材料科学基础课件

第一章原子结构和键合

AtomicStructureandInteratomicBonding物质(Substance)是由原子（atom）组成在材料科学中，最为关心原子的电子结构原子的电子结构—原子间键合本质决定材料分类：金属陶瓷高分子材料性能：物化力学※1原子结构（AtomicStructure）一、物质的组成（SubstanceConstruction）物质由无数微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：单独存在保存物质化学特性

dH2O=0.2nmM(H2)为2M（protein）为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒二、原子的结构1879年J.JThomson发现电子（electron),揭示了原子内部秘密1911年E.Rutherford提出原子结构有核模型1913年N.Bohr将Bohratomicmodel

核外电子的排布（electronconfiguration)规律描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantumnumbers）表示三、元素周期表（periodicTableoftheElements)元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分元素的依据同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子

元素有两种存在状态：游离态和化合态（FreeState&CombinedForm)7个横行（Horizontalrows)周期（period）按原子序数（AtomicNumber)递增的顺序从左至右排列18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族（InertGases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。原子序数＝核电荷数周期序数＝电子壳层数主族序数＝最外层电子数零族元素最外层电子数为8（氦为2）价电子数（Valenceelectron）※2原子间的键合

(

Bondingtypewithotheratom)一、金属键（Metallicbonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Freeelectron），形成电子云（electroncloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好二、离子键（Ionicbonding)

多数盐类、碱类和金属氧化物特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体三、共价键（covalentbonding）亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成

特点：饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差实质：金属原子带正电的正离子（Cation）

非金属原子带负电的负离子（anion）e四、范德华力（Vanderwaalsbonding)包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersiveforce)属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质

五、氢键（Hydrogenbonding）

极性分子键存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥介于化学键与物理键之间，具有饱和性※3高分子链（HighpolymerChain)近程结构（short-rangeStructure)一、结构单元的化学组成（theChemistryofmerunito)1.碳链高分子聚乙烯主链以C原子间共价键相联结加聚反应制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯杂链高分子

涤纶主链除C原子外还有其它原子如O、N、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等3.元素有机高分子硅橡胶

主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶4.无机高分子二硫化硅

聚二氯—氮化磷主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解二、高分子链结构单元的键合方式（bondingtape）1.均聚物结构单元键接顺序单烯类单体中除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：头—头尾—尾头—尾双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同2.共聚物的序列结构（Copolymers）

按结构单元在分子链内排列方式的不同分为三、高分子链的结构（structure）不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不能改变形状—热固性（thermosetting）

四、高分子链的构型（Molecularconfigurations）链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行旋光异构体（stereoisomerism）由烯烴单体合成的高聚物

在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元，有三种排列方式几何异构（Geometricalisomerism）

双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有顺式反式

两种异构体之分，对于大分子链而言就有称为几何异构二甲基丁二烯

二甲基丁二烯

远程结构（Long-rangeStructure)一、高分子的大小（MolecularSize）高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性平均相对分子质量高分子链中重复单元数目称为聚合度不仅影响高分子溶液和熔体的流变性质，对加工和使用也有很大影响。数均相对分子量每链节的质量对力学性能起决定作用，※

1晶体学基础（BasisFundamentalsofcrystallography）

晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列（periodicrepeatedarray），即存在长程有序（long-rangeorder）性能上两大特点：固定的熔点（meltingpoint）,各向异性（anisotropy）一、晶体的空间点阵（Spacelattice）1.

空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点latticepoint），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵（spacelattice）特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)2．晶胞（Unitecells）

代表性的基本单元（最小平行六面体）smallrepeatentities选取晶胞的原则：

Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。

简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点复杂晶胞：除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点

3.晶系与布拉菲点阵（CrystalSystemandBravaisLattice）七个晶系，14个布拉菲点阵晶系布拉菲点阵晶系布拉菲点阵三斜Triclinica≠b≠c，α≠β≠γ单斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90º≠β正交a≠b≠c，α=β=γ＝90º

简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90º，γ=120º菱方Rhombohedrala=b=c,α=β=γ≠90º

四方（正方）Tetragonala=b≠c,α=β=γ＝90º

立方Cubica=b=c，α=β=γ＝90º

简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方底心单斜简单三斜简单单斜底心正交简单正交面心正交体心正交简单菱方简单六方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方4.晶体结构与空间点阵

