材料科学基础(讲稿1-4章)

材料科学基础刘宏玉2015年3月1导论材料科学的重要地位工程材料的分类及性能特点材料性能与内部结构的关系材料制备和加工工艺对性能的影响本课程的任务课程的主要内容教学和考核方式2一、材料科学的重要地位人类使用材料的7个时代的开始时间：公元前10万年→石器时代公元前3000年→青铜器时代公元前1000年→铁器时代公元0年→水泥时代1800年→钢时代1950年→硅时代1990年→新材料时代：以人造为特征；为特定的需要设计和加工而成。3二、工程材料的分类及性能特点按使用性能分：结构材料：主要用其力学性能。功能材料：主要用其物理性能。按属性分：金属材料陶瓷材料高分子材料（复合材料）41、金属材料使用量最大，使用面最广。高强度，良好的延展性、导电性、导热性。黑色金属有色金属52、陶瓷材料传统陶瓷：由粘土、石英、长石等成分组成，用于建筑材料。新型结构陶瓷：Al2O3、SiC、Si3N4等成分。优点:①重量轻；②压缩强度高；③熔点高；④耐磨性好；⑤化学稳定；⑥电、热绝缘。但脆、不易成形63、高分子材料又称聚合物。低密度，高弹性，绝缘性，低导热，低强度，低弹性模量，易老化。按用途分：塑料合成纤维橡胶4、复合材料高比强度，高比模量，抗疲劳。塑料基金属基陶瓷基75、功能材料电功能材料磁功能材料形状记忆合金。。。各种特殊的物理、化学性能。8三、材料性能与内部结构的关系各种材料的性能是由其内部结构决定的。内部结构分四个层次：原子结构结合键原子的排列方式（晶体和非晶体）显微组织9四、材料的制备与加工工艺对性能的影响钢材→零件：冶炼、浇铸、轧制、锻造、热处理、表面处理液态→固态凝固：

发动机叶片：传统为熔模铸造，通常凝固叶片组织为任意取向小单晶；定向凝固为一定方向的柱状晶，甚至单晶。工作温度由850℃提高到1100℃。研究各种材料的制备与加工工艺是材料工程类各专业的任务。10五、本课程的任务（什么是材料科学？）是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学。材料科学与工程四要素11六、课程的主要内容ⅠⅡ材料结构的基本知识材料中的晶体结构晶体缺陷材料的相结构及相图材料的凝固高分子材料的结构固态扩散材料的变形与断裂固体材料的电子结构与物理性能12七、教学和考核方式1、教学方式课堂讲授课堂讨论课堂练习课外作业考勤2、考核方式期末闭卷考试30%平时成绩+70%期末成绩13第一章材料结构的基本知识结构分4个层次：原子结构结合键原子的排列显微组织14第一节原子结构一、原子的电子排列1、原子的核式结构原子由原子核及核外电子构成原子核：体积小，质量大，带正电电子：质量可忽略，在一定轨道绕核旋转，带负电2、电子分布（1）4个量子数：①主量子数n：电子能级的壳层序数。n=1,2,3,…7；②次量子数l(角量子数、轨道量子数)：l=0,1,2,…,确定每一壳层的亚壳层数目(spdf)15③磁量子数m：确定每一亚壳层中空间取向不同的轨道数目。m=0,±1，±2，…,轨道空间取向（spdf→1357）④自旋量子数ms：确定每一轨道中能容纳的电子数目。ms=+1/2,-1/2各壳层能够容纳的电子总数：2n2(n-主量子数)16（2）两个基本原理：①泡利不相容原理；一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。②最低能量原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。（3）能级的重叠相邻主壳层的能量范围有重叠17例题

：写出原子序数为11的钠原子及原子序数解：

Na:1s22s22p63s1Ca:1s22s22p63s23p64s23、原子的活泼程度主要取决于外壳层（S层和P层）填满与否例如：为20的钙原子的电子分布

He：1s2

Ne：…2s22p6

Ar：…3s23p6

Kr：…4s23d104p6

Xe：…5s24d105p6Rn：…6s24f145d106p6

Na：…3s118二、元素周期表及性能的周期性变化191、周期对应于电子主壳层2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的化学性质3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和ⅡA族的内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和ⅡA族活泼例如：Cu：…3p63d104s1K：…3p64s1205、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强，同族自上而下逐渐减弱21第二节原子的结合键一次键二次键混合键结合键的本质及原子间距结合键与性能22按结合力强弱分：一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结合键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较强．二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合键．包括氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱．一、一次键1、离子键通过正负离子间相互吸引力使原子结合的结合键．

23例如：NaCl,MgO对于NaCl：Na：1S22S22P63S1Cl：1S22S22P63S23P5Na原子失去一个外层电子，变成正离子，带正电Cl原子得到一个外层电子，变成负离子，带负电24252、共价键通过共用电子对使原子结合的结合键．例如，金刚石…26(1)具有方向性和结构稳定性．金刚石109.5°(2)8-N定律—一个原子周围的共用电子对的数目，其中，Ｎ为原子的价电子数ⅣA族，4个共用电子对，空间网络状结构ⅤA族，3个共用电子对，空间层状结构ⅥA族，2个共用电子对，空间链状结构273、金属键通过正离子与自由电子之间相互吸引力使原子结合的结合键。价电子脱离原子成为“电子气”，正离子整齐地排列在“电子气”的海洋中．金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热，固态溶解28二、二次键1、范德瓦耳斯键具有稳定电子结构的原子或分子通过电偶极矩相互吸引而结合的结合键。如石蜡、塑料…292、氢键含氢的分子具有极性，与另一个具有较强电负性的原子通过氢离子而结合的结合键。如冰…

X-H-YX-H:离子键H-Y：氢键30三、混合键大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。1、一次键混合（1）共价键与金属键混合如ⅣA族中，CSiGeSnPb共价键共价键＋金属键金属键再如，过渡族元素，有时会出现少量共价键31（2）金属键与离子键混合如金属间化合物中（3）共价键与离子键混合如陶瓷化合物中AB化合物中离子键的比例取决于组成元素的电负性差，差越大，离子键比例越高：XA,XB–A,B的电负性数值。（表1-2，P17）32例题:计算化合物(1)MgO、(2)GaAs中离子键结合的比例．解：(1)MgO查电负性表得XMg

=1.31,XO

=3.44代入公式得,离子键结合比例＝68%(2)GaAs查电负性表得,XGa

=1.81,XAs

=2.18代入公式得,离子键结合比例＝4%33由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所形成的AB化合物中离子键结合的比例越高342、一次键与二次键混合例如：石墨:片层中为共价键,片层间为范德瓦尔斯键高分子:分子链中为共价键,链与链之间为二次键35四、结合键的本质及原子间距1、结合键的本质

