材料科学研究与测试方法 晶体学基础

材料科学中的晶体学基础知识解读晶体学是研究晶体的形态、结构、特性和性质的一门科学。

在材料科学研究中，晶体学是非常重要的基础领域。

在这篇文章中，我将详细介绍晶体学的基本概念和理论，以及其在材料科学中的应用。

晶体学基本概念晶体是具有有序结构的固体材料，其原子或离子的排列方式呈现出周期性规律。

晶体的形成和生长需要保持一定的条件和环境。

晶体的形态包括棱柱体、六方柱体、四面体、正方体等形状。

晶体的结构可以用晶体结构图表示，其中原子或离子的位置可用晶胞表示。

晶体学中有一个非常重要的概念——晶体学坐标。

晶体学坐标用来描述晶体中原子或离子的位置，通常采用直角坐标系或分数坐标系描述。

晶体学中的对称性理论对称性理论是晶体学中的一个重要理论。

晶体学中的对称性指的是晶体中原子或离子排列方式的对称性。

这种对称性可以分为点群对称性和空间群对称性。

点群对称性是晶体中原子或离子场的点操作或旋转操作所具有的对称性。

点群对称性的种类很多，有最简单的一阶点群对称性，也有较为复杂的高阶点群对称性。

通过研究晶体中的点群对称性，我们可以更好地了解晶体的性质和特点。

空间群对称性是指晶体中三维原子或离子场的空间操作具有的对称性。

晶体中的空间群对称性种类非常多，最简单的是立方晶系和三斜晶系。

空间群对称性也是晶体学研究中不可或缺的一部分。

晶体缺陷与晶体生长晶体缺陷是晶体中少量或大量的结构失常区域。

晶体缺陷的存在会影响晶体的力学性质、导电性质和光学性质等方面。

在材料科学的研究中，晶体缺陷是非常重要的研究领域。

研究晶体缺陷可以帮助我们更好地了解晶体的性质和特点。

晶体生长是指晶体从溶液或气态中形成的一种物理和化学过程。

晶体生长的过程中需要保持一定的条件和环境，例如温度、压力、浓度等。

晶体生长的形态和结构也与其生长条件有关。

应用晶体学的材料科学研究晶体学是材料科学中非常重要的一部分，其理论应用广泛。

晶体学的知识可用于合成新型材料、制造电子器件、改进合金材料等领域。

杭州电子科技大学全国硕士研究生招生考试业务课考试大纲考试科目名称：材料科学基础科目代码：807一、晶体学基础1.晶体与非晶体、晶体结构与空间点阵的差异；2.晶面指数和晶向指数的标注方法和画法；立方晶系晶面与晶向平行或垂直的判断；3.立方晶系晶面族和晶向族的展开；4.面心立方、体心立方、密排六方晶胞中原子数、配位数、紧密系数的计算方法；5.面心立方和密排六方的堆垛方式的描述及其它们之间的差异。

二、固体材料的结构1.结合键2．晶体学基础与常见晶体结构3．固溶体的结构4．金属间化合物的结构5．硅酸盐结构6．非晶态固体结构7．高分子材料结构三、晶体中的缺陷1.点缺陷2．位错的结构与位错的运动3．位错的应力场及其与晶体缺陷间的交互作用4．位错的增殖、塞积与交割5．实际晶体中的位错6．表面、晶界与相界的结构7．界面能与显微组织形貌8．晶界平衡偏析与晶界迁移四、固态中的扩散1.扩散定律及其应用2.扩散的微观机理3.影响扩散的因素4.扩散的热力学理论5.反应扩散五、回复与再结晶1.回复、再结晶、晶粒长大的概念和应用；2.再结晶温度的概念，及其影响因素；3.冷变形金属经过加热、保温后组织结构和力学性能的变化。

六、相图1.相律的描述和计算，及其对相平衡的解释；2.二元合金中匀晶、共晶、包晶、共析、二次相析出等转变的图形、反应式；二元典型合金的平衡结晶过程分析、冷却曲线；3.二元合金中匀晶、共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡组织名称、相对量的计算；4.铁－渗碳体相图及其典型合金的平衡冷却曲线分析、反应式、平衡相计算、平衡组织计算、组织示意图绘制；5.简单三元合金的相平衡分析、冷却曲线分析、截面图分析；6.单相固溶体自由能的求解方法，单相固溶体自由能表达式，固溶体的自由能－成分曲线形式，混合相自由能表达式，相平衡的公切线法则。

七、金属的凝固1.液体结构的描述及其与固体结构的差异；2.凝固的基本过程和基本条件；3.均匀形核过程的热力学分析，临界晶核半径概念、临界形核功概念；4.影响凝固过程的因素的分析，及其对凝固后固体形貌和晶粒大小的影响；5.固溶体在不平衡结晶过程中溶质原子在液相和固相中的分布的定量和定性的描述；6.成分过冷的概念及其对晶粒形貌的影响。

