第一章 材料的结构
《材料科学基础》复习大纲(08级)
《材料科学基础》总结及重点第一章 材料的结构与键合1、金属键、离子键、共价键、分子键（范德华力）、氢键的特点，并解释材料的一些性能特点。
2、原子间的结合键对材料性能的影响。
用金属键的特征解释金属材料的性能—①良好的延展性；②良好的导电、导热性；③具有金属光泽。
3、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
本章重要知识点： 1. 金属键、离子键、共价键、分子键、氢键的特点。
第二章 固体结构1、晶体与非晶体（在原子排列上的区别）2、空间点阵、晶格、晶胞及选取晶胞的的原则、七大晶系及各自的特点，布拉菲点阵（14种） 、晶格常数、晶胞原子数。
3、晶面指数、晶面族、晶向指数、晶向族、晶带和晶带定理、晶面间距、配位数、致密度、八面体间隙、四面体间隙。
各向同性与各向异性、实际晶体的伪各向异性、同素异构转变（重结晶、多晶型性转变） 。
（1）指数相同的晶向.和晶面必然垂直。
如[111]⊥（111）（2）当一晶向[uvw]位于或平行某一晶面（hkl ）时，则必然满足晶带定理：h ·w+k ·v+l ·w =04、能绘出三维的体心、面心立方和密排六方晶胞，根据原子半径计算出金属的体心和面心立方晶胞的晶胞常数。
三种典型晶体结构的特征（包括：晶胞形状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密排面（滑移面）和最密排方向的指数与个数，滑移系数目等）；即：bcc 、fcc 、hcp 的晶格特征及变形能力（结合塑性变形一章的内容你必须知道常用金属材料的滑移面与滑移系的指数）。
给画出晶胞指出滑移面和滑移方向。
能标注和会求上述三种晶胞的晶向和晶面指数。
晶向和晶面指数的一些规律。
求晶面间距d （hkl ）、晶面夹角。
5、晶面间距：d （hkl ） 的求法：（1）立方晶系：222)(l k h ad hkl ++= （2）正交晶系：222)(1⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=c l b k a h d hkl （3）六方晶系：2222)()(341⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=c l a k hk h d hkl （4）四方晶系：2222)()/(/)(1c l a k h d hkl ++=以上公式仅适用于简单晶胞，复杂晶胞要考虑其晶面层数的增加。
第一章 材料的结构
3金属键与金属晶体 金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力 而使诸原子结合到一起的方式。 原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性； 金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。 4分子键与分子晶体 原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。 分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。 工程材料的键性
3.晶系与布拉菲点阵（Crystal System and Bravais Lattice）P5
布拉菲点阵
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
晶系
三斜
布拉菲点阵
简单六方
晶系
六方
单斜
简单菱方
简单四方 体心四方
菱方
四方
正交
简单立方 体心立方 面心立方
立方
面心四方和体心四方的关系
第一章 材料的结构
气态（gas state）
物质 (substance）
液态（liquid state）
晶体（crystal） 固态（solid state） 非晶体（amorphous solid）
晶体学基础知识 金属的晶体结构
1.1材料的结合方式
化学键——组成物质的质点（原子、分子或离子）之间的相 互作用力 1 共价键与原子晶体： 原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性； 原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导 电性差。如高分子材料。 2 离子键与离子晶体 原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性； 离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷
