材料科學基礎1緒論2材料分類金屬材料陶瓷材料高分子材料晶體材料非晶體材料結構材料功能材料性能（使用性能、工藝性能）化學成分結構（晶體的結合類型、晶體結構、微觀結構、和宏觀結構）制備加工工藝、服役環(huán)境緒論1、研究對象：3緒論2、學習目的3、學習內容5、學習要求4、學習方法4第一章固體材料的結構

§1.1原子的電子構型和元素的電負性§1.2原子間的結合

§1.3金屬和陶瓷的晶體結構§1.4高聚物的微觀結構

5

原子的電子構型——原子核外電子排布，遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特規(guī)則?！?.1原子的電子構型和元素的電負性6

元素的電負性——原子吸引成鍵電子能力的相對標度。其數(shù)值越大，表示其原子吸引成鍵電子的能力越強。

價電子——能決定元素化合價的電子?？梢允腔瘜W反應中可失去的電子，也可是能與其他原子相互作用形成化學鍵的電子。

由于不同元素原子的電子構型不同，使原子間的相互結合方式產(chǎn)生了很大差別。原子間的結合方式和結合力大小稱為結合鍵。結合鍵可分為主價鍵和次價鍵兩大類，主價鍵即化學鍵，是相鄰原子之間形成的強鍵，包括金屬鍵、共價鍵和離子鍵；次價鍵即物理鍵，包括范德華力和氫鍵?！?.2原子間的結合7

貢獻出價電子的金屬原子成為正離子，沉浸在電子氣中，并依靠與運動于其間的公有化的自由電子的靜電作用而結合起來，這種結合方式稱為金屬鍵。圖1-1金屬鍵模型氣8圖1-2共價鍵模型

原子間通過共用電子對（或電子云交疊）所形成的強烈的相互作用稱為共價鍵。9雜化軌道——同一原子中不同類型但能量相近的原子軌道混合起來，重新分配能量和調整空間伸展方向，組成數(shù)目不變、能量完全相同的新的軌道。10圖1-3sp3雜化示意圖圖1-4離子鍵模型

帶異電性電荷的離子之間的靜電相互作用稱為離子鍵。原子間并不形成“純粹的”離子鍵，所有的離子鍵都或多或少帶有共價鍵的成分。11金屬鍵共價鍵離子鍵無飽和性、無方向性有飽和性和方向性無飽和性、無方向性金屬晶體具有良好的導電性、導熱性和延展性、正的電阻溫度系數(shù)、不透明并散發(fā)金屬光澤。共價晶體具有很高的硬度和熔點，常溫和熔融狀態(tài)下均不導電。離子晶體熔點和硬度較高，無延展性，常溫下不傳熱不導電，是良好的絕緣體，熔融狀態(tài)下產(chǎn)生自由離子而導電。典型的離子晶體無色透明。12如何評估晶體的彈性模量和理論抗拉強度？圖1-5雙原子作用模型（鍵-力曲線）1314圖1-6兩種材料A和B的鍵-力曲線比較如何評估晶體的熔點和熱膨脹系數(shù)？15圖1-7雙原子作用模型§1.3金屬和陶瓷的晶體結構一、晶體學基礎（一）晶體的特性是原子在三維空間按一定規(guī)律呈周期性重復排列的固體；具有固定的熔點；單晶體各向異性，多晶體偽各向同性。16（二）晶體結構與空間點陣晶體結構——晶體中原子、原子集團、離子或分子在三維空間有規(guī)律的周期性的具體排列方式。每一種晶體有自己的晶體結構。17圖1-8晶體中原子排列示意圖18空間點陣——陣點有規(guī)則地周期性重復排列所形成的三維空間陣列。反映結構基元在晶體中的周期性重復方式，只有14種。每個陣點都有相同的周圍環(huán)境，并不直接與原子相關聯(lián)。19圖1-9陣點代表的具體內容晶體結構=空間點陣+結構基元每個陣點所代表的具體內容，包括原子（或原子集團、離子對）的種類、數(shù)量及其在空間按一定方式排列的基本結構，稱為晶體的結構基元。20圖1-10晶胞的晶格常數(shù)和軸間夾角表示法晶格常數(shù)/點陣常數(shù)：a、b、c軸間夾角：α、

