材料结构分析方法
第一章绪论
§1－1 新材料和高技术
1、材料科学简介
“材料科学”一词是美国学者本世纪50年代末，60年代初提出的，即材料构成一门科学是近30多年的事，但实际上可追溯到古代。因为材料就是用以制造有用物件的物质，历史上人们把材料的开发和作为人类进步的里程碑，如“石器时代”、“铜器时代”、“铁器时代”等，但在“理性上”认识到材料是一切科学技术发展的物质基础，也是改善人民生活质量所必须的一个重要方面，把它作为一门学科使材料科学能够优先发展，这种自觉行为的出现是近30多年来的事。
材料科学应当包括材料的合成与制备研究、材料的组成与结构的研究、材料的性质研究、材料的应用研究，因此又常称为材料科学与工程学，是多学科交叉的新兴学科，可用图简单表示如下：
材料科学发展的灵魂是基础理论，材料科学发展的手段是技术。化学、物理学、工程学是理论，材料的合成与制备过程、材料组成和结构分析过程、材料的性能测试过程，把材料做成有用器件则是技术。因此材料科学和技术又密不可分。这就是常合称为材料科学与工程学的原因。
2．高技术信息与新材料的关系
在材料科学和工程技术研究中人们的注意力集中于高技术新材料上。所谓高技术是
指技术本身的水平是“高的”、“先进的”、“新兴的”、“前沿的”，有的甚至是“尖端的”；新材料是指新研制成功和正在研制中的具有优异特性和功能，能满足高技术需要的新型材料，根据其基本成分，新材料可归纳为新金属材料、无机非金属材料、高分子材料和先进复合材料四大类；根据材料的性质分为结构材料和功能材料，根据有用途则可分为能源材料、航空航天材料、信息材料和生物医用材料等。当前人们最为关注的重点新材料有尖电子信息材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、新型金属材料、高性能塑料和超导材料等六类，每类又可分3－50分支，共202个。
国外学者将高技术发展分为技术发明、技术创新和技术扩散三个阶段。中国学者用高技术的研究开发、高技术的产品生产、高技术的应用扩散三个层次。
1986年3月5日，邓小平对五大瑜、王淦昌、杨家墀、陈芳允四位科学家联合提出“关于跟踪世界战略性高技术发展”的建议作了重要批示，党中央及时部署，组织200多位知名专家草拟了我国《高技术研究发展计划（863计划）纲要》，经中央政治局扩大会议和国务院审议通过1987年正式组织实施。按照“军民结合，以民为主”、“瞄准前沿，积极跟踪”和“有限目标，突击重点”的方针，集中一部分精干的科技力量，选定生物技术、航空技术、信息技术、激光技术、能源技术和新材料等7个领域中的15个主题项目作为发展重点，并采取集中力量，统一指挥，大力协同，相互衔接，建立明确的技术经济责任制；依靠和发挥中青年专家的作用和积极性开展国际合作和智力引进等措施，全力予以推进，1996年暑假期间在北京举行863计划成果展览，以检验和促进这一工作。
1988年我国又针对中国高技术产品的开发能力、批量生产能力、特别是市场开发能力相对不足的特点，开始实施一项指导性的高新技术产业发展计划——“火炬计划”，以促进高新技术成果商品化，高新技术商品产业化和高新技术产业国产化。其重点发展技术领域包括新型材料、生物技术、电子和信息、机电一体化、新能源、高效节能及环境保护以及其他高技术领域。“863计划”和“火炬计划”协调实施构成中国技术发展的完整层次。
§1－2 材料科学中的结构分析方法
为了了解材料科学中结构分析方法的重要性，我们把学科基础与应用对象都包括在
内的材料科学与工程学，所涉及的范围及相互关系用另一种图表示如下：
该图说明：通过基础学科已有的知识指导材料成分、结构和性能的研究，也指导了工艺流程的发展。通过工艺流程生产出可供使用的工程材料；而工程材料在使用过程中所暴露的问题，再反馈到成分、结构和性能的研究，进而改进工艺过程，得到更为合适的工程材料（结构材料和功能材料），如此反复，材料不断改进，而更加成熟，同时，新材料也不断出现，这就是材料科学和工程学科的内容和任务。
1．材料结构分析的重要性
1．1 材料结构分析是认识材料具有某种特性的内容原因和改进材料合成工艺的基础。
材料科学的最终目的：是材料的应用，而有特殊用途的材料必定具有特殊的性质，而特殊的性质是由特殊的微观结构决定的，因此可获应用材料的结构分析以及应用过程中该材料的结构分析，就会对材料具有某种特性及其在使用过程中性能变化的原因有正确的认识，从而对材料合成和制备方法以及应用条件提供科学依据。
1．2 材料的结构分析也是分子组装的基础之一——超分子化学
因为材料的性质是由材料的成分和结构决定的，因而二者关系资料的大量积累，为我们合成特殊用途的新材料提供了可能性，这是正在兴起的“材料设计”工程学的内容。
2．材料结构分析方法的特点
2．1 材料结构分析是与化学分析不同的一类分析方法
（1）传统的各种化学分析方法都是解决材料（或样品）的组成或成分，即元素或基团的定性、定量分析，而结构分析则是通过物质微观结构对光、电、磁、热、微粒、波产生的效应来了解材料微观结构及表面或微区组成的分析法：（2）同时结构分析多是不破坏样品的分析方法，而化学分析常靠破坏样品以了解成分；（3）和化学分析相比结构分析多
为样品用量少、快速，具有高选择性和高灵敏度，便于自动记录和自动控制的分析方法。高技术、新材料的一个特点就是将已熟悉的成分，相同的材料制成具有特异功能的材料。
2．2 结构分析所用仪器设备多较贵重甚至昂贵，仪器原理简单，结构复杂，数据处理需经过训练。此特点决定了结构分析仪器常配备专业人员管理、使用、维修，进行数据处理，费用较高。
§1－3 关于材料的几个例子
由于成分或组成不同的物质具有不同的结构性质，容易理解，所以仅举具有相同成分，由干微结构不同而性质大不相同从而有极不相同的应用的材料，以加深对材料科学中材料及其结构分析方法的认识。
1．熟知的例子：石墨、活性炭、金刚石、红磷、白磷
2．AgI结构和性质
在水溶液中，Ag＋和I－相遇生成γAgI，这个固体物质导电性很差，是绝缘体。加热到136℃→146℃，导电率可到3×10－4Ωcm－1，再加热到146℃－555℃（m1p）电导率达到1.31Ω－1cm－1已进入电解质溶液的导电范围。
对AgI载流子的分析发现，导电机理既不同于金属（电子导电），也不同于正负离子，同时迁移的电解质溶液，是单独正离子Ag+导电
因此称为固体电解质或快离子导体（超离子导体），I－离形成亚晶格不移动。
特殊的性质应有特殊用途：全固态电池：4Ag＋2RbI3→RbAg4I5＋RbI
（＋）Ag | RbAg4I5 | RbI3（－）
可在－55℃——＋200℃下使用，寿命长，抗震，RbAg4I5室温电导0.27（Ωcm）-1。
结构分析发现，γ－AgI为立方型结构，原子间共价结合，原子相对移动困难；β－AgI为六方ZnS型晶也还是共价型晶体，α－AgI为体心立方型晶体，属于离子型晶体，且I－1构成体心立方骨架，球：八：四：三＝1：3：6：12，在一个晶胞中为2：6：12：24，
Ag ＋
平常随机分布于八面体孔隙中，但在有电场时，Ag +可沿通道在I －
骨架中向负电场方
向称动，这是因为在I －
骨架中，八，四，三面体孔隙是相互共面连接的，整块晶粒中形成了三维通道。
八面体中心：棱边中点，体心共4个 四面体中心：四个小立方体中心处共8个 球：八：四＝1：1：2（紧密堆集） 球：八：四：三＝1：3：6：12（体心堆集） 2：6：12：24（晶胞） 3．磁性Fe 3O 4
由于FeO 为碱性，Fe 2O 3为酸性，因此可形成Fe(Fe 2O 4)或Fe(FeO 2)可称作铁酸亚铁，但它为什么具有强的永磁性，就必须靠微观结构才能解释。
原来，晶体结构中有两类同晶物质：尖晶石型和反光晶石结构。尖晶石的组成为MgAl 2O 4，结构分析证明其中原子分布为［A 2＋
］t ［B 23＋
］O O 4，反尖晶石结构为［B 3＋
］t
［A 2＋
B 3＋
］O O 4。这里写的是一个假晶体成分，八个假晶胞堆砌成一个晶胞：32O 2－
以立方