3）密排六方结构：点阵常数为a和c， ①当 c / a 1.633 ，则 R
1 a 2
第1章 材料结构的基本知识
一、离子键
1、定义
由于正、负离子间的库仑引力而形成。
氯化钠是典型的离子键 结合，钠原子将其3s态电 子转移至氯原子的3d态上， 这样两者都达到稳定的电 子结构，正的钠离子与负 的氯离子相互吸引，稳定 地结合在一起(图1-4)
当IA、IIA族金属和ⅦA、ⅥA族的非金 属原子结合时，金属原子的外层电子很可 能转移至非金属原子外壳层上、使两者都 得到稳定的电子结构，从而降低了体系的 能量； 此时金属原子和非金属原子分别形成正 离子与负离子，正、负离子间相互吸引， 使原子结合在一起，这就是离子键。
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2、特点
1）正负离子相间排列，正负电 荷数相等；
2）键能最高，结合力很大； 3）性能： 硬度高、强度大； 热膨胀系数小，在常温下的 导电性很差；
脆性较大。
3、典型材料：陶瓷材料。
二、共价键
图1-3 原子间结合力
根据物理学，力(F)和能量(E)之间的转 换关系：
dE F dx
E Fdx
0
x
在作用力等于零的平衡距离下能量应该
达到最低值，表明在该距离下体系处于稳
定状态。
当两个原子无限远时， 原子间不发生作用，作用 能可视为零。 当距离在吸引力作用下 靠近时，体系的位能逐渐 下降，到达平衡距离时， 位能最低； 当原子距离进一步接近， 就必须克服反向排斥力， 使作用能重新升高。 平衡距离下的作用能定 义为原子的结合能E0。
2、性能
它没有饱和性和方向性；
良好的导电性、导热性、正的
电阻温度系数；
具有良好的塑性。
3、典型材料：各种金属。
四、范德瓦尔键
第一章 材料的结构 习题
第一章材料的结构习题第一章 材料的结构 习题1 解释以下基本概念空间点阵、晶体结构、晶胞、配位数、致密度、金属键、缺位固溶体、电子化合物、间隙相、间隙化合物、超结构、拓扑密堆相、固溶体、间隙固溶体、置换固溶体。
2 氧化钠与金刚石各属于哪种空间点阵？试计算其配位数与致密度。
3 在立方系中绘出{110}，{111}晶面族所包括的晶面及（112），（021）晶面。
4 作图表示出<0112>晶向族所包括的晶向。
确定（1211），（021）晶面。
5 求金刚石结构中通过（0，0，0）和（414343,,）两碳原子的晶向，及与该晶向垂直的晶面。
6 求（121）与（100）决定的晶带轴与（001）和（111）所决定的晶带轴所构成的晶面的晶面指数。
7 试证明等径刚球最紧密堆积时所形成的密排六方结构的633.1/ a c 。
8 绘图说明面心立方点阵可表示为体心正方点阵。
9 计算面心立方结构的（111），（110），（100）晶面的面间距及原子密度（原子个数/单位面积）。
10 计算面心立方八面体间隙与四面体间隙半径。
11 计算立方系[321]与[120]夹角，（111）与（111）之间的夹角。
12 FeAl是电子化合物，具有体心立方点阵，试画出其晶胞，计算电子浓度，画出（112）面原子排列图。
13 合金相VC，Fe3C，CuZn，ZrFe2属于何种类型，指出其结构特点。
例题1. 何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答案在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然它们的化学性质相同的物质称为同位素。
由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。
2. 已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？答案原子数=个价电子数=4×原子数=4×2.144×1024=8.576×1024个a)b) 共价键，共有2.144×1024个；需破坏之共价键数为5×1010/2=2.5×1010个；所以，。
材料科学基础材料结构的基本知识
负性很强的原子之间形成一个桥梁，把 两者结合起来，形成氢键。所以氢键可 表达为：
X–H——Y 三、混合键
实际材料中单一结合键并不多，大 部分材料的内部原子结合键往往是各种 键的混合。例如： （1）ⅣA族的Si、Ge、Sn元素的结合
材料科学基础材料结构的基本知识
是共价键与金属键的混合。 （2）陶瓷化合物中出现离子键与共价键 混合的情况。