—结合键的强弱反映了原子或分子间结合时互作用能降低的程度．离子键、共价键最强，金属键次之，氢键再次之，范德瓦尔斯键最弱。362、原子间的互作用力及结合能（1）双原子模型固体原子间总存在着两种力：吸引力、排斥力引力与斥力相等时，r0称原子间距。平衡距离下的作用能定义为原子的结合能Ｅ0结合能越大，原子结合越稳定。37（2）原子结合能的实验测定及理论计算实验测定原理测定固体的蒸发热理论计算(自学P24例题)五、结合键与性能1、对物理性能的影响1)熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料 的最低．2)密度：金属键的最高，共价键、离子键的较 低，高分子材料的最低．3)导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。382、对力学性能的影响（1）强度：结合键强，则强度也高，但还受组织的影响．（2）塑韧性：金属键最好，共价键、离子键最低.（3）弹性模量：共价键、离子键最高，金属键次之，二次键最低39第三节原子排列方式晶体与非晶体原子排列的研究方法一、晶体与非晶体1、晶体原子(原子团或分子)在空间有规则的周期性重复排列的固体。一般情况下，金属、大多数陶瓷、少数高分子材料为晶体。40非晶体：排列无序，不存在长程的周期规则排列。二氧化硅结构示意图a)晶体b)非晶体412、结晶过程晶核形成晶核长大423、晶体与非晶体性能的主要差别晶体：有确定熔点单晶体各向异性多晶体各向同性非晶体：无确定熔点各向同性43二、原子排列的研究方法X射线或电子束衍射原理布拉格定律：根据衍射分布图，可分析晶体中原子排列的特征（排列方式、原子面间距等）44第四节晶体材料的组织1、结晶过程及多晶组织452、材料的组织各种晶粒的组合特征。即各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等特征。组织是影响材料性能的极为敏感而重要的结构因素。463、组织的显示与观察宏观组织：肉眼能观察显微组织：用金相显微镜或电子显微镜才能看到。磨光→抛光→浸蚀→显微镜下观察：474、单相与多相组织（1）单相组织所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。描述单相组织特征的主要用晶粒尺寸及形状。（2）多相组织两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成分和晶体结构。两相例子：48第五节材料的稳态与亚稳态结构稳态结构（平衡态结构）能量最低的结构。亚稳态结构能量相对较高的结构。材料最终得到什么结构，必须综合考虑结构形成的热力学条件和动力学条件。1、热力学条件结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力。49等温等容过程：亥姆霍兹自由能变化，自发过程等温等压过程：吉布斯自由能变化，自发过程2、动力学条件反应速度。化学反应动力学的Arhennius方程：v-反应速度；Ａ－常数；Ｑ－激活能；Ｔ－热力学温度；Ｒ－气体常数。50激活能的意义激活能可看作阻力。材料最终的结构？取决于热力学和动力学哪个起支配作用。51本章作业P36:第3题，第6题，第8题52第二章材料中的晶体结构晶体可分为：①金属晶体②离子晶体③共价晶体④分子晶体晶体结构晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体排列方式。53主要内容:晶体学基础纯金属的晶体结构离子晶体的结构共价晶体的结构54第一节晶体学基础空间点阵和晶胞晶系和布拉菲点阵晶向指数和晶面指数晶面间距晶带及晶带定理55第一节晶体学基础一、空间点阵和晶胞1、空间点阵人为地将晶体结构抽象为空间点阵。指由几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列。2、阵点（结点）构成空间点阵的每一个点。晶体→点阵→晶格→晶胞563、晶格人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架。4、晶胞构成晶格的最基本单元，选取晶胞应满足的条件：①充分反映整个空间点阵的对称性；②要具有尽可能多的直角；③晶胞的体积要最小。简单晶胞：只在八个角点上有阵点；复合晶胞：体心、面心上也有阵点。575、晶胞形状和大小的表达①由三个棱边长度a、b、c（点阵常数）及其夹角α、β、γ六个参数完全表达。②点阵中任一阵点位置：r：原点到某阵点的矢量；u,v,w：沿三个点阵矢量方向平移的基矢数或坐标值。

58二、晶系和布拉菲（A.Bravais）点阵7个晶系（表2-1，P40）14种空间点阵（布拉菲点阵）59三、晶向指数和晶面指数晶向空间点阵中各阵点列的方向代表晶体中原子排列的方向。晶面空间点阵中任意一组阵点的平面代表晶体中的原子平面。60用密勒（Miller）指数来表示晶向和晶面指数。1、晶向指数确定步骤：（确定已知晶向的指数）①建立坐标系：以待定晶向上的某一阵点为原点，晶轴为坐标轴。②确定坐标值：确定距原点最近的一个阵点的三个坐标值。③化整并加方括号：坐标值化为最小整数uvw，并加括号[uvw]，负号在数值上方。61特别说明：一个晶向代表相互平行、方向一致的所有晶向。两晶向平行但方向相反→数字相同，符号相反。如晶体中原子排列相同，但空间位向不同的一组晶向，称为晶向族，用<uvw>表示。如立方<111>包括：

立方体４个体对角线。如果不是立方晶系，改变晶向指数的顺序所表示的晶向可能不是同等的。如：正交晶系中[100]、[010]、[001]不是等同晶向，因a≠b≠c，原子排列的情况不同，不属于同一晶向族。62２、晶面指数确定步骤：（确定已知晶面的指数）①建立坐标：以晶胞的某一阵点O为原点，以过原点的晶轴为坐标轴，以点阵常数a、b、c为三个坐标轴的长度单位。★坐标原点的选取应便于确定截距，且不能选在待定晶面上。②求截距：晶面与某坐标轴平行，截距为∞。③取倒数。④化整并加圆括号→(hkl)63特别说明：(hkl)不是指一个晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。平行晶面的面指数相同，或数字相同而正负号相反。晶体中具有相同条件（原子排列和面间距完全相同）而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族，用{hkl}表示。如立方晶系中：对正交晶系，(100)、(010)、(001)原子排列情况不同，晶面间距不等，不属于同一晶面族。立方晶系，相同指数的晶向和晶面必定相互垂直，如[100]⊥(100)，但不适应于其它晶系。64课堂练习：A、写出MN晶向指数65解：（1）选M点为原点，建立坐标系（2）N点的坐标：-1/2,1/2,1（3）化整数：-1，1，2（4）加括号：[-112]66B、写出BCD晶面指数67解：（1）以A点为原点建坐标系（2）求截距：-1/2,-3/4,1（3）取倒数：-2，-4/3,1（4）化整数：-6，-4，3（5）加括号(-6-43)68C、写出图示立方晶胞中晶向及晶面的指数693、六方晶系的晶向指数和晶面指数(1)确定已知晶面的指数（hkil）①建坐标．四轴坐标，坐标轴为a1、a2、a3和c，坐标原点不能位于待定晶面内②求截距．以晶格常数为单位，求待定晶面在坐标轴上的截距值③取倒数．将截距值取倒数④化整数．将截距值的倒数化为一组最小整数⑤加括号．（hkil），可以证明，i=－(h+k)70例题:71课堂练习写出图中六方晶胞六个侧面的Miller-Bravais指数，及其晶面族的指数．72(2)确定已知晶向的指数[uvtw]移步法公式换算法正射投影修正系数法第１种方法—移步法：坐标原点依次沿a1、a2、a3、c轴移动到待定晶向上的某个阵点，所移动步数即为［uvtw］第2种方法—公式换算法：73先用三轴坐标系标出待定晶向指数[UVW]，然后用下列公式换算成四轴坐标系[uvtw]:74第３种方法－正射投影修正系数法：在四轴坐标中，从待定晶向上的某个阵点向四个坐标轴作垂直投影，给C轴的投影值乘以3/2，再将四个投影值化为一组最小整数，即为[uvtw]75课堂练习:

