(英文)材料晶体界面和微观结构

材料微观结构的分析与研究材料科学是一门研究物质性质和结构关系的学科，其中微观结构的研究尤为重要。

微观结构是指材料内部的原子、分子、晶位或折叠构造等微小结构的排布方式。

通过对材料微观结构的分析与研究，可以深入理解材料的性质和行为，为材料设计和制备提供理论依据。

材料的微观结构是很复杂的，其中最基本的是晶体结构。

在晶体内，原子或离子按照一定规律排列成周期性的多面体结构，这种结构称为晶格。

晶格中有许多小的单元块，称为晶胞。

晶胞的长度和角度取决于晶格的类型，根据X射线衍射法或电子衍射法，我们可以测定晶格常数和晶胞参数。

晶胞内的原子或离子称为晶格点，晶格点的类型和排列方式决定着晶体的物理性质。

在材料中还存在着非晶态结构，即没有规则排列的微观结构。

非晶态材料的结构可以近似看做在空间中相邻的原子（或分子）被共用，形成交错的网络结构。

由于非晶态结构中没有周期性，不能像晶体结构一样通过衍射实验测定晶格常数。

除了晶体和非晶态结构，材料中还存在着各种晶体缺陷、界面和间隙结构等微观结构。

晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷，它们的存在可以带来导电性、光学性和热性等方面的变化。

界面是两个不同晶体的交界面，在界面处存在着原子构型的不连续，直接影响着力学性能和疲劳寿命等方面。

间隙结构则是材料中相邻原子之间形成的错位结构，大大影响了材料的机械强度和变形行为。

对于材料微观结构的研究方法，传统的手段主要包括电子显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射和原子力显微镜等。

电子显微镜能够获得材料内部结构的高分辨率图像，透射电镜则可以直接观察到晶体缺陷和界面等结构，原子力显微镜则可以跟踪原子的运动轨迹和间隙结构的形成等。

另外，由于计算机技术的发展，计算材料学也越来越重要。

计算材料学是通过计算机模拟的方法研究材料的物理、化学、结构与性能之间的关系。

在材料微观结构的分析和研究方面，常用的计算方法有第一原理计算、分子动力学模拟和晶体生长模拟等。

计算材料学不仅能够提供理论预测，而且还能够指导实验工作，因此在材料研究中具有广泛的应用前景。

近年来，随着计算机技术的飞速发展，计算材料科学成为了材料科学领域中备受瞩目的一个分支。

其中，MaterialStudio计算晶体作为其中的一种重要工具，被广泛应用于材料设计和研究中。

本文将从不同角度探讨MaterialStudio计算晶体的相关内容，以帮助读者更全面地理解这一主题。

一、MaterialStudio计算晶体的基本原理MaterialStudio计算晶体是基于密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）的计算方法，结合了巨大的晶体数据库和先进的计算技术，可以高效地进行晶体结构的预测和计算。

其原理是通过在计算机上模拟原子之间的相互作用以及结构的动态演化，从而得到材料的结构、力学性能、热学性质等重要信息。

二、MaterialStudio计算晶体的应用领域1.材料设计和优化MaterialStudio计算晶体可以帮助研究人员在计算机上进行大规模的材料结构搜索和优化，以找到具有特定性能的理想材料。

这对于材料设计和新材料的发现具有重要意义。

2.材料性能预测通过MaterialStudio计算晶体，可以准确地预测材料的物理性质，如电子结构、能带结构、光学性质等，对于材料的性能分析和预测具有重要意义。

3.晶体缺陷和界面研究MaterialStudio计算晶体能够模拟材料中的缺陷和界面等微观结构，从而研究材料的稳定性、断裂行为以及晶界对材料性能的影响，为材料改进和优化提供重要参考。

三、MaterialStudio计算晶体在材料科学中的意义MaterialStudio计算晶体的出现极大地促进了材料科学领域的发展和进步。

它不仅提供了一种高效、准确的方法来研究材料的结构和性能，也为材料的设计和优化提供了全新的思路和途径。

通过MaterialStudio计算晶体，研究人员能够更深入地理解材料的微观机制，为新材料的开发和应用提供了有力的支持。

四、个人观点和展望作为一种先进的计算工具，MaterialStudio计算晶体在材料科学领域中具有巨大的潜力和发展空间。

四川大学本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《材料科学与工程基础》（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：30014530课程类别：专业基础课学时/学分：48 /3先修课程：大学化学、大学物理、物理化学适用专业：高分子材料与工程等二级学科材料类专业开课时间：大学二年级下期二、课程的目的及任务材料科学与工程是二十世纪六十年代初期创立的研究材料共性规律的一门学科，其研究内容涉及金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。

