材料科学基础 (1)
(完整版)1《材料科学基础》第一章晶体学基础
晶向、晶
钯的PDF卡片-----Pd 89－4897
crystal system,space
图 2 CdS纳米棒的TEM照片（左）和 HRTEM照片（右）
图2 选区电子衍射图
图1. La(Sr)3SrMnO7的低 温电子衍射图
晶向、晶面、晶面间距
晶向：空间点阵中行列的方向代表晶体中原子排 列的方向，称为晶向。
晶面：通过空间点阵中任意一组结点的平面代表 晶体中的原子平面，称为晶面。
L M
P点坐标?
(2,2,2)或222
N
一、晶向指数
1、晶向指数：表示晶体中点阵方向的指数，由晶向上结点的 坐标值决定。
2、求法 1）建立坐标系。 以晶胞中待定晶向上的某一阵点O为原点，
联系：一般情况下，晶胞的几何形状、大小与对应的单胞是 一致的，可由同一组晶格常数来表示。
不区分 图示
晶 胞
空间点阵
单
胞
•NaCl晶体的晶胞，对应的是立方面心格子 •晶格常数a=b=c=0.5628nm，α=β=γ=90°
大晶胞
大晶胞：是相对 于单位晶胞而言 的
例：六方原始格子形式的晶胞就是常见的大晶胞
① 所选取的平行六面体应能反映整个空间点阵的对称性； ② 在上述前提下，平行六面体棱与棱之间的直角应最多； ③ 在遵循上两个条件的前提下，平行六面体的体积应最小。
具有L44P的平面点阵
单胞表
3、单胞的表征
原点：单胞角上的某一阵点 坐标轴：单胞上过原点的三个棱边 x，y，z 点阵参数：a，b，c，α，β，γ
准晶
是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有长程定向有 序，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有 晶体所不允许的宏观对称性。
材料科学基础第一章晶体结构(三单质晶体结构)
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
配位数 12；8（8＋6）；12 致密度 0.74；0.68； 0.74
配位数（CN）：晶体结构中 任一原子周围最近且等距离 的原子数。 致密度（K）：晶体结构中 原子体积占总体积的百分数。 K=nv/V。
linear density
<100>
a
2 1 2
1
aa
a
2 1 2
1
aa
<110>
2a
2
1 2
0.7
2a a
2a
2
1 2
1
1.4
2a a
<111>
3a
2
1 2
1
1.16
3a a
3a
2
1 2
0.58
3a a
案例讨论：工程上大量使用低碳钢渗碳件，试分析材 料的渗碳行为与哪些因素有关? 晶格常数? 结构类型? 致密度?....?
1.4单质晶体结构
同种元素组成的晶体称为单质晶体。 一、金属晶体的结构 二、非金属元素单质的晶体结构
一、金属晶体的结构
香港国际机场 案例讨论：工程上大量使用钢铁材料，钢和铁在 性能上差别较大，各有优势，设想这种差别的来 源。
一、金属晶体的结构
1.常见金属晶体结构
典型金属的晶体结构是最简单的晶体结构。由于金属键的性质， 使典型金属的晶体具有高对称性，高密度的特点。常见的典型金属晶 体是面心立方、体心立方和密排六方三种晶体，其晶胞结构如图1-10 所示。另外，有些金属由于其键的性质发生变化，常含有一定成分的 共价键，会呈现一些不常见的结构。锡是A4型结构（与金刚石相似）， 锑是A7型结构等。
材料科学基础(1)
材料科学基础期中试题一、名词解释(每小题 1 分，共20 小题20 分)1.材料: 材料是具有一定性能,可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。
2.材料科学: 材料科学就是研究各种材科的成分、工艺、组织和性能之同相互关系的科学。
3.密排方向: 原子排列最密集的晶向。
4.相变: 从一种相到另一种相的转变称为相变。
5.多晶型性: 元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。
6.中间相: 两组元A 和8 组成合金时，除了可形成以A 为基或以B 为基的固溶体（端际固溶体）外，还可能形成晶体结构与A， B 两组元均不相同的新相。
由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。
7.非晶体: 原子没有长程的周期排列，无固定的熔点,各向同性等。
8.置换固溶体: 将质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。
9.螺型位错: 位错附近的原子是按螺旋形排列的。
螺型位错的位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线。
10.混合位错: 一种更为普遍的位错形式，其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错相交成任意角度。
可看作是刃型位错和螺型位错的混合形式。
11.组织组成物: 合金显微组织中的独立组成部分。
12.固态相变: 不同固相之间的转变称为固态相变。
13.均匀形核: 新相晶核是在母相中均勾地生成的，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。
14:间隙化合物:非金属（X）和金属（M）原子半径的比值比R X/R M>0.59 时，形成具有复杂晶体结构的相，通常称为间隙化合物。
15.晶格畸变: 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;电阻升高，密度减小等。