面心密堆保（球：八：四＝1：1：2），共形成32八面体孔隙和64四面体孔隙，在常尖晶
石结构中A 2＋
有序地占据
81四面体孔隙，B 3＋
有序地占据2
1八面体空隙，反尖晶石结构中，一半B 3＋占据81四面体孔隙，另一半B 3＋和全部的A 2＋
有序地占据2
1八面体孔隙位置，这
是结构分析的成果。
对反尖晶石结构的Fe 3O 4可说，可写成［Fe 3+］t ［Fe 3+Fe 3+］0O 4×8＝一个晶胞 八面体孔隙中8个Fe 3+［↑↑↑↑↑］×8 8个Fe 2+［↑↑↑↑］×8 四面体孔隙中8个Fe 3+［↓↓↓↓↓］×8 同一种孔隙是Fe 自旋应相同。
由于两种孔隙中相同数目的Fe 3+自旋恰好相反，互相抵消，而剩下八面体孔隙中8个Fe 2+，自旋贡献2×8＝16，这与磁性测定完全一致。
FeO 和Fe 2O 3没有磁性，而组成为它们1：1结合的Fe 3O 4则有，这是由微观结构决
定的，实际上将Fe2O3制成该晶时也有这种性质，称为磁性。氧化铁红与作为颜料的氧化铁红性质上的这种差异究其原因也是微观结构不同。物质磁性的研究已经开发出永磁材料、软磁材料、旋磁材料、磁信息材料、压磁材料、磁光材料以及其它新型的磁性材料，如按原子排列形式，则可分为多晶磁性材料、单晶磁性材料、非晶磁性材料和磁性液体四大类。总之物质磁性材料的研究在现代科学和国民经济中具有非常重要的意义。
由于材料涉及原子、分子和晶体，所以材料的结构分析将涉及原子、分子、晶体结构分析的各个方面，我们则在适当照顾面的情况下，选我们经常较可能用到科研中所必须的又能进行的一些结构分析，而且重点在基本原理和数据处理上，仪器构造及操作除需自己操作以外，将从简。具体有：原子光谱（原子吸收光谱、原子发射光谱、原子的X射线谱、X射线荧光光谱）、分子光谱（红外光谱和电子能谱）物质的热谱和热分析（略）、物质的磁性和磁共振谱（磁化率、核磁共振、顺磁共振）、穆斯堡尔谱、电子能谱（X光电子能谱、紫外光电子能谱、俄歇电子能谱）、电子显微术（透射电子显微术、扫描电子显微术）、X射线衍射分析（物相分析、单晶结构分析）是涉及到的，但是结构化学的角度讲原理和对实验结果的处理分析，根据实际需要将突出X射衍分析，原因是用途广且其它课堂未涉及。
第二章原子光谱
原子光谱是研究原子结构和对元素进行定性定量分析的手段，主要有原子发射光谱、原子吸收光谱、原子的X射线谱和X射线荧光光谱。
§2.1 原子光谱的产生和原子光谱项
I．原子光谱的产生
原子有许多量子化的能级，通常原子处于能量最低的基态E1，如从外界吸收能量，原子可从基态E1跃迁能量较高的激发态，原子处于激态不稳定，约10－8～10－5秒后便跃迁回到基态，多余的能量以辐射形式释放出来。原子在这些过程中吸收和放出的辐射能△
E ＝E 2－E 1，其频率为：
h E h E h E 1
2-
=?=
ν 或 hc
E hc E
c V 112-==λ=ν-
将这种吸收和放出的辐射记录下来即为原子光谱线，前者为吸收光谱线，后者为发射光谱线。由于原子有许多激态，激态间也可以发生跃迁，因此一个原子的吸收或发射谱线均可以有许多条，分别称为原子吸收光谱和发射光谱（激发态间跃迁时E 1表示低能态，E 2表示高能态），且吸收和发射光谱理论上有一一对应的关系，但有些发射光谱线在吸收光谱中的对应线不出现。
II ．原子光谱项 1．氢原子光谱项 氢原子能级2
n R
E -
=，所以高低能级间跃迁吸收或发射的波数 22
21222112n R
n R hc n R hc n R hc E E -
-
-
-=-=-=
ν 光谱项2n
R
T -
=
表示 21T T -=ν-
赖曼Lyman 线系n 1＝1，n 2＝2，3，4……，n 1T T -=ν-
2
n R
R -
=ν 波数范围R R -75.0 巴尔麦Balman 线系n 1＝2，n 2＝3，4，5…，n 2T T -=ν-
2
2n R 2R -=
ν 波数范围0.1389R R 25.0- 帕兴paschen 线系n 1＝3，n 2＝4，5，6…，n 3T T -=ν
22n
R 3R -=
ν 波数范围R R 111.00486.0- 余类推，可解积氢原光谱所有谱线（除精细结构）。由于每一条光谱线可写成两项之
差，每项可表示为22n R hc n R hc En T n ==-
=，称为氢原子的光谱项，一般来说hc
En T n -=为光谱项。定义中的负号目的是使光谱为正值。
2．碱金属原子光谱项
由于原子实（核和内层电子）相对较稳定，可当作核，从而碱金属原子可看作单电子原子，将原子实和核之差别反映在量子数中，例如锂原子无赖曼线系，巴尔麦线系需三个公式表示（∵ns 、np 、nd 能量不相同）：
主线系2
2)()2(p n R S R V +-+=
n ＝2，3，4，… 2S 2P ，3P ，nP …
锐线系2
2)()2(S n R P R V +-
+=
n ＝3，4，5，… 2P 2S ，3S ，nS …
漫线系2
2)
()2(d n R P R V +-+=
n ＝3，4，5，… 2P 2d ，3d ，nd …
S 、P 、d …分别表示对P 、d 、S 轨道量子数的修正，称里德堡修正值，一般小于零。 练习：仿此写出钠原子对应于帕邢线系的三个公式： 主线系2
2)()3(P n R
S R V +-+=
n ＝3，4，5，… 锐线系2
2)()3(S n R
P R V +-
+=
n ＝4，5，6，… 漫线系2
2)
()3(d n R
P R V +-+=
n ＝4，5，6，… 3．多电子原子的能量状态和光谱项
不能看成准单电子原子的多电子原子（未满壳层电子数多于1）能量状态由未满壳层中各电子自旋和轨道角动量耦合后的总角动量（可简化为其量子数）决定，原子的总角动量量子数S 、L 、J 及m s 、m l 、m j 可用量子化矢量和规则求得，原子的能量状态用此量子数表示2S ＋
1L （2S ＋
1L J ），称为光谱项，对Z ?50的原子来说
（1）原子的自旋角动量∑
→
→
=
n
v
i S S 这种加和方向不是任意的，必须满足
)1(+=→
S S S h S 可取2
1
,12,2???-n n 或0
h m S s z =→
对每个S ，ms 可取值：±S ，±（S －1），…±2
1
或0 （2）原子的轨道角动量∑→→
=
l
i
L L ，这种向量和方向也不能任意，必须满足
h L L L )1(+=→
原子的角量子数L 用电子的角量子数L 矢量和规则求出，对两个电子角量子数为L 1、L 2有L ＝l 1+l 2，（l 1+l 2），…|l 1-l 2|；如有第三个电子，则L 为上述每个值再与l 3作同样规律的 和，……
h m L Z =
对每个L 值，m L 可取L ，L －1，L －2，…，－L ，共（2L ＋1）个m L 值。 （3）原子的总角动量S L J +=此向量和方向也不能任意，必须满足
h J J )1(+=
对每个J 值，m J 可取J ，J －1，J －2，…，－1，共（2J ＋1）个m J 值。 光谱项
2S ＋1
L 中2S ＋1称多重性，当L ＞S 时，2S ＋1＝光谱项的数，但当L ＜S 时，光
谱支项的数目为2L ＋1，但2S ＋1仍称多重性。如需指明主量子数n ，则写为n 2S+1
L （n
2S+1
l J ），
L ＝0，1，2，3，4，5时L 处分别写S 、P 、D 、F 、G 、H 、I 、K ，…
例1 K Ga Sc Ti V Cr M Fe Co Ni Cu Zn 基态光谱项 解：K 不考虑已满壳层，则属S 1。S ＝s ＝
21，L ＝l ＝0，J ＝21
，2S （22
1S ） Ca S 2 S ＝0，L ＝0，J ＝0 1S （1S 0
Sc －
d 1 S ＝s ＝S
21，L ＝l ＝2，J ＝23,25 2D （2＋
2
3,25D ）
Cr S 1d 5 S ＝
2
3
，∑
=-+-++++==i
li L 0)2()1(0120，2
3=
J 4S （42
3S ）磁场中分裂42
3
2=?