写出图示六方晶胞中ABCDA晶面指数及其与晶胞表面交线的指数76解:(1)求ABCDA晶面指数1)四个轴的截距为:1,∞,-1,12)倒数:1,0,-1,13)整数化:(10-11)(2)BA晶向:(晶向采用公式法)先求三轴坐标:1)坐标原点为B点2)A的三轴投影:-1,-1,1[UVW]3)公式转成四轴:-1/3,-1/3,2/3,14)整数化:[-1-123]5)AB=[11-2-3]77(3)BC晶向:先求三轴坐标:1)坐标原点为B点2)C点的三轴投影:0,1,0[UVW]3)公式转成四轴:-1/3,2/3,-1/3,04)整数化:[-12-10](4)CD晶向:先求三轴坐标:1)坐标原点为C点2)D点的三轴投影:-1,0,1[UVW]3)公式转成四轴:-2/3,1/3,1/3,14)整数化:[-2113]78(5)DA晶向:先求三轴坐标:1)坐标原点为D点2)A点的三轴投影:0,-2,0[UVW]3)公式转成四轴:4/3,-8/3,4/3,04)整数化:[4-840]5)化简:[1-210]794、晶面间距（1）晶面间距-相邻两个平行晶面之间的距离。（2）计算公式对于各晶系的简单点阵，晶面间距dhkl

与晶面指数(hkl)和点阵常数(a,b,c)之间有如下关系：80（3）特别说明1)应用公式的条件：各晶系中的简单点阵，如简单立方点阵、简单四方点阵、简单正交点 阵、简单六方点阵等。2)对于非简单点阵，其某些面的面间距与简单点阵的相同，某些却是简单点阵的分数倍。如，对于简单立方，d100=a

对于面心立方，d100=a/23)较为稳妥的方法是利用下式计算：

面间距＝面密度／体密度如：面心立方的81课后自主练习:1.计算体心立方晶体{100}面间距2.计算面心立方晶体{110}面间距3.计算密排六方晶体(0001)面间距82（4）特点晶面间距越大，晶面上的原子排列越密集；晶面间距最大的晶面通常是原子最密排的晶面。低指数的晶面间距较大。835、晶带(1)相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合，称为晶带；此直线称晶带轴；同一晶带中的晶面，称共带面。晶带用晶带轴的晶向指数表示[uvw];(2)晶带定律晶带轴[uvw]与该晶带中任一晶面(hkl)之间均满足：hu+kv+lw=084推论：两个不平行晶面(h1k1l1)、(h2k2l2)必定属于同一个晶带，其晶带轴[uvw]可由下式求得：[uvw]=h1k1l1×h2k2l2=两不平行晶向[u1v1w1]、[u2v2w2]所决定的晶面指数（hkl）：85例题讲解作图表示立方晶体的晶面及晶向。书上例题（P44）

课后仔细阅读。86金属的典型晶体结构多晶型性晶体的原子半径第二节纯金属的晶体结构87一、金属的典型晶体结构面心立方结构FCC(face-centeredcubic)Cu,Ni,Al,γ-Fe…88体心立方结构BCC(body-centeredcubic)Cr,V,β-Ti,α-Fe,δ-Fe…89密排六方结构CPH(close-packedhexagonal)Zn,Mg,α-Ti…90原子密排面和密排方向一个晶胞中的原子数原子的配位数点阵常数致密度间隙原子堆垛方式911、原子最密排面和最密排方向结构类型最密排面最密排方向fcc{111}<110>bcc{110}<111>cph{0001}<11-20>2、一个晶胞中的原子数fccbcccph42692每个晶胞所包含的原子数N:N=Ni+Nf/2+Nr/mNi:晶胞内原子数；Nf:面心上的原子数；Nr:角顶上的原子数；m=8(立方晶系)；m=6（六方晶系）933、原子的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。fccbcccph128124、点阵常数晶胞的棱边长度a、b、c称为点阵常数。如把原子看做半径为r的刚性球，则：结构类型点阵常数特征点阵常数fcca=b=cbcca=b=ccpha=b≠c94晶体中原子体积占总体积的百分数。K=nv/Vn-晶胞中原子数；v-一个原子的体积，v=4/3(πr3)；V-晶胞的体积。5、致密度fccbcccph0.740.680.7495若将晶体中的原子视为球形，则相互接触的最近邻原子间的空隙称为间隙。间隙内能容纳的最大刚性球的半径称为 间隙半径rB。间隙大小常用间隙半径与原子半径rA之比rB/rA

表示。6、间隙96（1）面心立方结构晶体中的间隙正八面体间隙：位于晶胞各棱边中点及体心位置。一个晶胞中共有4个。rB

/rA

≈0.41497正四面体间隙：位于晶胞体对角线的四分之一处。一个晶胞中共有8个。rB

/rA

≈0.22598（2）体心立方结构晶体中的间隙扁八面体间隙：位于晶胞各棱边中点及面心处。一个晶胞中共有6个。rB

/rA

≈0.15599四面体间隙：位于晶胞各面中线的四分之一处。一个晶胞中共有12个。rB

/rA

≈0.291100（3）密排六方结构晶体中的间隙正八面体间隙：一个晶胞中共有6个。rB

/rA

≈0.414101正四面体间隙：一个晶胞中共有12个。rB

/rA

≈0.225102103原子密排面在空间沿其法线方向层层平行堆垛，可构成各自的晶体结构。7、原子的堆垛方式（1）fcc堆垛密排面：{111}ABCABCABC……104（2）cph堆垛密排面：{0001}ABABAB……105当外界条件改变时，元素的晶体结构可发生转变。Fe：小于912℃，bcc,α-Fe;912-1394℃,fcc,γ-Fe;大于1394℃，bcc,δ-Fe;高压下（150KPa），hcp,ε-Fe.二、多晶型性106例题讲解P51（见黑板）107三、晶体结构中的原子半径1、原子半径若将晶体中的原子看成刚球，则晶体中最近邻的原子中心间距的一半定义为原子半径。2、影响原子半径的主要因素

原子半径并非固定不变，受温度、压力、结合键、配位数以及外层电子结构等因素的影响。108（1）温度与压力的影响一般随温度的升高和压力的降低而变大。（2）结合键的影响结合键增强时，原子（或离子）半径变小。

离子键、共价键：原子间距较小；范德瓦尔斯键：原子间距最大。FeFe2+Fe3+0.124nm0.083nm0.067nm109（3）配位数的影响原子半径随配位数的降低而减少。（4）原子核外层电子结构的影响原子半径随原子序数的递增而呈现周期性的变化。110111黑板：例题1例题讲解112第三节离子晶体的结构离子晶体的主要特点离子半径、配位数和负离子配位多面体离子晶体的结构规则离子晶体的典型结构113一、离子晶体的主要特点离子键结合，键合力强，高熔点，小热胀系数，高硬度，高脆性，绝缘性，无色透明。二、离子半径、配位数和负离子配位多面体1、离子半径从原子核中心到其最外层电子的平衡距离。用X射线结构分析，可测得正负离子半径之和R0=R+