β、

γ空間點陣的晶胞具有平移性、必須是平行六面體：21選擇晶胞遵循下列3條原則:(1)所選的平行六面體應能反映晶體的對稱性;(2)晶胞中軸間夾角α、β、γ為90°的數(shù)目最多;(3)在滿足上述2個條件下,所選的平行六面體的體積最小。22三方晶系23晶系布拉維點陣(1)三斜簡單三斜(2)單斜簡單單斜底心單斜(3)正交簡單正交底心正交面心正交體心正交(4)六方簡單六方(5)三方簡單三方(6)四方簡單四方體心四方(7)立方簡單立方體心立方面心立方24≠面心立方點陣可繪出(a=b=c，α=β=γ=90o)簡單三方晶胞(a=b=c，α=β=γ=60o≠90o)25圖1-11空間點陣的對稱性Ⅰ

面心立方點陣還可繪出

(a=b=c，α=β=γ=90o)

體心四方晶胞(a=b≠c，α=β=γ=90o)26圖1-12空間點陣的對稱性Ⅱ圖1-13晶體結構相似而空間點陣不同Cr27CsCl圖1-14空間點陣相同的晶體結構Cu28NaCl；

（三）晶向指數(shù)和晶面指數(shù)

晶體中，任意兩個原子之間連線所指的方向稱為晶向，由一系列原子所組成的平面稱為晶面。為了便于研究和表述不同晶向和晶面的原子排列情況及其在空間的位向，需要有一種統(tǒng)一的表示方法，這就是晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。29H[210][101]oZYX[100][111][110][001][010][112]AFGEDCBI圖1-15晶向指數(shù)[uvw]的確定30；

晶向指數(shù)特點：（1）晶向指數(shù)表示一組平行晶向的位向。（2）同一直線上有兩個相反的晶向，它們的晶向指數(shù)的數(shù)字和順序完全相同，只是符號相反。（3）晶向族<uvw>:31原子排列完全相同但空間位向不同的所有晶向，可歸為同一晶向族<uvw>。32圖1-16立方晶系<111>晶向族中的4個晶向XYZ圖1-17晶面指數(shù)(hkl)的確定33；

晶面指數(shù)特點：（1）晶面指數(shù)表示一組平行晶面的位向。（2）兩個晶面指數(shù)的數(shù)字和順序完全相同而符號相反時，這兩個晶面互相平行。（3）晶面族{hkl}:34原子排列完全相同但空間位向不同的所有晶面，可歸為同一晶面族{hkl}。35圖1-18立方晶系的{111}晶面族圖1-19立方晶系中晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的關系在立方結構的晶體中，

當一晶向[uvw]位于或平行于某一晶面(hkl)時，必須滿足以下關系：hu+kv+lw=0。當某一晶向與某一晶面垂直時，則其晶向指數(shù)和晶面指數(shù)必須完全相等，即u=h、v=k、w=l。36YXZ圖1-20六方晶系的三軸坐標系37圖1-21六方晶系的一些晶面指數(shù)

X3ZX1X2四軸坐標系晶面指數(shù)標定方法：38四軸坐標系晶向指數(shù)標定方法：(1)標定待定晶向的三軸坐標系晶向指數(shù)[UVW]；(2)由[uvtw]與[UVW]之間的關系,分別

求u、v、t、w；(3)化為互質整數(shù)；(4)加方括號[uvtw]。39XXXZ圖1-22六方晶系的一些晶向指數(shù)

[111]401、晶面間距d(hkl)——兩個相鄰的平行晶面之間的垂直距離。（四）晶面間距和晶面夾角41簡單立方晶體晶面間距d與點陣常數(shù)之間的關系：面心立方晶體（FCC）晶面間距與點陣常數(shù)a之間的關系：若h、k、l均為奇數(shù)，則否則，

體心立方晶體（BCC）晶面間距與點陣常數(shù)a之間的關系：若h+k+l=偶數(shù)，則否則，

42圖1-23簡單立方點陣不同晶面的平面圖432、晶面夾角——兩晶面之間的夾角。立方晶系晶體的晶面夾角與晶格常數(shù)無關：設晶面（h1k1l1）和晶面（h2k2l2）的夾角為φ，則44共帶面晶帶——凡相交于或平行于某一晶向直線的所有晶面構成一個晶帶。晶帶軸（五）晶帶和晶帶軸

45晶帶定律——晶帶軸[uvw]與共帶面(hkl)之間存在以下關系46圖1-24共帶面和晶帶軸確定晶帶軸的晶向指數(shù)：

已知兩個不平行的晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)同屬一個晶帶,設晶帶軸為[uvw]或h1u+k1v+l1w=0h2u+k2v+l2w=0根據(jù)晶帶定律，47彈性模量（GPa）135290圖1-37晶向原子密度與單晶體的各向異性（六）晶體的各向異性（單）晶體具有各向異性是由于在不同晶向上原子排列的緊密程度不同。48（七）多晶型性