条 Ti 等等价电子多于1个计算较复杂，《实习实验指导》有介绍其结果结构化学书上都有（表：某线态对应的谱项）。
例2 原子能级图
当原子中电子组态一定时仍可以有许多能量状态，这能量状态可用原子量子数描述，用光谱项表示，其能级高低可用原子能级图表示：
对d 2组态（如Ti ）
1S 1S 0 1条 共45个
能量状态
1
G 1
G 4 9条 3P 2 5条 3P 1P 4 3条
0P 0
1条 1D 1
D 2 5条 3F 4 9条 3F 3 7条
3
F 2
5条
3d 2 中心x 场近似
＋
静电相互作用
＋ 旋轨偶合 ＋ 外磁场
洪持规则决定光谱项和光谱支项能级相对高低：洪特第一规则：S 最大者能级最低，如S max 有多个，则其中L 最大者能级最低；对光谱支项（L 、S 相同）能量相对高低由洪
特第二规则确定：正光谱J 值越小能量越低，反光谱项J 值越大能量低。洪特规则只确定最低光谱项 而不能全面解决能级次序。
解析原子光谱线可作出原子能级图，它是现代原子结构理论的实验基础。 习题：看懂有关结构化学书上Na 或Ca 原子能级及其跃迁图 §2 原子光谱线的强度和跃迁几率 I ．玻尔兹曼分布
电弧激发（5000℃）原子体系平衡时，激发态能量为Ei 时的原子态密度Ni ＝g i e Ei/KT ，其基态EO 的原子密度N 0＝g 0e -Eo/KT ，所以
Ni/No ＝g i e -Ei/KT /g o e -Eo/KT 式中g I ＝2J ＋1（J 为光谱的J 值） 通常令E O ＝0，则E 1称为激发电压，上式可简化为
KT
Ei o
i e g g No Ni //-=
原子态密度 II ．跃迁几率（谱线强度和选择定则）
1．谱线强度设Aij 为激发态i 自发发射跃迁至状态为j 的几率，则由含时非定态薛定理方程在忽略受激发射几率Bik 时可以证明
2j
i j 334u g h
C 3ij v 64Aij π∝ KT /Ei ij ij i
i
ij ij j i e hv A g g No
hv NiA I -== 由I 态跃迁至j 态产生谱线强度：I ij ∝A ij N ij 2．选择守则 △n ＝任意 △S ＝0
△L ＝±1 （对△L ＝0，L ＝0 → L ＝0） △J ＝0，±1 （J ＝0 → J ＝0） △M J ＝0，±1 （m J ＝0 → m J ＝0） §2.3 原子光谱的测定
通过原子发射光谱可了解原子能级，可进行多种元素同定性和一些元素的定量半定量分析，原子吸收光谱条数少，广泛用于元素的定量分析（分析化学），仅介绍原子发射光谱：
I ．原子的激发
激发的方式有电弧和火花。直流电弧用于中性原子称弧光谱，交流电弧（能量高）用于离子称为离子光谱或火花光谱，一、二价离子分别称一级二级火花光谱，也有用于I 、II 、III 分别表示弧光谱及一级、二级火花光谱的。
II ．摄谱
由摄谱仪（有棱镜、光栅两种类型）将原子发射的复色光分解成单色光而记录下来。基本原理：①原子或离子激发复色光→②物镜（凸透镜）将复色光变为平行光→③棱镜使不同波长的光传播方向不同，相同波长的光仍互相平行→④暗箱物镜（凸透镜）将各平行光会聚起来，并按波长顺序排列成单色光谱线→⑤荧光屏观察或感光板感光记录。通常用玻璃感光板。参观样品感光板，已冲洗过。摄谱有三个重要指标：
1．波长范围：紫外区用石英棱镜，赖曼线系在紫外区；可见区可用玻璃棱镜，如巴尔麦线系。
2．色散率：分为角、线色散率两种表示法。角色散率是使波长差为一单位的两束光在空间分开的角度差θ，它等于波长极近的两条谱线间的角度差与该二波长差之比。
定义：λ
??
?=λ-λ?-?=
θ1212
θ只与棱镜本身性能有关，光谱线中两条相邻谱线间的距离△L 与波长△λ之比称为仪器的线色散率
定义：λ
??=
L
D D 既与棱镜性能也与其元件有关。
3．分辨率：刚刚能分开的两条谱线的平均波长λ与该二波长之差△λ之比称为摄谱仪的分辨率。
定义：λ
?λ=
D III ．测波长
将样品和作为内标的铁合摄的光谱（常摄数张，使可选冲洗后最清晰者）中铁光谱特征线与铁标准光谱特征线对齐，在杨谱仪上用谱线间相对距离即求出各谱线之波长。
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
例：未知光谱中内标与标准光谱特征谱对齐后样品谱线与标准谱线有如图所示的关系，则由于标谱线λ
1，2，3，4……10都是已知波长，
待侧谱线λX1，2，3……均可用对比法求出，例如求λ3的波长，据图有如下关系：
AB
AC
5653x =λ-λλ-λ，所以
)(AB
AC
5653x λ-λ+
λ=λ 只需精确量出AC 、AB 长度，即可求得λX3，其它λX 求法类同。
IV ．测强度
用测微光度计（黑度计）测感光板冲洗后谱线的黑度，黑度定义为
I I log
S = I 0——炮光发射光通过底片未感光部分后强度；I ——通过光说线后的强度。 原子发射光谱是原子结构理论的实验基础，原子结构理论的结论必须能解释原子各光谱才是正确的。目前原子发射光谱广泛应用于地球、月球、陨石矿物元素全分析（定性、半定量、定量）
原子吸收光谱最广泛应用于样品中杂质元素的定量分析，通常用标准曲线法选与其它元素分离好的特征谱线进行测量。原子吸收光谱和发射光谱都是原子核外价电子跃迁引
起的。而原子的内层电子跃迁所引起的光谱数为：§2、5。
§2.5 原子的X 射线谱及X 射线荧光光谱 I 、原子的X 射线谱 1．连续X 射线
当高速运动的电子在与靶原子多次碰撞迅速减速而产生的。如果电子在第一次碰撞时即被制止，所产生的是能量最大的光子，即最短波长的X 射线：
短
λ=
ν=ν=hc
h 2m ev 2 为V 用伏特e 用静电位λ短用A 则 m 10V 124A V 12400300
V 108.41010310625.6ev hc 61081027-?==?
?????==λ--伏
短
λ
短
是X 射线短波极限值，电子与原子多次碰撞才被制止，X 射线能量依次减小，短
波的极限值决定于加速电子的电压值，连续X 射线总强度
I 连续＝AiZV 2
A 为常数，相同电流电压下重原子产生X 射线强度较大。 2．特征X 射线
当高速电子的能量（决于加速电压）高到某一临界值时，便会在某一波长处出现强度非常大的谱线，叠加在连续光谱上，这是分析的基础。
每种元素的K 系或L 系特征X 射线频率各不相同，且随Z 的增加呈现出有规律的变化，此规律可用Mosley 定理描述：X 射线频率的平方根与原子序数Z 有线性关系（对Ka 线来说，取一级近似用（Z －1），核类氢离子，б取1）：
]n
1121[R )2(22-σ-=ν
这是用原子结构一级近似导出的，摩斯莱用谱线数据推得：
v＝a（z－b）
同一组谱线Ka或Kβ的a和b的数值是相同的，v＝az－ab，所以，v与Z在同一组谱线（即次外层向同一层跃迁的谱线）K、L或M应各为直线，事实正是这样。
3．“原子的X射线谱”（特征生成分析）用于结构分析。例，许多固体有多种元素构成，有些材料在使用过程中有些元素有向表面偏析或表面被腐蚀变质，可通过表面技术，如扫描电镜和X探针检查表面或微区成分的变化，这是扫描电X－射线能谱分析的基础（）。
II．原子的X射线荧光光谱
（激发源不同，用X－射线作为激发源）
原子的X射线荧光光谱或称荧光X射线光谱，实际就是特征X射谱。有些物质经某种能量较高光照射后能立即发出不同颜色及不同强度的可见光，照射停止，这种光也随之消失，此光称为荧光；用X射线作激发手段来照射样品，样品立即发射次级X射线，仿前称之为荧光X射线，其产生机理与特征X射线相同，只是改高能电子为X射线作激手段而已，因此荧光X射线本质上就是特征X射线。
高能X射线照射样品，探测次生X射线能量（λ或v），可知元素种类，从谱线强可了解元素含量，这是X射线荧光分析的基础。
第三章分子光谱
§3.1 分子光谱的产生及分类
3.1.1 分子能级及其跃迁
分子整体能量E＝E e电子＋E振＋E振＋E核＋E体＋E内旋转，化学实验条件下E核不变化，后两项小而可忽略，所以E＝E电子＋E振＋E转，分子能级跃迁时放出和吸收的辐射频率V 为
h Er
h E h Ee h Er r 'E h E 'E h Ee e 'E h E 'E ?+
ν?+?=-+ν-ν+-=-=
ν hC
Er hC E hC Ee C ~?+ν?+?=ν=ν 由于Ee 、Ev 、Er 都量子经的，因此吸收、放出的辐射也是量子化的，分子通常处于基态（多为单重态），微小的能量变化引起转动能级跃（0.04KJ/mol ），21KJ/mol 为振动能级差的数量，电子能级差约418KJ/mol ，能级之间跃迁也遵循一定的规律。
II ．分子级级跃迁基本特征
该原理决定着分子的不同电子态的振动及能级间跃迁的光谱强度。由于核骨架比正在激发之电子相比能量大很多，所以此原理规定，由于电子跃迁非常快，核保持静止，也就是说发生垂直跃迁，即从某种核骨架结构的低电子能态跳到同一核骨架结构的高电子能态，当基激电子态能量曲线形状相同，且正好上下对正时则垂直跃迁无振动精细结构。但一般情况是有振动激发，即保持核间距基→激态跃迁后，处于振动激态。此原理的量子力学基础两个电子态的振动波函数之间的重叠。重叠最大的两个振动态之间的跃迁最强，从电子基态振动基态的平衡位置画一条垂直向上的直线，与高电子态势能曲线相交，由于在交点附近的振动波函数有相当大的振幅，因此它们与振动基态的重叠最强，实验观察到的振动强度分布，正是基态和激发振动态波函数之间重叠程度不同的反映。右图为Franck-Condon 原理的量子力学基础，最强的跃发生可与低能态的最低振动能级波函数重叠最大的态上，图中用阴影标出其光谱示于左侧。