二、晶向指数和晶面指数（MillerIndicesofCrystallographicDirectionandPlanes）1．阵点坐标晶向族<uvw>：具有等同性能的晶向归并而成；（x1,y1,z1）,(x2,y2,z2)二点连线的晶向指数：[x2-x1,y2-y1,z2-z1]*指数看特征，正负看走向

求法：1）

确定坐标系2）

过坐标原点，作直线与待求晶向平行；3）

在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z）4）

将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号[uvw]即是。（代表一组互相平行，方向一致的晶向）2.晶向指数（Orientationindex）晶面族{hkl}中的晶面数：a）hkl三个数不等，且都≠0，则此晶面族中有b）hkl有两个数字相等且都≠0，则有，如{112}c)hkl三个数相等，则有，d）hkl

有一个为0，应除以2，则有

有二个为0，应除以22，则有

求法：1）

在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o，三棱边为三坐标轴x，y，z2）

以棱边长a为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距；3）

取截距之倒数，并化为最小整数h，k，l并加以圆括号（hkl）即是。3.晶面指数（IndicesofCrystallographicPlane）4.六方晶系指数（Indicesofhexagonalcrystalsystemorhexagonalindices）

三坐标系四轴坐标系a1，a2，ca1，a2，a3，c120°

120°

120°

（hkil)i=-(h+k)[uvtw]t=-(u+v)5.晶带（Crystalzone）

所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个

“晶带”（crystalzone）此直线称为晶带轴（crystalzoneaxis），所有的这些晶面都称为共带面。晶带轴[uvw]与该晶带的晶面（hkl）之间存在以下关系

hu＋kv＋lw＝0————晶带定律

凡满足此关系的晶面都属于以[uvw]为晶带轴的晶带则三个晶面同属一个晶带

6．晶面间距（Interplanarcrystalspacing）两相邻近平行晶面间的垂直距离—晶面间距，用dhkl表示从原点作（hkl）晶面的法线，则法线被最近的（hkl）面所交截的距离即是上述公式仅适用于简单晶胞,对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响

fcc当（hkl）不为全奇、偶数时，有附加面：

通常低指数的晶面间距较大，而高指数的晶面间距则较小bcc当h＋k＋l＝奇数时，有附加面：

六方晶系

立方晶系：如{0001}面

三、晶体的对称性

crystallinesymmetrysymmetrizationof

crystals对称性——晶体的基本性质

对称元素（symmetryelements）

宏观对称性元素

点群（pointgroup）—晶体中所有点对称元素的集合根据晶体外形对称性，共有32种点群空间群（spacegroup）—晶体中原子组合所有可能方式根据宏观、微观对称元素在三维空间的组合，可能存在230种空间群（分属于32种点群）

微观对称性四、极射投影Stereographicprojection

极射投影原理（principle）

参考球，极点、极射面、大图、基图

Wulff网（wullfnet）经线、纬线、2º等分沿赤道线沿基圆读数只有两极点位于吴氏经线或赤道上才能正确度量晶面、晶向间夹角标准投影：以某个晶面//投影面作出极射投影图。（001）倒易点阵（reciprocallattice）※2金属的晶体结构（CrystalStructureofMetals）

体心立方点阵面心立方点阵密排六方点阵表2.5三种典型金属结构的晶体学特点

晶胞中的原子数（Numberofatomsinunitcell）

点阵常数（latticeparameter）a，c原子半径（atomicradius）R配位数（coordinationnumber）N致密度（Efficiencyofspacefilling）

轴比（axialratio）c/a堆垛（Stacking）密排结构（close-packedcrystalstructure）最密排面(close-packedplaneofatoms)fcc{111}ABCABCABC······hcp{0001}ABABABAB······间隙（Interstice）四、八面体间隙fcc，hcp间隙为正多面体，且八面体和四面体间隙相互独立bcc间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中

tetrahedraloctahedralinterstice

11/27/202344一、点缺陷——包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子1.形成局部点阵畸变原子热振动克服约束，迁移到新的位置空位、间隙原子部分原子获得足够高的能量形成引起11/27/202345肖脱基缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位弗兰克缺陷——原子迁移到间隙中——形成空位-间隙对杂质或溶质原子——间隙式（小原子）或置换式（大原子）2.分类11/27/2023463.点缺陷的平衡浓度Ne—平衡空位数