+R-，再用鲍林公式计算出R+或R-。114用鲍林（Pauling）法计算离子半径： 单价离子半径：R1=Cn/(Z-σ)多价离子半径：Rw=R1(W)-2/(n-1)式中,Z—原子序数W—离子价数 σ—屏蔽常数n—外层电子的主量子数 Cn—由n决定的常数1152、离子配位数离子周围最近邻等距离的异号离子数。如，NaCl晶体中，Na+的配位数为６，

Cl−的配位数也为６。1163、负离子配位多面体（1）由正离子周围最近邻等距离的负离子所构成的多面体，正离子位于多面体中心。（2）离子晶体可以看成是由负离子配位多面体堆积而成。MgO晶格中的配位多面体—镁氧八面体[MgO6]的连接方式117（3）负离子配位多面体的形状取决于正、负离子半径之比：R+/R-118三、离子晶体的结构规则鲍林（L.Pauling）经验规则：1、鲍林第一规则：负离子配位多面体规则离子晶体中，正离子的周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。1192、鲍林第二规则：电价规则(共用同一个顶点的多面体数目，即负离子的配位数)在一个稳定的离子晶体中，每个负离子的电价Z-等于或接近等于与之邻接的各正离子静电键强度S的总和，即

Z-=∑Si=∑(Z+/n)i正离子的静电键强度：S=Z+/n

Z+-正离子电荷；

n-正离子的配位数。在一个离子晶体中，一个负离子必定同时被一定数量的负离子配位多面体所共有。120对于MgO:Z+=2,Z−=2,n=6则，S=1/3,i=6即６个[MgO6]八面体共用一个顶点121例题讲解黑板：例题31223、鲍林第三规则：负离子共用点、棱与面规则在一配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低结构的稳定性。对于电价高、配位数低的正离子来说，这个效应尤为显著。2个多面体，中央正离子间的库仑力会随它们间的共用顶点数的增加而激增。123四、离子晶体的典型结构1、NaCl晶型晶型点阵类型基元正离子配位数负离子配位数负离子配位多面体该晶型的其他晶体举例NaCl面心立方1个正离子1个负离子66八面体MgO,CaO,FeO, NiO,…1242、CsCl型晶型晶型点阵类型基元正离子配位数负离子配位数负离子配位多面体该晶型的其他晶体举例CsCl简单立方1个正离子1个负离子88立方体CsBr,CsI,…1253、立方ZnS（闪锌矿）晶型晶型点阵类型基元正离子配位数负离子配位数负离子配位多面体该晶型的其他晶体举例立方ZnS面心立方1个正离子1个负离子44四面体GaAs,AlP,…1264、六方ZnS（纤锌矿）晶型晶型点阵类型基元正离子配位数负离子配位数负离子配位多面体该晶型的其他晶体举例六方ZnS简单六方2个正离子2个负离子44四面体ZnO,SiC,…1275、CaF2（萤石）晶型晶型点阵类型基元正离子配位数负离子配位数负离子配位多面体该晶型的其他晶体举例CaF2面心立方1个正离子2个负离子84立方体ZrO2,ThO2,Mg2Si, CuMgSb,…1286、TiO2（金红石）晶型晶型点阵类型基元正离子配位数负离子配位数负离子配位多面体该晶型的其他晶体举例TiO2体心四方1个正离子2个负离子63八面体VO2,NbO2,MnO2,SnO2,PbO2,…129例题讲解黑板：例题4130P60例题：Al2O3的晶体结构如图所示。已知Al3+、O2+的离子半径分别为0.057nm、0.132nm，试对图中的结构给予解释。131第四节共价晶体的结构共价晶体的主要特点共价晶体的典型结构132一、共价晶体的主要特点（1）由同种或异种非金属元素的原子以共价键结合而成的无限大分子→共价晶体（原子晶体）（2）周期表中间位置的具有3，4，5个价电子的元素，获得和丢失电子的能力相近。形成分子或晶体时，容易以共用价电子形成稳定的电子满壳层的结合方式。133（3）主要特点共价键结合，键合力通常强于离子键键的饱和性和方向性，配位数低于金属和离子晶体高熔点、高硬度、高脆性、绝缘性134二、共价晶体的典型结构1、金刚石晶型晶型点阵类型基元配位数该晶型的其他晶体举例金刚石面心立方2个原子4Si,Ge,Sn,…1351362、ZnS晶型

1373、SiO2晶型晶型点阵类型基元A原子配位数B原子配位数该晶型的其他晶体举例SiO2面心立方2个A原子4个B原子42GeO2,…138本章作业（P62-63）：第1、4、10、15题。139第三章高分子材料的结构高分子材料概述高分子链的结构及构象高分子的聚集态结构高分子材料的性能与结构140第一节高分子材料概述高分子材料的基本概念高分子材料的合成高分子材料的分类141一、高分子材料的基本概念1、高分子化合物由一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子量大于5000的化合物，又称聚合物或高聚物。如，聚乙烯：—CH2—CH2—CH2—1422、单体构成高分子链的低分子化合物。如：聚乙烯的单体：CH2=CH2聚氯乙烯的单体：CH2=CHCl3、链节高分子链中的重复结构单元。如：聚乙烯结构式：[-CH2-CH2-]n-CH2-CH2-为链节。1434、聚合度高分子链中链节的重复次数。5、官能度一个单体上能与别的单体发生键合的位置数目。如：聚乙烯单体(CH2＝CH2

)的官能度为2,是双官能的单体144单体分子的官能度决定着高分子的结构单官能的单体:可作为链聚合的终止剂双官能的单体:

只能聚合为链状结构,形成热塑性塑料，有较低的强度三官能的单体:

可聚合为三维网状结构,有更高的强度1456、多分散性高分子化合物中各个分子的相对分子质量不相等的现象。多分散性决定了高分子材料的物理和力学性能的分散性。7、平均分子量数均分子量：