少數(shù)純金屬（如Fe、Mn、Zr、Ti、Co、Sn）和一些工程陶瓷晶體（如Al2O3、ZrO2、Si3N4、BN、SiC）等具有兩種或幾種晶體結構，即具有多晶型性，這種現(xiàn)象稱為同質異晶或同質多象。

當外部條件（如溫度和壓力）改變時，晶體由一種晶體結構向另一種晶體結構的轉變稱為多晶型轉變、同質異晶轉變或同質多象轉變。49圖1-25純鐵加熱時的熱膨脹曲線50圖1-26常見金屬晶體結構的剛球模型二、金屬晶體的晶體結構（一）三種典型的金屬晶體結構體心立方結構面心立方結構密排六方結構51晶體結構基本參數(shù)：

1、晶格常數(shù)2、原子半徑

3、晶胞原子數(shù)n——一個晶胞包含的原子數(shù)目。4、配位數(shù)——晶體結構中與任一原子最近鄰且等距的原子數(shù)目。5、致密度——晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比，

。52圖1-27體心立方結構晶胞53圖1-28面心立方結構晶胞54圖1-29面心立方結構的配位數(shù)55圖1-30密排六方結構晶胞56

密排六方結構的空間點陣類型為簡單六方點陣。

圖1-31密排六方結構質點模型57圖1-32密排六方結構的配位數(shù)58體心立方結構(BCC)面心立方結構(FCC)密排六方結構(HCP)晶格常數(shù)aaa、c(c/a≈1.633

)原子半徑晶胞原子數(shù)246配位數(shù)81212致密度0.680.740.7459圖1-33密排面原子排列示意圖圖1-34密排結構的原子堆垛方式60bcbcbcABAABB圖1-35HCP密排面的堆垛順序AB61bcbcbc62圖1-36FCC密排面的堆垛順序ⅠABCAABCBC63圖1-37FCC密排面的堆垛順序Ⅱ圖1-38體心立方結構原子的堆垛方式64八面體間隙：位于由6個原子圍成的八面體中心。四面體間隙：位于由4個原子圍成的四面體中心。晶體結構中的間隙65八面體間隙位置：

面心和棱邊中點晶胞間隙數(shù)：八面體間隙八面體間隙

金屬原子1、體心立方結構的間隙間隙半徑：rR66四面體間隙位置：面中分線距棱1/4處晶胞間隙數(shù)：間隙半徑：1、體心立方結構的間隙四面體間隙四面體間隙

金屬原子

67八面體間隙位置：體心和棱邊中點晶胞間隙數(shù)：間隙半徑：八面體間隙八面體間隙

金屬原子2、面心立方結構的間隙68四面體間隙位置：體對角線距頂點1/4處晶胞間隙數(shù)：間隙半徑：四面體間隙四面體間隙

金屬原子2、面心立方結構的間隙

69晶胞間隙數(shù)：間隙半徑：間隙位置：3、密排六方結構的間隙

70晶胞間隙數(shù)：3、密排六方結構的間隙間隙位置：間隙半徑：71晶體結構間隙種類間隙半徑r間隙數(shù)目BCC八面體間隙<100>0.155R<110>0.633R6四面體間隙0.291R12FCC八面體間隙0.414R4四面體間隙0.225R8HCP八面體間隙0.414R6四面體間隙0.225R12間隙半徑r=原子中心與間隙中心的距離-原子半徑（R——原子半徑；并假設HCP結構的R=FCC結構的R）72晶體缺陷——晶體中原子偏離規(guī)則排列的不完整區(qū)域。分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。（二）實際金屬的晶體結構731-461.點缺陷74圖1-47點缺陷造成晶格畸變產(chǎn)生應力場的示意圖（a）拉應力場（b）壓應力場a)b)75空位平衡濃度：設由N個原子組成的晶體中含有n個空位,若形成一個空位所需能量為Ev,則晶體中的點缺陷在一定溫度下有一定的平衡濃度。式中，A是由振動熵決定的系數(shù),其值在1～10之間；