N—原子总数

Ev—每增加一个空位的能量变化

k—玻尔兹曼常数

T—绝对温度其中：A由振动熵决定的系数，取1~10，通常取1。

T↑--C↑11/27/202347附加电子散射——电阻↑4.点缺陷对晶体性能的影响间隙原子——体积膨胀1~2个原子体积空位——体积膨胀0.5个原子体积屈服强度↑对扩散、内耗、高温形变和热处理等过程有重要影响。点阵畸变11/27/202348二、线缺陷11/27/202349位错逐排依次运动——塑变原子面整体滑移——塑变理论强度远大于实测值探求新理论——位错理论发现问题促使核心计算强度值

实测值结果11/27/2023501)刃位错1.位错基本类型形成畸变区多出（或少了）半排原子面用┻（或┳）表示刃位错正：上压下拉负：上拉下压

称为┻┻11/27/2023512)螺位错11/27/202352原子面部分错动一个原子间距螺位错

不吻合过渡区形成畸变区纯剪切应力区

形成

称作11/27/2023533)混合位错刃型位错分量＋螺型位错分量11/27/20235411/27/2023552.柏氏矢量——反映位错区畸变的方向与程度1)柏氏矢量的求法（1）包含位错线做一封闭回路——柏氏回路（2）将同样的回路置于完整晶体中——不能闭合（3）补一矢量（终点指向起点）使回路闭合——柏氏矢量1234567891011123456789101111/27/202356（1）包含位错线做一封闭回路——柏氏回路（2）将同样的回路置于完整晶体中——不能闭合（3）补一矢量（终点指向起点）使回路闭合——柏氏矢量12123412312341112123412312341111/27/202357（1）满足右螺旋规则时，柏氏矢量与柏氏回路路径无关

——唯一性（2）用柏氏回路求得的柏氏矢量为回路中包围的所有位错柏氏矢量的总和（矢量和）

——可加性（3）同一位错，柏氏矢量处处相同

——同一性2）柏氏矢量特性11/27/2023583）柏氏矢量表示法对于立方晶系a=b=c模：例：11/27/202359例：例：11/27/2023604）三种位错柏氏矢量的特点刃位错垂直主要是正应力螺位错平行纯剪应力混合位错一定角度复杂位错类型柏氏矢量与位错线关系畸变应力场11/27/2023615）位错正、负（左、右）的确定刃位错：有晶体图时用右手法则

——中指b方向，食指位错线方向，拇指：上正下负无晶体图时用旋转法

——b顺时针方向转90°，与位错线方向：顺正逆负人为规定位错线方向LL11/27/202362螺位错：有晶体图时与螺纹判断方法一致

——左手左螺，右手右螺无晶体图时用旋转法

——b与位错线方向：顺右逆左正负（左右）均为相对而言，位错线方向改变，正负、左右随之改变。LL11/27/2023633.位错密度单位体积晶体中所有位错线的总长度穿过单位截面积的位错线数目（穿过单位面积的位错线根数，将位错简化为直线）cm/cm31/cm211/27/2023644.位错运动11/27/2023651）滑移（1）刃位错的滑移11/27/20236611/27/202367┻┻11/27/202368a）位错逐排依次前进，实现两原子面的相对滑移；b）滑移量=柏氏矢量的模；c）外力τ

//b，位错线⊥τ

，位错线运动方向//τd）τ一定时，正、负位错运动方向相反，但最终滑移效果相同；e)滑移面唯一。11/27/202369（2）螺位错的滑移11/27/20237011/27/202371右螺位错左螺位错LL11/27/202372a）位错逐排依次滑移，实现原子面的滑移；b）滑移量=柏氏矢量的模；c）τ

//b，位错线//τ

，位错线运动方向⊥τ；d）τ一定时，左、右螺位错位错运动方向相反，但最终滑移效果相同；e）滑移面不唯一。11/27/202373（3）混合位错的滑移11/27/202374正刃负刃左螺右螺11/27/202375位错滑移特征比较一定角度//法线一定角度混合位错无限多个////法线//螺位错唯一

