材料结构的基本知识
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第一部分 材料结构的基本知识
第一部分材料引言材料的结构分四个层次：原子结构、原子结合键、材料中原子的排列、晶体材料的显微组织。
1.1 原子结构(atomic structure)◆物质的组成：物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体。
◆原子结构：原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。
一、原子的电子排列原子是由原子核及其核外电子构成的，电子绕着原子核在一定的轨道上旋转。
电子运动的轨道由四个量子数(quantum number)决定的：主量子数n（电子层）、轨道量子数l（电子亚壳层）、磁量子数m（轨道数）、自旋角动量量子数ms（自旋方向）。
核外电子的分布与四个量子数有关，且服从两个基本原理：(1)Pauli不相容原理(Pauli principle) ：一个原子中不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。
(1)能量最低原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低能量状态。
二、元素周期表及性能的周期性变化1.2 原子间的结合键(binding bond)按结合力大小分为一次键和二次键两类。
一次键（化学键或主价键）：金属键、离子键、共价键二次键（物理键或次价键）：范德华键、氢键一、一次键（化学键、主价键）1.金属键(metallic bond)特点：电子共有化,没有方向性和饱和性。
特性：(1)良好的导电、导热性；(1)正的电阻温度系数；(3)不透明，具有金属光泽；(4)具有较高的强度和良好的塑性；(5)金属之间的溶解性(固溶能力)。
2.离子键(ionic bond)特点：结合力较强；硬度、熔点高；绝缘；有饱和性而没有方向性。
3.共价键(covalent bond)特点：(1)结合极为牢固(1)有明显的方向性、饱和性(3)结构稳定(4)熔点高(5)硬而脆二、二次键（物理键、次价键）靠原子之间的偶极吸引力结合而成1.范德华键特点：(1)没有方向性、饱和性(1)键力低于一次键。
固体材料的结构基础知识
26
结构材料的失效
材料的磨损：在机件表面互相接触并作相 对运动产生摩擦的过程中，会有微小颗粒 从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同 的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸 变化和质量的损失，这种表面损伤的现象 即为磨损。 磨损的分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀 磨损及疲劳磨损。
27
结构材料的失效
材料的腐蚀：腐蚀就是物质表面因发生化 学或电化学反应而受到破坏的现象。分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。
（4）离子键合的材料具有较高的对称性、结构稳定、熔点较高、 硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。
（5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不良 导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶体中 的运动而导电。
11
（2）共价健
12
共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价
间则为范德华键或氢键。
18
1．2．2 键合的本质及其性能 (1) 原子间斥力和引力
19
原子间距(r0) ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 结合能（E）: 原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功， E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范 德华的E最小。
15
（4）范德华键 意义及其特点：
范德华键力是一种因电偶极矩的感应作用而产生的 键合现象； 除高分子外，键的结合力不如化学键牢固，也无饱 和性和方向性。
16
（5）氢键 意义及其特点：
依靠原子或分子的偶极矩引力而形成，但是氢原子 起到了关键作用； 具有明显的饱和性和方向性，结合力大于范德华键， 主要存在于分子内或分子间，如高分子材料中存在 着大量的氢键。
结构材料的失效
材料的磨损：在机件表面互相接触并作相 对运动产生摩擦的过程中，会有微小颗粒 从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同 的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸 变化和质量的损失，这种表面损伤的现象 即为磨损。 磨损的分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀 磨损及疲劳磨损。