四、结合键的本质与原子间距
固体原子中存在两种力：吸引力 和排斥力。它们随原子间距的增大而 减小。当距离很远时，排斥力很小， 只有当原子间接近至电子轨道互相重
材料科学基础材料结构的基本知识
叠时斥力才明显增大，并超过了吸引力。
在某一距离下引力和斥力相等，这一距
离r0相当于原子的平衡距离，称原子间距。 力（F）核能量（E）之间的转换关
键的形成——在凝聚状态下，原子间距 离十分接近，便产生了原子间的作用力， 使原子结合在一起，就形成了键。 键分为一次键和二次键： 一次键——结合力较强，包括离子键、 共价键和金属键。 二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳 斯键和氢键。
材料科学基础材料结构的基本知识
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
原子核外电子的分部与四个量子数 有关，且服从下述两个基本原理： （1）泡利不相容原理 一个原子中不 可能存在有四个量子数完全相同的两个 电子。 （2）最低能量原理 电子总是优先占 据能量低的轨道，使系统处于最低的能 量状态。
材料科学基础.第一章
3.标准投影图
以晶体的某个晶面平行于投影 面，作出全部主要晶面的极射投影 图称为标准投影图（图1.16）。立方 系中，相同指数的晶面和晶向互相 垂直，所以立方系标准投影图的极 点既代表了晶面又代表了晶向。
4.吴/乌氏网（Wulff net）
吴氏网是球网坐标的 极射平面投影，具有保 角度的特性，如右下图。
立方系 六方系
对复杂点阵(体心立方，面心立方等)，要考虑晶面层数的增加。 体心立方(001)面之间还有一同类的晶面（002），因此间距减半。
1.2.4 晶体的极射赤面投影
通过投影图可将立体图表现于平面上。晶体投影方法很多， 包括球面投影和极射赤面投影。 1.参考球与球面投影 将立方晶胞置于一个大圆球的中 心，由于晶体很小，可认为各晶面均 过球心。由球心作晶面的法线， 晶面法线与球面的交点称为极点，每 个极点代表一个晶面；大圆球称为 参考球，如图1.14所示。用球面上的 极点表示相应的晶面，这种方法称为 球面投影；两晶面的夹角可在参考球 上量出。
6.晶面间距
晶面族不同，其晶面间距也不同。通常低指数晶面的面间距 较大，高指数晶面的面间距较小；原子密集程度越大，面间距 越大。可用数学方法求出晶面间距：
d hkl ( d hkl d hkl 1 h 2 k l ) ( )2 ( )2 a b c a 正交系
h2 k 2 l 2 1 4 h 2 hk k 2 l ( ) ( )2 3 c a2
图1.12 六方系中的一些晶面与晶向
（2）用四轴坐标确定晶向指数的方法如下： 当晶向OP通过原点时，把OP沿四个轴分解成四个分量（由 晶向上任意一点向各轴做垂线，求出坐标值），可表示为 OP=u a1+v a2+l a3+w C 晶向指数用[u v l w]表示，其中t=-(u + v)。 原子排列相同的晶向属于同一晶向族。在图1.12中
材料科学基础课后习题答案
BC A
1/2
D
y
1/2
x
z
1/4
B C
3/4 1/2
y A
3/2
x
1/2
c
B a3 C
a1
A
a2
1/2
c
2/3
B
a3
A
C a2
a1
2. 写出镍（Ni，FCC）晶体中面间距为 0.1246nm 的晶面族指数。镍的点阵常数为 0.3524nm。
3. 根据位错反应必须满足的条件，判断下列位错反应在 FCC 中能否进行，并确定无外力作
14、固态金属原子的扩散可沿体扩散与晶体缺陷扩散，其中最慢的扩
散通道是：
。
（A）
A、体扩散
B、晶界扩散
C、表面扩散
15、高温回复阶段，金属中亚结构发生变化时，
。
（C）
A、位错密度增大 B、位错发生塞积 C、刃型位错通过攀移和滑移构
成亚晶界
16 、 加 工 硬 化 是 一 种 有 用 的 强 化 手 段 ， 其 缺 点 是
六、解：
由 Cs − Cx = erf ( x )
Cs − C0
2 Dt
10h＝3600s， C0 = 0 ， Cs = 1.3% ， D = 1.5 ×10−7 cm2/s，代入上式得：
1.3% − Cx 1.3%
=
erf
(
x 0.147
)
∴ Cx = 1.3%(1− erf (6.8x) )
一、 填空题（每空 1 分，共 10 分）
（D
）
A. [110]
B. [100]
C. [211]
D [111]
4、体心立方结构八面体的间隙半径是
第一章材料的内部结构
3.固溶体的结构