//法线

刃位错滑移面个数位错线运动方向

与位错线

与bb与位错线类型11/27/2023762）攀移（1）方式原子扩散离开（到）位错线—半原子面缩短（伸长）—正（负）攀移空位扩散离开（到）位错线—半原子面伸长（缩短）—负（正）攀移11/27/202377（2）特点a）刃位错垂直于滑移面运动——非守恒运动b）属扩散过程——需热激活——高温易出现（3）作用原滑移面上运动受阻—攀移—新滑移面—滑移继续攀移只能是刃位错才能发生说明：攀移不是塑性变形的主要机制—可避开障碍物—便于滑移结论：攀移能力——影响滑移进行——进一步影响塑变能力11/27/2023783）交滑移（1）方式11/27/202379（2）特点（3）作用原滑移面上运动受阻—交滑移—新滑移面—滑移继续交滑移只能是螺位错才能发生说明：交滑移不是塑变的主要机制—可避开障碍物—便于滑移结论：交滑移能力——影响滑移进行——进一步影响塑变能力交滑移——仍在滑移面滑移——守恒运动11/27/202380攀移与交滑移比较攀移：只能刃位错非守恒运动避开障碍物的方式交滑移：只能螺位错守恒运动11/27/2023815.位错的力学性质1）位错应力场与应变能（1）应力分量与应变分量完全弹性体，服从虎克定律各向同性连续介质，可以用连续函数表示基本假设（连续介质模型）对位错线周围r0以内部分不适用

——畸变严重，不符合上述基本假设11/27/202382（a）单元体应力分量正应力：σxx，σyy，σzz切应力：σxy=σyx，

σxz=σzx，

σyz=σzyσxy——作用面垂直于x，方向为y11/27/202383（b）单元体应变分量正应变：εxx，εyy，εzz切应变：εxy=εyx，εxz=εzx11/27/202384（c）柱坐标下分量正应力：σzz，σrr，σθθ切应力：σzθ=σθz，σzr=σrz，σrθ=σθr与直角坐标的关系：11/27/202385（2）位错应力场（a）螺位错应力场模型建立：结果：说明：仅有z方向的切应力，无正应力。切应力与θ无关，随r增大而减小。化为直角坐标时，仅存在与z有关的切应力。厚壁圆桶——沿径向切开——沿z方向错动b

——胶合11/27/202386（b）刃位错应力场模型建立：结果：说明：既有正应力，也有切应力。与z轴有关的切应力均为零。厚壁圆桶——沿径向切开——沿x轴错动|b|——胶合11/27/202387（3）位错应变能单位长度螺位错应变能：单位长度刃位错应变能：单位长度混合位错应变能：其中：11/27/202388（a）比较wE

>wS（b）一般公式其中：α为几何因素系数，约0.5～1.011/27/202389（c）小结位错——点阵畸变——应变能b↓——w↓——位错能量↓——越稳定其大小说明11/27/202390（d）螺位错应变能公式的推导柱坐标下单位体积应变能为：对于螺位错仅有εθz不为零故，对体积为V（长为L）的螺位错有11/27/202391即：积分得：11/27/2023922）作用在位错线上的力与位错线张力（1）作用在位错线上的力11/27/202393（a）公式推导外力τ使长为l的位错移动了ds，τ作功dw1假想有一力F作用于位错上，则F作功dw2有单位长度位错线上的力：11/27/202394（b）说明Fd∝τ，Fd∝bFd⊥位错线，指向未滑移区

