材料科学基础复习

1、材料科学基础复习2021-12-5第一章 原子结构与键合 原子的电子结构 核外电子排布规律：能量最低原理能量最低原理、泡利（泡利（PauliPauli）不）不相容原理相容原理、洪德（洪德（HundHund）法则）法则。要求：要求：熟悉且能写出一般元素的核外电子排布式。如C、O、N、Na、Mg、Al等。 原子间的键合 物理键：物理键：范德华力、氢键 主要依靠原子间的偶极吸引力结合 化学键：化学键：金属键、离子键、共价键（极性和非极性） 主要依靠价电子转移或共用电子对云成键。第二章 晶体材料中的原子排列基本概念基本概念晶体、非晶体，以及两者之间的区别。晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列，而

2、非晶体的原子则是无规则排列的。两者之间的区别主要有两点：（1）晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体却无固定熔点，存在一个软化温度范围。（2）晶体具有各向异性，而非晶体却为各向同性。为了便于对晶体进行描述，引出了空间点阵和晶胞两个概念。空间点阵选取的一个重要原则：每个阵点周围的环境（原子的种类以及分布）必须都是相同的。阵点每个阵点周围的环境（原子的种类以及分布）必须都是相同的。阵点都是都是等同点等同点。第二章 晶体材料中的原子排列根据六个点阵常数之间的相互关系，将空间点阵归属于（三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方、立方）（简单三斜、简单单斜、底心单斜、简单正交、底心正交、体心正交、面心正交、简单六

3、方、简单菱方、简单四方、体心四方、简单立方、体心立方、面心立方）。第二章 晶体材料中的原子排列晶体结构是晶体的直接表达晶体结构是晶体的直接表达点阵是对晶体结构的数学抽象点阵是对晶体结构的数学抽象晶体结构中的球代表实际的原子晶体结构中的球代表实际的原子点阵中的球（阵点）代表一个或几个原子，是数学上抽象的点点阵中的球（阵点）代表一个或几个原子，是数学上抽象的点晶体结构有无数多种晶体结构有无数多种点阵只有点阵只有1414种种第二章 晶体材料中的原子排列为了能明确的、定量的表示晶格中任意两原子间连线的方向或任意一为了能明确的、定量的表示晶格中任意两原子间连线的方向或任意一个原子面。且能方便地使用数学方

4、法处理晶体学问题。个原子面。且能方便地使用数学方法处理晶体学问题。 晶向（指数）、晶面（指数）晶向（指数）、晶面（指数）晶面（晶面（crystal plane） 晶体结构一系列原子所构成的平面。晶向（晶向（crystal directions） 通过晶体中任意两个原子中心连成直线来表示晶体结构的空间的各个方向。晶向指数晶向指数(indices of directions)和晶面指数和晶面指数(indices of crystal plane)是分别表示晶向和晶面的符号，国际上用iller指数（iller indices ）来统一标定。第二章 晶体材料中的原子排列晶向、晶面的画法。晶向指数、晶面

5、指数的表示方法。1 1）晶向指数）晶向指数uvwuvw确定方法：确定方法：定原点定原点建坐标建坐标求坐标求坐标化最小整数化最小整数加加 注意，负数时的表示方法。注意，负数时的表示方法。2 2）晶面指数（）晶面指数（hklhkl）确定方法：确定方法：定原点定原点求截距求截距取倒数取倒数化最小整数化最小整数加（）加（）3 3）晶向指数与晶面指数之间的相互关系）晶向指数与晶面指数之间的相互关系第二章 晶体材料中的原子排列xyzo111x轴坐标1y轴坐标1z轴坐标1第三章 典型金属晶体结构金属的晶体结构主要分为以下三种类型：第三章 典型金属晶体结构描述晶胞的参数： 点阵常数：点阵常数：晶格常数和晶轴间

6、夹角 晶胞中原子数晶胞中原子数 原子半径原子半径 R (R (和点阵常数的关系和点阵常数的关系) )：采用刚球模型 (见后) 配位数配位数 (coordinative number)(coordinative number)：最近邻且等距原子数。 致密度致密度：钢球模型中,晶胞中原子所占体积与晶胞总体积之比 密排方向和密排面密排方向和密排面 晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙 ( (大小和数量）大小和数量）第三章 典型金属晶体结构基本参数基本参数fccbcchcp点阵常数点阵常数晶胞内原子数晶胞内原子数配位数配位数1286+6致密度致密度0.740.680.74最近原子间距最近原子间距a42R

7、a43R a21R 462/ 188/ 12188/ 16322/ 1126/ 1第三章 典型金属晶体结构 fcc bcc hcpfcc 111 ABCbcc 110 ABhcp 0001 AB0211第三章 典型金属晶体结构固溶体的形成条件固溶体的形成条件置换固溶体置换固溶体形成条件溶质原子尺寸与溶剂原子尺寸相近间隙固溶体间隙固溶体形成条件溶质原子尺寸 与 溶剂晶体结构间隙尺寸相近第三章 典型金属晶体结构中间相主要类型l中间相中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。l主要类型包括：主要类型包括： 正常价化合物、正常价化合物、 电子化合物、电子