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结构材料的失效
材料的腐蚀：腐蚀就是物质表面因发生化 学或电化学反应而受到破坏的现象。分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。
（4）离子键合的材料具有较高的对称性、结构稳定、熔点较高、 硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。
（5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不良 导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶体中 的运动而导电。
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（2）共价健
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共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价
间则为范德华键或氢键。
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1．2．2 键合的本质及其性能 (1) 原子间斥力和引力
19
原子间距(r0) ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 结合能（E）: 原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功， E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范 德华的E最小。
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（4）范德华键 意义及其特点：
范德华键力是一种因电偶极矩的感应作用而产生的 键合现象； 除高分子外，键的结合力不如化学键牢固，也无饱 和性和方向性。
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（5）氢键 意义及其特点：
依靠原子或分子的偶极矩引力而形成，但是氢原子 起到了关键作用； 具有明显的饱和性和方向性，结合力大于范德华键， 主要存在于分子内或分子间，如高分子材料中存在 着大量的氢键。
最新材料结构表征重点知识总结
第一章，绪论材料研究的四大要素：材料的固有性质，材料的结构，材料的使用使用性能。
材料的固有性质大都取决于物质的电子结构，原子结构和化学键结构。
材料表征的三大任务及主要测试技术：1、化学成分分析：质谱，色谱，红外光谱，核磁共振；2、材料结构的测定，X射线衍射，电子衍射，中子衍射；3、形貌观察：光学显微镜，电子显微镜，投射显微镜。
第二章，红外光谱及激光拉曼光谱2.1红外光谱的基本原理红外光谱的定义：当一束具有连续性波长的红外光照射物质时，该物质的分子就有吸收一定的波长红外光的光能，并将其转变为分子的振动能和装动能，从而引起分子振动—转动能级的跃迁，通过仪器记录下来不同波长的透射率的变化曲线，就是该物质的红外吸收光谱。
中红外去波数范围（4000—400cm-1）简正振动自由度（3n-6或3n-5）及其特点：3n-6是分子振动自由度3n-5是直线分子的振动自由度特点：分子质点在振动过程中保持不变，所有的原子都在同一瞬间通过各自的平衡位置。
每个简谐振动代表一种振动方式，有它自己的特征频率简正振动的类型：1、伸缩振动2、弯曲振动分子吸收红外辐射必须满足的条件：主要振动过程中偶极矩的变化、振动能级跃迁几率2.2红外光谱与分子结构红外光谱分区：官能团去（4000-1330cm-1）指纹区（1330-400cm-1）基团特征频率定义：具有相同化学键或官能团的一系列化合物有共同的吸收频率，这种频率就叫基团特征频率影响因素，内部因素：诱导效应，共振效应，键应力的影响，氢键的影响，偶合效应，费米共振；外部因素：物态的变化的影响，折射率和粒度的影响，溶剂的影响诱导效应：在具有一定极性的共价键中，随着取代基的电负性不同而产生不同程度的静电诱导作用，引起分子中电荷分布的变化，从而改变了键的常熟，使振动的频率发生改变，这就是诱导效应。
2.3红外光谱图的解析方法普带的三个特征：1位置：基因存在的最有用的特征；2形状：有关基因存在的一些信息；3相对强度：把红外光谱中一条普带的强度和另一条谱带相比，可以得出一个定量的概念影响谱图质量的因素：1仪器参数的影响；2环境的影响：空气湿度，样品污染等;3厚度的影响（要求10——50um）2.7激光拉曼光谱基本概念：拉曼散射：人射光照射在样品上，人射光子与样品之间发生碰撞有能量交换称为拉曼散射斯托克斯线：拉曼散射中，散射光能量减少，在垂直方向测量到散射光中，可以检测到频率为（）的线，称为斯托克斯线。
第1章 材料结构的基本知识
一、离子键
1、定义
由于正、负离子间的库仑引力而形成。
氯化钠是典型的离子键 结合，钠原子将其3s态电 子转移至氯原子的3d态上， 这样两者都达到稳定的电 子结构，正的钠离子与负 的氯离子相互吸引，稳定 地结合在一起(图1-4)