固溶体的最大特点是保持溶剂的晶格类型不变，但 与纯溶剂组元相比，结构已发生了很大的变化，主要表现为： ⑴ 晶格畸变
⑵ 溶质原子偏聚与短程有序
⑶ 溶质原子长程有序
某些具有短程有序的 固溶体，当其成分接近一 定原子比（如1:1）时， 可在低于某一临界温度时 转变为长程有序结构。这 样的固溶体称为有序固溶 体。对CuAu有序固溶体, 铜原子和金原子按层排列 于（001）晶面上。由于 铜原子比金原子小，故使 原来的面心立方晶格畸变 为正方晶格。
⑵ 间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于 0.59时，将形成另一种化合物，其中非金属原子也 位于晶格的间隙处，故称之为间隙化合物。 特点是晶体结构复杂，例如铁碳合金中的渗碳体 Fe3C，具有复杂的正交晶格，其晶胞中含有12个 铁原子和4个碳原子。间隙化合物也具有很高的 熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相 之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬 度以及化学稳定性都要低一些。 间隙相、间隙化合物和间隙固溶体的区别？
3.配位数 指晶格中任一原子最邻近、等距离的原子数。 晶体中原子配位数愈大，晶体中的原子排列愈紧密。 体心立方晶体结构的原子配位数为8。面心立方和 密排六方晶体结构原子配位数均为12。
4.致密度K 指晶胞中所含全部原子的体积总和与该晶胞体积 之比： K = nv / V
式中， n --晶胞中的原子数；v ——单个原子的体 积；V ——晶胞体积。
1.4.2中间相
如果溶质含量超过它在溶剂中的溶解度时，便 可能形成新相，称为中间相。中间相可以是化合 物，也可以是以化合物为基的固溶体。主要特点 是它的晶体结构不同于其任一组元，结合键中通 常包括金属键。因此中间相具有一定的金属特性， 又称为金属间化合物。性能是有较高的熔点、高 的硬度和脆性，通常作为合金的强化相。此外还 发现有些金属间化合物具有特殊的物理化学性能， 可用作新一代的功能材料或者耐热材料。金属间 化合物种类很多，主要介绍三种。
第一章 材料的结构 思考及习题1
第一章材料的结构1.解释如下概念空间点阵，晶体结构，晶胞，晶带轴，配位数，致密度，原子半径，同素异晶转变，各向异性2.钼晶体（bcc）的密度为10.2 g/cm3，原子量为95.94，求它的点阵常数和原子半径。
3.已知铜的密度为8.94 g/cm3，原子半径为1.275×10-8cm，根据致密度推断晶体结构。
4.为什么金属具有正的电阻温度系数？5.为什么金属具有很好的延展性？6.在室温和1000℃时，铁原子都是如何排列的？1g 铁含有多少个原子和晶胞？7.NaCl和金刚石各属于哪种点阵？8.说明为何密排六方不是一种空间点阵？9.证明将圆球作密排六方堆积时，其轴比c/a=1.633。
10.证明：在立方晶系中，[hkl]⊥(hkl)。
11.在立方晶系中绘图表示{110}、{111}所包括的晶面。
12.在立方晶体中，和方向之夹角是多少？13.<111>包括哪些晶向？14.在立方晶胞中绘图表示[110]、[11 1]和[12 0]和(120)、(110)，(321)晶面。
15.在六方晶系的晶胞上画出（1012）晶面的交线，画出[112 0]、[1101]晶向。
16.标出图示晶面和晶向指数。
17.求包含（112）和（123）晶面的晶带轴，并确定该晶带所包含的{110}面。
18.绘图说明fcc点阵也可表示为c/a=1.414 的体心正方点阵。
19.计算FCC 中（111）、（110）（100）的晶面间距和原子面密度。
判断有无新增面，然后计算。
20.计算体心立方点阵中八面体间隙半径和四面体间隙半径。
21.画出面心立方晶体（011）晶面上的原子排列，在图上标出[111]、[011]和[211] 晶向。
22.碳可以溶解到铁晶格的间隙中形成固溶体，你认为是α-Fe (bcc)还是γ-Fe (fcc)会溶解更多的C?为什么？23.某晶体的原子位于正方点阵的节点上，点阵的a=b，c=a/2。
今有一晶面在x、y 和z 轴上的截距分别为6 个原子间距，2 个原子间距和4 个原子间距，试求该晶面的密勒指数。
ch1 材料结构的基本知识[1]
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根据量子力学，各个壳层的S态、P态中电子的充 满程度对该壳层的能量水平起着重要作用。
价电子： 电负性：用来 衡量原子吸引 电子能力的参 数。
§1.2 原子间的结合键(interatomic bonding)