k

為玻爾茲曼常數(shù)，其值為,或

。76（自）間隙原子平衡濃度：（異類）間隙原子或置換原子平衡濃度：一定溫度下的固溶度晶體中的點缺陷在一定溫度下有一定的平衡濃度。77

點缺陷對金屬晶體性能的影響：2、體積膨脹；1、電阻率增加；3、屈服強度提高；4、加速擴散過程。78位錯（線）——晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的界線。一個具有一定寬度的細長的晶格畸變管道。位錯線運動的方向垂直于位錯線。2.線缺陷79圖1-48刃型位錯的原子模型位錯的基本類型——刃型位錯和螺型位錯。80圖1-49刃型位錯示意圖81圖1-50晶體局部滑移造成的刃型位錯82圖1-51螺型位錯示意圖B圖1-51螺型位錯示意圖B83柏氏矢量b(BurgersVector)：一個可描述位錯的性質及其引起的晶格畸變大小的參量。柏氏矢量可表示晶體滑移的方向和大小。一條（不分叉）位錯線的柏氏矢量是唯一且固定不變的。同時包含位錯線及其柏氏矢量b的晶面是該位錯線潛在的滑移面。柏氏矢量表示位錯引起的晶格畸變總量的大小。84根據(jù)柏氏矢量與位錯線的位向關系可判斷位錯類型。刃型位錯線⊥b85圖1-52刃型位錯柏氏矢量的確定螺型位錯線∥b86圖1-53螺型位錯柏氏矢量的確定圖1-54混合型位錯示意圖87位錯（線）是晶體中已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。必然在晶體中構成一個閉合環(huán)線或終止于晶體表面/晶界，決不能終止于晶體內部。88

圖1-55

金屬晶體中的三維位錯網(wǎng)絡示意圖

圖1-56

金屬晶體中的位錯（TEM）89圖1-57晶體的強度與位錯密度

的關系

位錯強化——晶體的強度隨位錯密度的增加而增加的現(xiàn)象。90刃型位錯l螺型位錯l直線、折線、曲線、環(huán)線直線l⊥bl∥b滑移面唯一位錯線所在的滑移面不唯一可滑移（l滑移面即晶體滑移面）、可攀移（l攀移面即額外半原子面）、不可交滑移可滑移（l滑移面即晶體滑移面）、可交滑移（l滑移面可轉移）、不可攀移l滑移方向平行于晶體滑移方向bl滑移方向垂直于晶體滑移方向bl運動方向（滑移或攀移）均始終垂直于l91①外表面/自由界面:晶體材料與氣體或液體的分界面。②晶界:屬同一固相（晶體結構相同）但位向不同的晶粒之間的界面。④相界:不同晶體結構的兩相之間的界面。3.面缺陷③晶內面缺陷:亞晶界、堆垛層錯、孿晶界等。內界面92（1）晶體表面影響表面能的因素有：外部介質的性質、裸露晶面的原子密度、晶體表面的曲率、晶體結合能及熔點。

93（2）晶界分類：大角度晶界（位向差>10?）和小角度晶界（位向差?10?），小角度晶界又分為傾側晶界和扭轉晶界。94圖1-58晶界的原子模型95小角度晶界傾側晶界

扭轉晶界96不對稱傾側晶界對稱傾側晶界97圖1-60傾側晶界98圖1-61螺型位錯形成的扭轉晶界圖1-62金相顯微鏡觀察純鐵的晶界991、存在晶界能。高的晶界能具有向低的晶界能轉化的趨勢，可引起晶界的遷移。晶粒長大和晶界的平直化都可減少晶界的總面積，從而降低晶界能。2、由于晶界能的存在，當金屬材料中存在可降低晶界能或提高晶界能的異類原子時，這些原子就向晶界偏聚或晶內偏聚，這兩種現(xiàn)象分別稱為內吸附和反內吸附，對金屬材料的性能和相變過程有著重要的影響。3、晶界強化/細晶強化：由于晶界上存在著晶格畸變，因而在室溫下對金屬材料的塑性變形起著阻礙作用，在宏觀上表現(xiàn)為金屬材料具有更高的強度和硬度。顯然，金屬材料的晶粒越細，則強度和硬度越高。4、由于晶界能的存在，使晶界的熔點低于晶粒內部，且易于腐蝕和氧化。5、晶界上的空位、位錯等缺陷較多，因此原子的擴散速度較快，在發(fā)生相變時，新相晶核往往首先在晶界形成。晶界特性：100晶界強化/細晶強化——常溫下，金屬晶體中晶界增多/晶粒細化，使金屬材料的強度、硬度增加，塑性、韌性改善的現(xiàn)象。101圖1-63金屬晶粒內的亞結構示意圖（3）亞晶界晶粒內位向差極?。ㄍǔ?2?）的亞結構之間的內界面。102（4）堆垛層錯晶面堆垛順序發(fā)生局部差錯而產(chǎn)生的一種晶體缺陷稱為堆垛層錯，簡稱層錯。通常發(fā)生于FCC金屬。103圖1-64密排面堆垛順序發(fā)生局部錯排產(chǎn)生堆垛層錯晶體中形成堆垛層錯時幾乎不引起晶格畸變，只是破壞了晶體的周期性和完整性，引起能量升高。通常把產(chǎn)生單位面積層錯所需的能量稱為層錯能，單位為J/m2。（4）堆垛層錯104（5）相界105（5）相界*不同晶體結構的兩相之間的界面稱為相界。*相界的形成會引起系統(tǒng)自由能的升高。相界能包括兩部分的能量：界面附近原子間化學鍵的數(shù)目、強度甚至類型變化而產(chǎn)生的化學作用能和界面兩側晶體晶格常數(shù)不同所產(chǎn)生的彈性應變能。對于共格界面，其相界能以彈性應變能為主；而非共格界面的相界能以化學作用能為主。*三種相界中，非共格界面的相界能最高，部分共格界面的相界能次之，共格界面的相界能最低。106（三）合金相結構1.合金、組元和相合金——由一種金屬元素與一種或幾種其他元素（金屬、非金屬元素）所組成的具有金屬特性的物質。組元——組成合金的獨立存在的基本物質。一般地，組元就是組成合金的元素，穩(wěn)定化合物也可作為一個組元。107（三）合金相結構1.合金、組元和相相——合金中具有相同凝聚狀態(tài)、相同晶體結構、同一化學成分，并有界面相互分開的均勻一致的組成部分。水（液相）冰（固相）SnSb108（三）

