第一章1.物質(Substance)是由原子（atom）組成，而原子是由原子核和核外電子構成。在材料科學中，最為關心原子的電子結構，原子的電子結構決定了原子間鍵合本質2.電子在原子核外高速運動時，就好像帶負電的云霧籠罩早原子核的周圍，故形象地稱之為電子云。電子運動沒有固定的軌道，但可以根據電子能量的高低，用統(tǒng)計學的方法判斷其在核外空間某一區(qū)域內出現的幾率的大小。根據量子力學的理論，電子的狀態(tài)時用波函數來描述的，原子中一個電子的空間位置和能量，可用四個量子數（quantumnumbers）表示：（1）主量子數n：決定原子中電子能量，以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層。（2）軌道角動量量子數li:他給出了電子在同一量子殼層內所處的能級（電子亞層）。（3）磁量子數mi:給出每個軌道角動量數的能級數或者軌道數。（4）自旋角動量量子數si:反應電子不同的自旋方向。

核外電子的排布規(guī)律在多電子原子中，核外電子的排布規(guī)律遵循以下三個原則：（1）能量最低原理：在無外界干擾的情況下，電子總是處在能量較低的狀態(tài).(電子總是先占據能量最低的內層，再由內向外進入能量較高的殼層)（2）Pauli不相容原理：在一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子。主量子數為n的殼層，最多容納2n2

個電子。（3）Hund洪德定則：在同一亞層中的各個能級中，電子的排布盡可能分占不同的能級，且自旋方向相同。全滿、半滿或全空時比較穩(wěn)定，能量最低。元素周期表原子間的結合鍵原子與原子時依靠結合鍵聚集在一起的。由于原子間結合鍵的不同，故可以將材料分為金屬，無機非金屬和高分子材料。（1）金屬鍵：金屬中自由電子與金屬正離子之間構成的鍵合。特點：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結構性質：良好導電、導熱性能，延展性好（2）離子鍵：大多數鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵方式結合無飽和性又無方向性

●

特點：以離子而不是以原子為結合單元，要求正負離子相間排列

●性質：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體原子間的結合鍵（4）范德瓦爾斯力：在高分子材料中占有重要地位。它是借助瞬時的，微弱的電偶極矩的感應作用，將原子或者分子結合在一起的鍵合。沒有方向性也沒有飽和性（5）氫鍵：它是一種極性分子鍵，存在于HF、H2O、NH3等分子間。其結合鍵能化學鍵與物理鍵之間。具有飽和性和方向性

（3）共價鍵：在亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無機非金屬材料材料中，共價鍵占有重要的地位。其實質是：由二個或多個電負性相差不大的原子間通過共用電子對而形成的化學鍵當一個電子和另一個電子配對以后，就不再和第三個電子配對了，成鍵的共用電子對樹木是一定的，這就是共價鍵的飽和性。亦具有方向性第二章：固體結構物質按聚集狀態(tài)分類:氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)按原子（或分子）排列規(guī)律性分：晶體（crystal）和非晶體（noncrystal）晶態(tài)和非晶態(tài)往往可以相互轉化。

晶體:原子（或分子，離子）在三維空間成周期性長程有序(longrangeorder)排列的固體。非晶體：原子(團)無周期性長程有序排列的物質（包括氣體，液體和部分固體）晶體的定義

１.原子規(guī)排：晶體中原子（分子或離子）在三維空間呈周期性重復排列，而非晶體的原子無規(guī)則排列的。

２.固定熔點：晶體具有固定的熔點，非晶體無固定的熔點，液固轉變是在一定溫度范圍內進行。

3.

各向異性：晶體具有各向異性（anisotropy），非晶體為各向同性。晶體與非晶體的區(qū)別：基本概念質點（基元）：實際晶體中的結構單元，如原子、分子、離子或原子團陣點：將晶體中的每個質點抽象為規(guī)則排列于空間的幾何點，稱之為陣點。（也叫格點，結點）點陣，即空間點陣：將晶體中原子或原子團抽象為純幾何點（陣點latticepoint），由這些陣點在三維空間排列成的規(guī)則的陣列—空間點陣（spacelattice）

?？臻g格子：用許多平行的直線將所有陣點連接起來構成的三維幾何格架，稱為空間格子(Lattice)?？臻g點陣中的陣點僅有幾何意義，并不真正代表任何質點。點陣是抽象的幾何圖形點陣中每個陣點的周圍環(huán)境均相同，即每個陣點都是相同的點，具有等同性。晶體結構與空間點陣的關系：晶體結構是晶體中實際質點的具體排列，實際存在的晶體結構是無限的?？臻g點陣是陣點的排列，只有14種類型。