第一章 材料结构的基本知识
材料的分类
按使用性能分： 结构材料： （强度、塑性、韧性等 力学性能） 功能材料： （电、磁、光、热等 物理性能） 按组成分： 金属材料 (metals) 陶瓷材料 (ceramics)
高分子材料 (polymers)
复合材料 (composites)
材料科学与工程的四个要素 材料使用 性 能 performa nce
2.合金：指两种或两种以上的金属或金属与非金属 经熔炼、烧结或用其它方法组合而成的具有金属特 性的物质。如：铜镍合金、碳钢、合金钢、铸铁
组元：组成合金的最基本的、独立的物质。 如：Cu-Ni合金，Fe-FeS合金 二元合金：如：Fe-C二元系合金 三元合金：如：Fe-C-Cr三元系合金 多元合金
Cl与Na形成离子键
一种材料由两种原子组成， 且一种是金属，另一种是 非金属时容易形成离子键 的结合(如左图)。由NaCl 离子键的形成可以归纳出 离子键特点如下： 1.金属原子放弃一个外 层电子，非金属原子得到 此电子使外层填满，结果 双双变得稳定。 2.金属原子失去电子带 正电荷，非金属原子得到 电子带负电荷，双双均成 为离子。 3. 离子键的大小在离子 周围各个方向上都是相同 的，所以，它没有方向性
§1.1
原子结构
一、原子的电子排列
核外电子的分布与四个量子数有关，且服从两个基本 原理： 1.Pauli不相容原理(Pauli principle) ：一个原子中 不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。 2.能量最低原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使 系统处于最低能量状态。
《材料科学基础》课件第1章 材料的结构
(a)是否具有周期性、对称性； (b)是否有确定的熔点； (c)是否各向异性； 单晶体的各向异性
25
1.2 晶体学基础 1.2.2 空间点阵和晶胞
为了便于分析研究晶体中原子或分子的排 列情况，可把它们抽象为规则排列于空间的无 数个几何点，这些点子可以是原子或分子的中 心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中 心，但各个点子的周围环境必须相同，这种点 的空间排列称为空间点阵。
3. 晶胞
空间点阵
27
晶胞
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
28
1.2 晶体学基础
◆选取晶胞的原则：
1.2.2 空间点阵和晶胞
① 应反映出点阵的高度对称性； ② 棱和角相等的数目最多； ③ 棱边夹角为直角时，直角数目最多； ④ 晶胞体积最小。
29
1.2 晶体学基础 4. 晶格（点阵）参数
1.2.2 空间点阵和晶胞
⑷ 简单正交
⑸ 底心正交
⑹ 体心正交
34
⑺ 面心正交
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
（四）四方 a=b≠c =β=γ=90°
⑻ 简单四方
⑼ 体心四方
（五）菱方 a=b=c =β=γ≠90°
⑽ 简单菱方
35
1.2 晶体学基础 （六 ）六方 a=b≠c =β=90°，γ=120°
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力 离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力 金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力 分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
18
强
较强
最弱
1.1 材料的结合方式 1.1.2工程材料的键性 实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多
材料科学基础第一章材料结构的基本知识
1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高
，高分子材料
的最低． 2) 密度：金属键的25 最高，共价键
2、对力学性能的影响 （1） 强度：结合键强，则强度
也高，但还受组织的影响． （2） 塑韧性：金属键最好，共
价键、离子键最低. （3） 弹性模量：共价键、离子
键最高，金属键次之，二次键 最低
26
第三节 原子排列方式
• 晶体与非晶体 • 原子排列的研究方法 一、晶体与非晶体 1、晶体
原子(原子团或分子)在空间有规则的周期 性重复排列的固体。
