材料科學基礎復習

1、材料科學基礎復習2021-12-5第一章 原子結構與鍵合 原子的電子結構 核外電子排布規(guī)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）法則）法則。要求：要求：熟悉且能寫出一般元素的核外電子排布式。如C、O、N、Na、Mg、Al等。 原子間的鍵合 物理鍵：物理鍵：范德華力、氫鍵 主要依靠原子間的偶極吸引力結合 化學鍵：化學鍵：金屬鍵、離子鍵、共價鍵（極性和非極性） 主要依靠價電子轉移或共用電子對云成鍵。第二章 晶體材料中的原子排列基本概念基本概念晶體、非晶體，以及兩者之間的區(qū)別。晶體中的原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復排列，而

2、非晶體的原子則是無規(guī)則排列的。兩者之間的區(qū)別主要有兩點：（1）晶體熔化時具有固定的熔點，而非晶體卻無固定熔點，存在一個軟化溫度范圍。（2）晶體具有各向異性，而非晶體卻為各向同性。為了便于對晶體進行描述，引出了空間點陣和晶胞兩個概念?？臻g點陣選取的一個重要原則：每個陣點周圍的環(huán)境（原子的種類以及分布）必須都是相同的。陣點每個陣點周圍的環(huán)境（原子的種類以及分布）必須都是相同的。陣點都是都是等同點等同點。第二章 晶體材料中的原子排列根據(jù)六個點陣常數(shù)之間的相互關系，將空間點陣歸屬于（三斜、單斜、正交、六方、菱方、四方、立方）（簡單三斜、簡單單斜、底心單斜、簡單正交、底心正交、體心正交、面心正交、簡單六

3、方、簡單菱方、簡單四方、體心四方、簡單立方、體心立方、面心立方）。第二章 晶體材料中的原子排列晶體結構是晶體的直接表達晶體結構是晶體的直接表達點陣是對晶體結構的數(shù)學抽象點陣是對晶體結構的數(shù)學抽象晶體結構中的球代表實際的原子晶體結構中的球代表實際的原子點陣中的球（陣點）代表一個或幾個原子，是數(shù)學上抽象的點點陣中的球（陣點）代表一個或幾個原子，是數(shù)學上抽象的點晶體結構有無數(shù)多種晶體結構有無數(shù)多種點陣只有點陣只有1414種種第二章 晶體材料中的原子排列為了能明確的、定量的表示晶格中任意兩原子間連線的方向或任意一為了能明確的、定量的表示晶格中任意兩原子間連線的方向或任意一個原子面。且能方便地使用數(shù)學方

4、法處理晶體學問題。個原子面。且能方便地使用數(shù)學方法處理晶體學問題。 晶向（指數(shù)）、晶面（指數(shù)）晶向（指數(shù)）、晶面（指數(shù)）晶面（晶面（crystal plane） 晶體結構一系列原子所構成的平面。晶向（晶向（crystal directions） 通過晶體中任意兩個原子中心連成直線來表示晶體結構的空間的各個方向。晶向指數(shù)晶向指數(shù)(indices of directions)和晶面指數(shù)和晶面指數(shù)(indices of crystal plane)是分別表示晶向和晶面的符號，國際上用iller指數(shù)（iller indices ）來統(tǒng)一標定。第二章 晶體材料中的原子排列晶向、晶面的畫法。晶向指數(shù)、晶面

5、指數(shù)的表示方法。1 1）晶向指數(shù)）晶向指數(shù)uvwuvw確定方法：確定方法：定原點定原點建坐標建坐標求坐標求坐標化最小整數(shù)化最小整數(shù)加加 注意，負數(shù)時的表示方法。注意，負數(shù)時的表示方法。2 2）晶面指數(shù)（）晶面指數(shù)（hklhkl）確定方法：確定方法：定原點定原點求截距求截距取倒數(shù)取倒數(shù)化最小整數(shù)化最小整數(shù)加（）加（）3 3）晶向指數(shù)與晶面指數(shù)之間的相互關系）晶向指數(shù)與晶面指數(shù)之間的相互關系第二章 晶體材料中的原子排列xyzo111x軸坐標1y軸坐標1z軸坐標1第三章 典型金屬晶體結構金屬的晶體結構主要分為以下三種類型：第三章 典型金屬晶體結構描述晶胞的參數(shù)： 點陣常數(shù)：點陣常數(shù)：晶格常數(shù)和晶軸間

