知识点

原子尺度结构指的是：1，原子的类型2.原子间键的类型。

3：原子的堆垛方式。

原子特性取决于：1原子序数2原子质量3电子在围绕原子核的轨道中的空间分布4原子中电子的能量。

5在原子中加入或除去一个电子从而产生带电粒子的难易程度。

泡利不相容原理：两个相互作用的电子不可能具有相同量值的4个量子数。

（n,l,m,Ms ）非对称概率密度函数（PDF ）的结果是在结构中出现确定的健角。

由于键的结构的变化涉及到能量的变化，所以结构的改变是由热力学条件控制的。

系统变量的变化可以导致热力学有利状态的改变。

只有热力学和动力学都有利时，一个反应或结构变化才能发生。

化学反应速率随温度的增加按指数规律增大。

阿累尼乌斯方程：)(Cexp RTQ 反应速率＝ 一次键通常比二次键强一个数量级以上。

一次键涉及到电子转移或电子共用。

键-力曲线和键-能曲线金属对外力作出响应时不用考虑电荷的限制，其中原子可以相对滑动，因此能吸收冲击能量而不断裂，这种现象成为金属的塑性。

而离子滑动可导致相同电荷运动到临近位置引起库伦力，这使得滑动较难进行，材料已断裂来做出回应，这种特性称为脆性。

材料的电导率取决于三个因素1材料中电荷载体的类型（电子或离子）2电荷载体的空间密度3电荷载体的迁移率键-能曲线可以估算键能 平均键长 弹性模量 热膨胀系数对离子材料来说，配位数（CN ）是由几何构型决定的，共价键材料中最近邻的数目是由每个原子的价电层中的电子数决定的。

Nb=8-Nv共价键具有方向性，由特定的健角来表征。

当不断运动的电子临时排列形成非对称电荷分布时，就产生了暂时电偶极子。

它可以诱发另一个偶极子。

这种键和类型是造成惰性气体低温凝聚的主要原因。

这种键称为范德瓦尔键。

正电荷中心始终和负电荷中心不同的分子是永久偶极子。

如氢键。

金属中结合键的共价特性的增加是造成周期表中每行元素从左到右金属密度逐渐降低的部分原因当某些金属汇合在一起形成具有特定金属原子比率的化学计量化合物，这些化合物都称作金属间化合物。

大多呈金属键、共价键或金属键、离子键的特性。

这些材料虽脆，但常常具有良好的耐高温特性和高的强度、重量比。

Ni3Al和Ti3Al常用于航空工业。

晶体与非晶体的区别a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围c.晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各向同性，称“伪各向同性”）4.晶体与非晶体的相互转化玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法）晶胞的选取原则：（1）晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性；（2）平行六面体内相等的棱和角的数目最多；（3）当棱间呈直角时，直角数目应最多；（4）满足上述条件，晶胞体积应最小。

晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向，用<uvw>表示。

数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。

晶体结构中那些原子密度相同的等同晶向称为晶向轴，用<UVW>表示。

指数相同的晶面和晶向互相垂直常见的金属晶体结构有体心立方（body-centered cubic，bcc）包括a-Fe 铬钨钼钒面心立方（face-centered cubic，fcc）包括铝钙铜金铅镍铂银r-Fe(912度)密排六方（hexagonal close-packed，hcp）镁钴镉钛锌钇配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度。

配位数（coordination number，CN）：晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。

致密度（K）：晶胞中原子所占的体积分数，面密度原子堆垛因子（APF）：在晶体结构中原子占据的体积与可利用的总体积的比率液晶的名称是对那些显示一定程度长程有序的液体给出的很多材料在特定温度下其晶体结构会发生从一种单胞到另一种单胞的转变，元素出现这种行为称为同素异构，而化合物出现这种行为称为多形性。

若材料的性质与测量方向无关则材料称作各项同性，若材料性质和方向有关，则材料是各向异性的。

fcc和hcp都是密排结构，而bcc则是比较“开放”的结构，因为它的间隙较多。

因此，碳、氮、氢、氧、硼等原子半径较小的元素（即间隙原子）在bcc金属中的扩散速率往往比在fcc 及hcp金属中高得多。

(2)fcc和hcp金属中的八面体间隙大于四面体间隙，故这些金属中的间隙原子往往位于八面体间隙中。

(3)fcc和hcp中的八面体间隙远大于bcc中的八面体或四面体间隙，因而间隙原子在fcc和hcp中的固解度往往比在bcc中大得多。

(4)在bcc晶体中，四面体间隙大于八面体间隙，因而间隙原子应占据四面体间隙位置。

但另一方面，由于bcc的八面体间隙是不对称的，即使上述间隙原子占据八面体间隙位置，也只引起距间隙中心为的两个原子显著地偏离平衡位置。

因此，在有些bcc金属中，间隙原子占据四面体间隙位置（如碳在钼中），在另一些bcc晶体中，间隙原子占据八面体间隙位置（如碳在-铁中）。

(5)fcc和hcp晶体中的八面体间隙大小彼此相等，四面体间隙大小也相等，其原因在于这两种晶体的原子堆垛方式非常相像。

与原子尺度缺陷相比宏观不完整性经常导致材料性能变坏晶体缺陷对晶体的性能，特别是对那些结构敏感的性能，如屈服强度、断裂强度、塑性、电阻率、磁导率等有很大的影响。

另外晶体缺陷还与扩散偶、相变、塑性变形、再结晶、氧化、烧结等有着密切关系。

空位和间隙原子的存在会增加晶体的内能。

虽然点缺陷通常增加晶体的内能，但这一影响往往与系统熵的增加相联系的吉布斯自由能的减少所抵消。

在晶体中位于点阵结点上的原于并非静止的，而是以其平衡位置为中心作热振动，原子振动能按几率分布，有起伏涨落期。

当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原于对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。

