材料科学基础第1-2章-小结

1、第一章第一章1.物质(Substance)是由原子（atom）组成，而原子是由原子核和核外电子 构成。在材料科学中，最为关心原子的电子结构，原子的电子结构决定了 原子间键合本质2.电子在原子核外高速运动时，就好像带负电的云雾笼罩早原子核的周 围，故形象地称之为电子云。电子运动没有固定的轨道，但可以根据电子 能量的高低，用统计学的方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的 大小。根据量子力学的理论，电子的状态时用波函数来描述的，原子中一 个电子的空间位置和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示：（1）主量子数主量子数n n：决定原子中电子能量，以及与核的平均距离，即表示电 子

2、所处的量子壳层。（2）轨道角动量量子数轨道角动量量子数l li i:他给出了电子在同一量子壳层内所处的能级（电 子亚层）。（3）磁量子数磁量子数m mi i:给出每个轨道角动量数的能级数或者轨道数。（4）自旋角动量量子数自旋角动量量子数s si i:反应电子不同的自旋方向。 核外电子的排布规律在多电子原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：在多电子原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：元素周期表元素周期表 电离核核电电荷荷 ，原原子子半半径径 能能 ，失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 最最外外层层电电子子数数相相同同，电电子子层层数数 ，原原子子半半径径 电电离离能能 ，

3、失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 同同周周期期元元素素：左左右右，金金属属性性 ，非非金金属属性性 同同主主族族元元素素：上上下下，金金属属性性 ，非非金金属属性性 原子间的结合键原子间的结合键原子与原子时依靠结合键聚集在一起的。由于原子间结合键的不同，故可以将材料分为金属，无机非金属和高分子材料。金属键（Metallic bonding）金属键（Metallic bonding）化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding）主化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding）主 价键primary interatomic

4、 bonds价键primary interatomic bonds共价键（covalent bonding）共价键（covalent bonding）物理键（physical bonding),次价键(Secondary bond物理键（physical bonding),次价键(Secondary bond ing)ing)，亦称Van der Waals bonding，亦称Van der Waals bonding氢键（Hydrogen-bondin氢键（Hydrogen-bondin和g) g) 介于化学键范德华力之间介于化学键范德华力之间（1）金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构

5、成的键合。l特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构l性质：良好导电、导热性能，延展性好（2）离子键： 无饱和性又无方向性 特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体原子间的结合键原子间的结合键（4）范德瓦尔斯力：在高分子材料中占有重要地位。它是借助瞬时的，微弱的电偶极矩的感应作用，将原子或者分子结合在一起的键合。没有方向性也没有饱和性（5）氢键：它是一种极性分子键，存在于HF、H2O、NH3等分子间。其结合键能化学键与物理键之间。具有饱和性和方向性 （3）共价键：在亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料材

6、料中，共价键占有重要的地位。其实质是：由二个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键当一个电子和另一个电子配对以后，就不再和第三个电子配对了，成键的共用电子对树木是一定的，这就是共价键的饱和性。亦具有方向性第二章：第二章： 固体结构固体结构基本概念基本概念n质点（基元）：实际晶体中的结构单元，如原子、分子、离子或原子团 将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point），由这些阵点在三维空间排列成的规则的阵列空间点阵（space lattice） 晶格中能反映晶格特征的最小重复单元。晶胞作三维堆积就构成了空间点阵。p1、应反映出点阵的最高对称性p2、棱和角相

7、等的数目最多p3、棱边夹角为直角时，直角数目最多p4、晶胞体积最小选取结晶学晶胞的原则axyzbcPo 确定确定P点的坐标点的坐标 1/2, 1, 0120确定确定O点的坐标点的坐标 0, 0, 0 通分通分, 去分母去分母 1, 2, 0 用方括号括起来用方括号括起来 1 2 0 终点坐标减始点坐标终点坐标减始点坐标 1/2, 1, 0Oxyzabc 取截距的倒数取截距的倒数 2, 3/2, 1 确定截距确定截距 1/2, 2/3, 1 通分，去分母通分，去分母 4, 3, 2 圆括号括起来圆括号括起来 (432)例例 4晶面族: 在晶体中有些晶面虽方位不同，但原子排列和分布完全相同，晶面间

