材料科学基础

1. 材料是国民经济的基础；广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质；材料、信息、能源是现代技术的三大支柱。

2. 材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的学科。

3. 材料分类：金属材料、陶瓷材料或无机非金属材料、高分子材料、复合材料。

4. 材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。

5. 金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。

特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构

性质：良好导电、导热性能，延展性好。

6. 离子键：正负离子之间由于静电引力相互吸引，是原子结合在一起形成离子键。

特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，

且无方向性，无饱和性

性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体。

7.共价键：两个或多个电负性相差不大的原子通过共用电子对而形成的化学键。特点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s电子除外）

性质：熔点高、质硬脆、导电能力差 二；晶体学基础

晶体：是指其内部原子（分子或离子）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物体。

晶体原子（分子或离子）在空间的具体排列方式称为晶体结构。

晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列即即存在长程有

性能上两大特点：固定的熔点，各向异性

空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵 特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境

晶胞： 代表性的基本单元（最小平行六面体）

选取晶胞的原则

1.选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性 2.平行六面体的棱和角相等的数目应最多

3.当平行六面体的棱边夹角存在直角，直角数目应最多

4.在满足上述条件下晶胞应具有最小体积

晶格：为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为结点，人为地将结点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格。

简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点

复杂晶胞： 除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点

14种步拉菲点阵看书p7

晶体结构与空间点阵的区别：空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，故它只能有14种类型；而晶体结构中则是指晶体中实际质点（原子、分子或离子）的具体排列情况，他们能组成各种类型的排列（因实际质点千差万别），因此，实际排列的晶体结构是无限的。

晶向：空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。 晶向指数：表示晶向方位符号

求法：1） 确定坐标系;2） 过坐标原点，作直线与待求晶向平行；

3） 在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z）

4） 将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号[u v w]即是。

晶向族：具有等同性能的晶向归并而成；原子排列方式相同，空间位向不同。

任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围（注意只适用于立方晶系）。

晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子面的方向。

晶面指数：表示晶面方位的符号。

标定方法：1）选定以晶轴x、y、z为坐标轴的坐标系，要求坐标原点不在待标晶面上，各轴单位分别是单位平行六面体（晶胞）边长a、b和c；

（2）晶面在三个坐标上的截距pa、qb、rc ； （3)计算1/p: 1/q: 1/r=h:k:l（应为最小整数比）

(4)去掉比例符号，以小括号括之，写成 (hkl)， (hkl) 即为待标定晶面的米勒指数。

4.六方晶系指数三坐标系 a1，a2，c 四轴坐标系a1，a2，a3，c

缘由：由于等价晶向或晶面不具有类似的指数，无法从指数判定其等价性，也无法由晶面族或晶向族写出他们所包含的各种等价晶面或晶向，给研究带来不便。

uvtw化为UVW u=1/3(2U－V) t=-1/3(U+V) V=1/3(2V －U)

w=W 四指数转成三指数:U=u-t V=v-t W=w

所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个“晶带”

此直线称为晶带轴，所有的这些晶面都称为共带面。

hu ＋ kv ＋ lw＝0 ————晶带定律

凡满足此关系的晶面都属于以[u v w]为晶带轴的晶带

已知晶面（h1k1l1）和晶面（h2k2l2）在一个晶带上，则（h1＋h2）（k1＋k2）（l1＋l2）必为此晶面上的另一晶面指数。公式书p12

一组平行晶面中，最邻近的两个平行晶面之间的垂直距离称为晶面间距

低指数晶面的晶面间距较大、原子排列越紧密；

高指数晶面的晶面间距较小；原子排列越稀疏；

晶体中原子排列的紧密程度（与晶体结构类型有关）

配位数:晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数

致密度（堆积系数 K ）晶胞中原子所占的体积分数.K=V/V0

V一个晶胞中原子所占的体积 V0一个晶胞的体积

体心立方 bcc：α-Fe 、Cr、 V、Mo、W等 八面体间隙：位置：面心和棱的中点 间歇数量： 12/4 + 6/2 = 6 半径为0.154r

四面体间隙：位置：侧面中心线1/4和3/4处 间歇数量：4×6 ÷2＝12 半径为0.291r

面心立方 fcc ：Al、γ-Fe、Ni等

八面体间隙：位置：体心和棱的中点 间歇数量：12/4+1=4 半径为0.414r

四面体间隙：位置：四个最近邻原子的中心 间歇数量：4×2＝8 半径为0.225r

密排六方 hcp：Mg、Zn、α-Ti等

密排面：该晶面上原子排列最为紧密

密排方向：该晶向上原子排列最为紧密

体心立方结构中的八面体间隙却比四面体间隙小，其余相反。

某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛等，这种现象称为同素异晶转变，

所谓合金，是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的物质。组成合金的基本的、独立的物质称为组元