一般情况下，金属、大多数陶瓷、少 数高分子材料为晶体。
27
• 非晶体：
排列无序，不存在长程的周期 规则排列。
二氧化硅结构示意图 28
• 材料最终得到什么结构，必须综合考虑 结构形成的热力学条件和动力学条件。
1、热力学条件 结构形成时必须沿着36 能量降低的方向进
• 等温等容过程：
亥姆过霍程兹自由能变化A，T, V 0
自发
•吉布等斯温自等由压能过变程化：G，T, P 0
程
自发过
2、动力学条件
反应速度。
化学反应动力学的Arhennius方程：
一、一次键 1、离子键 • 通过正负离子间相互吸引力
使原子结合的结10 合键．
• 例如：NaCl, MgO 对于 NaCl： Na：1S22S22P63S1 Cl： 1S22S22P63S23P5 Na 原子失去一个外层电子，变成
正离子，带正电 Cl 原子得到一个外层电子，变成
负离子，带负电
11
12
第一章 材料结构的基本知识
结构分4个层次： • 原子结构 • 结合键 • 原子的排列 • 显微组织
《材料科学基础》综合复习题
《材料科学基础》复习思考题第一章：材料的结构空间点阵、晶格、晶胞配位数致密度共价键离子键金属键组元合金、相、固溶体中间相间隙固溶体置换固溶体固溶强化第二相强化。
1、材料的键合方式有四类，分别是（），（），（），（）2、三种常见的金属晶格分别为（），（）和（）。
3体心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（），具有体心立方晶格的常见金属有（）。
4、面心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（），具有面心立方晶格的常见金属有（）。
5、密排六方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），具有密排六方晶格的常见金属有（）。
6、合金的相结构分为两大类，分别是（）和（）。
7、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为（）和（），按照固溶度分为（）和（），按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为（）和（）。
8、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、（）。
9、金属化合物（中间相）分为以下四类，分别是（），（），（），（）。
三、作图表示出立方晶系（123）、（0）、（421）等晶面和[02]、[11]、[346]等晶向。
四、立方晶系的{111}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。
五、体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。
六、已知面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。
七、试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。
第一章材料的结构和性能 § 1 金属材料的结构和组织
相：合金中具有相同的化学成分、相同的结构、能够与其他部分区
分的部分。 1、固溶体
间隙固溶体 置换固溶体
有限置换固溶体 无限置换固溶体
固溶强化：通过溶入溶质原 子使溶剂原子的晶格发生畸 变，从而使金属材料的强度、 硬度升高的现象。
2、金属化合物
两个组元相互作用形成的新的相。
金属化合物的晶格与其组元的晶格完全不同，因此其性能也 不同与组元。
第一章 金属材料的主要性能 第二章 金属及合金的晶体结构 第三章 铁碳合金 第四章 金属的塑性变形和再结晶 第五章 钢的热处理 第六章 合金钢
第一章 材料的性能
§ 1 材料的力学性能
拉伸试验机
一、刚度 材料抵抗弹性变形的能力。
EPF
Pl 0
l l Fl
0
E;F l
4. 电磁搅拌
五、铸锭的结构
1、铸锭结构 细等轴晶区；柱状晶区；粗等轴晶区；
2、铸锭的缺陷
缩孔；缩松；气孔；
习题与思考题
1、什么是过冷度？为什么金属结晶时一定要有过冷度？ 2、过冷度与冷却速度有什么关系？它对金属结晶后的晶粒大小有什 么影响？ 3、液体金属进行变质处理时，变质剂的作用是什么？ 4、晶粒大小对金属机械性能的影响是什么？简述晶粒细化的途径。 比较下列情况晶粒的粗细：
§2 材料的物理和化学性能
一、物理性能