8、距亦相同，这些晶面合称为一个晶面族，常用记号hkl表示 xyzabc立方晶系立方晶系100 3组组晶面族中晶面数的规律n在立方晶系中，同指数的晶面和晶向之间有严格的对应关系，即同指数的晶向与晶面相互垂直，也就是说hkl晶向是（hkl）晶面的法向xyzabc立方晶系立方晶系110(110)aca1(a)a2(b)a3(d)c（h k l） （ h k i l） i- （hk）（h k l） （ h k i l） i- （hk）六方晶系镜面指数和晶向指数的标定六方晶系镜面指数和晶向指数的标定n1.晶面指数：可以直接标定n2.晶向指数：要化成三指数，再标定222hkladhkl2221hkldhkl

9、abc晶面指数晶面指数 (hkl), 点阵常数点阵常数 a, b, c立方晶系立方晶系正交晶系正交晶系六方晶系六方晶系1 12 23 3面面心心立立方方结结构构（A A） f fa ac ce e- -c ce en nt tr re ed d c cu ub bi ic c l la at tt ti ic ce e常常见见金金属属晶晶体体结结构构 体体心心立立方方结结构构（A A ） b bo od dy y- -c ce en nt tr re ed d c cu ub bi ic c l la at tt ti ic ce e 密密排排立立方方结结构构（A A ） h he ex xa

10、 ag go on na al l c cl lo os se e- -p pa ac ck ke ed d l la at tt ti ic ce e2 2 金属的晶体结构金属的晶体结构（Crystal Structure of Metals） 体心立方点阵面心立方点阵密排六方点阵43ra 42ra 2ar堆垛方式小结堆垛方式小结晶体结构晶体结构密排方向密排方向密排面密排面堆垛方向堆垛方向堆垛次序堆垛次序BCCFCCHCP110ABAB111ABCABC0001ABAB八面体间隙的数目：八面体间隙的数目：11 1 1244 FCC结构中的八面体间隙结构中的八面体间隙用一个与组成间隙的原子都相

11、切的圆的半径用一个与组成间隙的原子都相切的圆的半径 rin 来表示间隙来表示间隙的大小的大小4220.4142ininrarrrr也就是说也就是说, 半径为主原子半径的半径为主原子半径的40%左右的其它原子可以填左右的其它原子可以填充在充在FCC结构的八面体间隙中结构的八面体间隙中, 其配位数为其配位数为6a八面体间隙的大小八面体间隙的大小41,43,4143,43,4121465378910四面体间隙的数目四面体间隙的数目: 8FCC结构中的四面体间隙结构中的四面体间隙ABCD2r ABCDoE22233rAEDEr3342inODDErrr310.2252inrrr四面体的大小四面体的大小

12、八面体间隙的八面体间隙的数目数目:61/2+121/4=6BCC结构中的八面体间隙八面体间隙的大小八面体间隙的大小a2rABCABCD2rr+rin22a22243242210.1553ininrarrrarrra/4a BCC结构中的四面体间隙结构中的四面体间隙四面体的数目四面体的数目:641/2=12a/4a/2rin r 四面体间隙的大小四面体间隙的大小222)2()4()(aarrinrarin45ar34 rr 35rrrin291. 0135Octahedral（八面体）Tetrahedral（四面体）FCCBCC12684sitesrin/rsitesrin/r0.1550.41

13、40.2910.225HCP60.414120.225堆垛中的间隙小结堆垛中的间隙小结 由10,000个直径为3厘米的铅球按FCC堆积而成的防辐射墙，如果为了提高吸收能力而在八面体间隙中添加半径更小的球，问：大约需要多少小球？其半径是多少?Example1:八面体间隙八面体间隙4222 22210.414ininrrrarrrr3/21.50.414 1.50.621inrcmrcmcmFCC结构中结构中, 一个晶胞内的原子数目为一个晶胞内的原子数目为4, 所含有的八面所含有的八面体间隙数目为体间隙数目为4, 因此因此, 需要小铅球的数目与大铅球的数需要小铅球的数目与大铅球的数目相等目相等,