当IA、IIA族金属和ⅦA、ⅥA族的非金 属原子结合时，金属原子的外层电子很可 能转移至非金属原子外壳层上、使两者都 得到稳定的电子结构，从而降低了体系的 能量； 此时金属原子和非金属原子分别形成正 离子与负离子，正、负离子间相互吸引， 使原子结合在一起，这就是离子键。
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
2、特点
1）正负离子相间排列，正负电 荷数相等；
2）键能最高，结合力很大； 3）性能： 硬度高、强度大； 热膨胀系数小，在常温下的 导电性很差；
脆性较大。
3、典型材料：陶瓷材料。
二、共价键
图1-3 原子间结合力
根据物理学，力(F)和能量(E)之间的转 换关系：
dE F dx
E Fdx
0
x
在作用力等于零的平衡距离下能量应该
达到最低值，表明在该距离下体系处于稳
定状态。
当两个原子无限远时， 原子间不发生作用，作用 能可视为零。 当距离在吸引力作用下 靠近时，体系的位能逐渐 下降，到达平衡距离时， 位能最低； 当原子距离进一步接近， 就必须克服反向排斥力， 使作用能重新升高。 平衡距离下的作用能定 义为原子的结合能E0。
2、性能
它没有饱和性和方向性；
良好的导电性、导热性、正的
电阻温度系数；
具有良好的塑性。
3、典型材料：各种金属。
四、范德瓦尔键
材料科学基础知识
材料科学基础知识材料科学是一门研究材料结构、性能和制备的学科，涉及广泛的领域，包括金属、陶瓷、塑料、纤维、半导体等材料的研究与应用。
本文将介绍一些材料科学的基础知识，包括材料分类、晶体结构和材料性能等内容。
一、材料分类根据组成和结构特征，材料可以分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。
金属材料主要由金属元素构成，具有优秀的导电、导热和强度等性能；无机非金属材料包括陶瓷、玻璃、水泥等，其特点是高硬度、高耐热性和电绝缘性；有机高分子材料由含有大量碳元素的高分子化合物构成，如塑料、橡胶和纤维等，具有良好的可塑性和可拉伸性。
二、晶体结构晶体是材料学中一种有序排列的结构形态，具有规则的周期性。
晶体结构由原子、离子或分子按照一定的几何规则排列而成。
根据晶格的不同，晶体可分为立方晶系、四方晶系、单斜晶系、正交晶系、斜方晶系、菱方晶系和三斜晶系等。
其中，立方晶系是晶体结构中最简单的一种，其晶格具有等边、等角的特点。
三、材料性能材料的性能决定了其在实际应用中的表现。
常见的材料性能包括力学性能、热学性能、电学性能和磁学性能等。
力学性能体现了材料的强度、韧性和硬度等特点，如抗拉强度、屈服强度和冲击韧性；热学性能包括导热性、热膨胀系数和导电性等，这些性能对材料的热稳定性和导热导电能力有重要影响；电学性能和磁学性能则与材料的导电性和导磁性相关。
四、材料制备材料的制备过程对于最终材料的性能和结构有重要影响。
常见的材料制备方法包括熔融法、沉积法、固相反应法和溶液法等。
熔融法是指将材料加热至熔点后进行冷却的过程，常用于金属材料的制备；沉积法则是通过气相或溶液中的化学反应沉积材料薄膜；固相反应法是指两个或多个固体物质在一定条件下发生化学反应生成新的化合物；溶液法是将材料溶解于溶剂中，通过溶液的蒸发或化学反应生成新材料。
总结材料科学是一门涉及广泛的学科，研究的内容包括材料分类、晶体结构、材料性能和材料制备等方面。
了解这些基础知识对于深入学习和应用材料科学具有重要意义。
材料力学结构设计知识点总结
材料力学结构设计知识点总结在材料力学结构设计领域，掌握一系列的知识点是非常重要的。
这些知识点可以帮助工程师们更好地理解材料的力学性质，并设计出更加稳定和高效的结构。
本文将对一些关键的材料力学结构设计知识点进行总结。
1. 材料的力学性质1.1 弹性模量：弹性模量是衡量材料抵抗外力变形的能力的物理量。
它描述了材料在受到外力作用后的应力和应变关系。
常见的弹性模量包括杨氏模量、剪切模量和泊松比等。
1.2 抗拉强度：抗拉强度是材料能够承受的最大拉伸力。
它是衡量材料抵抗拉伸变形能力的重要指标。
1.3 延伸率：延伸率是材料在受到拉伸力作用下能延展的程度。
它表示材料能够在拉伸过程中产生的应变。
1.4 硬度：硬度是材料抵抗局部压力的能力。
常用的硬度测试方法包括洛氏硬度和布氏硬度等。
2. 材料的疲劳性能2.1 疲劳强度：疲劳强度是指材料在长期受到交变载荷作用下能够承受的最大应力。
它是衡量材料抵抗疲劳破坏的能力的重要指标。
2.2 疲劳寿命：疲劳寿命是指材料在一定载荷作用下能够承受的循环次数。
了解材料的疲劳寿命可以帮助工程师预测结构的使用寿命。
2.3 疲劳裂纹扩展：疲劳裂纹扩展是指在疲劳载荷作用下，由于应力集中或者材料缺陷导致的裂纹逐渐扩展。
对疲劳裂纹扩展进行研究可以提高结构的疲劳寿命。
3. 结构设计方法3.1 单材料结构设计：单材料结构设计是指使用一种材料进行结构设计。
在设计过程中，需要综合考虑材料的力学性能、制造工艺和成本等因素。
3.2 复合材料结构设计：复合材料结构设计是指使用多种材料进行结构设计。
复合材料具有高强度、高刚度和轻质等优良性能，在设计过程中需要考虑不同材料的相互作用和界面效应。
3.3 结构优化设计：结构优化设计是指通过调整结构参数，使得结构在给定约束条件下具有最佳的性能。
常用的优化方法包括参数优化和拓扑优化等。
4. 结构力学分析4.1 静力学分析：静力学分析是研究结构在静力平衡下的力学行为。
通过计算结构的受力情况和应力分布，可以评估结构的强度和稳定性。