重均分子量：i=1-∞;Ni-相对分子质量为Mi的分子在聚合物中所占的分子分数。一般情况下，用重均分子量表征聚合物比用数均分子量更恰当。146二、高分子材料的合成1、加聚反应：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。其生成物叫加聚物。如：乙烯→聚乙烯1472、缩聚反应：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出某种低分子物质的反应，生成缩聚物和副产品。如：对苯二甲酸脂+乙二醇→聚酯纤维+甲醇涤纶（的确良）148三、高分子材料的分类按聚合反应的类型按高分子的几何结构按聚合物的热行为加聚聚合物，如：聚乙烯缩聚聚合物，如：聚酯纤维线型聚合物：线型或支链型结构体型聚合物：网状或体型结构热塑性聚合物热固性聚合物149热塑性聚合物线型或支链型分子结构，加热软化，可制成一定形状，冷却变硬；再加热仍软化和成型。热固性聚合物网状或体型分子结构，初热变软，可制成一定形状，加入固化剂后硬化定型，重复加热不软化。150四、高分子化合物的命名和常见类型黑板例题1151第二节高分子链的结构及构象高分子链的化学组成结构单元的键接方式和构型高分子链的几何形状高分子链的构象及柔顺性152高分子材料的结构高分子链的结构高分子的聚集态结构:高分子结构单元的化学组成键接方式空间构型高分子链的几何形状高分子链的构象分子链的排列和堆积结构153一、高分子链的化学组成1、碳链高分子：主链全部由C原子以共价键联结而成的高分子链如：-C-C-C-C-或-C-C=C-C-（侧基可以各种各样）2、杂链高分子：主链中除C原子外，还有其它原子的高分子链如：-C-C-O-C-C、-C-C-N-C-C-杂原子能大大改变聚合物的性能。如：O原子增强链的柔性，提高聚合物的弹性。1543、元素有机高分子：主链一般由无机元素和有机元素原子组成，侧基一般为有机基团如：-O-Si-O-Si-O-有机基团使聚合物具有较高的强度和弹性；无机原子能提高耐热性155二、结构单元的键接方式和构型1、键接方式以乙烯型为例156多种单体共聚无规共聚，a)交替共聚，b)嵌段共聚，c)接枝共聚，d)（黑球代表一种重复单元，白球代表另一种重复单元）157各种连接方式主要受能量和空间阻碍两个因素所控制，即聚合时力求使能量体系最稳定和所受的空间阻碍最小。2、空间构型由化学键所固定的空间排列称为分子链的构型。即使分子链组成相同，但由于取代基所处的位置不同，也有不同的立体异构。158(1)全同立构取代基X同侧容易结晶(2)间同立构取代基X相间容易结晶(3)无规立构取代基X无规不易结晶159三、高分子链的几何形状线型线团形支化形梳形星形a)b)c)d)交联形网形e)f)体型1601、高分子链的构象：由于单键内旋转引起的原子在空间据不同位置所构成的分子链的各种形象。单键的内旋转：每一个单键围绕其相邻单键按一定角度进行的旋转运动。四、高分子链的构象及柔顺性1612、高分子链的柔顺性：由构象变化而获得的不同卷曲程度的特性。柔顺性的度量末端距h均方末端距h2容易内旋转的链→柔性链不易内旋转的链→刚性链1623、影响高分子链柔顺性的主要因素（1）主链结构主链全由单键组成，柔顺性最好碳链高分子，杂链高分子，元素有机高分子主链含孤立双键时，柔顺性较好主链含芳杂环时，因芳杂环不能旋转，柔顺性很差，但刚性好，能耐高温柔顺性163（2）侧基性质侧基的极性：极性越大，柔顺性越差侧基的体积：体积越大，柔顺性越差侧基分布的对称性：对称分布，柔顺性较好聚异丁烯聚丙烯好于164第三节高分子的聚集态结构晶态聚合物的结构非晶态聚合物的结构聚合物的结晶度与玻璃化温度165高分子的聚集态结构：又称超分子结构，指聚合物本体中分子链的排列和堆积结构。即使具有相同结构的同一聚合物，在不同加工成型和后处理条件下，也会产生不同的聚集状态，从而使制品具有不同的性能，因此，聚集态结构对性能的影响更为直接和重要固态聚合物的聚集态结构分为晶态和非晶态（无定型）两种166一、晶态聚合物的结构1、缨状胶束结构模型早期的模型，现已被替代缨状胶束结构模型a)未受外力拉伸b)受外力拉伸1672、折叠链结构模型（目前最成功的模型）晶体形态片状晶体（片晶）球状晶体（球晶）线状晶体（串晶）树枝状晶体（枝晶）

…1681、无序结构模型二、非晶态聚合物的结构无规线团模型1692、局部有序结构模型折叠链缨状胶粒模型粒子相粒间相粒子相170半晶态聚合物的霍斯曼（Hosemann）模型171三、聚合物的结晶度与玻璃化温度1、结晶度：晶态聚合物中结晶的程度

式中，Wc—结晶区的总重量Wa—非晶区的总重量Vc—结晶区的总体积Va—非晶区的总体积重量结晶度：体积结晶度：172测定结晶度的方法：常用密度法

ρ

—聚合物的密度ρa

—聚合物完全不结晶时的密度ρc

—聚合物完全结晶时的密度例题：P821732、分子结构对结晶能力的影响体型聚合物：不易结晶，为非晶态线型聚合物结构简单、规整度高、对称性好，有利于结晶等规（侧基排布规整）聚合物易结晶缩聚物都能结晶高分子链的支化不利于结晶影响结晶的其他因素 (与金属相似)冷却速度过冷度杂质应力状态1743、玻璃化温度Tg（1）无定型聚合物的三种物理状态粘流态：分子链可动高弹态：链段可动玻璃态：链段也不可动

线型非晶态高聚物的变形-温度曲线示意图175（2）玻璃化温度Tg

高聚物由高弹态转变为玻璃态的温度，指无定型聚合物（包括结晶型聚合物中的非结晶部分）由玻璃态向高弹态或者由后者向前者的转变温度一般聚合物的Tg/Tm=0.5-0.75结构对称聚合物Tg/Tm=0.5结构不对称聚合物Tg/Tm=0.75176第四节高分子材料的性能与结构高分子材料的主要性能特点高分子材料性能与结构的关系改变高分子材料性能的途径177一、高分子材料的主要性能特点1、优点原料丰富、成本低密度小，～1g/cm3化学稳定性好、耐腐蚀，如聚四氟乙烯耐磨性好，很大的、或很小的摩擦系数电绝缘性好绝热性好良好的光学性能，如有机玻璃178（2）缺点弹性模量低强度低热性能差易蠕变、应力松弛易老化降解—强度↓，弹性↓交联—变硬，变脆179二、高分子材料的性能与结构的关系通常将高分子材料分为：热塑性塑料热固性塑料橡胶1801、热塑性塑料线型链状结构。线型分子链之间以二次键结合。加热至Tg以上温度时，二次键破坏，分子链很容易运动，表现出一定弹性和粘性流动，可改变其形状。温度<0.75Tg，完全脆性；>0.75Tg-1.0Tg，钢硬，只能发生弹性变形；>1.0Tg，先后发生皮革状、橡胶状的粘弹性变形；温度再升高，发生粘性流动，可加工成型。1812、热固性塑料体型结构。加热加压成型后，分子链之间强烈交联，成网状结构。从而具有较高硬度、刚度和脆性，不能再改变其形状。塑性加工只能在网状结构形成前进行。1823、橡胶线型分子链之间有少量交联(在C的主链上大约几百个C原子中有一个C原子与S原子共价结合)，因而具有高弹性。Tg＜＜室温；相对分子质量大，链段长，柔性好；不结晶或结晶度很小；硫化处理，产生少量交联（加硫过多，交联太强，变硬脆失去弹性）183三、改变高分子材料性能的途径热塑性塑料能最大程度地改变材料的结构与性能。改变热塑性塑料性能（主要限于力学性能）的主要途径：1、改变结晶度结晶度增加→强度、弹性模量、密度、尺寸稳定性提高，塑性、吸湿性降低。尼龙-66屈服强度与结晶度的关系1842、改变侧基的性质侧基原子团尺寸增大（尤其产生苯环结构上），单键旋转困难，不易改变构象，刚性链程度增强→强度、模量提高，塑性减低。柔性链→刚性链强度↑弹性模量↑塑性↓185例如：聚乙烯→聚苯乙烯，侧链：H→C6H5,弹性模量：9384-23460MPa→62560-78200MPa伸长率：100-600%→1.5-2.0%3、改变主链的结构聚烯烃类高分子主链：C-C键；甲醛：引入C-O键，刚性增大。