III ．Franck-Herte experiment ，分子能量量子化证据 3.1.2 分子光谱的分类 I ．分子吸收光谱
转动光谱：吸收辐波数0.033～10（微波）和30～400cm－1，线状光说
振动光说：吸收辐波数400－104cm-1近红外光谱，同时包含转动能级跃迁，为振转带状光谱
电子光谱、分可见光谱（1.25×104～2.5×104cm-1）近紫外（2.5×104～5×104cm-1）和远紫外光谱（5×104～105cm-1），可能同时包含振动和转动能级跃迁，但由于仪器灵敏度有限，光谱中多不含转动信息。
II．分子发射光谱（研究分子处于激发态时分子的结构和性质）
1．荧光过程荧光是分子从激发态跃迁至基态时发射的光，通常基态分子为单重态So，吸收光子多跃迁至单重激态S1、S2、…产生吸收光谱，10－6×10－8秒回到基态时发射荧光，如吸收发射波数相同称为共振荧光，但高激态也可能因碰撞去活到较低激态再跃迁于基态，据此可知荧光光谱和吸收光谱有镜像对称关系。此说法不确切，因为反映激态振动结构吸收光谱和反映基态振动结构的荧光光谱间距、强度规律不尽相同。
特征条件：1、吸收跃迁遵守弗兰克－康登原理；2、由于无辐射跃迁，使分子电子从激态振动基态跃迁到电子基态各振动态，所以荧光频率低于入射光频率；3、荧光可能出现（电子基态的）振动结构，从中可求基态分子力常数。实例：时毫的闪光衣。
2．磷光。不同于荧光，激发光源移走后，发射可持续相当长时间，荧光则瞬间停止。磷光产生机理与荧光不同，全部自盲都配对的基态分子（单态So）吸收光子后跃至激发态单态能级，同时伴随振动的激发，如导致产生荧光的振动活不是很快，且当激发态的单态和三重态振动能级有重合时，在分子从振动阶梯下降时，从单态转入三重态（系间窜跃ISC）几率不等于零，到三重态底部，分子发现自己陷入困境，同样旋轨偶合使T1→So变为弱允许，是个慢过程，照射停止后可持续进行，所以磷光包含多重性转变是与荧光机理不同
之处。重原子旋轨偶合强重（原子效应）使系间窜跃率增大。另外，某些分子重新爬回单态S1，接着回到So，也是可能的称为慢荧光。磷光机理可由光照样品的顺磁性判定。
关于分子光谱产生的机理及相互关系，可从双原子分子的电子－振动－转动能级和跃迁图了解个概况。见217页图。
§3.2 分子吸收光谱的实验方法和表示方法
由于分子光谱吸收光谱最重要，因此着重介绍
3.2.1 研究分子吸收光谱的实验方法
研究分子吸收光谱仪器称为分光光度计，其主要部件为光源、样品、分光影和检测记录器等。连续变化含各种波长的光通过样品进行聚光、分光和检测记录，按分光器分棱镜光谱仪和光栅光谱仪两大类。由于分子光谱的波长涉及微波到紫外，范围很大，分光仪只能分段设计，因此分为微波、远红外、近红外、可见近紫外、远紫外六个区域。每个光谱区的光源、样品、分光器和检测器的材料各有不同特点：
①可见区分光器可用玻璃棱镜或光栅，光源可用钨丝玻璃灯泡，样品一般用液体，样品池也可用普通玻璃制造，检测器用光电管或光电池；
②近紫外区技术上稍难一些，需要用石英棱镜、石英样品池和石英灯泡。
③远紫外区技术很困难，因为测量需要在真空中常称真空紫外光谱（因空气中氧在180－1900nm有吸收），棱镜则要用莹石（CaF2）或LiF制造（石英在190nm以下有吸收）
④近红外在研究分子结构方面威力大，光源用碳化硅椴或ZrO2（85％）－Y2O3（15％）棒（样品名Nerst棒），通过电热发光，检查器用热电偶或热敏电阻，利用它们受热产生电位差或电阻变化来测量光强，用棱镜或光栅分光，棱镜和吸收池等要用岩盐（NaCl）、LiF、KBr或其它透过红外线的材料制成（环境温度、湿度要严加控制），空气
中H 2O 、CO 2也能吸收红外线，要设法避免。
⑤远红外区光谱光子能量低，测量易受干扰，技术上更困难
计算机和激光技术应用出现福里哀变换红外光谱仪和可调频率激光红外光谱仪使测量范围和精度大大提高。
⑥微波区 不用分光器而用雷达无线电技术，光源是从电振荡器发出的单色电磁波，其频率可连续改变，测量样品对它的吸收情况即得微波谱。
3.2.2 吸收定律和吸收光谱表示方法
1．吸收定律即比尔（Beer ）－朗伯（lambert ）定律。设λ为通过样品光的波长，I λ
为透过光强，它与λ射无强I 0λ成正比，L －样品厚度，样品浓度C ，吸收定律表示为
I λ＝I 0λ10
－E λ
cl
E λ——样品对波长λ的光的吸收系数，E λ表示样品对波长λ的光的吸收能力大，C 以mol/L ，L 以cm 时E λ记为ε
λ
称为摩尔吸光系数。
2．定义透光率
d O 10I I T ελ-λ
λ
==
吸收光谱可用T （纵坐标）和λ（横坐标）的关系表示出来，这时曲线上的名称为吸收峰。
3．有时用吸收率1－T 为纵坐标作图，吸收极大位置便是吸收峰，样品吸收该λ的光说明分子中有对应的能量间隔。
4．吸收光谱中还常用吸收度A 作纵坐标
d I I tg
T lg A o ελ==-=λ
λ
定量分析更方便 ：固定样品也（固样）测不同浓度标准溶液的A 作标准曲线，用于未知浓度溶液的分析。
§3.3 分子的转动光谱
3.3.1 双原子分子的转动光谱
I ．刚性转子模型——把双粒子转动化为单粒子转动。 忽略两原子体积和核单距的变化，则双原子分子转动能
22eg 222
C B B 2C A A 2B B 2A A IW 2
1W R 21W )R m R m (21m 21m 21=μ=+=ν+ν=ε转
即AB 双原子分子的转动与质量为μ的单粒子转动等价2
eg B
A B A R I ,m m m m μ=+=
μ对比
平动，m 2/m m 2
12
2=ν=ε动，其中v m P ?=，定义角却是W I M ?=，则
2
|M |I 21 =ε转
仿22))1l (l (|L |+=
l=0，1，2……可推得
在量子力学体系中
22
))1J (J (|M |+= J=0，1，2……
故)1J (J I
8h )1J (J I 21222
+π=+=ε转
以波数表示的转动能级即谱项F J 为
)1J (BJ )1J (J IC 8h
)J (F 2+=+π=
)cm (IC 8h
B 12-π=
选律：偶级矩＝0分子无红外光谱，偶极不为零时△J ＝±1。 II ．对分子转动吸收光谱的解积
当△J ＝＋1时（吸收）转动光谱谱线波数为 υ（J ）＝F （J ＋1）－F （J ）＝2B （J ＋1） J →J ＋1 0→1 1→2 2→3 … J →J ＋1 ↓ ↓ ↓
能级差 2B 4B 6B 2B （J ＋1）
可解积HCl 远红外光谱基本上等间距（图6.2-2，227页）；实际J 增大时，谱线间距
习题：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章答案：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章 3-2 略。 3-2试述位错的基本类型及其特点。 解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。 3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？ 解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。 3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？ 解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。 2.<15%连续。 3.>40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（ 3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。 影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。 解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低， 3-6说明下列符号的含义：V Na，V Na'，V Cl˙，（V Na'V Cl˙），Ca K˙，Ca Ca，Ca i˙˙解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。 3-7写出下列缺陷反应式：（l）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；（2）CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶体；（3）NaCl形成肖特基缺陷；（4）Agl形成弗伦克尔缺陷（Ag+进入间隙）。