材料的结构包括
材料的结构包括
材料的结构是指材料内部各个组成部分之间的排列和连接方式，它直接影响着
材料的性能和用途。
材料的结构可以分为原子结构、晶体结构和微观结构三个方面。
首先，原子结构是材料的基本结构。
原子是构成材料的最基本单位，材料的性
能和行为直接受原子结构的影响。
原子结构包括原子的排列方式、原子之间的相互作用和原子的运动方式。
不同的原子结构决定了材料的性质，比如金属材料的原子结构是紧密堆积的球形原子，而非金属材料的原子结构是离散分布的。
其次，晶体结构是材料中原子的有序排列。
晶体结构可以分为单晶体、多晶体
和非晶体三种类型。
单晶体是指材料中原子排列有序、呈现出规则的晶体结构；多晶体是指材料中存在多个晶粒，每个晶粒内部呈现出规则的晶体结构，但不同晶粒之间的方向不一定一致；非晶体是指材料中原子排列无序，没有明显的晶体结构。
晶体结构直接影响着材料的力学性能、导热性能和光学性能。
最后，微观结构是指材料中微观组织的形态和分布。
微观结构可以分为晶粒结构、晶界结构、位错结构和相结构。
晶粒结构是指材料中的晶粒形状、大小和分布；晶界结构是指相邻晶粒之间的结构；位错结构是指材料中的位错类型和分布；相结构是指材料中不同成分的分布和相互作用。
微观结构直接影响着材料的力学性能、热处理性能和腐蚀性能。
总之，材料的结构是多种因素综合作用的结果，它直接决定了材料的性能和用途。
了解材料的结构对于材料设计、制备和性能改进具有重要意义。
因此，深入研究材料的结构是材料科学和工程领域的重要课题，也是材料技术发展的关键之一。
石德珂材料科学填空题
《材料科学基础》填空题第一章 材料结构基本知识1. 原子核外电子分布及四个量子数有关，且服从下述两个基本原理：泡利不相容原理和最低能量原理2. 原子结合键中一次键（强健）有离子键、共价键、金属键；二次键（弱健）有范德瓦尔斯键、氢键、离子晶体和原子晶体硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
3. 金属晶体导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
4. 能量最低结构称为稳态结构或平衡态结构，能量相对较高结构则称为亚稳态结构；5. 材料稳态结构及亚稳态结构由热力学条件和动力学条件共同决定；第二章 材料晶体结构1、晶体结构中基元就是化学组成相同、空间结构相同、排列取向相同、周围环境相同基本单元;2、简单立方晶胞中（100）、（110）、（111）晶面中，面间距最小是（111）面，最大是（100）面；3、晶面族{100}包含（100）（010）（001）及平行（001）（010）（100）等晶面；4、（100），（210），（110），（2ī0）等构成以[001]为晶带轴晶带；（01ī），（0ī1），（10ī），（1ī0）等构成以[111] 为晶带轴晶带； 5、晶体宏观对称元素只有 1，2，3，4，6，1，m ，4 等8种是基本6、金属中常见晶体结构有面心立方、体心立方、密排六方三种；7、金属密堆积结构中间隙有四面体间隙和八面体间隙两种类型8、面心立方晶体中１个晶胞内有４个八面体间隙，８个四面体间隙。
9、陶瓷材料是以离子键、共价键以及离子键和共价键混合键结合在一起； 10、硅酸盐基本结构单元是硅酸根四面体； 11、SiO 2中主要化学键为 共价键 及 离子键 ； 12、硅酸盐几种主要结构单元是岛状结构单元、双四面体结构单元、环状结构单元以及链状结构单元、层状结构单元；13、离子晶体中决定正负离子堆积方式两因数是： 电荷大小，满足电中性；正负离子相对大小；14、陶瓷材料组成相有 玻璃相 、 气相 和 结晶相15、上图为离子晶体中稳定和不稳定配位图形，图为不稳定配位图形第三章高分子材料结构1. 1. 按照聚合物热行为可将聚合物分为_热固性塑料_和______热塑性塑料____两类。
材料科学基础知识点
材料科学基础第零章材料概论该课程以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了材料科学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。
核心是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系。
主要内容包括：材料的原子排列、晶体结构与缺陷、相结构和相图、晶体及非晶体的凝固、扩散与固态相变、塑性变形及强韧化、材料概论、复合材料及界面，并简要介绍材料科学理论新发展及高性能材料研究新成果。
材料是指：能够满足指定工作条件下使用要求的，就有一定形态和物理化学性状的物质。
按基本组成分为：金属、陶瓷、高分子、复合材料金属材料是由金属元素或以金属元素为主，通过冶炼方法制成的一类晶体材料，如Fe、Cu、Ni等。
原子之间的键合方式是金属键。
陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、经烧结或合成而制成的一类无机非金属材料。
它可以是晶体、非晶体或混合晶体。
原子之间的键合方式是离子键，共价键。
聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以共价键连接的、由长分子链组成的髙分子材料。
它主要是非晶体或晶体与非晶体的混合物。
原子的键合方式通常是共价键。