晶体中的点缺陷还列以通过高温淬火、冷变形加工和高能粒子(如中子、质子、粒子等)的辐照效应等形成。

这时，往往晶体中的点缺陷数量超过了其平衡浓度，通常称为过饱和的点缺陷。

空位是一种热力学平衡的缺陷，即在一定的温度下，晶体中总是会存在着一定数量的空位，这时体系的能量处于最低的状态，也就是说，具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。

点缺陷对材料性能的影响使金属的电阻增加体积膨胀密度减小使离子晶体的导电性改善过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷等还可以提高金属的屈服强度。

提高材料的高温蠕变速率所谓高温蠕变是金属在一定温度和恒定的应力下发生缓慢而又连续的一种形变。

产生过饱和点缺陷的方法高温激冷晶体中点缺陷的热平衡浓度随温度下降而指数式地减小。

如果极缓慢地冷却晶体．则高温下平衡而低温下过量的点缺陷将可能通过合并湮灭(如空位与填隙原子的复合或消失于晶内其他缺陷(如位错、晶界等)和晶体表面处等过程而减少，始终保持相应温度下的热平衡浓度。

如果使晶体迅速冷却，即进行淬火处理，那么高温下形成的高浓度点缺陷将被“冻结”在晶内，形成过饱和点缺陷。

大量的冷变形塑性形变的物理本质是晶体中位错的大量滑移。

位错滑移运动中的交截过程和其它位错的非保守运动，都可能产生大量空位和填隙原子。

如果温度巳够低，不能发生明显的固态扩散过程的话，这些点缺陷则处于非热平衡态高能粒子辐照离子注入这是用高能离子轰击材料将其嵌入近表面区域的一种工艺。

离子注入晶体中可以产生大量点缺陷：注入组分离子，产生空位和填隙离子；注入杂质原子则产生代位或填隙杂质。

在半导体器件工艺中，离于注入是引入掺杂层的有效途径。

在制备某些合金材料时，不溶的合金元素只有借助离子注入技术才能实现合金化。

此外，高能离子注入还能产生位错环和各种类型的面缺陷，甚至非晶层。

离子晶体中是肖脱基缺陷和弗兰克缺陷加入杂质原子一般会增加内能，但熵也同时增加，在任何温度下都会存在一定数量的杂质以使自由能最小。

在任意温度下杂志原子的平衡浓度由熵的增加以及内能增加间的相互折中来确定。

基体原子称溶剂原子，而杂质通常称为溶质原子。

分为置换固溶体和间隙固溶体固体中原子迁移的唯一方式是扩散扩散过程的特点微观特点；原子的热运动和跃迁杂乱无章。

宏观特点：大量原子的跃迁具有统计规律性。

如存在浓度梯度时，会出现物质原子的定向迁移。

共价和金属晶体中的扩散机制多晶体金属中，扩散物质可以沿金属表面、晶界、位错线发生迁移，分别被称为“表面扩散”、“晶界扩散”和“位错扩散”，扩散物质也可以在晶粒点阵内部发生迁移，被称为体扩散。

体扩散是固态金属中最基本的扩散途径，人们在这方面做了许多工作，先后提出了原子在点阵中迁移的各种机制，来说明扩散的基本过程。

其中最基本的扩散机制是间隙机制和空位机制。

一般来说，空位扩散激活能Qv高于间隙扩散激活能Qi。

因为前一种机制要求的能量包括空位形成及原子移人空位的能量，而后一种情况的能量仅是使间隙原子移入间隙位置的能量。

.间隙微观机制间隙固溶体中溶质原子的扩散一般采用间隙机制进行。

扩散原子由所在间隙位置跳跃至另一相邻的间隙中。

如C原子在Fe中的扩散过程。

结构条件：间隙原子的周围必须存在可供其跃迁且未被其它原子占据的间隙位置。

由于晶体结构类型不同，其间隙位置的种类、数量、分布也会不同．从而使间隙原子的跃迁几率P不同。

能量条件：间隙原子应具有足够的能量以克眼周围原子对其跃迁的阻力。

.置换型扩散(空位扩散机制) 纯金属和置换固溶体中溶质原子扩散一般采用空位机制进行。

空位扩散机制认为由于晶体中存庄着一定数量的空位，因此原子的扩散便可通过不断地跃迁到邻近的空位而实现。

条件：扩散原子近邻存在空位并且具有足以越过能垒的能量。

有效渗入距离为扩散物质含量具有原始含量与表面含量平均值的地方。

决定扩散方向的不是浓度梯度，是化学势。

扩散的宏观规律Fick第一定律、Fick第二定律及其应用、Kirkendall效应、反应扩散扩散的热力学分析扩散的微观理论原子的跃迁与扩散、扩散的微观机制、扩散激活能的测定等。

影响扩散的因素温度、晶体结构、缺陷、元素的性质、扩散物质的浓度结合键与物理／力学性能的关系熔点是由键合特点决定。

材料加热时，原子振动足够破坏原子之间的稳定结合，于是发生熔化，所以熔点与结合能有较好的对应关系。

共价键、离子键化合物结合能较高，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。

金属中过渡族金属具有较高的熔点，特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点最高，这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满，使结合键中有一定比例的共价键。

具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低在原子堆积致密程度相似的材料中，熔点越高，热膨胀系数就越小。