相，是指合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分

固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。

溶质原子在溶剂中的最大含量（即极限溶解度）称为固溶度

形成置换固溶体的影响因素

1 原子或离子尺寸的影响 尺寸愈相近，则固溶体愈稳定

当△r＝ (r1-r2)/r1＜15％时 形成连续固溶体 当△r＝ 15％ ～30％时 形成有限固溶体 当△r＞ 30％时 不能形成固溶体 形成中间相或化合物 △r越大 溶解度越小

原子尺寸因素的影响主要与溶质原子的溶入所引起的点阵畸变及其结构状态有关。△r越大，溶入后点阵畸变程度越大，畸变能越高，结构的稳定性越低，溶解度则越小。

若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续固溶体 只有当两两结构相同和△r＜15％才是形成连续固溶体的充分必要条件

电负性: 原子获得电子形成负离子的倾向 电负性差越大，倾向于生成化合物而不利于形成固溶体 电负性相近的元素才可能具有大的溶解度

电子浓度是指合金相中各组成元素价电子总数e与原子总数a之比

e/a ＝{A(100-x)+Bx}/100

A和 B——溶剂和溶质的原子价（原子能直接或间接与氢原子结合或替代氢原子的数目 x——溶质原子在合金中的原子百分数

以一价金属为基体的固溶体中，溶质元素的原子价越高，同样数量的溶质原子溶解时，其电子浓度增加越快，故其固熔度（摩尔分数）就愈小。

溶解度有一定限度，这种固溶体称为有限固溶体；但是某些元素之间可以任意比列形成固溶体，即不存在极限浓度的限制称为无限固溶体或连续固溶体。

溶质原子和溶剂原子分别占据固定位置，而且每个晶胞中溶质原子数和溶剂原子数之比都是一定的称作有序固溶体 有序固溶体 加热 无序固溶体 无序固溶体 缓冷 有序固溶体

这一转变过程称为有序化，临界转变温度称为有序化温度。

溶质原子溶入造成的晶格畸变使塑性变形抗力增加，位错移动困难，因而使固溶体的强度、硬度提高、塑性和韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。

间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式溶质原子更显著

影响中间相的因素：电负性、电子浓度、原子尺寸

正常化合物：电负性差越小，化合物越不稳定，越趋于金属键结合

电负性差越大，化合物越稳定，越趋于离子键结合

电子化合物：中原子间结合的性质是金属键结合为主，它们具有明显的金属特性。

两种原子半径差很大的元素形成化合物时，倾向于形成间隙相和间隙化合物，而中等程度差别时则倾向形成拓扑密堆相

间隙相具有比较简单的晶体结构（面心、密排、体心），金属原子占据结点位置，而非金属原子则存在于金属原子间隙中。

间隙相具有很高的硬度和熔点，但很脆（金属键和共价键）

间隙化合物：当非金属原子半径与过渡族金属原子半径之比rx／rM＞0.59时所形成的相往往具有复杂的晶体结构，这就是间隙化合物。

间隙化合物中原子间结合键为共价键和金属键。

玻璃的狭义定义为：“熔融物在冷却过程中不发生结晶的无机物质 第二章：

单晶体：一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”

晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。

晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”

点缺陷：其特点是在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一、两个原子大小的级别，又称零维缺陷，例如空位，间隙原子和杂质原子等。

线缺陷：其特点是仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，故也称一维缺陷，通常是指位错。

面缺陷：其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，例如晶体表面、晶界和相界面等。

弗兰克尔空位：在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位

肖脱基空位:如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖脱基空位，

空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点，称为空位。空位是热力学稳定的晶体缺陷。金属晶体的点缺陷主要是指空位

空位的运动是不规则运动，空位在运动过程中如遇到间隙原子，空位