一、实验目的 1.观察不同材料在显微镜下的显微结构。 2.掌握偏光显微镜结构和使用方法。 3.学会利用偏光显微镜区分均质体和非均质体。 二、实验原理 材料的化学组成和显微结构是决定材料性能及应用效果的本质因素，研究材料的显微结构特征及其演变过程以及它们与性能之间的关系，是现代材料科学研究的中心内容之一。材料的显微结构与材料制备中的物理化学变化密切相关，通过显微结构分析，可以将材料的“组成－工艺过程－结构－性能”等因素有机地联系起来，对控制材料性能、开发新材料显得特别重要。 显微组织是决定材料各种性能最本质的因素之—，材料显微组织主要包括多晶材料中晶界的特征及多晶中晶粒的大小、形状和取向，对陶瓷材料和高分子材料还包括晶相及非晶相(玻璃相)的分布；气孔的尺寸、数量与位置，各种杂质、添加物、缺陷、微裂纹的存在形式及分布；对金属材料还包括共晶组织、马氏体组织等。 光学显微分析是利用可见光观察物体的表面形貌和内部结构，鉴定晶体的光学性质。透明晶体的观察可利用透射显微镜，如偏光显微镜。而对于不透明物质的观察只能使用反射显微镜，如金相显微镜。利用光学显微镜对晶体或非晶体材料进行鉴定，是研究材料的重要方法之一。 结晶相是材料的一个重要组成部分，大部分的材料都包含有各种晶相。这些晶相的种类、生长环境和形貌等性质对材料的结构、性能等具有重要影响。利用偏光显微镜则可以对晶相的上述特征进行鉴定和分析。自然界的晶体种类繁杂，但各种晶体都有其独特的光学特性。每一种晶体都有一定的生长习性、颜色等光学特性，利用偏光显微镜可以准确地测定各种晶体光学性质，对晶体鉴定具有重要意义。 三、偏光显微镜的构造和使用方法 1.偏光显微镜的基本构造
（一） 1 谈谈你对材料学科及材料四要素之间的关系的认识 2 金属键与其它结合键有何不同，如何解释金属的某些特性？ 3 说明空间点阵、晶体结构、晶胞三者之间的关系。 4 晶向指数和晶面指数的标定有何不同？其中有何须注意的问题？ 5 画出三种典型晶胞结构示意图，其表示符号、原子数、配位数、致密度各是什么？ 6 画出立方晶系中（011），（312），[211],[211],[101],(101) 7, 画出六方晶系中（1120），（0110），（1012），（110），（1012） 8. 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 9．在立方系中绘出｛110｝、｛111｝晶面族所包括的晶面，及（112）和（120）晶面。标出具有下列密勒指数的晶面和晶向： a)立方晶系(421)，() 123，(130)，[211]，[311]；
10．在立方系中绘出｛110｝、｛111｝晶面族所包括的晶面，及（112）和（120）晶面。 11．计算面心立方结构（111）、（110）与（100）面的面密度和面间距。 12. 标出具有下列密勒指数的晶面和晶向： a)立方晶系(421)，()123，(130)，[211]，[311]； b)六方晶系()2111， ()1101，()3212，[2111]，1213????。 13 在体心立方晶系中画出{111}晶面族的所有晶面。 14 画出<110>晶向族所有晶向
15.写出密排六方晶格中的[0001],(0001),()1120,()1100,()1210 16. 在一个简单立方晶胞内画出一个（110）晶面和一个[112]晶向。 17. 标出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 立方晶系(421)，()123，(130)，[211]，[311]； 18.计算晶格常数为a 的体心立方结构晶体中八面体间隙的大小。 19.画出面心立方晶体中（111）面上的[112]晶向。 20.已知某一面心立方晶体的晶格常数为a ，请画出其晶胞模型并分别计算该晶体 的致密度、{111}晶面的面密度以及{110}晶面的面间距。 21.表示立方晶体的（123），[211],()012 22. 写出密排六方晶格中()1120,()1100,()1210[2111]，1213???? 23. 画出密排六方晶格中的[0001], ,()0110,()1010,[2110],[1120] 24 在面心立方晶胞中的(1 1 1)晶面上画出[110]晶向 25 指出在一个面心立方晶胞中的八面体间隙的数目，并写出其中一个八 面体间隙的中心位置坐标。假设原子半径为r ，计算八面体间隙的半径。 26.画出密排六方晶格中的(0001),()1120,()1100,()1210 27.立方晶系中画出（010），（011），（111），（231），[231],[321] 29.计算晶格常数为a 的面心立方结构晶体中四面体间隙和八面体间隙的大小。（4分） 30.写出立方晶系{}110、{}123晶面族的所有等价面 31.立方晶胞中画出以下晶面和晶向：()102，(112)，(213) ，[110], 32.六方晶系中画出以下晶面和晶向：(2110)，(1012)，1210????，0111???? 33.写出立方晶系{}100、{}234晶面族的所有等价面 34.画出立方晶胞内（111），[112], 35.画出六方晶胞内（1011），[1123]
注意：习题按以下内容结构给出， 加深理解本课程的内容和结构。 绪论 第一篇材料的原子结构 第一章材料的原子结构 第二篇材料的晶体结构与缺陷 第二章材料的结构 第三章晶体结构缺陷 第七章晶态固体材料中的界面 第三篇材料的组织结构 第五章相平衡与相图 第四章晶态固体中的扩散 第六章材料的凝固-----材料的制备工艺基础理论 材料的结构 相图与相变 【综合习题】 绪论 一、填空题 1、材料科学主要研究的核心问题是结构和性能的关系。 材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是原子水平，第二个水平是原子的排列方式，第三个水平是显微组织。2. 根据材料的性能特点和用途，材料分为结构材料和功能材料两大类。 根据原子之间的键合特点，材料分为金属、陶瓷、 高分子和复合材料四大类。 第一篇材料的原子结构 第一章材料的原子结构 一、填空题
1. 金属材料中原子结合以金属键为主，陶瓷材料（无机非金属材料）以 共价键和离子键结合键为主，聚合物材料以共价键和氢键和范德华键为主。 第二篇材料的晶体结构与缺陷 第二章材料的结构 一、填空题 1、晶体是基元以周期性重复的方式在三维空间作有规则排列的固体。 2、晶体与非晶体的最根本区别是晶体长程有序，非晶体长程无序短程有序。 3、晶胞是晶体结构中的最小单位。 4、根据晶体的对称性，晶系有 3 大晶族，7 大晶系，14 种布拉菲Bravais 点阵，32 种点群，230 种空间群。 5、金属常见的晶格类型有面心立方、体心立方、密排六方。 6、fcc晶体的最密排方向为【111】，最密排面为（110），最密排面的堆垛 顺序为ABCABCABC……。 7、fcc晶体的致密度为0.84 ，配位数为12 ，原子在（111）面上的原子配位 数为 6 。 8、bcc晶体的最密排方向为【110】，最密排面为（111），致密度为0.76 ， 配位数为8 。 9、晶体的宏观对称要素有对称点、对称轴、对称面。 10、CsCl型结构属于简单立方格子，NaCl型结构属于面心立方格子，CaF2 型结构属于面心立方格子。 11、MgO晶体具有NaCl 型结构，其对称型是3L4 4L3 6L2 9PC ， 晶族是高级晶族，晶系是立方晶系，晶体的键型是离子键。 12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是氧硅四面体。 13、几种硅酸盐晶体的络阴离子分别为[Si2O7]6-、[Si2O6]4-、[Si4O10]4-、[AlSi3O8]1-， 它们的晶体结构类型分别为，，，和。 14、表征晶体中晶向和晶面的方法有解析法和图示法。 二、分析计算 1、（2-3）（1）晶面A在x、y、z轴上的截距分别是2a、3b和6c，求该晶面的米勒指数；（2）晶面B在x、y、z轴上的截距分别是a/3、b/2和c，求该晶面的米勒指数。 2、（2-4）在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向，每一组画在同
1陶瓷烧结过程中影响气孔形成的因素有哪些？ (1)煅烧温度过低、时间过低 (2)煅烧是时原料中的水碳酸盐、硫酸盐的分解或有机物的氧化 (3) 煅烧时炉内气氛的扩散 (4) 煅烧时温度过高，升温过快或窑内 气氛不合适等。 夏炎2.影响陶瓷显微结构的因素有哪些？ 参考答案：(1) 原料组成、粒度、配比、混料工艺等 (2) 成型方式、成型条件、制品形状等 (3)干燥制度（干燥方式、温度制度、气氛条件、压力条件等） (4) 烧成制度（烧成方式、窑炉结构、温度制度、气氛条件、压力条 件等） 3. 提高陶瓷材料强度及减轻其脆性有哪些途径？ 参考答案：a.制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷。例如，采用热等静压烧结制成 的Si 3N 4 气孔率极低，其强度接近理论值。 b.在陶瓷表面引入压应力可提高材料的强度。钢化玻璃是成功应用这 一方法的典型例子。 c.消除表面缺陷，可有效地提高材料的实际强度。 d.复合强化。采用碳纤维、SiC纤维制成陶瓷/陶瓷复合材料，可有 效地改善材料的强韧性。 e.ZrO 2与增韧。ZrO 2 对陶瓷的强韧化的贡献有四种机理（相变增韧、微裂纹增韧、 裂纹偏转增韧、表面残余应力增韧）罗念 4.影响氧化锆相变增韧的因素是什么？简单叙述氮化硅陶瓷具有的性能及常用的烧结方法。 ①晶粒大小。当晶粒尺寸大于临界尺寸易于相变。若晶粒尺寸太小，相变也就难以进行。 ②添加剂及其含量使用不同的添加剂， t-ZrO2的可转变最佳晶粒大小、范围也不同。 ③晶粒取向。晶粒取向的不同而影响相变导致增韧的机制。 氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐化学溶液和熔体的腐蚀、高电绝缘体、低热膨胀和优良抗热冲击、抗机械冲击等性能。烧结方法：反应烧结氮化硅、无压烧结氮化硅、重烧结氮化硅、气氛加压氮化硅和热压烧结氮化硅。——李成5.气孔对功能陶瓷性能的影响及降低功能陶瓷中的气孔量的措施？ 气孔均可使磁感应强度、弹性模量、抗折强度、磁导率、电击穿强度下降，对畴运动造成钉扎作用，影响了铁电铁磁性。另外，少量气孔亦会严重降低透光性。添加物的引入不仅可阻止二次重结晶，亦可以使气孔由晶界排出。为了降低功能陶瓷中的气孔量，可采用通氧烧结，成型时增大粒子流动性提高生坯密度，研究玻璃相对主晶相的润湿等措施。韦珍海6.瓷轴基本上是一层玻璃体，但从显微结构的角度来看，它可以分成几大类釉层并举例说明其中一种的釉层特点？ 参考答案：釉层可为三大类：玻璃釉、析晶釉（或称结晶轴）和分相釉.以玻璃釉为例，玻璃釉一般是无色透明的，由硅酸盐玻璃所组成。釉层除了多少有些釉