14、即即10,000个个, 其半径为其半径为0.621cm.解解:a思考思考: 如果用更小的铅球填在四面体间隙时如果用更小的铅球填在四面体间隙时, 应需要多少和多大的小铅球应需要多少和多大的小铅球?)()()(9121394bccFefccFebccFe 233213233213:55.8555.85 /6.02 1027.53/0.02464 1055.85 /6.02 1047.636/0.0486 107.6367.53100%1.4%7.53BCCFCCBCCFegg cmcmgg cmcm解的相对原子质量为思考思考: 试计算试计算Fe转变为转变为Fe时体积的变化率或者膨时体积的变化率或者

15、膨胀率胀率.？应该设转变前后应该设转变前后Fe和和Fe的质量是相同的，都为的质量是相同的，都为1克，克，或者或者m克，再根据密度计算其体积的变化率克，再根据密度计算其体积的变化率金属金属Fe中加入碳后可以提高其力学性能中加入碳后可以提高其力学性能(钢钢), 在在FCC-Fe中中, C原子位于其八面体间隙中原子位于其八面体间隙中, 而而BCC-Fe中中, C原子位于其四原子位于其四面体间隙中面体间隙中. FCC-Fe的晶格常数为的晶格常数为0.3571nm, BCC-Fe的晶的晶格常数为格常数为0.2866nm, 假设碳原子的半径为假设碳原子的半径为0.071nm, 试计算试计算:(1) 碳原子

16、加入后碳原子加入后, 哪种晶体结构畸变的程度大哪种晶体结构畸变的程度大?(2) 如果上述所有间隙都被如果上述所有间隙都被C原子填充原子填充, 两种晶体中两种晶体中C原子原子所占的原子百分数各为多少所占的原子百分数各为多少?a/4a/2rin r (1) 对于对于BCC-Fe:4r3a =r =a = 0.1241nm43222in11aarr24inr = 0.0361nma对于对于FCC-Fe:4r2a =r =a = 0.1263nm42ina -2rr = 0.0522nm2ininCrBCC rFCC r = 0.071nmBCC-Fe原子畸变程度更大(2) 对于对于BCC-Fe:晶胞

17、中的原子数目为晶胞中的原子数目为: 2晶胞中的四面体间隙数目为晶胞中的四面体间隙数目为: 12BCC晶胞中的四面体间隙全部被晶胞中的四面体间隙全部被C原子填充时原子填充时, C原子所原子所占的分数为占的分数为:12 C atomsat%C =100 = 86%2Fe atoms+12 C atoms对于对于FCC-Fe:晶胞中原子数为晶胞中原子数为4, 八面体间隙数为八面体间隙数为44 C atomsat%C =100 = 50%4Fe atoms+ 4 C atomsn按照晶体结构，可以将合金相分为固溶体和中间相两类。 n固溶体是一种组元（溶质）溶解在另一种组元（溶剂，一般是金属）中，其特点

18、是溶剂（或称基体）的点阵类型不变，溶质原子或是代替部分溶剂原子而形成置换式固溶体，或是进入溶剂组元点阵的间隙中而形成间隙式固溶体。n一般地说，固溶体都有一定的成分范围。溶质在溶剂中的最大含量（即极限溶解度）便称为固溶度。固溶体的两种类型（置换和间隙）溶质原子取代溶剂原子，并保持溶剂结构的合金相称为置换固溶体。影响因素有：（1）晶体结构因素：溶质与溶剂的晶体结构类型相同。（2）原子尺寸因素：溶质与溶剂的原子尺寸差别越小，越容易形成置换固溶体，两个组元的原子半径之差不能超过15%。（3）化学亲和力（电负性因素）：溶质原子与溶剂原子的电负差越大，两者间亲和力越大，越易形成中间相，否则易形成固溶体。（4）电子浓度因素：电子浓度越大，越易形成化合物； 电子浓度越小，越易形成固溶体。0.0970.5360.181+Na-Clrnm=rnmCN = 6+-NaCla = 2r+ 2rMgO, CaO, FeO, etc.1 NaCl型结构Cl-Na+NaCl型结构特点nNaClNaCl属于立方晶系，晶胞参数