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。

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。

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。

《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。