《材料科学基础》上半学期容重点 第一章固体材料的结构基础知识 键合类型（离子健、共价健、金属健、分子健力、混合健）及其特点；键合的本质及其与材料性能的关系，重点说明离子晶体的结合能的概念； 晶体的特性（5个）； 晶体的结构特征（空间格子构造）、晶体的分类； 晶体的晶向和晶面指数（米勒指数）的确定和表示、十四种布拉维格子； 第二章晶体结构与缺陷 晶体化学基本原理：离子半径、球体最紧密堆积原理、配位数及配位多面体； 典型金属晶体结构； 离子晶体结构，鲍林规则（第一、第二）；书上表2－3下的一段话；共价健晶体结构的特点；三个键的异同点（举例）； 晶体结构缺陷的定义及其分类，晶体结构缺陷与材料性能之间的关系（举例）； 第三章材料的相结构及相图 相的定义 相结构 合金的概念：
固溶体 置换固溶体 （１）晶体结构 无限互溶的必要条件—晶体结构相同 比较铁（体心立方，面心立方）与其它合金元素互溶情况（表３－１的说明） （２）原子尺寸：原子半径差及晶格畸变； （３）电负性定义：电负性与溶解度关系、元素的电负性及其规律；（４）原子价：电子浓度与溶解度关系、电子浓度与原子价关系；间隙固溶体 （一）间隙固溶体定义 （二）形成间隙固溶体的原子尺寸因素 （三）间隙固溶体的点阵畸变性 中间相 中间相的定义 中间相的基本类型： 正常价化合物：正常价化合物、正常价化合物表示方法 电子化合物：电子化合物、电子化合物种类 原子尺寸因素有关的化合物：间隙相、间隙化合物 二元系相图： 杠杆规则的作用和应用； 匀晶型二元系、共晶（析）型二元系的共晶（析）反应、包晶（析）
型二元系的包晶（析）反应、有晶型转变的二元系相图的特征、异同点； 三元相图： 三元相图成分表示方法； 了解三元相图中的直线法则、杠杆定律、重心定律的定义； 第四章材料的相变 相变的基本概念：相变定义、相变的分类（按结构和热力学以及相变方式分类）； 按结构分类：重构型相变和位移型相变的异同点； 马氏体型相变：马氏体相变定义和类型、马氏体相变的晶体学特点，金属、瓷中常见的马氏体相变（举例）（可以用许教授提的一个非常好的问题――金属、瓷马氏体相变性能的不同――作为题目） 有序-无序相变的定义 玻璃态转变：玻璃态转变、玻璃态转变温度、玻璃态转变点及其黏度按热力学分类：一级相变定义、特点，属于一级相变的相变；二级相变定义、特点，属于二级相变的相变； 按相变方式分类：形核长大型相变、连续型相变（spinodal相变）按原子迁动特征分类：扩散型相变、无扩散型相变
绪论 3分析测试技术的发展的三个阶段？ 阶段一：分析化学学科的建立；主要以化学分析为主的阶段。 阶段二：分析仪器开始快速发展的阶段 阶段三：分析测试技术在快速、高灵敏、实时、连续、智能、信息化等方面迅速发展的阶段4现代材料分析的内容及四大类材料分析方法？ 表面和内部组织形貌。包括材料的外观形貌（如纳米线、断口、裂纹等）、晶粒大小与形态、各种相的尺寸与形态、含量与分布、界面（表面、相界、晶界）、位向关系（新相与母相、孪生相）、晶体缺陷（点缺陷、位错、层错）、夹杂物、内应力。 晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类型和晶体常数，和相组成。 化学成分和价键（电子）结构。包括宏观和微区化学成份（不同相的成份、基体与析出相的成份）、同种元素的不同价键类型和化学环境。 有机物的分子结构和官能团。 形貌分析、物相分析、成分与价键分析与分子结构分析四大类方法 四大分析：1图像分析：光学显微分析（透射光反射光），电子（扫描，透射），隧道扫描，原子力2物象：x射线衍射，电子衍射，中子衍射3化学4分子结构：红外，拉曼，荧光，核磁 获取物质的组成含量结构形态形貌及变化过程的技术 材料结构与性能的表征包括材料性能，微观性能，成分的测试与表征 6.现代材料测试技术的共同之处在哪里？ 除了个别的测试手段（扫描探针显微镜）外，各种测试技术都是利用入射的电磁波或物质波（如X射线、高能电子束、可见光、红外线）与材料试样相互作用后产生的各种各样的物理信号（射线、高能电子束、可见光、红外线），探测这些出射的信号并进行分析处理，就课获得材料的显微结构、外观形貌、相组成、成分等信息。 9.试总结衍射花样的背底来源，并提出一些防止和减少背底的措施 衍射花样要素：衍射线的峰位、线形、强度 答:(I)花材的选用影晌背底; (2)滤波片的作用影响到背底;(3)样品的制备对背底的影响 措施：（1）选靶靶材产生的特征x射线（常用Kα射线）尽可能小的激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样背底，使图像清晰。（2）滤波，k系特征辐射包括Ka和kβ射线，因两者波长不同，将使样品的产生两套方位不同得衍射花样;选择浪滋片材料，使λkβ靶<λk滤<λkα，Ka射线因因激发滤波片的荧光辐射而被吸收。(3)样品，样品晶粒为50μm左右，长时间研究，制样时尽量轻压，可减少背底。 11.X射线的性质; x射线是一种电磁波，波长范围:0.01~1000à X射线的波长与晶体中的原子问距同数量级，所以晶体可以用作衍射光栅。用来研究晶体结构，常用波长为0.5~2.5à 不同波长的x射线具有不同的用途。硬x射线:波长较短的硬x封线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软x射线:波长较长的软x射线的能量较低，穿透性弱，可用干分析非金属的分析。用于金属探伤的x射线波长为0.05~0.1à当x射线与物质(原子、电子作用时，显示其粒子性，具有能量E＝h 。产生光电效应和康普顿效应等 当x射线与x射线相互作用时，主要表现出波动性。 x射线的探测:荧光屏（ZnS），照相底片，探测器
1、X射线衍射仪 主要用途：材料结构相关的多方面分析：金属、陶瓷、矿物及人工合成的无机晶体；有机 晶体；非晶态；聚合物、各种复合材料等。 研究和分析内容：物相鉴定，相变，非晶态晶化过程，聚合物、聚集态结构，多晶择优取向，结晶度，晶格常数，一定范围的长周期测定，单晶定向，外延膜晶格匹配等等。 2、金相显微镜 用于研究金属的显微组织，作金属学与热处理、金属物理学、炼钢与铸造过程等金相试验 研究之用，能在明场、暗场和偏光下进行观察、投影和摄影 3、高分辨透射电子显微镜 主要用于材料内部的显微结构分析和微区成分的定量分析，主要应用如下： 物相鉴定，采用电子衍射花样和电子显微图像相结合的方法，对未知物相进行研究判定。 材料显微结构的表征，如材料的形貌、尺度、晶界、相界、孪晶、层错、位错、取向关系 等等，在一定条件下，可获得材料相变过程及显微结构变化的信息。 高分辨晶格点阵像和原子结构像的获得，可揭示材料在原子分辨尺度上的显微结构细节， 对物相鉴定，结构表征更有助益。 利用X射线能谱对材料的微小区域进行定量分析，把材料的结构研究和成分分析结合起来，有益于对材料的全面了解。 4、场发射扫描电子显微镜 主要用于观察材料表面的微细形貌、断口及内部组织，并对材料表面微区成分进行定性和 定量分析，主要用途如下： 无机或有机固体材料断口、表面形貌、变形层等的观察和机理研究 金属材料的相分析、成分分析和夹杂物形态成分的鉴定 观察陶瓷、混凝土、生物、高分子、矿物、纤维等无机或有机固体材料表面形貌。微型加 工的表征和分析集成电路图形及断面尺寸，PN结位置，结区缺陷。 金属镀层厚度及各种固体材料膜层厚度的测定。 研究晶体的生长过程、相变、缺陷、无机或有机固体材料的粒度观察和分析 进行材料表面微区成分的定性和定量分析，在材料表面做元素的面、线、点分布分析。 5、电子探针显微分析仪 材料表面微区（微米级、亚微米级）化学组成的高速定性或定量分析； 材料表面或截面（包括纳米薄膜）的点扫描、线扫描（涂层或梯度结构中成分分布信息）、面扫描（成分面分布图像）分析； 材料表面形貌观察（二次电子像、背散射电子像、断口表面分析）； 材料或生物组织的扫描透射电子像（STEM）观察； 工业产品质量评价和失效分析。 6、热膨胀仪 可用于精确测量材料在热处理过程中的膨胀或收缩情况，且还可提供提供c-DTA（计算型DTA）功能。可用来研究材料的线性热膨胀、热膨胀系数(CTE)、烧结温度、烧结步骤、 相变、分解温度、玻璃化转变温度、软化点、软化温度、密度变化、添加剂对原材料的影 响等。右图所示为铁的线性热膨胀系数和热膨胀系数。在氦气气氛下以5 ℃/min测量。在