Fd为假象力，其方向与τ不一定一致。（如螺位错Fd⊥τ）11/27/202395（2）位错线张力位错受力弯曲伸长线张力位错变直能量↓能量↑（a）线张力的概念（b）作用使位错变直——降低位错能量相当于物质弹性——称之为位错弹性性质类似于液体的表面张力。11/27/202396（c）公式C——曲线形状因子11/27/202397（d）实例——两端固定位错在τ下弯曲的问题τ使位错弯曲，即r↓T使位错变直，即r↑当二者平衡时11/27/202398重要公式11/27/2023993）位错间的交互作用与位错塞积（1）相互平行的位错之间的交互作用<同号位错相斥体系能量下降（a）同号位错：11/27/2023100异号位错相吸（b）异号位错：体系能量下降异号位错合并，抵消或b减小11/27/2023101（2）相互垂直的位错之间的交互作用——形成大小、方向等于对方b的割阶或扭折割阶：不在原滑移面上的拐折。扭折：在原滑移面上的拐折，不稳定，易消失，不影响滑移。——位错交割11/27/2023102两柏氏矢量相互平行的刃位错相互交截11/27/2023103两柏氏矢量相互垂直的刃位错相互交截11/27/2023104刃位错、螺位错相互交截11/27/2023105割阶对螺位错的钉扎11/27/2023106一对扭折的侧向展开（3）位错塞积——位错与面缺陷的交互作用11/27/2023108位错滑移障碍物位错塞积前端应力高度集中交滑移、攀移越过障碍物继续滑移应力松弛破裂障碍物另侧塑变遇到产生导致结果11/27/20231096.位错的增殖1）问题的提出：位错数量减少位错划出晶体位错相互抵消一定温度位错数量一定（热力学平衡条件）变形变形↑位错数量↑增殖机制猜想：实际：11/27/2023110弯曲卷曲分裂增殖变直2）弗兰克-瑞德源（F-R源）……（a）增殖过程11/27/2023111（b）F－R源开动的最小应力F－R源开动条件：推动力（外力）>

位错运动点阵摩擦力和障碍物阻力当外力作用在两端不能自由运动的位错上时，位错将发生弯曲。由位错线张力与外力平衡关系：即，弯曲半径r与外力τ成反比。当位错弯曲成半圆时，r最小，τ最大。11/27/20231123）其它增殖方式（1）螺位错的双交滑移增殖11/27/2023113（2）L型位错源11/27/20231147.实际晶体中的位错——由简单立方，深化到面心立方、体心立方和密排六方晶体中的位错。1）全位错与不全位错（1）实际晶体中的位错类型简单立方：b≡点阵矢量——只有全位错实际晶体：b>=<点阵矢量b＝点阵矢量整数倍——全位错其中b＝点阵矢量——单位位错b≠点阵矢量整数倍——不全位错其中b<点阵矢量——部分位错11/27/2023115晶体结构位错类型柏氏矢量bcc全位错不全位错fcc全位错不全位错hcp全位错不全位错11/27/2023116（2）形成单位位错的条件结构条件：柏氏矢量为两原子平衡位置连线能量条件：b越小，位错能量越小，稳定性越高柏氏矢量＝最短点阵矢量共同满足bcc：fcc：hcp：11/27/20231172）堆垛层错（1）形成密排堆垛次序有误层错面缺陷形成属于11/27/2023118复习：fcc、bcc、hcp的堆垛次序11/27/2023119fcc晶体的层错类型：抽出型：插入型：（2）特点畸变很小，但仍有畸变能。材料的层错能越低，层错数量越多。11/27/20231203）不全位错（以面心立方为例）局部区域层错——边界——b不等于点阵矢量——不全位错11/27/2023121肖克莱位错：柏氏矢量在滑移面上——可以滑移位错运动——相当于层错面的扩大或缩小肖克莱位错类型——刃位错、螺位错、混合位错位错线、柏氏矢量、滑移面共面——肖克莱位错线为平面曲线11/27/2023122弗兰克位错：柏氏矢量垂直于滑移面——不可滑移，只能攀移位错运动——相当于层错面的扩大或缩小弗兰克位错类型——纯刃位错可以是空间曲线11/27/20231238.位错反应——位错的合并与分解几何条件：能量条件：反应前后柏氏矢量和相等（方向、大小）反应后能量降低判断方法：几何条件判断方法：求反应前后各个位错柏氏矢量的矢量和能量条件判断方法：求反应前后各位错|b|2的和11/27/2023124例：bcc中，当与相遇时，能否合并为几何条件：即：能量条件：满足几何条件和能量条件，反应可以发生（自发进行）即：11/27/2023125例：fcc中，有问，能否几何条件：即：能量条件：满足几何条件和能量条件，反应可以发生（自发进行）即：11/27/2023126三、面缺陷晶界孪晶界相界小角度晶界大角度晶界外表面内表面11/27/20231271.