复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。
其原子间的键合方式是混合键。
密度弹性模量:材料抵抗变形的能力强度:是指零件承受载荷后抵抗发生破坏的能力。
韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力功能成本结构(Structure)性质(Properties)加工(Processing)使用性能(Performance)在四要素中，基本的是结构和性能的关系，而“材料科学”这门课的主要任务就是研究材料的结构、性能及二者之间的关系。
宏观结构←显微镜下的结构←晶体结构←原子、电子结构重点讨论材料中原子的排列方式（晶体结构）和显微镜下的微观结构（显微组织）的关系。
以及有哪些主要因素能够影响和改变结构，实现控制结构和性能的目的。
材料结构
核外电子的排布（ n )规律
能量最低原理（ principle)电子总是占据能量最低的壳层 能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s- 4d-5p Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n2 不相容原理（ principle): Pauli不相容原理 全充满 Hund原则（Hund' Rule)半充满 原则（ Hund原则 Hund' Rule) 自旋方向相同 全空
特点
1：在形成共价键时，为使电子云达到最大限度 在形成共价键时， 的重叠，共价键就有方向性， 的重叠，共价键就有方向性，键的分布严格服从 键的方向性 方向性； 键的方向性； 2：当一个电子和另一个电子配对以后就不再 和第三个电子配对了， 和第三个电子配对了，成键的公用电子对数 目是一定的，这就是共价键的饱和性 饱和性。 目是一定的，这就是共价键的饱和性。 由于共价键具有方向性，配位数比较小， 由于共价键具有方向性，配位数比较小，同时 共价键的结合比较牢固，因此其结构较稳定， 共价键的结合比较牢固，因此其结构较稳定， 熔点较高，硬度较大。 熔点较高，硬度较大。
原子序数＝ 原子序数＝核电荷数 周期序数＝ 周期序数＝电子壳层数 主族序数＝最 外 层 电 子数 主族序数＝ 零族元素最外层电子数为8（氦为2） 零族元素最外层电子数为 （氦为 ）
核电荷 ，原子半径 ↑ ↓ 同周期元素： 右， → 同周期元素：左 右，金属性 ，非金属性 ↓ ↑ 电离能 ，失电子能力 ，得电子能力 ↑ ↓ ↑ 最外层电子数相同， 最外层电子数相同，电子层数 ，原子半径 ↑ ↑ 同主族元素：上 下，金属性 ，非金属性 同主族元素： →下， ↑ ↓ 电离能 ，失电子能力 ，得电子能力 ↓ ↑ ↓
材料科学深入了解材料属性
材料科学深入了解材料属性材料科学是一门研究材料的组成、结构、性能和制备的多学科综合性科学。
深入了解材料属性对于材料科学的研究和应用具有重要意义。
本文将从材料的组成、结构和性能三个方面，介绍材料科学中对材料属性的深入了解。
一、材料的组成材料的组成是指材料的基本成分和元素组成。
不同的材料具有不同的组成，决定了材料的基本性质。
在材料科学中，常用的材料分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等。
金属材料主要由金属元素组成，具有高强度、导电性等优良性能；无机非金属材料以氧化物为主要成分，如陶瓷材料、塑料材料等；有机高分子材料主要由碳、氢、氧等元素组成，如塑料、橡胶等。
进一步了解材料的组成，可以通过化学分析、质谱分析等手段进行。
二、材料的结构材料的结构是指材料内部的原子、分子或离子的排列顺序和空间位置关系。
材料的结构对其性能和功能起着决定性影响。
晶体结构是材料中最常见的结构之一，通过晶体学方法可以确定材料的晶体结构。
晶体结构的了解可以帮助科学家和工程师掌握材料的热稳定性、机械性能等。
此外，非晶态和纳米结构也是研究材料结构的重要方向。
通过电子显微镜等仪器和技术可以观察和研究材料的结构特征。
三、材料的性能材料的性能是指材料在特定条件下所表现出的特点和特性。
不同的材料具有不同的性能，如机械性能、热性能、电性能、光学性能等。
深入了解材料的性能可以为材料的合理选择和应用提供科学依据。
例如，了解材料的力学性能可以为工程设计中的材料选取及结构设计提供参考，了解材料的热性能可以为能源开发、储存等领域提供支持。
通过材料测试和分析技术，可以获得材料的力学性能、热性能、电性能等数据，进一步了解材料的特性。
结论材料科学的发展为深入了解材料属性提供了丰富的理论和实验基础。
只有深入了解材料的组成、结构和性能，才能对材料进行科学合理的选取、应用和改进。
通过不断深入研究材料，材料科学家和工程师能够开发出更优良的材料，推动科技进步和社会发展。
材料科学基础--材料结构的基本知识
热力学第二定律对这种自发过程 的叙述为：只有那些使体系自由能A减 小的过程才能自发进行，可表示为：
等温等容 ΔA T、V<0 自发过程 等温等压 ΔG T、P<0 自发过程 两种自由能的表达式为：
A=U–TS G=H–TS
U——内能 H——焓 S——熵 T——热力学温度 反应速率ν与热力学温度T之间满足：
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列
原子 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。