实用标准 完成时间：2016年XX月XX日
摘要 材料分析检测技术，是关于材料成分、结构、微观形貌的检测技术及相关理论基础的研究，在众多领域的研究和生产中被广泛应用。本报告以Mg/Al扩散焊接接头的检测分析为例，分别介绍了扫描电镜（SEM）、X光衍射技术（XRD）、电子探针（EPMA）等材料微结构表征手段和显微硬度、断裂强度测试等材料力学性能测试手段的具体应用。 关键词：材料分析；微观形貌；力学性能 Abstract Material analysis and testing technology are detection technologies and theoretical foundations about material composition, structure, microstructure. They are widely used in many fields of research and production. This report introduce the detection of Mg/Al diffusion bonding joint as an example, and discusses the application progress of X-ray diffraction technology in material analysis, such as SEM, XRD, EPMA which are used for material microstructure analysis and microhardness, breaking strength which are used for mechanical properties testing. Keywords: materials analysis; microstructure; mechanical properties
《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此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材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：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或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件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力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）
谈陶瓷显微组织与材料性能之间的关系 陶瓷材料的物理性能在很大程度上取决于其显微结构，在某些情况下甚至是决定性的，掌握它们之间的内在关系可以有针对性地优化制备工艺，从而提高陶瓷的物理性能。 陶瓷是多晶多相的材料，其显微组织包括：多晶相的种类，晶粒的大小、形态、取向和分布，位错、晶界的状况，玻璃相的形态和分布，气孔的形态、大小、数量和分布，各种杂质、缺陷、裂纹存在的开式、大小、数量和分布，畴结构的状态和分布等。在显微镜下研究陶瓷材料的显微组织，找出其物相组成、组织、性能之间的联系和规律是发展新型陶瓷材料的基础。 陶瓷材料主要组成相为晶体相、玻璃相和气相。研究陶瓷显微组织与性能之间的关系，就是要研究晶体相、玻璃相和气相分别对材料性能的影响。研究这个问题有着重要的意义，主要有以下几点： （1）当我们了解了陶瓷显微组织与材料性能之间的关系后，我们就可以通过研究陶瓷的显微组织结构而对材料的性能做出评价。 （2）通过对陶瓷的结构缺陷的检测分析，从显微组织上找出其缺陷原因，我们可以提出改善或防止结构缺陷的措施。 （3）通过材料的显微组织研究，从材料物理化学的基本原理出发，为新材料的设计或材料改性提供依据或参考。 （4）研究工艺条件对显微组织的影响，通过优化生产工艺，提高材料的性能。 一、晶体相对材料性能的影响 晶相是由原子、离子、分子在空间有规律排列成的结晶相。晶相是决定陶瓷材料性能呢个的主导物相。由于陶瓷是多晶材料，故晶相又可分为主晶相、次晶相、析出相和夹杂相。此时主晶相就成为主导陶瓷性能的主导晶相。主晶相是材料的主要组成部分，材料的性能主要取决于主晶的性质。次晶相是材料的次要组成部分。例如Si3N4材料中的颗粒状的六方结构的相β-Si3N4为主晶相；针状的菱方结构的α-Si3N4为次晶相，含量较少。析出相，由粘土、长石、石英烧成的陶瓷的析出相大多数是莫来石，一次析出的莫来石为颗粒状，二次析出的莫来石为针状，可提高陶瓷材料的强度。夹杂相：不同材料夹杂相不同。夹杂相量很少，其存在都会使材料的性能降低。另外，晶相中还存在晶界和晶粒内部的细微结构。晶界上由于原子排列紊乱，成为一种晶体的面缺陷。晶界的数量、厚度、应力分布以及晶界上夹杂物的析出情况对材料的性能都会产生很大影响。晶粒内部的微观结构包括滑移、孪晶、裂纹、位错、气孔、电畴、磁畴等。 1.1．主晶相对材料性能的影响 氧化铝陶瓷具有强度高、耐高温、电性能和耐化学侵蚀性优良的性能，就是因为其主晶相刚玉（α-Al2O3）是一种结构紧密、离子键强度很大的晶体。 75氧化铝瓷是氧化铝的一种，含有75%的α-Al2O3，是一种电真空陶瓷。其显微组织如图1-1所示，大部分为白色的氧化铝晶体，晶间三角处为暗黑色的玻璃相，圆形的黑洞为气孔，其中形态规则的为晶粒剥落坑。
材料科学基础第一章习题答案 1. (P80 3-3) Calculate the atomic radius in cm for the following: (a) BCC metal with a 0=0.3294nm and one atom per lattice point; and (b) FCC metal with a 0=4.0862? and one atom per lattice point. Solution: (a) In BCC structures, atoms touch along the body diagonal, which is 3a 0 in length. There are two atomic radii from the center atom and one atomic radius from each of the corner atoms on the body diagonal, so 340r a = 430a r ==0.14263nm=1.4263 810-?cm (b) In FCC structures, atoms touch along the face diagonal of the cube, which is
02a in length. There are four atomic radii along this length —two radii from the face-centered atom and one radius from each corner, so 240r a =, 420 a r ==1.44447 ?=1.44447810-?cm 2.(P80 3-4) determine the crystal structure for the following: (a) a metal with a0=4.9489?, r=1.75?, and one atom per lattice point; and (b) a metal with a0=0.42906nm, r=0.1858nm, and one atom per lattice point. Solution: We know the relationships between atomic radii and lattice parameters are 430 a r =
材料科学基础第一章部分知识点
1. 晶体及其特征 晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。特征： 1) 自范性:晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体外形能力的性质,又称为自限性. 2) 均一性:指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征. 3) 各向异性:在晶体的不同方向上具有不同的性质. 4) 对称性:指晶体的物理化学性质能够在不同方向或位置上有规律地出现,也称周期性. 5) 最小内能和最大稳定性 2. 晶体结构与空间点阵 ?晶体格子：把晶体中质点的中心用直线联起 来构成的空间格架即晶体格子，简称晶格。 ?结点：质点的中心位置称为晶格的结点。 ?晶体点阵：由这些结点构成的空间总体称为 晶体点阵（空间格子或空间点阵）。结点又叫阵点。点阵中结点仅有几何意义，并不真正代表任何质点。 晶体中质点排列具有周期性和对称性