比重、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等。
二、化学性能
耐腐蚀性、抗氧化性等。
比强度 : 材料的强度值与密度值之比。
名称 密度
强度
比强度
(g / cm3) ( Mpa )
纯铝 2.7 纯铁 7.87 纯钛 4.5
80～100 180～280 405～500
材料的结构与性能(共64张PPT)
是金属，也可是金属与非金
属。
组成合金的元素相互作用可 形成不同的相。
Al-Cu两相合金
单相
合金
两相 合金
⑴ 固溶体
固溶体。习惯以、、表示。
溶剂
溶质
固溶体是合金的重要组成相，实际合 金多是单相固溶体合金或以固溶体 为基的合金。
按溶质原子所处位置分为置换固溶体 和间隙固溶体。
Cu-Ni置换固溶体 Fe-C间隙固溶体
2)确定晶面指数的步骤如下：
由结点形成的空间点的阵列称空间点阵
〔1〕设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶 但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性那么要高得多。
分为刃型位错和螺型位错。
胞的三棱边作OX、OY、OZ三个坐标轴，以晶格常 溶质原子在固溶体中的极限浓度。
⑸ 原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。
② 线缺陷—晶体中的位错
位错：晶格中一局部晶体相对于 另一局部晶体发生局部滑移，滑 移面上滑移区与未
位错。分为刃型位错和螺型位错。
刃型位错
螺型位错
刃型位错和螺型位错
刃位错的形成
刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个 原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面 的边缘就是刃型位错。
空位
间隙原子 置换原子
a. 空位： b. 间隙原子：
可以是基 体金属原子，也可以是 外来原子。
体心立方的四面体和八面体间隙
c. 置换原子：
点缺陷破坏了原子的平衡状态，
使晶格发生扭曲，称晶 格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
大置换原子
小置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸变
第一章材料的结构与受力形变
第一章材料的结构与受力形变本章的目的是给出各种材料力学的宏观参数，从微观上探讨这些参数的物理本质。
可以说人们最早利用材料的性能是它的力学性能。
从石器到青铜器再到铁器的发展历程基本上基于材料的力学性能。
在我们的日常的学习生活中，所使用的材料，一般情况下也是基于材料的力学性能，如我们的桌椅板凳，书包等。
力学性能是在设计各种工程结构时选用材料的主要依据。
那么问题1：什么是对材料的力学性能？材料在受到外力作用是一般会产生外形上的变化，当外力达到一定的值后材料会遭到破坏。
要想给材料的力学性能下一个准确的定义很难，这里给出一个描述性的定义：材料的力学性能是材料的宏观性能，可以定义为材料抵抗外力与变形所呈现的性能一般是指材料是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。
材料的力学性能通过有关标准试验测量，不同材料的力学性能差异较大。
研究材料的力学性能是材料取得实际应用的基础。
第一节应力与应变当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变。
材料在受到外力作用时发生形变时，其原子、分子或离子间的相对位置和距离会发生变化，在材料的内部会产生原子、分子或离子间的附加内力来抵抗外力，并试图恢复到原来的状态，当达到平衡时，这种附加内力与外力相等、方向相反。
那么，问题2：能否用外力来直接描述或比较材料的受力情况？在材料的结构被破坏之前，内力与外力数值相等方向相反。
由于不同或同种材料的构件的几何形状并不完全相同，形变量不能准确反映出材料的变形能力，尽管外力比较直观也容易出测量，但外力的方向不同或材料的形状不同等时材料的形变量往往不同，也就是说用外力或内力并不能准确的表示材料的受力强度。
通常用应力和应变来表示材料的受力状况。
材料单位面积上所受的附加内力，其值等于单位面积上所受的外力，即应力。
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材料的结构包括如下两大方面：
1.材料原子的结（键）合方式：