材料科学基础第一章晶体学基础1、固态物质按其原子（或分子）的聚集状态可分为二大类——晶体和非晶体。

区分他们主要从其内部的原子排列情况来确定。

在晶体中，原子（离子或分子）在三维空间作有规则的周期性重复排列。

而非晶体就不具备这一特点。

2、晶体定义：晶体是内部质点在三维空间中呈周期性重复排列的固体。

其组成质点在三维空间中成周期性排列。

这也是晶体与其它状态物体之间的本质区别。

这种质点在三维空间周期性的重复排列也称为格子构造。

因此，也可以说，晶体是具有格子构造的固体。

即不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同原子或原子集团。

这个距离也称为周期。

显然，沿不同的方向可能有不同的周期。

而把大范围的周期性的规则排列叫做长程有序。

3、非晶体(Amorphous)不具有上述特征。

在非晶体中原子（或分子、离子）无规则地堆积在一起。

液体和气体都是非晶体。

在液体中，原子也处于相对紧密聚集的状态，但不存在长程的周期性排列。

固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，只是它的物理性质不同于通常的液体。

玻璃是一个典型的固态非晶体，所以，往往将非晶态称为玻璃态。

4、准晶体：具有五次或六次以上的对称轴，其质点的排列虽为长程有序，但不体现周期重复，即不存在格子构造。

5、晶体的基本性质：晶体内部的周期性质决定了晶体具有一些共有的性质，并且根据这些性质能与其他状态的物体区分开来。

1 均一性：指晶体内部在其任一部位都具有相同性质的特性。

如密度、化学性质。

2 异向性：指晶体的性质因观测方向的不同而表现出差异的特性。

如硬度，解理。

3 对称性：指晶体中的相同部分或性质，能够在不同方向或位置上有规律地重复出现。

4 自范性：或称为自限性，指晶体能自发地形成封闭的凸几何多面体外形的特点。

5 最小内能：指的是在相同热力学条件下，晶体与同种物质的非晶态相比较，其内能最小，因而晶体的结构也是最稳定的。

6 稳定性：由于晶体有最小的内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态。

材料科学与基础第一章晶体结构第一节晶体学基础一、空间点阵晶体中原子或分子的空间规则排列，阵点周围环境相同，在空间的位置一定。

（一）晶胞点阵中取出的一个反映点阵对称性的代表性基本单元。

通过晶胞角上的某一阵点，沿其三个棱边作坐标轴X、Y、Z（称为晶轴），则此晶胞就可由其三个棱边的边长a、b、c（称为点阵常数）及晶轴之间的夹角α、β、γ六个参数表达出来。

事实上，采用三个点阵矢量a、b、c来描述晶胞更方便。

（二）晶系（三）布拉菲点阵只能有14种空间点阵，归属于7个晶系。

（四）晶体结构与空间点阵最简单的空间格子，又叫原始格子，以P表示。

对称性高的为高级晶族。

二、晶向指数和晶面指数（一）晶向指数1.以晶胞的晶轴为坐标轴X、Y、Z，以晶胞边长作为坐标轴的长度单位。

2.从晶轴系的原点O沿所指方向的直线取最近一个阵点的坐标u、v、w。

3.将此数化为最小整数并加上方括号，即为晶向指数。

[100],[110],[111̅]晶向指数表示所有相互平行、方向一致的晶向。

晶体中因对称关系而等同的各组晶向可并为一个晶向族，用<uvw>表示。

（二）晶面指数1.对晶胞作晶轴X、Y、Z以晶胞的边长作为晶轴上的单位长度。

2.求出待定晶面在三个晶轴上的截距（如该晶面与某轴平行，则截距为∞）。

3.取这些截距数的倒数。

4.将上述倒数化为最小的简单整数，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。

（化简相等）在晶体中，具有等同条件而只是空间位向不同的各组晶面，可归并为一个晶面族，用｛hkl ｝表示。

在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定是相垂直的。

即[hkl ]⊥{hkl} （三）六方晶系指数晶面指数以（hkil ）四个指数来表示，有h +k +i =0； 晶向指数以[uvtw]表示，有u +v +t =0。

六方晶系按两种晶轴系所得的晶面指数和晶向指数可相互转换如下：对晶面指数来说，从（hkil ）转换成（hkl ）只需去掉i ；对晶向指数，[UVW]与[uvtw]的关系为：U =u −t; V =v −t; W =w 。

材料科学研究与测试方法
材料科学是研究材料结构、性能和制备的学科，是现代工业和科技发展的重要基础。

为了深入了解材料的性质和特点，研究人员需要使用各种测试方法和工具来对材料进行分析和评估。

本文将介绍一些常见的材料科学研究和测试方法，包括电子显微镜、X射线衍射、拉伸试验、硬度测试等。

电子显微镜是一种用于观察材料微观结构的强大工具。

它可以通过聚焦电子束来放大样品的图像，以纳米级别的分辨率显示材料的详细结构。

这种技术在材料科学中的应用广泛，包括研究材料的晶体结构、纳米颗粒、表面形貌和化学成分等。

X射线衍射是一种用于研究材料结构的分析方法。

通过将X射线照射到样品上，然后观察反射和散射的X射线，可以确定材料的晶体结构、晶胞参数和晶体缺陷等信息。

这种方法广泛应用于研究晶体材料、催化剂、陶瓷等。

拉伸试验是一种用于评估材料强度和刚度的测试方法。

在此测试中，样品通常被拉伸到破裂，测量其应力和应变，然后计算出其杨氏模量和屈服强度等参数。

这种方法广泛应用于研究金属、塑料、玻璃等材料的机械性能。

硬度测试是一种用于评估材料抗压强度和耐磨性的测试方法。

这种方法通常涉及将一个硬度针或球压入样品表面，然后测量针或球的深度，以确定样品的硬度。

这种方法广泛应用于研究金属、陶瓷、塑料等材料的耐磨性和切削性能。

综上所述，材料科学研究和测试方法是深入了解材料结构和性能的重要手段。

通过使用各种测试方法和工具，研究人员可以获得有关材料微观结构、晶体结构、力学性能和耐磨性等方面的重要信息。

这些信息对于材料的制备和应用具有重要意义。