如：聚乙烯

［CH2—CH2］n抗拉强度17.25～34.5MPa

聚甲醛［CH2—O］n

62.1～69MPa1864、共聚（“合金化”）共聚：由两种或两种以上的单体参加聚合而形成聚合物的反应。是高分子材料的主要“合金化”方式。187如：ABS塑料（共聚丙烯腈（A）-丁二烯（B）-苯乙烯（S））丙烯腈（A）+苯乙烯（S）→线性共聚物（SAN塑料）→材料的基体；丁二烯（B）+苯乙烯（S）→线性共聚物（BS橡胶）→呈颗粒状分布于SAN基体中；聚苯乙烯的缺点：脆性大、耐热性差；ABS共聚物：将聚苯乙烯的优点得到保持，同时丙烯腈提高了耐热、耐蚀性；丁二烯提高弹性和韧性。ABS特点：“硬、韧、刚”用途：齿轮，轴承，管道，壳体…1885、拉拔强化一些高分子材料（如尼龙、聚氯乙烯、有机玻璃）在Tg温度附近冷拉时，其强度和弹性模量大幅提高。尼龙冷拉时的应力-应变曲线开始屈服：开始解缠屈服延伸：不断解缠取向强化：定向排列189本章作业（P90）：第3、9、15、17题190第四章晶体缺陷点缺陷位错的基本概念位错的弹性性质作用在位错线上的力实际晶体结构中的位错晶体中的界面191第四章晶体缺陷晶体缺陷实际晶体中偏离理想结构的不完整区域。晶体缺陷容易受外界条件的影响，其数量及分布对材料的行为有重要影响。根据晶体中结构不完整区域的形状及大小，晶体缺陷常分为如下三类:192晶体缺陷点缺陷面缺陷空位Vacancy间隙原子Interstitialatom位错Dislocation晶界Grainboundary亚晶界Subgrainboundary孪晶界Twinboundary相界Phaseboundary堆垛层错Stakingfault表面Surface线缺陷193（1）点缺陷：零维缺陷，在三维空间各方向上尺寸都很小。空位、间隙原子、异类原子等。（2）线缺陷：一维缺陷。在两个方向尺寸小，主要为位错。（3）面缺陷：二维缺陷。在一个方向上尺寸小，另两个尺寸方向较大。如晶界、相界等。194第一节点缺陷点缺陷的类型点缺陷的浓度点缺陷与材料行为195一、点缺陷的类型1、空位：晶体中某结点上的原子空缺。肖脱基（Schottky）缺陷：脱位原子进入其它空位或者逐渐迁移至晶界或表面。点缺陷的类型:Schottky

空位；

Frenkel

缺陷异类间隙原子；小置换原子；大置换原子1962、间隙原子：晶体中原子挤入结点的间隙。弗兰克耳（Frenkel）缺陷：原子挤入结点间隙，同时原来结点位置空缺，产生空位，这一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克耳缺陷。在一般晶体中产生弗兰克耳缺陷的数量远少于肖脱基缺陷。3、异类原子如异类原子尺寸很小，可能挤入晶格间隙；若原子尺寸与基体尺寸相当，则会置换晶格的某些结点。1974、离子晶体中产生的点缺陷缺陷的存在不应破坏正负电荷的平衡。肖脱基缺陷：必须在晶体中同时移去一个正离子和负离子。弗兰克耳缺陷：尺寸较小的离子挤入相邻的同号离子的位置，形成间隙离子和空位对。对于正负离子尺寸差异较大，配位数较低的离子晶体，弗兰克耳缺陷常见。（不同于金属晶体）；配位数高，排列比较密集的晶体（如NaCl），肖脱基缺陷较重要。198二、点缺陷的浓度1、平衡点缺陷的浓度虽然点缺陷的存在使晶体的内能增高，但同时也使熵增加，从而使晶体的能量下降。因此，点缺陷是晶体中热力学平衡的缺陷等温等容条件下，点缺陷使晶体的亥姆霍兹自由能变化为：