材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程等二级学科材料类专业的学生必须同时具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。

本课程是材料类专业的学科基础课程，是联系基础课与专业课的桥梁。

本课程从材料科学与工程的“四要素”出发，采用“集成化”的模式，详细讲授金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各种材料的共性规律及个性特征。

使学生建立材料制备/加工——组成/结构——性能---应用关系的“大材料”整体概念，从原理上认识高分子材料等各种材料的基本属性，及其在材料领域中的地位和作用。

为以后二级学科“中材料”专业课程的学习、材料设计、以及材料的应用等奠定良好基础。

本课程采用中文教材与英文原版教材相结合，实施“双语”教学。

使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学与工程领域的主要英文专业词汇，提高对英文教材的阅读理解能力。

三、课程的教学内容、要点及学时分配（以红字方式注明重点难点）第一章绪论（1学时）本章概要：简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程的基本内容。

使学生了解本课程的学习内容和学习方法。

讲授要点：材料的定义、分类材料科学与工程的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求第二章材料结构基础（15学时）本章概要：按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子电子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构的有序性、无序性和转变规律及相互关系。

半导体缺陷解析及中英⽂术语⼀览⼀、半导体缺陷1.位错：位错⼜可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的⼀种内部微观缺陷，即原⼦的局部不规则排列（晶体学缺陷）。

从⼏何⾓度看，位错属于⼀种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是⼒学性能，具有极⼤的影响。

产⽣原因：晶体⽣长过程中，籽晶中的位错、固-液界⾯附近落⼊不溶性固态颗粒，界⾯附近温度梯度或温度波动以及机械振动都会在晶体中产⽣位错。

在晶体⽣长后，快速降温也容易增殖位错。

（111）呈三⾓形；（100）呈⽅形；（110）呈菱形。

2.杂质条纹：晶体纵剖⾯经化学腐蚀后可见明、暗相间的层状分布条纹，⼜称为电阻率条纹。

杂质条纹有分布规律，在垂直⽣长轴⽅向的横断⾯上，⼀般成环状分布；在平⾏⽣长轴⽅向的纵剖⾯上，呈层状分布。

反映了固-液界⾯结晶前沿的形状。

产⽣原因：晶体⽣长时，由于重⼒产⽣的⾃然对流和搅拌产⽣的强制对流，引起固-液界近附近的温度发⽣微⼩的周期性变化，导致晶体微观⽣长速率的变化，或引起杂质边界厚度起伏，⼀截⼩平⾯效应和热场不对称等，均使晶体结晶时杂质有效分凝系数产⽣波动，引起杂质中杂质浓度分布发⽣相应的变化，从⽽在晶体中形成杂质条纹。