晶體結構=空間點陣+基元晶胞(UnitCell)晶胞：晶格中能反映晶格特征的最小重復單元。晶胞作三維堆積就構成了空間點陣。1、應反映出點陣的最高對稱性2、棱和角相等的數目最多3、棱邊夾角為直角時，直角數目最多4、晶胞體積最小選取結晶學晶胞的原則晶胞的棱邊長度ａ、ｂ、ｃ（稱為點陣常數、晶格常數(latticeconstants/parameters))；棱間的夾角為α、β、γ（稱為晶軸間夾角）。晶胞參數(Latticeparameters)第二章固體結構

SolidStructure

晶向與晶向指數晶向：晶體中原子列的方向晶向指數表示著所有相互平行、方向一致的晶向。若晶體中兩直線相互平行但方向相反，則它們的晶向指數的數字相同，而符號相反。晶向指數的標定：四步晶向族：有些晶向在空間位向不同，但晶向原子排列相同，這些晶向可歸為一個晶向族，用〈ｕｖｗ〉表示晶向指數的確定axyzbcPo①

確定P點的坐標

1/2,1,0[120]確定O點的坐標

0,0,0③

通分,去分母1,2,0④

用方括號括起來[120]②終點坐標減始點坐標1/2,1,0晶面指數結晶學中經常用（hkl）來表示一組平行晶面，稱為晶面指數。常稱密勒指數（MillerIndices）數字hkl是晶面在三個坐標軸（晶軸）上截距的倒數的整數比。晶面指數的確定Oxyzabc②

取截距的倒數2,3/2,1①

確定截距1/2,2/3,1③

通分，去分母4,3,2④

圓括號括起來(432)例4基本原則為避免0截距，原點選擇在晶面外晶面與晶軸平行，截距為∞，該指數為零截負端時，上加橫線截距越大、指數越小。晶面族:在晶體中有些晶面雖方位不同，但原子排列和分布完全相同，晶面間距亦相同，這些晶面合稱為一個晶面族，常用記號{hkl}表示

xyzabc立方晶系{100}3組晶面族中晶面數的規(guī)律六方晶系晶面族中晶面數的個數及其標定？？對稱性來標定和判斷e.g.:立方晶系中晶向與晶面的關系在立方晶系中，同指數的晶面和晶向之間有嚴格的對應關系，即同指數的晶向與晶面相互垂直，也就是說[hkl]晶向是（hkl）晶面的法向xyzabc立方晶系[110](110)晶面指數小結某一晶面指數代表了在原點同一側的一組相互平行且無限大的晶面若晶面指數相同，但正負符號相反，則兩晶面是以原點為對稱中心，且相互平行的晶面凡晶面間距和晶面上原子分布完全相同，只是空間取向不同的晶面，可歸為同一晶面族，用{hkl}表示在立方結構中若晶面指數和晶向指數的指數和符號相同，則該晶向與晶面必定是互相垂直4六方晶系中晶向與晶面指數四軸定向：晶面符號一般寫為（hkil），指數的排列順序依次與a軸、b軸、d軸、c軸相對應其中a、b、d三軸間夾角為120o，c軸與它們垂直它們之間的關系為：i=-(h＋k)晶面指數的確定步驟與立方晶系相同晶面指數(hkil

),晶面族{hkil}aca1(a)a2(b)a3(d)c六方晶系鏡面指數和晶向指數的標定1.晶面指數：可以直接標定2.晶向指數：要化成三指數，再標定4晶帶及晶帶定律所有相交于某一直線或平行于此直線的所有晶面的組合,稱為晶帶,此直線稱為晶帶軸同一晶帶的晶面,其晶面指數和晶面間距可能不同,但它們都與晶帶軸平行晶帶定律:當晶帶軸的指數為[uvw]時,晶帶中任何晶面指數(hkl)都能符合關系式:

hu

+kv

+lw

=0

凡滿足此關系的晶面都屬于以[uvw]為晶帶軸的晶帶，故此關系式也稱作晶帶定律。這是判斷一個晶面與一個晶向平行或相交的條件6晶面間距晶面組中最近兩晶面間的距離叫晶面間距(interplanarspacing)晶面間距用dhkl表示晶面指數低，面上具有較高的原子密度，間距大、作用力弱,晶體結構的變化往往在此晶面間發(fā)生,從而對其性能產生影響簡單晶胞格子中面間距的計算晶面指數(hkl),點陣常數a,b,c立方晶系正交晶系六方晶系※2金屬的晶體結構（CrystalStructureofMetals）