8、化合物、 间隙相与间隙化合物、间隙相与间隙化合物、 拓扑密堆相拓扑密堆相第四章 晶体缺陷 晶体中原子的排列会出现偏离理想结构的情况，即晶体晶体缺陷。缺陷。 晶体缺陷的分类（据几何特征）晶体缺陷的分类（据几何特征） 点缺陷（零维缺陷） 特征：在三维空间各个方向上尺寸都很小 线缺陷（一维缺陷） 特征：两个方向上尺寸很小，另外一个方向延伸较长 面缺陷（二维缺陷） 特征：一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大第四章 晶体缺陷点缺陷的类型点缺陷的类型 肖特基缺陷肖特基缺陷原子迁移到表面原子迁移到表面形成空位形成空位 弗兰克缺陷弗兰克缺陷 原子迁移到间隙中原子迁移到间隙中形成空位间隙对形成空位间隙对

9、杂质或间隙原子缺陷杂质或间隙原子缺陷间隙式（小原子）或置换式（大原间隙式（小原子）或置换式（大原子）子）晶体的线缺陷表现为各种类型的晶体的线缺陷表现为各种类型的位错位错基本类型：刃位错、螺位错、混合位错刃位错、螺位错、混合位错第四章 晶体缺陷刃刃位位错错的的特特点点第四章 晶体缺陷螺螺位位错错的的特特点点第四章 晶体缺陷混混合合位位错错的的特特点点第四章 晶体缺陷 复杂复杂不同位错特点的简单总结不同位错特点的简单总结第四章 晶体缺陷第四章 晶体缺陷2. 伯氏矢量的性质（小结）：伯氏矢量的性质（小结）：（1）伯氏矢量的物理意义：）伯氏矢量的物理意义： 是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。矢

10、量的方向表示位是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。矢量的方向表示位错的性质与取向，模表示了畸变的程度，即位错的强度。错的性质与取向，模表示了畸变的程度，即位错的强度。（2）伯氏矢量的确定与伯格斯回路的选择无关。）伯氏矢量的确定与伯格斯回路的选择无关。 （但与伯格斯回路的方向，即位错线（但与伯格斯回路的方向，即位错线l正向的选择有关。正向的选择有关。b的正负受的正负受位错线位错线l正向规定的影响。但正向规定的影响。但l正向的选择不会影响位错的类型）正向的选择不会影响位错的类型）（3）伯氏矢量的可加性）伯氏矢量的可加性 代表回路中所有矢量的总和（矢量和，既含方向、又含大小）。代表回路中所有矢

11、量的总和（矢量和，既含方向、又含大小）。（4）伯氏矢量的唯一性）伯氏矢量的唯一性 一根不分岔的位错线具有唯一的伯氏矢量。一根不分岔的位错线具有唯一的伯氏矢量。第四章 晶体缺陷2021-12-5 所以，可以用滑移矢量的晶向指数表示伯氏矢量所以，可以用滑移矢量的晶向指数表示伯氏矢量（1）表示方法：）表示方法：cwbvaubb对于立方晶体而言，由于对于立方晶体而言，由于a=b=c，因此，因此， （n为正整数）为正整数）伯氏矢量的大小：伯氏矢量的大小：uvwnab wvu222nab第四章 晶体缺陷例：例：100 ab1aab0012221 1102ab2a222ab1012222100 ab1 11

12、02ab2第四章 晶体缺陷根据位错理论的提出背景，当位错受到力的作用时，会发根据位错理论的提出背景，当位错受到力的作用时，会发生运动。生运动。位错运动有两种基本形式：位错运动有两种基本形式：滑移滑移和和攀移攀移。 位错的类型：位错的类型：刃位错、螺位错、混合位错刃位错、螺位错、混合位错第四章 晶体缺陷类型类型b b与位与位错线错线位错线位错线运动方向运动方向 与与b b 与位错线与位错线滑移面滑移面个数个数刃位错刃位错法线法线/分量分量唯一唯一螺位错螺位错/法线法线/分量分量/不唯一不唯一混合位错混合位错一定角度一定角度法线法线/分量分量一定角度一定角度复杂复杂位错滑移特征比较位错滑移特征比较

13、第四章 晶体缺陷实际晶体结构中的位错实际晶体结构中的位错b=点阵矢量整数倍点阵矢量整数倍全位错全位错 其中，其中，b=点阵矢量点阵矢量单位位错单位位错b点阵矢量整数倍点阵矢量整数倍不全位错不全位错 其中，其中，b b = 点阵矢量点阵矢量 第四章 晶体缺陷第四章 晶体缺陷几何条件：几何条件：反应前后伯氏矢量和反应前后伯氏矢量和相等相等（方向、大小）（方向、大小）能量条件：能量条件：反应后能量反应后能量降低降低求反应前后各个位错伯氏矢量的矢量和求反应前后各个位错伯氏矢量的矢量和由由w=Gb2 知知w b2求反应前后各位错求反应前后各位错 的和的和第四章 晶体缺陷第四章 晶体缺陷面缺陷不做要求第五章 固体材料中的扩散扩散是固体中原子迁移的唯一方式。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。第五章 固体材料中的扩散第五章 固体材料中的扩散第五章 固体材料中的扩散扩散机制 扩散的热力学理论 第五章 固体材料中的扩散应力梯度抵消了浓度梯度。电场、磁场对带电粒子的运动产生影响。溶质原子向晶界偏聚。典型的化学位梯度与浓度梯度方向相反。习题讲解（要求，按照相关求解方法，做详细说明）（要求，按照相关求解方法，做详细说明）请绘出下列晶向：请绘出下列晶向： 请绘出下列晶面：请绘出下列晶面： 已知晶向指数，画出晶向：已知晶