6、夾角 晶胞中原子數(shù)晶胞中原子數(shù) 原子半徑原子半徑 R (R (和點陣常數(shù)的關系和點陣常數(shù)的關系) )：采用剛球模型 (見后) 配位數(shù)配位數(shù) (coordinative number)(coordinative number)：最近鄰且等距原子數(shù)。 致密度致密度：鋼球模型中,晶胞中原子所占體積與晶胞總體積之比 密排方向和密排面密排方向和密排面 晶體結構中的間隙晶體結構中的間隙 ( (大小和數(shù)量）大小和數(shù)量）第三章 典型金屬晶體結構基本參數(shù)基本參數(shù)fccbcchcp點陣常數(shù)點陣常數(shù)晶胞內原子數(shù)晶胞內原子數(shù)配位數(shù)配位數(shù)1286+6致密度致密度0.740.680.74最近原子間距最近原子間距a42R

7、a43R a21R 462/ 188/ 12188/ 16322/ 1126/ 1第三章 典型金屬晶體結構 fcc bcc hcpfcc 111 ABCbcc 110 ABhcp 0001 AB0211第三章 典型金屬晶體結構固溶體的形成條件固溶體的形成條件置換固溶體置換固溶體形成條件溶質原子尺寸與溶劑原子尺寸相近間隙固溶體間隙固溶體形成條件溶質原子尺寸 與 溶劑晶體結構間隙尺寸相近第三章 典型金屬晶體結構中間相主要類型l中間相中間相是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相。是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相。l主要類型包括：主要類型包括： 正常價化合物、正常價化合物、 電子化合物、電子

8、化合物、 間隙相與間隙化合物、間隙相與間隙化合物、 拓撲密堆相拓撲密堆相第四章 晶體缺陷 晶體中原子的排列會出現(xiàn)偏離理想結構的情況，即晶體晶體缺陷。缺陷。 晶體缺陷的分類（據(jù)幾何特征）晶體缺陷的分類（據(jù)幾何特征） 點缺陷（零維缺陷） 特征：在三維空間各個方向上尺寸都很小 線缺陷（一維缺陷） 特征：兩個方向上尺寸很小，另外一個方向延伸較長 面缺陷（二維缺陷） 特征：一個方向上尺寸很小，另外兩個方向上擴展很大第四章 晶體缺陷點缺陷的類型點缺陷的類型 肖特基缺陷肖特基缺陷原子遷移到表面原子遷移到表面形成空位形成空位 弗蘭克缺陷弗蘭克缺陷 原子遷移到間隙中原子遷移到間隙中形成空位間隙對形成空位間隙對

9、雜質或間隙原子缺陷雜質或間隙原子缺陷間隙式（小原子）或置換式（大原間隙式（小原子）或置換式（大原子）子）晶體的線缺陷表現(xiàn)為各種類型的晶體的線缺陷表現(xiàn)為各種類型的位錯位錯基本類型：刃位錯、螺位錯、混合位錯刃位錯、螺位錯、混合位錯第四章 晶體缺陷刃刃位位錯錯的的特特點點第四章 晶體缺陷螺螺位位錯錯的的特特點點第四章 晶體缺陷混混合合位位錯錯的的特特點點第四章 晶體缺陷 復雜復雜不同位錯特點的簡單總結不同位錯特點的簡單總結第四章 晶體缺陷第四章 晶體缺陷2. 伯氏矢量的性質（小結）：伯氏矢量的性質（小結）：（1）伯氏矢量的物理意義：）伯氏矢量的物理意義： 是一個反映位錯周圍點陣畸變總累積的物理量。矢