解决⽅案:：调整热场，使之具有良好的轴对称性，并使晶体的旋转轴尽量与热场中⼼轴同轴，抑制或减弱熔热对流，可以使晶体中杂质趋于均匀分布。

采⽤磁场拉晶⼯艺或⽆重⼒条件下拉晶可以消除杂质条纹。

3.凹坑：晶体经过化学腐蚀后，由于晶体的局部区域具有较快的腐蚀速度，使晶体横断⾯上出现的坑。

腐蚀温度越⾼，腐蚀时间越长，则凹坑就越深，甚⾄贯穿。

4.空洞：单晶切断⾯上⽆规则、⼤⼩不等的⼩孔。

产⽣原因：在⽓氛下拉制单晶，由于⽓体在熔体中溶解度⼤，当晶体⽣长时，⽓体溶解度则减⼩呈过饱和状态。

如果晶体⽣长过快，则⽓体⽆法及时从熔体中排出，则会在晶体中形成空洞。

5.孪晶：使晶体断⾯上呈现⾦属光泽不同的两部分，分界线通常为直线。

材料的微观结构
晶体结构：由质点（离子、原子或分子）在空间按规则的几何形状周期性排列而成的结构。

非晶体结构：熔融物质在急速冷却过程中，质点来不及按一定规则排列变凝固成固体物质，也称无定形。

非晶体结构内部储存了大量内能，具有化学不稳定性，在一定条件下易与其他物质其化学反应。

胶体结构：颗粒在10-7~10-9m 的固体微粒.
密度：材料在绝对密实状态下（不包括材料内部孔隙在内的密实体积），单位体积的质量。

V m
=ρ
表观密度(即容重）：材料在自然状态下，单位体积的质量。

0V m =ρ 堆积密度：材料在自然堆积状态下，单位体积的质量。

''00V m =
ρ 孔隙率：材料内孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分比。

%100)1(%1000⨯-=⨯-=P ρ
ρV V V o 密实度：材料的体积内被固体物质充实的程度。

P V V D -=⨯=⨯=
1%100%10000ρρ。

材料科学基础教学大纲课程号：课程名称：材料科学基础II 学分：4英文名称：Fundamentals of Materials Science （II）周学时： 4预修课程：《材料科学基础I》面向对象：材料科学与工程专业本科生一、课程介绍（100-150字）（一）中文简介《材料科学基础II》是《材料科学基础I》与材料科学后续专业课程的连接纽带，是材料系学生学习其它材料科学与工程相关专业课的基础，内容主要包括固态扩散、相图、固相反应、陶瓷烧结过程、熔融态与玻璃态、金属的凝固与结晶、固态相变过程等。

（二）英文简介This course provides fundamental knowleges for more specified courses related to materials science and engineering. The major contents are as follows: solid diffusion, phase diagrams, solid state reaction, sintering process of ceramics, molten and glassy states, solidification and crystallization of metals, and solid state phase transformations.二、教学目标（一）学习目标《材料科学基础II》课程教学的基本目的是在学生学完《材料科学基础I》课程之后，通过本课程的学习，进一步掌握材料研究与制备过程中所涉及的基础理论问题，如相平衡与相变过程、材料不同尺度范围内的本征结构、晶体组织、几何形态及表观性能，材料微观行为与宏观表现的有机联系，具有不同化学成分、加工过程、组织结构及宏观性能材料的物理本质、材料制备过程中的固相反应和烧结过程等。

学完本课程后，学生应掌握固态扩散基础知识；各类相图的判读以及在实际过程中的应用；理解固相反应、陶瓷烧结过程的实质和控制条件以及相关的动力学关系；掌握玻璃制备过程中的熔融态结构与性质以及玻璃形成过程与结构;掌握金属凝固和结晶基本过程以及成分分布、组织结构调控；掌握材料固态相变，特别是钢的奥氏体化、珠光体相变、马氏体相变、贝氏体相变、脱溶与时效、调幅分解等基础知识。

第六章 界面的微观结构§1. 晶体的平衡形状1． 界面能极图与晶体的平衡形状γ(n)—界面能γ(n)dA=最小液体 γ(n)= γ=常数——球形晶体 ——界面能最低的晶面所包围（低指数面）§2. 邻位面与台阶的平衡结构1． 奇异面（低指数面、原子密排面、界面能最低的面）邻位面非奇异面界 面 能 极 图2． 邻位面台阶化邻位面→台阶（总界面能最低）§2. 台阶热力学性质1． 台阶——奇异面的一条连续曲线，线之间则有一个原子的高度差。

台阶是起止于晶体边缘或形成闭合曲线，不会终止在晶面内。

hk yZ tg -=∂∂=θ2． 台阶棱边能：单位长度台阶具有的自由能（产生单位长度台阶所作之功）台阶有线张力（棱边能大小），使台阶缩短。

3． 台阶棱边能的各项异性——台阶扭折化h tg k /θ=4． 台阶的平衡结构台阶上的扭折取决于台阶取向，当θ=0（台阶和密排方向一致），k →0,这只在0k 时成立。

热涨落可在台阶上产生扭折。

扭折有正负号。

扭折产生与台阶吸附空位或原子有关。

α+=α- α++α-+α0=1α+：产生正扭折机率台 阶 的 扭 折 化α-：产生负扭折机率α0：不产生扭折的机率细微平衡原理（The principle of detailed balancing ）求扭折形成能 a: 2Φ1 2扭折b: 4Φ1 4扭折 一个扭折形成能为Φ1 c: 0 0 )/exp(//100kT Φ-==∴-+αααα台阶任意位置产生扭折的总机率（正和负）为： )/exp(210kT Φ-=+=-+αααα台阶有n 原子，a 为原子间距，台阶长na,台阶上的扭折数为：n （α++α-）扭折平均距离： +-+-+=+=+=ααααα2)(0a a n na X由于α++α-+α0=α0+2α+=1 即： )(1αααα+=++ }2){exp(210+Φ=∴kT a X X 0>>a , )exp(210kT a X Φ≈∴T →0k 时，X 0→∞ 扭折密度为零在有限温度下，台阶上总是存在扭折的（θ=0） 600K X0≈4～5a§3. 界面相变熵和界面的平衡结构1．光滑界面与粗糙界面晶体原子→振动平均频率固定熔体原子→振动平均频率是变化的X=N A/N N A晶体原子1-X 熔体X≈50% 1-X≈50% 粗糙界面X≈0% 或 1-X≈100% 光滑界面考察界面自由能的表达式，求出自由能最低时的X。

