于离子键结合负电性差愈大，化合物愈稳定，愈趋于离子键结合负电性差愈小，化合物愈不稳定，愈趋于金属键结合负电性差愈小，化合物

61、愈不稳定，愈趋于金属键结合A2B（或（或AB2）A3B2类型类型ABNaCl 或或 ZnS 结构结构反反 CaF2 或或 CaF2 结构结构反反 M2O3 型结构型结构2.电子化合物电子化合物 electron compounds HumeRotteryBBAA对应于同类分子式的离子化合物结构对应于同类分子式的离子化合物结构特点：凡具有相同电子浓度，则相的特点：凡具有相同电子浓度，则相的 晶体结构类型相同晶体结构类型相同e/a 122113211421电子化合物电子化合物 )(hcp3CuZn(复杂立方）复杂立方MnCuZn85ZnCuhcpGaCu3不符合化合价规律，但也可用分子式表示不符合

62、化合价规律，但也可用分子式表示原子间结合以金属键为主，具有明显的金属性原子间结合以金属键为主，具有明显的金属性3.原子尺寸因素化合物 Size factor Compounds(1)间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物 Interstitial Phase and Compounds过渡族金属过渡族金属C、H、N、O、B （r0.1nm）a)间隙相间隙相 Interstitial Phase59.0mxrr简单晶体结构简单晶体结构 fcc，hcp414.0mxrr非金属原子进入四面体间隙非金属原子进入四面体间隙非金属原子进入八面体间隙非金属原子进入八面体间隙414.0mxrr非金属原子填满密堆

63、结构非金属原子填满密堆结构(fcc 和和 hcp)八面体间隙八面体间隙)(TiCMx)(22TiHMx)(44NFexM)(22HTixM非金属原子填满密堆结构非金属原子填满密堆结构(fcc 和和 hcp)四面体间隙四面体间隙在在 fcc 中非金属原子占据一个八面体间隙中非金属原子占据一个八面体间隙在在 hcp 中非金属原子占据一半八面体间隙中非金属原子占据一半八面体间隙未填未填满满b）间隙化合物间隙化合物 Interstitial Compounds59.0mxrr复杂的晶体结构复杂的晶体结构M3C：如：如Fe3C渗碳体（渗碳体（Cementite）63.0Fecrr 每个晶胞原子数每个晶胞

64、原子数16个（个（12个个 Fe,4个个C）FeFe呈金属键，呈金属键，FeC即有金属键也有离子键即有金属键也有离子键M7C3：如如 Cr7C3 M23C6：如如 Cr23C6 M6C：如如 Fe3W3C，Fe4W2C 属正交晶系属正交晶系 a4.524 b5.089 c6.743(2)拓扑密堆相拓扑密堆相 Topological close-packed phaseTopological close-packed phase 由两种大小不同的原子所构成的一类中间相，其中大小原子通过适由两种大小不同的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很高的复杂结构，具有拓

65、扑学特点。当的配合构成空间利用率和配位数很高的复杂结构，具有拓扑学特点。a）结构特点）结构特点 大小原子的适当配合，由四面体间隙组成的晶体点阵，配位数可以大小原子的适当配合，由四面体间隙组成的晶体点阵，配位数可以达达12、14、15及及16 配位多面体：把晶体点阵中一个原子周围最近邻原子的中心彼此用配位多面体：把晶体点阵中一个原子周围最近邻原子的中心彼此用 直线连接起来所构成的多面体直线连接起来所构成的多面体 特点：凸出的面，呈三角形；每个顶角至少连接五个三角形特点：凸出的面，呈三角形；每个顶角至少连接五个三角形20面体，面体，30棱边棱边24面体，面体，36棱边棱边26面体，面体，39棱边棱

66、边28面体，面体，42棱边棱边原子密堆层原子密堆层TCP相可以看作由两种排列不相可以看作由两种排列不同的原子层相间地组成密集层同的原子层相间地组成密集层状结构。主层系由三角形、四状结构。主层系由三角形、四边形、六边形组成起来的网状边形、六边形组成起来的网状结构。系由原子半径较小组元结构。系由原子半径较小组元构成的密堆层；次层则由较大构成的密堆层；次层则由较大原子组成并分布于主层的大空原子组成并分布于主层的大空隙中（由小原子组成三维配位隙中（由小原子组成三维配位多面体的中心位置）多面体的中心位置）网格结构可用如下符号表示：网格结构可用如下符号表示：36，63，3 6 3 6，32 4 3 4255.1BArr典型分子式典型分子式 AB2 理论上原子半径比理论上原子半径比且一定晶体结构对应着一定的电子浓度。对高度合金且一定晶体结构对应着一定的电子浓度。对高度合金化不锈耐热钢、铁基高温合金和化不锈耐热钢、铁基高温合金和Ni基高温合金中均有基高温合金中均有发现，呈针状析出于基体，对性能通常不利。但在发现，呈针状析出于基体，对性能通常不利。但在Mg合金中它是重要的强化相。合金中它是重要的强化相。