原子核 ——中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。
电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
二、元素周期表及性能的周期性变化
原子周期律——早在1869年，俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。
过渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、 ⅤA族元素，离子化比较困难，在这种 情况下，相邻原子间可以共同组成一个 新的电子轨道，由两个原子中各有一个 电子共用，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层，形成带正 电的阳离子，由正离子和自由电子之间
等温等容 ΔA T、V<0 自发过程 等温等压 ΔG T、P<0 自发过程 两种自由能的表达式为：
A=U–TS G=H–TS
U——内能 H——焓 S——熵 T——热力学温度 反应速率ν与热力学温度T之间满足：
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列
原子 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。
原子核 ——中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。
电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
二、元素周期表及性能的周期性变化
原子周期律——早在1869年，俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。
过渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、 ⅤA族元素，离子化比较困难，在这种 情况下，相邻原子间可以共同组成一个 新的电子轨道，由两个原子中各有一个 电子共用，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层，形成带正 电的阳离子，由正离子和自由电子之间
材料科学基础第一章材料结构的基本知识
• 理论计算(自学P24例题) 五、结合键与性能
1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高
，高分子材料
的最低． 2) 密度：金属键的25 最高，共价键
2、对力学性能的影响 （1） 强度：结合键强，则强度
也高，但还受组织的影响． （2） 塑韧性：金属键最好，共
价键、离子键最低. （3） 弹性模量：共价键、离子
键最高，金属键次之，二次键 最低
26
第三节 原子排列方式
• 晶体与非晶体 • 原子排列的研究方法 一、晶体与非晶体 1、晶体
原子(原子团或分子)在空间有规则的周期 性重复排列的固体。
一般情况下，金属、大多数陶瓷、少 数高分子材料为晶体。
27
• 非晶体：
排列无序，不存在长程的周期 规则排列。
二氧化硅结构示意图 28
• 材料最终得到什么结构，必须综合考虑 结构形成的热力学条件和动力学条件。
1、热力学条件 结构形成时必须沿着36 能量降低的方向进
• 等温等容过程：
亥姆过霍程兹自由能变化A，T, V 0
自发
•吉布等斯温自等由压能过变程化：G，T, P 0
程
自发过
2、动力学条件
反应速度。
化学反应动力学的Arhennius方程：
一、一次键 1、离子键 • 通过正负离子间相互吸引力
使原子结合的结10 合键．
• 例如：NaCl, MgO 对于 NaCl： Na：1S22S22P63S1 Cl： 1S22S22P63S23P5 Na 原子失去一个外层电子，变成
正离子，带正电 Cl 原子得到一个外层电子，变成
负离子，带负电
11
12
第一章 材料结构的基本知识
结构分4个层次： • 原子结构 • 结合键 • 原子的排列 • 显微组织
1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高
，高分子材料
的最低． 2) 密度：金属键的25 最高，共价键
2、对力学性能的影响 （1） 强度：结合键强，则强度
也高，但还受组织的影响． （2） 塑韧性：金属键最好，共
价键、离子键最低. （3） 弹性模量：共价键、离子
键最高，金属键次之，二次键 最低
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第三节 原子排列方式
• 晶体与非晶体 • 原子排列的研究方法 一、晶体与非晶体 1、晶体
原子(原子团或分子)在空间有规则的周期 性重复排列的固体。
一般情况下，金属、大多数陶瓷、少 数高分子材料为晶体。
27
• 非晶体：
排列无序，不存在长程的周期 规则排列。
二氧化硅结构示意图 28
• 材料最终得到什么结构，必须综合考虑 结构形成的热力学条件和动力学条件。
1、热力学条件 结构形成时必须沿着36 能量降低的方向进
• 等温等容过程：
亥姆过霍程兹自由能变化A，T, V 0
自发
•吉布等斯温自等由压能过变程化：G，T, P 0
程
自发过