1、化学键：组成物质整体的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力叫做化学键。

共价键：有些同类原子，例如周期表IV A、V A、VIA族中大多数元素或电负性相差不大的原子相互接近时，原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合，形成共价键。

离子键：当两种电负性相差大的原子相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。

范德瓦尔键（分子键）：分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔键，也叫分子键。

金属键：由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键。

2、晶体：物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。

单晶体：由一个晶粒组成的晶体。

准晶：原子在晶体内部是长程有序的具有准周期性的具有五次对称轴的介于晶体与非晶体之间的一类晶体，叫做准晶。

玻璃体：液体冷却时，尚未转变为晶体就凝固了，它实质是一种过冷的液体结构，称为玻璃体。

非晶态金属（金属玻璃）：在特殊的冷却条件下金属可能不经过结晶过程而凝固成保留液体短程有序结构的非晶态金属。

非晶态金属又称作金属玻璃。

微晶合金：晶粒尺寸达微米（μm）的超细晶粒合金材料，称为微晶合金。

纳晶合金：晶粒尺寸达纳米（nm）的超细晶粒合金材料，称为纳晶合金。

3、空间点阵（点阵）：代表原子（分子或离子）中心的点的空间排列，称为空间点阵，简称点阵。

阵点：代表原子（分子或离子）中心的点。

晶格：将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。

晶胞：点阵中能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。

晶体结构：是指晶体中实际质点（原子、分子或离子）的具体排列情况，它们能组成各种类型，因此实际存在的晶体结构是无限多的。

4、晶向：晶体中某些原子在空间排列的方向叫晶向。

材料研发考试题库及答案一、选择题1. 材料科学中的“四要素”是指：A. 强度、硬度、韧性、延展性B. 化学组成、微观结构、宏观性能、加工工艺C. 弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断裂韧性D. 原子排列、晶体缺陷、电子结构、热处理答案：B2. 以下哪种材料不属于金属材料？A. 钢B. 铝C. 塑料D. 铜答案：C3. 陶瓷材料的主要特点是：A. 高强度、高韧性B. 耐高温、耐腐蚀C. 良好的导电性D. 良好的延展性答案：B4. 以下哪种方法可以提高材料的强度？A. 增加材料的厚度B. 降低材料的温度C. 增加材料的孔隙率D. 进行热处理答案：D5. 金属材料的塑性变形主要通过以下哪种机制实现？A. 位错运动B. 原子扩散C. 相变D. 断裂答案：A二、填空题6. 材料的______是指材料在受到外力作用时，不发生破坏的最大应力。

答案：强度7. 材料的______是指材料在受到外力作用时，能够承受的最大形变而不发生断裂的能力。

答案：韧性8. 金属材料的晶体结构通常分为______和______两种基本类型。

答案：面心立方（FCC）、体心立方（BCC）9. 材料的______是指材料在一定温度下，抵抗化学或电化学反应的能力。

答案：耐腐蚀性10. 材料的______是指材料在受到外力作用时，能够恢复到原始形状的能力。

答案：弹性三、简答题11. 简述材料的疲劳失效机理。

答案：材料的疲劳失效是指在反复或循环载荷作用下，材料在远低于其静态强度的情况下发生断裂的现象。

疲劳失效通常发生在材料表面或内部缺陷处，由于应力集中，材料在这些区域产生微裂纹，随着载荷的循环，微裂纹逐渐扩展，最终导致材料断裂。

12. 描述金属材料的热处理过程及其目的。

答案：金属材料的热处理是通过对材料进行加热、保温和冷却等过程，改变材料的微观结构，从而改善材料的宏观性能。

常见的热处理过程包括退火、正火、淬火和回火。

退火用于降低硬度，消除内应力；正火用于细化晶粒，提高材料的塑性；淬火用于提高材料的硬度和强度；回火用于降低淬火后的脆性，提高韧性。

材料的结构和构造材料的结构和构造材料的性质除与材料组成有关外,还与其结构和构造有密切关系。

材料的结构和构造是泛指材料各组成部分之间的结合方式及其在空间排列分布的规律。

目前,材料不同层次的结构和构造的名称和划分,在不同学科间尚未统一。

通常,按材料的结构和构造的尺度范围,可分为宏观结构、介观结构和微观结构。

一、宏观结构材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜可分辨出的结构和构造状况,其尺度范围在10-3m级以上。