體心立方點陣面心立方點陣密排六方點陣2.2.1三種典型的金屬晶體結構晶胞中原子的排列方式(原子所處的位置)點陣參數(晶格常數和晶軸間夾角)晶胞中原子數n

原子半徑r和點陣常數關系配位數(coordinativenumber)和致密度致密度和原子間隙大小密排方向和密排面

需要掌握以下幾個方面：三種典型金屬結構的晶體學特點堆垛方式小結晶體結構密排方向密排面堆垛方向堆垛次序BCCFCCHCP<111>{110}<110>ABAB<110>{111}<111>ABCABC{0001}<0001>ABAB<1120>八面體間隙的數目：FCC結構中的八面體間隙用一個與組成間隙的原子都相切的圓的半徑rin

來表示間隙的大小也就是說,半徑為主原子半徑的40%左右的其它原子可以填充在FCC結構的八面體間隙中,其配位數為6a八面體間隙的大小21465378910四面體間隙的數目:8FCC結構中的四面體間隙ABCD2r

ABCDoE四面體的大小(3)BCC結構中的間隙同樣存在八面體間隙和四面體間隙bcc結構金屬:α－Fe、δ－Fe、Cr、Mo、W、V等八面體間隙的數目:6×1/2+12×1/4=6BCC結構中的八面體間隙八面體間隙的大小a2rABCABCD2rr+rina/4a

BCC結構中的四面體間隙四面體的數目:6×4×1/2=12a/4a/2rin

r

四面體間隙的大小Octahedral（八面體）Tetrahedral（四面體）FCCBCC12684sitesrin/rsitesrin/r0.1550.4140.2910.225HCP60.414120.225堆垛中的間隙小結

由10,000個直徑為3厘米的鉛球按FCC堆積而成的防輻射墻，如果為了提高吸收能力而在八面體間隙中添加半徑更小的球，問：大約需要多少小球？其半徑是多少?Example1:八面體間隙FCC結構中,一個晶胞內的原子數目為4,所含有的八面體間隙數目為4,因此,需要小鉛球的數目與大鉛球的數目相等,即10,000個,其半徑為0.621cm.解:a思考:如果用更小的鉛球填在四面體間隙時,應需要多少和多大的小鉛球?2.2.3多晶型性

多晶型性指某些金屬在不同溫度和壓力下具有不同的晶體結構。多晶型性轉變指金屬在外部條件(如T和P)改變時，其內部從一種晶體結構向另一種晶體結構的轉變,又稱同素異構（同素異性）轉變例如純鐵:Example3:具有BCC結構的Fe單位晶胞體積,在912℃時為0.02464nm3;FCC鐵在相同溫度時其單位晶胞的體積為0.0486nm3,求當鐵由BCC轉變?yōu)镕CC時,其密度改變的百分比為多少?思考:試計算a-Fe轉變?yōu)間-Fe時體積的變化率或者膨脹率.？？應該設轉變前后a-Fe和g-Fe的質量是相同的，都為1克，或者m克，再根據密度計算其體積的變化率Example6金屬Fe中加入碳后可以提高其力學性能(鋼),在FCC-Fe中,C原子位于其八面體間隙中,而BCC-Fe中,C原子位于其四面體間隙中.FCC-Fe的晶格常數為0.3571nm,BCC-Fe的晶格常數為0.2866nm,假設碳原子的半徑為0.071nm,試計算:(1)碳原子加入后,哪種晶體結構畸變的程度大?(2)如果上述所有間隙都被C原子填充,兩種晶體中C原子所占的原子百分數各為多少?a/4a/2rin

r

(1)對于BCC-Fe:a對于FCC-Fe:BCC-Fe原子畸變程度更大(2)對于BCC-Fe:晶胞中的原子數目為:2晶胞中的四面體間隙數目為:12BCC晶胞中的四面體間隙全部被C原子填充時,C原子所占的分數為:對于FCC-Fe:晶胞中原子數為4,八面體間隙數為42.3合金相結構一、固溶體二、金屬間化合物(中間相)2合金相分類

按照晶體結構，可以將合金相分為固溶體和中間相兩類。固溶體是一種組元（溶質）溶解在另一種組元（溶劑，一般是金屬）中，其特點是溶劑（或稱基體）的點陣類型不變，溶質原子或是代替部分溶劑原子而形成置換式固溶體，或是進入溶劑組元點陣的間隙中而形成間隙式固溶體。一般地說，固溶體都有一定的成分范圍。溶質在溶劑中的最大含量（即極限溶解度）便稱為固溶度。

固溶體的兩種類型（置換和