2、动力学条件
反应速度。
化学反应动力学的Arhennius方程：
一、一次键 1、离子键 • 通过正负离子间相互吸引力
使原子结合的结10 合键．
• 例如：NaCl, MgO 对于 NaCl： Na：1S22S22P63S1 Cl： 1S22S22P63S23P5 Na 原子失去一个外层电子，变成
正离子，带正电 Cl 原子得到一个外层电子，变成
负离子，带负电
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第一章 材料结构的基本知识
结构分4个层次： • 原子结构 • 结合键 • 原子的排列 • 显微组织
材料科学基础知识点总结
一、金属的晶体结构重点内容： 面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。
基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。
晶体的特征、晶体中的空间点阵。
晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。
金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。
位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。
位错的柏氏矢量具有的一些特性：①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。
刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。
晶界具有的一些特性：①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。
二、纯金属的结晶重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。
基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。
铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。
相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。
变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。
过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。
从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。
材料结构的基本知识
材料结构的基本知识目录一、材料结构概述 (2)1. 材料结构定义与重要性 (3)2. 材料结构分类 (4)3. 材料结构研究的意义 (5)二、材料的基本结构类型 (6)1. 晶体结构 (7)1.1 晶体结构定义与特点 (8)1.2 晶体结构的分类 (9)1.3 典型晶体结构实例 (11)2. 非晶体结构 (12)2.1 非晶体结构定义与特点 (13)2.2 非晶体结构的形成原因 (14)2.3 典型非晶体结构实例 (15)三、材料结构的表征与检测 (16)1. 微观结构表征 (17)1.1 光学显微镜观察 (18)1.2 电子显微镜观察 (19)1.3 X射线衍射分析 (20)2. 宏观结构检测 (22)2.1 硬度测试 (23)2.2 强度测试 (25)2.3 耐磨性测试 (26)四、材料结构对性能的影响 (28)1. 晶体结构对材料性能的影响 (29)2. 非晶体结构对材料性能的影响 (29)3. 结构与性能的关系分析 (30)五、材料结构设计的方法与趋势 (32)1. 传统材料结构设计方法 (33)2. 现代材料结构设计方法 (34)3. 材料结构设计的发展趋势 (36)六、材料结构的优化与应用 (37)1. 优化材料结构的途径与方法 (39)2. 材料结构优化在各个领域的应用实例 (40)3. 材料结构优化对产业发展的影响 (42)一、材料结构概述材料结构是研究和设计各种材料的物理、力学和化学特性的过程，以满足特定应用场景的需求。
材料结构的基本知识包括材料的分类、性能、制备方法以及在不同工程领域的应用等方面。
本文档将对这些方面进行简要介绍，以帮助读者了解材料结构的基本概念和原理。
根据材料的性质和用途，可以将材料分为以下几类：金属材料(如钢、铝、铜等)、非金属材料(如陶瓷、玻璃、塑料等)、复合材料(由两种或多种材料组成的具有特殊性能的材料)以及新型材料(如纳米材料、生物材料等)。
材料性能是指材料在外力作用下所表现出的物理、力学和化学特性。
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磁量子数 考虑自旋 各壳层 规第的状 量子数后 总电子数 的状态数目 态数目 1 2 2（=2×12） 1 2 8（=2×22） 3 6 1 3 5 1 3 5 7 2 6 10 2 6 10 14
3
3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
18（=2×32）
4
32（=2×42）
原子核外电子的分部与四个量子数 有关，且服从下述两个基本原理：