按宏观结构的特征,材料有致密、多孔、粒状、层状等结构,宏观结构不同的材料具有不同的特性。

例如,玻璃与泡沫玻璃的组成相同,但宏观结构不同,前者为致密结构,后者为多孔结构,其性质截然不同,玻璃用作采光材料,泡沫玻璃用作绝热材料。

材料宏观结构和构造的分类及特征见表1-1。

宏观结构结构特征常用的土木工程材料举例钢铁、玻璃、塑料等致密结构无宏观尺度的孔隙按孔隙石膏制品、烧土制品等微孔结构主要具有微细孔隙特征加气混凝土、泡沫玻璃、泡沫翅多孔结构具有较多粗大孔隙料等主要由纤维状材料构木材，玻璃钢、岩棉、GRC等成纤维结构复合墙板、胶合板、纸面石膏板由多层材料叠合构成层状结构等按构造由松散颗粒状材料构特征散粒结构砂石材料、膨胀蛭石、膨胀珍珠成岩等聚集结构由骨料和胶结材料构各种混凝土、砂浆、陶瓷等成二、介观结构材料的介观结构(又称亚微观结构)是指用光学显微镜和一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构,是介于宏观和微观之间的结构。

其尺度范围在10-3,10-9m。

材料的介观结构根据其尺度范围,还可分为显微结构和纳米结构。

其中,显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构,其尺度范围在10-3,10-7m。

土木工程材料的显微结构,应根据具体材料分类研究。

对于水泥混凝土,通常是研究水泥石的孔隙结构及界面特性等结构;对于金属材料,通常是研究其金相组织、晶界及晶粒尺寸等。

对于木材,通常是研究木纤维、管胞、髓线等组织的结构。

材料在显微结构层次上的差异对材料的性能有显著的影响。

名词解释晶体结构、晶体、非晶体、空间点阵、晶胞、空间格子、晶带定律、布拉格定律、晶面间距、晶带轴、合金、固溶体、固溶强化、中间相、置换固溶体、间隙固溶体、有序固溶体、致密度、配位数、间隙相、间隙化合物、单晶体、多晶体、点阵畸变、金属键、范德华键、同质异构体、布拉菲点阵、配位多面体、拓扑密堆相、大角度晶界、电子化合物、点缺陷、线缺陷、面缺陷、空位、肖脱基（Schottky）空位、弗兰克尔缺陷、晶格畸变、热平衡缺陷、过饱和的点缺陷、位错、柏氏矢量、螺型位错、刃型位错、混合位错、单位位错、全位错、不全位错、扩展位错、部分位错、堆垛层错、位错的滑移（守恒运动）、位错的攀移（非守恒运动）、位错反应、位错密度、交滑移、双交滑移、多滑移、滑移系、扭折、割阶、位错滑移的特点、位错交割的特点、孪晶、孪生、晶界、相界、晶界偏聚、亚晶界、亚晶粒、界面、外表面、内界面、小角度晶界、对称倾斜晶界、大角度晶界、表面能、晶界能、界面能、位错的应变能、派-纳力、位错的塞积、晶界特性、柯肯达尔效应、上坡扩散、反应扩散、间隙扩散、稳态扩散、非稳态扩散、共格相界、非共格晶界、弹性的不完整性、包申格效应、弹性后效、弹性滞后、塑性变形的方式、孪生、扭折、滑移带、滑移系、临界切应力、施密特因子、柯氏Cotrell 气团、再结晶、晶粒长大、异常长大（不连续晶粒长大、二次再结晶）、再结晶的形核率、再结晶温度、临界变形度、动态回复、动态再结晶、冷加工、热加工、扩散退火、再结晶退火、去应力退火、回复阶段退火的作用、回复退火产生的结果、退火孪晶、时效、应变时效、再结晶织构、形变织构、多边形化、超塑性、细晶强化、固溶强化、弥散强化、加工硬化、过冷、过冷度、动态过冷度、成分过冷、结构起伏、能量起伏、成分起伏、均匀形核、非均匀形核、形核率N、临界形核功、平衡凝固、异质形核、偏析、正偏析、枝晶偏析、区域熔炼、光滑界面、粗糙界面、粗糙界面长大机制、光滑界面晶体长大机制、铸锭（件）的缺陷、缩孔、单组元晶体（纯晶体）、单元系、相变、凝固、结晶、固态相变、气态相变、相图、相律、组元、相、自由度、成分过冷、匀晶反应、共晶转变、包晶转变、共析反应、包析转变、偏晶转变、熔晶转变、合晶转变、伪共析转变、初生相、次生相、伪共晶、离异共晶、调幅分解、钢、铸铁、铁素铁、奥氏体、渗碳铁、莱氏体、珠光体、三次渗碳体、等含量法则、等比列法则、背向法则、直线法则、重心法则。