ΔA=ΔU−TΔS ΔU=nu式中，n—点缺陷个数u—一个点缺陷引起的内能增量，即点缺陷的形成能199自由能随点缺陷数量的变化200平衡点缺陷浓度Ce=ne/N=Aexp(-u/kT)Ce:某一种类型点缺陷的平衡浓度；ne:平衡点缺陷数目；N：晶体原子总数；A：材料常数，A=1；T：热力学温度；K：玻尔兹曼常数；u:该类型缺陷的形成能。201点缺陷平衡浓度计算过程：见黑板例题1P95例题202讨论（1）平衡浓度点缺陷的存在使晶体自由能最低（2）点缺陷产生于原子的热振动，故其平衡浓度随温度升高呈指数增加（3）点缺陷平衡浓度随其形成能减小呈指数增加，故晶体中的间隙原子平衡浓度大大小于空位平衡浓度2032、过饱和点缺陷的产生点缺陷的数目超过平衡值，称为过饱和点缺陷。原因：（1）高温淬火（2）辐照（弗兰克耳缺陷）（3）冷加工204三、点缺陷与材料行为1、点缺陷的运动（1）空位的运动（2）间隙原子的运动（3）空位片的形成2052、点缺陷对材料性能的影响（1）点缺陷的运动是晶体中原子扩散的内在原因。（2）引起晶体物理性能变化，如电阻率升高、密度变化。（3）引起晶体力学性能变化，如强度升高、韧性下降。206第二节位错的基本概念位错与塑性变形晶体中的位错模型及位错易动性柏氏矢量位错的运动位错密度位错的观察207一、位错与塑性变形塑性变形后，表面形成很多台阶→相对滑移的结果→滑移的微观过程如何？→理想晶体滑移模型实际强度与理论强度间存在巨大差异（差2-4个数量级）→对理想模型的滑移方式产生怀疑→晶体内部存在很多缺陷（位错）208→20世纪50年代中期TEM证实了晶体中位错的存在毛毛虫爬行过程示意图挪动地毯过程示意图209二、晶体中的位错模型及位错易动性基本类型：刃型位错螺型位错混合位错1、刃型位错EF列原子及其周围区域（若干个原子距离）半原子面在滑移面上方的称正刃型位错，“┴”半原子面在滑移面下方的称负刃型位错，“┬”210可以把位错定义为：晶体中已滑移区与未滑移区的边界。位错不可能中断于晶体内部；或者在表面露头，或者终止于晶界和相界，或者与其它位错线相交，或者自己在晶体内部形成一个封闭环。刃位错滑移方向垂直于位错线2112、螺型位错滑移方向平行于位错线。右旋螺型位错（右手拇指代表螺旋面前进方向，其他四指代表螺旋面旋转方向）左旋螺型位错2123、混合位错介于刃型和螺型位错之间。A点：螺型C点：刃型中间：混合混合位错可分解为刃型和螺型两个分量2134、位错的易动性原子2的移动过程原子实际的位移距离远小于原子距离，与理想晶体的滑移模型不同。当很多位错移出晶体时，会在晶体表面产生宏观可见的台阶，使晶体发生塑性变形。位错移动的比喻214215三、柏氏矢量表示位错区原子的畸变特征（畸变程度、方向）的物理量→柏氏（Burgers）矢量1、确定方法围绕位错线作回路（从M出发）（柏氏回路）将同样大小回路置于理想晶体中回路不封闭，需要额外矢量连接，该矢量即是bQM即是b2162、柏氏矢量与位错线的关系柏氏矢量与位错线的关系a)刃型位错b)螺型位错c)混合型位错217（1）对于刃位错线柏氏矢量垂直于位错线，且柏氏矢量的正方向、位错线的正方向、半原子面的位置三者之间符合右手定则判断刃位错柏氏矢量方向的右手定则218（2）对于螺位错线柏氏矢量平行于位错线，且左相反、右相同（3）对于混合位错线柏氏矢量既不垂直也不平行于位错线，但可分解成平行于位错线的螺分量，和垂直于位错线的刃分量2193、柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似，在晶向指数的基础上把矢量的模也表示出来。立方晶体中(1)O’b:晶向指数为[110]，柏氏矢量：b1=1a+1b+0c=a[110](2)Oa:b2=1/2a+1/2b+0c=a/2[110]2204、柏氏矢量的特性（1）柏氏矢量的唯一性一根位错线只能有一个惟一不变的柏氏矢量。（2）柏氏矢量的加和性由几根位错线合并成一根位错线的柏氏矢量是这几个位错线的柏氏矢量之和。位错柏氏矢量的加和a)加和前;b)加和后221（3）柏氏矢量的守恒性汇聚于一点的几根位错线，流入节点的位错的柏氏矢量之和等于流出节点的位错的柏氏矢量之和。位错柏氏矢量的守恒性2225、柏氏矢量讨论描述了位错线上原子的畸变特征，畸变发生的方向和大小。对于任意位错，不管其形状如何，只要知道b，就可知晶体滑移的方向和大小，而不必从原子尺度考虑其运动细节。柏氏矢量是晶体的滑移矢量一方面，晶体局部滑移的滑移矢量就是所产生的位错的柏氏矢量；另一方面，位错的运动会使位错线扫过区域两侧的晶体产生相对滑动，相对滑动的方向及大小与位错的柏氏矢量相同。223四、位错的运动1、位错的滑移位错运动滑移运动攀移运动位错的滑移—位错线在其滑移面内的运动位错的滑移面—由位错线及其柏氏矢量所确定的平面或曲面（1）位错运动方向、切应力方向及晶体滑移方向间的关系（螺、刃位错对比）：224开动位错的切应力方向不同：刃：切应力⊥位错线螺：切应力‖位错线位错运动方向与晶体滑移方向不同：刃：运动方向‖滑移方向螺：运动方向⊥滑移方向位错运动方向与位错线：均⊥225（2）位错环的滑移当切应力的作用面与位错环的滑移面平行且切应力方向与位错柏氏矢量平行时，位错环在其滑移面内扩大或缩小。．226①各段位错线的性质：A、B处：刃位错（A、B符号相反）；C、D处：螺位错（C、D符号相反）；其余位置：混合位错。②位错运动方向：沿法线方向向外扩展；环离开晶体时，晶体上下部相对滑动一个台阶，其方向和大小与b相同。位错的滑移面①位错线与b组成的原子面即是滑移面；②刃位错只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移面上滑移，在其它面上不能滑移（唯一性）。③螺位错的滑移面不唯一，包含螺位错的平面都可以作为它的滑移面。227各类位错的滑移特性类型柏氏矢量位错线运动方向晶体滑移方向切应力方向滑移面个数刃⊥位错线⊥位错线本身与b一致与b一致唯一螺‖位错线⊥位错线本身与b一致与b一致多个混合与位错线成一定角度⊥位错线本身与b一致与b一致228P104，例题：图中阴影面为晶体的滑移面。该晶体的ABCD表面有一个圆形标记，它与滑移面相交，在标记左侧有根位错线。试问当刃、螺型位错从晶体左侧滑移至右侧时，表面的标记发生什么变化？并指出使刃、螺位错滑移的切应力方向。229P107，例题：图中的晶面上有一位错环，其柏氏矢量b垂直于滑移面，试问该位错环在切应力下的运动特征。230例题分析：（1）位错性质全部为刃位错。（2）形成空位在该面上聚集成空位片。（3）滑移面似乎是：通过位错环的圆柱面；但根据晶体的滑移几何学，不是滑移面，不能滑移→固定位错。（4）位错运动只能攀移：半原子面的扩大或缩小。231讨论(1)位错滑移是在切应力作用下进行的，起作用的是既平行于滑移面又平行于位错柏氏矢量的切应力分量(2)刃位错只有一个滑移面，螺位错有多个滑移面(3)位错线滑移过的区域，其两侧的晶体发生与位错柏氏矢量相同的相对位移(4)位错线滑移出晶体，晶体表面产生一个与位错柏氏矢量相同的台阶(5)位错滑移是保守运动：只改变晶体形状，不改变晶体体积2322、刃位错的攀移刃位错的攀移

—刃位错线在垂直于其滑移面内的运动，实际上是半原子面的扩大或缩小。使半原子面缩小的攀移称为正攀移;使半原子面扩大的攀移称为负攀移。刃位错的攀移a)攀移前;b)正攀移;c)负攀移233讨论（1）位错攀移是在正应力作用下进行的，起作用的是垂直于半原子面的正应力分量。压应力使其正攀移，拉应力使其负攀移。（2）位错攀移需要原子的长程迁移，因而比位错滑移困难，需要热激活。（3）位错线攀移过的区域，其两侧晶体发生与位错柏氏矢量相同的相对位移。（4）刃位错攀移是非保守运动：既改变晶体的形状，也改变晶体的体积，正攀移使晶体中空位减少而体积收缩，负攀移使晶体中空位增多而体积膨胀。234螺位错的交滑移—当螺位错滑移受阻时,会在与初始滑移面相交的另一个滑移面内继续滑移的运动。当滑移受阻的螺位错通过交滑移越过障碍后，又交滑移到与初始滑移平行的滑移面内的滑移运动称为双交滑移。3、螺位错的交滑移235例题1如图所示，立方形晶体内有一正方形位错环ABCD,其滑移面EFGH平行于晶体的上下底面，AB∥EF，柏氏矢量b⊥AB．在晶体的上下底面施加切应力τ∥b．试判断各段位错线运动的类型及方向236解：AB段:滑移，指向－ＹBC段:滑移，指向－ＸCD段:滑移，指向ＹDA段:滑移，指向Ｘ判断位错线运动方向的右手法则237例题2如图所示，立方形晶体内有一正方形位错环ABCD,其滑移面EFGH平行于晶体的上下底面，AB∥EF，柏氏矢量b⊥AB.在晶体的左右表面施加压应力σ∥b.试判断各段位错线运动的类型及方向.238解：AB段:攀移，指向－ZBC段:不动CD段:攀移，指向ZDA段:不动判断刃位错柏氏矢量方向的右手定则239五、位错密度（1）位错密度ρ：单位体积晶体中所包含的位错线总长度。(位错的体密度)