晶体的周期性：整个晶体可看作由结点沿三个不同的方向按一定间距重复出现形成的，结点间的距离称为该方向上晶体的周期。同一晶体不同方向的周期不一定相同。可以从晶体中取出一个单元，表示晶体结构的特征。取出的最小晶格单元称为晶胞。晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。 3. 晶胞与晶胞参数 晶胞—晶体中的重复单元，平行堆积可充满三维空间，形成空间点阵 ?晶胞类型： ?固体物理学原胞：仅反映周期性最小的 ?结晶学原胞：反映周期性和对称性， 不一定是最小的。 ?不同晶体的差别：不同晶体的晶胞，其形状、 大小可能不同；围绕每个结点的原子种类、 数量、分布可能不同。 选取结晶学晶胞的原则： 1.单元应能充分表示出晶体的对称性； 2.单元的三条相交棱边应尽量相等，或相等的 数目尽可能地多； 3.单元的三棱边的夹角要尽可能地构成直角；
材料科学基础大作业——第1、2章晶体结构 2015年9月9日 班级：姓名：学号：分数： 一、名词解释： 固溶体、中间相、空间点阵、结合力、晶体、晶胞、固溶强化、相、正常价化合物、电子化合物、合金，各向异性、多晶型性、晶界、亚结构 二、填空 1. 金属键没有性和性。 2. 由于原子间结合力和结合能的存在，金属原子趋于规则紧密的排列。原子间最大结合力对应着金属的。键能决定了金属的和。 3. 自然界中的晶体结构各不相同，根据晶胞的和可将晶体结构分为14中空间点阵，归属于个晶系。其中最典型的三中晶体结构分别为bcc 、fcc 和hcp 。 4.能够反映晶胞中原子排列紧密程度的两个参数为和。其中fcc和hcp的两个参数均相同，分别为和。bcc的两个参数非别为和。 5. fcc和hcp的堆垛方式分别为ABCABC……和ABAB……，当某些晶面堆垛顺序发生局部差错即产生晶体缺陷时，可能在fcc晶体结构中出现hcp 的特征。 6. bcc、fcc和hcp三种晶体结构中均存在四面体和八面体两种晶格间隙，间隙原子通常溶解于体间隙。 7. [221]与（221）的位置关系为。[110]和（001）的位置关系为。 8. 塑性变形时，滑移通常沿着密排面和密排方向进行。bcc的密排面为，密排方向为。fcc的密排面为，密排方向为。 9. 铁的三种同素异构体分别为、和。 10.点缺陷主要包括三种类型，分别为、和。无论哪类点缺陷都会造成其周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，称为。 11.小角度晶界指的是相邻两晶粒的位向差小于。其中对称倾侧晶界是由一系列相隔一定距离的型位错所组成，扭转晶界由相互交叉的位错所组成。 12.具有不同的两相之间的分界面称为相界。其中界面能最高的是界面，应变能最高的界面是界面。 三、判断 1. 晶体区别于非晶体的一个重要特征就是晶体有固定的熔点，二者之间在任何情况下都不能进行转变，即晶体不可能转变为非晶体，非晶体也不可能转变为晶体。（） 2. bcc和fcc均属于立方晶系，hcp属于六方晶系。（错） 3. bcc、fcc和hcp晶胞内分别包含有2、4、6个原子，因其原子数不同，所以其间隙的数量亦不相同。（错）
几种材料微观结构分析方法简介 Introduction to several materials microstructure analysis method 黑道梦境间谍 指导教师:XXX 摘要:材料的微观世界丰富多彩,处处蕴含着材料之美.然而如何分析材料的微观结构是一个很重要的问题.本文章将介绍几种分析材料微观结构的方法, 通过微观结构分析仪器来对微观材料结构进行探索 关键词:材料微观结构X射线激光拉曼光谱电子显微分析方法
1 引言 材料科学在21世纪的地位愈发重要,各种各样的材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。材料科技是未来高科技的基础, 而微观材料分析方法是材料科学中必不可少的实验手段。因此, 微观材料分析方法对材料科学甚至是整个科技的发展都具有重要的意义和作用. 2 X射线分析 X射线是一种波长很短的电磁波，这是1912年由劳埃M.von Laue指导下的著名的衍射实验所证实的。X射线衍射是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、不同结构相的含量及内应力的方法。这种方法是建立在一定晶体结构模型基础上的间接方法，即根据与晶体样品产生衍射后的X射线信号的特征去分析计算出样品的晶体结构与晶格参数，并且可以达到很高的精度。然而由于它不是显微镜那样可以直接观察，因此也无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合起来。由于X射线聚焦的困难，所能分析样品的最小区域（光斑）在毫米数量级，因此对微米及纳米级的微观区域进行单独选择性分析也是无能为力的。 通常获得X射线是利用一种类似热阴极二极管的装置，用一定材料制作的板状阳极（A，称为靶）和阴极（C，灯丝）密封在一个玻璃-金属管壳内，阴极通电加热，在阳极和阴极间加以直流高压U（数千伏至数十千伏），则阴极产生的大量热电子e将在高压电场作用下飞向阳极，在它们与阳极碰撞的瞬间产生X射线，如图1.1所示。 因此，产生X射线的条件是： 1产生自由电子； 2使电子作定向的高速运动； 3在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。 用仪器检测此X射线的波长，发现其中包含两种类型的波谱，即连续X射线波谱和特征X射线波谱。 其中特征X射线是：当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值UK时，在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材料的标志或特征，故称为特征X射线谱。特征谱只取决于阳极靶材元素的原子序数。 3 激光拉曼光谱分析 拉曼散射的过程涉及光的弹性散射和非弹性散射，当一束频率为n。的单色光照射到样品上时，都会发生散射现象，产生散射光，将产生弹性散射 (Rayleighscattering)和非弹性散射(Raman scattering)。散射光的大部分具有与入射光(激发光)相同的频率，即散射光的光子能量与入射光的相同，这就是弹性散射，称为瑞利散射。当散射光的光子能量发生改变与入射光不同时，其频率高于和低于入射光即非弹性散射，称为拉曼散射。频率低于激发光的拉
福州大学 研究生课程教学大纲 （2012年版） 适用学生类型：非全日制专业学位硕士 开课学院：材料学院 课程编号：18437076 课程名称：材料结构与性能 总学时：40 学分：2 课程类型：非学位课（阅读课）2014年2月20日填
本课程 的目的、任务和要求以及内容提要 本课程为材料学非全日制专业方向攻读硕士研究生的非学位课。目的在于让学生学习和掌握有关材料结构与性能的基本理论，材料的电子结构，晶体结构，晶体缺陷，常用钢铁材料的组织与性能，非晶合金和结构陶瓷材料的结构与性能的关系，使学生能够从材料结构与性能关系的一般角度来认识材料和研究材料。 总学时40课内学时40课外学时0 主要教材 、 参考书目或文献目录 书目编著者 1.材料结构与性能 2.金属力学性能的微观理论 3.陶瓷材料显微结构与性能 4.材料的结构与性能 5.金属材料结构与性能 黄维刚，薛冬峰 哈宽富 张金升 吴月华，杨杰 毛卫民 学习本课程 之前必须先 修的主要课 程 材料科学基础；材料性能学主要教学 方式授课、自学 任课教师姓名 职称 彭开萍 教授 备注 (若有其它要求，可在备注中加以说明）注：本页不够写，可另加页。
教学内容、时数的分配及各阶段的要求 教学内容时数分配各阶段的要求 绪论 材料结构与性能的基本概念、课程目的要求 第1章 材料的原子和电子结构 1.1 材料的原子结构和键合特征 1.2 材料的电子结构 第2章材料的晶体结构 2.1 晶体的几何构成 2.2 晶体的结合 2.3 液晶结构 第3章晶体结构的缺陷 3.1 缺陷的定义及分类 3.2 点缺陷与热平衡浓度 3.3 位错 3.4 典型晶体中的位错 3.5 晶体的界面 3.6 晶体缺陷与材料性能 第4章钢铁材料的组织与性能4.1 马氏体组织与性能 4.2 贝氏体组织结构与性能 4.3 珠光体组织与性能 第5章非晶合金材料 5.1 非晶合金与非晶态转变 5.2 非晶合金的结构特征 5.3 非晶合金的物理性能2 6 8 6 6 6 了解课程目的意义、主要概念。 学习掌握有关材料结构与性能的基本慨念。 掌握材料的原子与电子结构及其性能。材料的原子结构和键合特征：元素周 期律和原子结构参数；化学键概念及其应 用；化学键的性质。材料的电子结构；原 子的电子排列；能带结构与物理性能；半 导体材料的电子结构。 掌握晶体的几何构成：空间点阵；布拉菲点阵；晶体的对称性；晶体的物理性 能与结构对称性间的关系；晶体的物理性 能与结构对称性间的关系；晶体的结合； 液晶结构：热致液晶、溶致性液晶、聚合 物液晶、液晶的物理性质。 掌握晶体缺陷的类型、特点；缺陷对材料物理性能的影响；缺陷与材料的力学 性能。 掌握钢铁材料的组织与性能，包括：马氏体组织的晶体结构、组织形貌、强度 、断裂韧性和疲劳强度；贝氏体的组织结 构、强度、断裂韧性和疲劳强度；珠光体 组织结构、强度、断裂韧性和疲劳强度。 掌握非晶合金与非晶态转变；非晶合金的结构特征：衍射法结构表征、短程有 序、非晶结构模型；非晶合金的物理性能 ：力学性能、耐腐蚀性能、磁学性能和其 他特性。