合金相結構2.固溶體：溶質組元溶解于溶劑金屬中，形成與溶劑金屬晶體結構相同的均勻一致的固態(tài)相。

按溶解度/固溶度分為無限固溶體和有限固溶體。固溶度常用溶質組元的質量百分數(shù)或物質的量百分數(shù)表示。109圖1-67固溶體的兩種類型置換固溶體間隙固溶體按溶質原子位置分為置換固溶體和間隙固溶體。110圖1-68置換固溶體中大(a)、小(b)溶質原子引起的點陣畸變示意圖111（三）

合金相結構固溶強化——固溶體中隨溶質組元固溶度的增加，固溶體強度、硬度增加而塑性、韌性降低的現(xiàn)象。影響固溶度的因素有原子尺寸、電負性、電子濃度和點陣類型。112溶質原子價對Cu基合金固溶度的影響113圖1-69奧氏體的晶格常數(shù)與溶碳量的關系114圖1-70固溶體中溶質原子分布情況示意圖按溶質原子分布分為無序固溶體和有序固溶體。115有序固溶體的溶質原子是長程有序分布。圖1-71有序固溶體結構示意圖116圖1-72Cu-Au合金的相結構(a)一般固溶體（b）CuAu有序結構（c）Cu3Au有序結構AuCu1173.金屬化合物/中間相：

合金組元間相互作用，形成晶體結構和性能不同于任一組元的新的固態(tài)相，可用分子式來大致表示其組成。1、正常價化合物2、電子化合物3、間隙相和間隙化合物118銅合金中常見的電子化合物無119三、

離子晶體結構離子晶體——離子化合物結晶形成的晶體，或者說是由正、負離子或離子集團按一定比例通過離子鍵結合形成的晶體。120離子晶體的晶體結構取決于離子的組成和數(shù)量關系、離子半徑的大小關系和離子間的極化作用。這使得離子晶體容易產(chǎn)生同質異晶現(xiàn)象。

離子半徑比r+/r-0.225~0.4140.414~0.7320.732~1.0正離子配位數(shù)468典型離子晶體的空間點陣ZnS（閃鋅礦-面心立方點陣或纖鋅礦-六方晶系）NaCl（面心立方點陣）、TiO2（簡單四方點陣）或α-Al2O3（簡單三方點陣）CsCl（簡單立方點陣）、CaF2（面心立方點陣）離子半徑比規(guī)則121離子配位數(shù)——在離子晶體中，每個離子周圍所接觸到的異號離子的個數(shù)。Na+Cl-圖1-73NaCl型晶體結構1.NaCl型晶體結構*空間點陣類型為面心立方點陣，Na+全部占據(jù)由Clˉ組成的面心立方結構的正八面體間隙。*晶胞離子數(shù)為8，即每個晶胞內含有4個Na+和4個Clˉ。*Na+/Clˉ≈0.525，Na+和Cl?的配位數(shù)均為6。1222.閃鋅礦型晶體結構*又稱為立方ZnS型晶體結構，是離子鍵與共價鍵混合的混合鍵結構，空間點陣類型為