结（键）合方式不同，其性能不同：金属、陶瓷、高分子（聚合物）----原子键合方式不同2.材料原子排列规律：
原子排列规律不同，其性能不同：
1．1材料的结合方式
1.1.1 化学键
概念：组成物质整体的质点（原子、分子、离子）间的相互作用力称为化学键。
包括：a.共价键
b.离子键
c.金属键→重点掌握
d.分子键（极性键、范德瓦尔键）
1．共价键
相邻原子间依靠共用电子对结合，使外壳层达到8个电子。
价电子数为4、5的第ⅥA、ⅤA、VIA的多数元素：例如：金刚石、单晶硅
电负性相差不大的的元素原子之间结合：如SiC、某些陶瓷
性能：
a. 熔点高: 如金刚石熔点3750℃
b. 硬、脆：因为价电子不能自由移动
C.导电性差：因为价电子不能自由移动
可作为高温、耐磨、绝缘材料。
2．离子键
电负性相差很大的原子（如Na、Cl）相互结合，电负性小的失去电子成为正离子，电负性大的原子得电子成为负离子，两种离子靠静电吸引结合→离子键
某些陶瓷：如Al3O2、ZrO2及多种氧化物陶瓷
性能：
①熔点高
②硬、脆
③导电性差
3．金属键(重点掌握)
金属最外层电子少，易脱离原子核形成自由电子，自由电子为所有原子公有，自由电子在所有原子间往复穿梭运动→形成电子云，这种由金属正离子和自由电子之间相互作用的结合称为金属键。
金属材料的结合键为金属键
由于金属键结合方式，使金属具有良好的导电性、导热性、塑性、正的电阻温度系数和光泽。
①良好的导电性
在电位差下，自由电子定向运动，形成电流。
②良好的导热性
自由电子的运动和正离子振动传递热量
③良好塑性
当金属内两部分相对位移时，不改变金属键合方式
④正的电阻温度系数
温度升高，正离子振动加剧，阻碍自由电子通过。
⑤具有光泽
自由电子吸收可见光，被激发到高能级，若恢复原态（低能级），产生辐射而发光。
另外，金属的耐蚀性较差，是因为在电解质中，容易失去自由电子，使金属离子溶解，发生电化学腐蚀。
4．分子键
范德瓦尔键、极性键
高分子材料中常见
1．1．2工程材料的键性
金属材料：主要是金属键
陶瓷材料：主要是共价键、离子键
高分子材料：①键内：共价键②键间：分子键
金属材料、陶瓷材料、高分子材料的性能差别很大，主要是因为它们的原子键合方式不同。
2晶体学基础
原子的键合方式相同（如金属材料），但是原子排列规律不同，则性能也不同。
1．2． 1 晶体与非晶体
1．晶体：物质的质点（原子、分子或离子）在三维空间按一定规律呈周期性重复排列（长程有序排列）所形成物质叫做晶体
多数物质是晶体：金属、水晶、食盐、金刚石、陶瓷……
非晶体：质点无序排列，如：木材、棉花、沥青、玻璃、松香…
2．晶体的特点（与非晶体的区别）
⑴具有固定的熔点
Fe: 1538℃Cu: 1083℃金刚石：3750℃
⑵单晶体各向异性
如：单晶α—Fe：<111>: 弹性模量E=293000 MPa
<100>：弹性模量E=125000 MPa
⑶单晶体具有规则的外形
如：水晶、食盐
1．2．2 空间点阵（晶体结构）
不同晶体、结构不同、为便于研究晶体结构，引入下列几个概念。
1．点阵：将组成晶体的质点抽象为几何点，空间点阵是指几何点在三维空间作有规则排列的三维阵列.
每个几何点称为阵点或结点。
①每个阵点周围环境都相同
②每个阵点可是原子、分子中心，也可是原子群、分子群中心。
2．晶格：将阵点用一系列平行直线连接起来，构成的空间格架称为晶格
3．晶胞：在晶格中，取出一个能够代表原子有规则重复排列的最小单元。
晶格是由晶胞在三维空间重复堆垛构成。
晶胞选取原则：
①充分反映空间点阵对称性
②在满足①的基础上，晶胞中具有尽可能多的直角
③在满足①、②的基础上，晶胞体积应最小。
4．点阵参数（晶格参数）：确定晶胞尺寸和形状的参数。
取平行六面体，用a,b,c分别表示x,y,z三棱边的长度（单位Å）。
用α，β，γ分别表示各棱边的夹角。
对立方晶系,只用一个参数a表示晶格参数;
研究晶体结构通常以晶胞为研究对象.
﹡虽然空间点阵仅为14种，但晶体结构是无限多的。
因为点阵的阵点上可以是单个原子，也可以是原子群、分子群。
以Cu、NaCl、CaF2为例：三者都属于面心立方点阵,但晶体结构不同.
1．2．3 晶向指数与晶面指数
晶面：晶体中，由一系列原子组成的平面。
不同的晶面原子排列密度不同，晶面间距不同。
晶向：晶体中，由任意两原子连线所指的方向。
不同的晶向原子排列密度不同。
1．晶向指数的标定
步骤：
⑴以晶格中某结点为原点，晶胞三棱边为坐标轴x、y、z，取晶格常数为单位长度。
⑵从原点引一直线，使其平行于待定晶向。
在直线上取一点，确定坐标值。
⑶将三个坐标值化成一组互质整数u、v、w，加方括号，[uvw] 即为所求晶向指数。