ρ=S/V（m/m3）(1/m2)（2）也可理解为穿越单位截面积的位错线数目。ρ=n/A(1/m2)(位错的面密度)超纯金属经充分退火：ρ=109-1010（m/m3）冷变形或引入第二相：ρ=1014-1016（m/m3）240(3)位错密度与晶体强度晶须：位错密度10m/cm3,强度高，但不能直接用于制造零件，只能作为复合材料的强化纤维。依靠减少位错密度提高强度在工程上没有实际意义，目前主要靠增加位错密度来提高强度。241六、位错的观察1、蚀坑法2、透射电镜法位错的腐蚀坑(1000×)用电子显微镜观察位错a)电镜下观察的位错组态图(30000×)b)该组位错在三维试样中的分布2423、场发射高分辨透射电镜法243第三节位错的弹性性质应力和应变分析位错的应力场位错的应变能244一、应力和应变分析1、应力应力σ是一个张量，包含应力的作用面、方向及大小。固体中任一点的应力状态 都可用单元体上的正应力和切应力分量来表示。（1）直角坐标系中的应力分量245应力分量符号有两个下标:第一个下标表示应力的作用面,第二个下标表示应力的作用方向.如果应力符号的两个下标字母相同,此即正应力(应力的方向垂直于作用面);如果两个下标字母不同,此即切应力(应力的方向平行于作用面).246（2）圆柱坐标系中的应力分量2472、应变应变ε也是一个张量，固体中任一点的应变状态都可用九个应变分量来表示，其中三个正应变分量和六个切应变分量。248249二、位错的应力场1、螺位错的应力场（1）圆柱坐标系中的螺位错应力场公式250251（2）直角坐标系中的螺位错应力场公式252（3）螺位错应力场的特点1）只有切应力分量，无正应力分量2）切应力分量在θ面内，平行于位错线方向3）切应力分量的大小，4）与Ｚ方向（位错线所在方向）无关，且径向对称，即在以位错线为轴线的圆柱面内切应力相同，大小只与圆柱半径成反比。2532、刃位错的应力场（1）直角坐标系中的刃位错应力场公式254255（2）圆柱坐标系中的刃位错应力场公式256（3）刃位错应力场的特点1）既有切应力分量，也有正应力分量2）正应力分量有σxx、σyy、σzz

，其中σxx：在滑移面上方为压；在滑移面下方为拉；在滑移面内为零。3）切应力分量τxy=τyx：在滑移面内，有最大值

在x=0处及|x|=|y|处，τ=02573、混合位错的应力场由于混合位错是由一个刃位错和一个螺位错混合而成，那么，它的应力场就是这两个位错应力场的迭加。在直角坐标系中，刃位错和螺位错的应力场表达式正好互补。这样，只需将混合位错的柏氏矢量b分解为刃分量be和螺分量bs，就可以方便地写出任何一个混合位错在直角坐标系中的应力场表达式。2584、讨论（1）关于螺位错的应力场公式：①位错线过坐标原点且平行于Ｚ轴，否则应进行坐标变换;②适用于右螺位错，对于左螺位，每个应力分量前应加“－”（2）关于刃位错的应力场公式：①位错线过坐标原点且平行于Ｚ轴，半原子面垂直于x-z面,否则应进行坐标变换；②适用于正刃位，对于负刃位错，每个应力分量前应加“－”（3）关于混合位错的应力场公式：①位错线过坐标原点且平行于Ｚ轴，否则，应进行坐标变换；②螺分量应符合螺位错应力场公式的条件，刃分量应符合刃位错应力场公式的条件。259三、位错的应变能位错线周围原子间的相对位移使晶体的能量明显升高，这部分能量称为位错的应变能。位错的应变能包括两部分：位错中心区的非弹性应变能，占应变能的很小一部分，可以忽略；位错中心区以外区域的弹性应变能，是应变能的主要部分，常用以代表位错的应变能。2601、单位长度螺位错的应变能ES2612622、单位长度刃位错的应变能Ee2632643、讨论（1）混合位错的应变能为其刃分量和螺分量应变能之和（2）位错总是使晶体的能量升高，所以位错是晶体中热力学不稳定的缺陷（3）同一晶体中，柏氏矢量大小相同的刃位错的应变能高于螺位错的应变能，Ee≈1.5ES（4）位错的应变能与其柏氏矢量平方成正比，即 E=αGb2,α≈0.5−1.0,螺位错取下限，刃位错取上限。265第四节作用在位错线上的力外加应力对位错的作用力位错间的互作用力位错与溶质原子的互作用力位错的线张力位错运动的点阵阻力映像力266一、外加应力对位错的作用力以滑移为例，将力简单处理成沿位错运动方向有一个力F推着位错线前进→找到F与位错滑移的切应力τ之间的关系1、以虚功原理计算267微元位错，长度dl，在切应力τ下前进ds距离。在ds×dl面积内，晶体上下半部相对滑移︱b︱。切应力作功：dw=τ(dsdl)bF作功：dw’=Fds根据虚功原理，dw=dw’单位长度位错线上的力：Fd=F/dl=τbFd的方向垂直于位错线，指向位错运动的方向。对于攀移：Fd=σb，σ-使攀移进行的正应力，方向指向攀移方向，与位错线垂直。2682、讨论(1)对于刃位错，公式中的τ代表作用面与位错滑移面平行、作用方向与位错柏氏矢量方向平行的切应力，或作用面与半原子面垂直、作用方向与位错柏氏矢量方向平行的正应力(2)对于螺位错，公式中的τ代表作用面与位错滑移面平行、作用方向与位错柏氏矢量方向平行的切应力(3)对于混合位错，将其分解为刃分量和螺分量,求出各自的作用力后再进行矢量合成(4)作用在位错线上的力垂直于位错线，与位错线运动的方向相同269二、位错间的相互作用力1、两平行螺位错间的互作用力两个相距为d、柏氏矢量分别为b1和b2的平行螺位错，单位长度位错线的互作用力在两位错线的连线方向，大小为f=Gb1b2/2πd，且同号相斥、异号相吸。2702、同一滑移面内两平行刃位错间的互作用力同一滑移面内，两个相距为d、柏氏矢量分别为b1和b2的平行刃位错，单位长度位错线的互作用力在两位错线的连线方向，大小为f=Gb1b2/2π(1−ν)d，且同号相斥、异号相吸。2713、平行刃位错与螺位错间无互作用力2724、平行滑移面内两平行刃位错间的互作用力273274三、位错与溶质原子的互作用力1、位错与溶质原子的弹性交互作用（1）柯垂尔(Cottrell)气团275276277278279（2）斯诺克(Ｓnoek)气团因引起晶格非球形对称畸变而有序分布在螺位错周围的溶质原子称为斯诺克(Ｓnoek)气团。斯诺克气团会阻碍螺位错的滑移运动。例如，位于体心立方结构扁八面体间隙中的溶质原子。2802、位错与溶质原子的化学交互作用溶质原子与扩展位错的层错区发生化学交互作用，形成与基体中溶质原子浓度不同的浓度,从而阻碍扩展位错的运动。这种分布在扩展位错的层错区中的溶质原子称为铃木(Suzuki)气团。281表面张力σ表面能γ在数值上相等，量纲上相同。表面能单位：J/m2=Nm/m2=N/m位错具有应变能U，使其有自动缩短或