10、量的方向表示位是一個反映位錯周圍點陣畸變總累積的物理量。矢量的方向表示位錯的性質與取向，模表示了畸變的程度，即位錯的強度。錯的性質與取向，模表示了畸變的程度，即位錯的強度。（2）伯氏矢量的確定與伯格斯回路的選擇無關。）伯氏矢量的確定與伯格斯回路的選擇無關。 （但與伯格斯回路的方向，即位錯線（但與伯格斯回路的方向，即位錯線l正向的選擇有關。正向的選擇有關。b的正負受的正負受位錯線位錯線l正向規(guī)定的影響。但正向規(guī)定的影響。但l正向的選擇不會影響位錯的類型）正向的選擇不會影響位錯的類型）（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總和（矢量和，既含方向、又含大小）。代表回路中所有矢

11、量的總和（矢量和，既含方向、又含大?。＃?）伯氏矢量的唯一性）伯氏矢量的唯一性 一根不分岔的位錯線具有唯一的伯氏矢量。一根不分岔的位錯線具有唯一的伯氏矢量。第四章 晶體缺陷2021-12-5 所以，可以用滑移矢量的晶向指數(shù)表示伯氏矢量所以，可以用滑移矢量的晶向指數(shù)表示伯氏矢量（1）表示方法：）表示方法：cwbvaubb對于立方晶體而言，由于對于立方晶體而言，由于a=b=c，因此，因此， （n為正整數(shù)）為正整數(shù)）伯氏矢量的大小：伯氏矢量的大?。簎vwnab wvu222nab第四章 晶體缺陷例：例：100 ab1aab0012221 1102ab2a222ab1012222100 ab1 11

12、02ab2第四章 晶體缺陷根據(jù)位錯理論的提出背景，當位錯受到力的作用時，會發(fā)根據(jù)位錯理論的提出背景，當位錯受到力的作用時，會發(fā)生運動。生運動。位錯運動有兩種基本形式：位錯運動有兩種基本形式：滑移滑移和和攀移攀移。 位錯的類型：位錯的類型：刃位錯、螺位錯、混合位錯刃位錯、螺位錯、混合位錯第四章 晶體缺陷類型類型b b與位與位錯線錯線位錯線位錯線運動方向運動方向 與與b b 與位錯線與位錯線滑移面滑移面?zhèn)€數(shù)個數(shù)刃位錯刃位錯法線法線/分量分量唯一唯一螺位錯螺位錯/法線法線/分量分量/不唯一不唯一混合位錯混合位錯一定角度一定角度法線法線/分量分量一定角度一定角度復雜復雜位錯滑移特征比較位錯滑移特征比較

13、第四章 晶體缺陷實際晶體結構中的位錯實際晶體結構中的位錯b=點陣矢量整數(shù)倍點陣矢量整數(shù)倍全位錯全位錯 其中，其中，b=點陣矢量點陣矢量單位位錯單位位錯b點陣矢量整數(shù)倍點陣矢量整數(shù)倍不全位錯不全位錯 其中，其中，b b = 點陣矢量點陣矢量 第四章 晶體缺陷第四章 晶體缺陷幾何條件：幾何條件：反應前后伯氏矢量和反應前后伯氏矢量和相等相等（方向、大?。ǚ较颉⒋笮。┠芰織l件：能量條件：反應后能量反應后能量降低降低求反應前后各個位錯伯氏矢量的矢量和求反應前后各個位錯伯氏矢量的矢量和由由w=Gb2 知知w b2求反應前后各位錯求反應前后各位錯 的和的和第四章 晶體缺陷第四章 晶體缺陷面缺陷不做要求第五章 固體材料中的擴散擴散是固體中原子遷移的唯一方式。擴散是固體中原子遷移的唯一方式。第五章 固體材料中的擴散第五章 固體材料中的擴散第五章 固體材料中的擴散擴散機制 擴散的熱力學理論 第五章 固體材料中的擴散應力梯度抵消了濃度梯度。電場、磁場對帶電粒子的運動產(chǎn)生影響。溶質原子向晶界偏聚。典型的化學位梯度與濃度梯度方向相反。習題講解（要求，按照相關求解方法，做詳細說明）（要求，按照相關求解方法，做詳細說明）請繪出下列晶向：請繪出下列晶向： 請繪出下列晶面：請繪出下列晶面： 已知晶向指數(shù)，畫出晶向：已知晶