负性很强的原子之间形成一个桥梁，把 两者结合起来，形成氢键。所以氢键可 表达为： X–H——Y 三、混合键 实际材料中单一结合键并不多，大 部分材料的内部原子结合键往往是各种 键的混合。例如： （1）ⅣA族的Si、Ge、Sn元素的结合
是共价键与金属键的混合。 （2）陶瓷化合物中出现离子键与共价键 混合的情况。
的相互吸引而结合起来的称金属键。
二、二次键
1、范德瓦耳斯键 当原子和分子相互靠近时，一个原 子的偶极矩将会影响另一个原子的电子 分布，电子密度在靠近第一个原子的正 电荷处更高些，这样使两个原子相互静 电吸引，体系就处于较低的能量状态。
正电中心 电子云
原子核 a) 原子核 电子云
负电 中心
极化分子 间的作用力
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、 ⅤA族元素，离子化比较困难，在这种 情况下，相邻原子间可以共同组成一个 新的电子轨道，由两个原子中各有一个 电子共用，利用共享电子对来达到稳定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层，形成带正 电的阳离子，由正离子和自由电子之间
四、结合键的本质与原子间距
固体原子中存在两种力：吸引力 和排斥力。它们随原子间距的增大而 减小。当距离很远时，排斥力很小， 只有当原子间接近至电子轨道互相重
叠时斥力才明显增大，并超过了吸引力。 在某一距离下引力和斥力相等，这一距 离r0相当于原子的平衡距离，称原子间距。 力（F）核能量（E）之间的转换关 系： dE F= dχ E= ∫
第三节
原子排列方式
一、晶体与非晶体 晶体中原子的排列是有序的，即原 子按某种特定方式在三维空间内呈周期 性规则重复排列。而非晶体内部原子的 排列是无序的。这种排列上的差异造成 性能上的不同： 各向异性——晶体由于其空间不同方向 上的原子排列不同，沿着不同方向上所
b) a)理论的电子云分布 b)原子偶极矩的产生 c)原子（或分 子）间的范德瓦耳斯键结合
+
–
c)
2、氢键 氢键的本质与范德瓦耳斯键一样， 只是氢原子起了关键作用。氢原子只 有一个电子，当氢原子与一个电负性 很强的原子X结合成分子时，氢原子的 一个电子转移至该原子壳层上；分子 的氢离子侧实质上是一个裸露的质子， 对另个电负性较大的原子Y表现出较强 的吸引力，这样，氢原子便在两个电
总结
各个元素所表现的行为或性质一定 会呈现同样的周期性变化，因为原子结 构从根本上决定了原来自间的结合键，从 而影响元素的性质。
第二节
原子结合键
键的形成——在凝聚状态下，原子间距 离十分接近，便产生了原子间的作用力， 使原子结合在一起，就形成了键。 键分为一次键和二次键： 一次键——结合力较强，包括离子键、 共价键和金属键。 二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳 斯键和氢键。
概
述
不同的材料具有不同的性能，同 一材料经过加工也会有不同的性能， 这些都归结与内部的结构不同。 结构大致可分为四个层次：原子 结构、原子结合键、材料中原子的排 列以及晶体材料的显微组织。
第一节
原子结构
一、原子的电子排列
原子 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。 原子核 ——中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。
（1）泡利不相容原理 一个原子中不 可能存在有四个量子数完全相同的两个 电子。 （2）最低能量原理 电子总是优先占 据能量低的轨道，使系统处于最低的能 量状态。
二、元素周期表及性能的周期性变化 原子周期律——早在1869年，俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。
磁量子数——确定了轨道的空间取向， 以m表示。没有外磁场时，处于同一亚 壳层而空间取向不同的电子具有相同 的能量，但在外加磁场下，不同空间 取向轨道的能量会略有所差别。 自旋量子数——ms=+1/2，–1/2，表示 在每个状态下可以存在自旋方向相反 的两个电子。
主量子数 次量子数 壳层序号 亚壳层状 态 1s 1 2s 2 2p
电子 ——绕着原子核在一定的轨道
上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
电子运动的轨道：
由四个量子数决定，分别是主量子数、 次量子数、磁量子数及自旋量子数。 主量子数——决定电子离核远近和能量高 低的主要参数。 次量子数——量子轨道并不一定总是球形 的，次量子数反映了轨道的形状，各轨道 在原子核周围的角度分布不同。它也影响 轨道的能级，按s、p、d、f依次升高。
∞ 0
Fdχ
五、结合键与性能
1、物理性能 （1）熔点的高低代表了材料稳定性的 程度。共价键、离子键化合物的熔点很 高这是陶瓷材料比金属材料具有更高热 稳定性的根本原因。二次键结合的材料 熔点一定偏低，如聚合物等。 （2）材料的密度与结合键类型有关。 金属有高的密度，陶瓷材料的密度很低。
聚合物由于其是二次键结合密度最低。 （3）金属键使金属材料具有良好的导 电性和导热性，而由非金属键结合色陶 瓷、聚合物均在固态下不导电。 2、力学性能 结合键是影响弹性模量的主要因素。 结合键能越大，弹性模量越大，材料的 强度越大。