材料科学基础复习

材料科学基础复习2023/2/4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、泡利（Pauli）不相容原理、洪德（Hund）法则。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：范德华力、氢键主要依靠原子间的偶极吸引力结合

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。阵点都是等同点。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7大晶系：（三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方、立方）14种布拉维点阵（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与空间点阵的相互关系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，是数学上抽象的点晶体结构有无数多种点阵只有14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）晶面（crystalplane）——晶体结构一系列原子所构成的平面。晶向（crystaldirections）——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(indicesofdirections)和晶面指数(indicesofcrystalplane)是分别表示晶向和晶面的符号，国际上用Ｍiller指数（Ｍillerindices）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、晶面指数的表示方法。1）晶向指数[uvw]确定方法：定原点—建坐标—求坐标—化最小整数—加[]注意，负数时的表示方法。2）晶面指数（hkl）确定方法：定原点—求截距—取倒数—化最小整数—加（）3）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例：(重点在习题的讲解)xyzo[111]x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：面心立方结构(face—centeredcubic,fcc/A1)体心立方结构

(body—centeredcubic,bcc/A2)密排六方结构

(hexagonalclose-packed,hcp/A3)

第三章典型金属晶体结构描述晶胞的参数：点阵常数：晶格常数和晶轴间夹角晶胞中原子数原子半径R(和点阵常数的关系)：采用刚球模型(见后)配位数(coordinativenumber)：最近邻且等距原子数。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晶体结构中的间隙

(大小和数量）第三章典型金属晶体结构基本参数fccbcchcp点阵常数晶胞内原子数配位数1286+6致密度0.740.680.74最近原子间距第三章典型金属晶体结构fccbcchcpfcc{111}<110><111>ABCbcc{110}<111><110>ABhcp{0001}<0001>AB第三章典型金属晶体结构固溶体的形成条件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中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。主要类型包括：正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物、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，即晶体缺陷。◎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

♦肖特基缺陷——原子迁移到表面——形成空位

♦弗兰克缺陷——原子迁移到间隙中——形成空位间隙对

♦杂质或间隙原子缺陷——间隙式（小原子）或置换式（大原子）◎晶体的线缺陷表现为各种类型的位错基本类型：刃位错、螺位错、混合位错第四章晶体缺陷刃位错的特点第四章晶体缺陷螺位错的特点第四章晶体缺陷混合位错的特点第四章晶体缺陷复杂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）：（1）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。（2）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l正向的选择有关。b的正负受位错线l正向规定的影响。但l正向的选择不会影响位错的类型）（3）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）。（4）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。第四章晶体缺陷2023/2/4

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：对于立方晶体而言，由于a=b=c，因此，（n为正整数）伯氏矢量的大小：第四章晶体缺陷例：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，会发生运动。位错运动有两种基本形式：滑移和攀移。位错的类型：刃位错、螺位错、混合位错第四章晶体缺陷类型b与位错线位错线运动方向τ与bτ与位错线滑移面个数刃位错⊥法线//分量⊥唯一螺位错//法线//分量//不唯一混合位错一定角度法线//分量一定角度复杂位错滑移特征比较第四章晶体缺陷实际晶体结构中的位错b=点阵矢量整数倍——全位错

其中，b=点阵矢量——单位位错b≠点阵矢量整数倍——不全位错

其中，b<点阵矢量——部分位错1）全位错与不全位错（1）实际晶体中的位错类型简单立方：b点阵矢量——只有全位错实际晶体：>b=点阵矢量<第四章晶体缺陷第四章晶体缺陷几何条件：反应前后伯氏矢量和相等（方向、大小）能量条件：反应后能量降低求反应前后各个位错伯氏矢量的矢量和由w=αGb2知wb2求反应前后各位错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。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

间隙式扩散、置换式扩散扩散的热力学理论

第五章固体材料中的扩散诱发原因：1）弹性应力场的作用：应力梯度抵消了浓度梯度。2）电场、磁场的作用：电场、磁场对带电粒子的运动产生影响。3）晶界内吸附作用：溶质原子向晶界偏聚。4）调幅分解：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）请绘出下列晶向：请绘出下列晶面：

已知晶向指数，画出晶向：1）定坐标；2）化为最小整