16.共析反应: 由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下,分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。
材料科学基础-第1章
晶面指数及晶面间距
现在广泛使用的用来表示晶面指数的密勒指数是由 英国晶体学家ler于1939年提出的。
z
确定晶面指数的具体步骤如下： 1.以各晶轴点阵常数为度量单位,求 出晶面与三晶轴的截距m,n,p； 2.取上述截距的倒数1/m,1/n,1/p； 3. 将以上三数值简为比值相同的三 个最小简单整数,即 1 1 1 h k l (553) : : : : h:k :l x m n p e e e 其中e为m,n,p三数的最小公倍数,h,k,l为简单整数； 4.将所得指数括以圆括号, (hkl)即为密勒指数。
13 体心立方点阵
a=b=c，α=β=γ =90°
14 面心立方点阵
a=b=c，α=β=γ =90°
§ 1.5 晶体结构的对称性
一、对称：对称是指物体相同部分作有规律的 重复。对称操作所依据的几何元素，亦即在对 称操作中保持不动的点、线、面等几何元素称 为对称元素。 二、对称性
1．晶体的宏观对称性 2. 晶体的32种点群 3. 晶体的微观对称性 4．230种空间群
晶体结构＝空间点阵+基元
注意：上式并不是一个数学关系式，而只是用来表示这三者之间的 关系。
二、晶体的点阵理论
1 、点阵(Lattice):
将晶体中重复出现的最小单元作为结构基元，用一个数 学上的点来代表 , 称为点阵点，整个晶体就被抽象成一组 点,称为点阵。 1 点阵点必须无穷多； 点阵必须具备的三个条件 2 每个点阵点必须处于相同的环境； 3 点阵在平移方向的周期必须相同。
c
b
a
空间点阵及晶胞的不同取法
选取晶胞的原则： 1.要能充分反映整个空间点阵的周期性和对称性； 2.在满足1的基础上，单胞要具有尽可能多的直角； 3.在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
材料科学基础(第1章)
三、教材及参考书
教材： 崔忠圻.金属学与热处理（第2版）.机械工业出版社
参考书及实验指导书： （1）石得珂.材料科学基础.机械工业出版社 （2）李超.金属学原理.哈尔滨工业大学出版社 （3）张廷楷.金属学及热处理实验指导书.重庆大学出
版社 （4）林昭淑.金属学及热处理实验.湖南大学出版社
3. 不透明并呈现特有的量，因而具有不透明性。而
吸收了能量被激发的电子随后会辐射出具有一定波长的光能，从而具
有一定光泽。
4. 良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而
发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。
第一节 原子结构
一、 物质的组成 一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集
而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。 原 子结构直接影响原子间的结合方式。 二、 原子的结构
近代科学实验证明：原子是由质子和中子组 成的原子核，以及核外的电子所构成的。原子的 体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核 直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质 量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子 的质量大致为1.67x10-24g，而电子的质量约为 9.11x10-28g，仅为质子的1/1836。
1.4 范德华力 属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱
和性。比化学键的键能少1～2个数量级。不同 的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德 华力不同是一个重要因素。
1.5 氢键 是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子
同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子 （ｏ，ｆ，ｎ等）相结合而产生的具有比一般 次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键 在高分子材料中特别重要。
材料科学基础第一章晶体的堆垛方式
3
3
合。堆垛次序为ABAB···
面心立方（FCC）：
• {200}面：堆垛次序为ABAB···，相邻两层错动了12 010 • {111}面：堆垛次序为ABCABC···，相邻两层错动了16 112
教材p23图1－23有详细的说明，请大家仔细看懂。
问题：为什么不讨论(100)面的堆垛 次序，而讨论(200)面？
2. 计算FCC晶格中 (100), (110), (111)的晶面间距，指出间 距最大的晶面。
3. 比较石墨和金刚石的晶体结构、原子键和宏观性质。
4. 已知单斜相氧化锆的晶胞参数为：a=5.156, b=5.191, c=5.304 Å，β =98.9°；四方相氧化锆的晶胞参数为： a=5.094 ，c=5.304 Å. 计算氧化锆从四方相转变为单斜 相时，体积变化的百分比。相变过程中发生了拉伸还是 收缩？相变对于氧化锆的机械性能有何影响？
解答：
由于Cu是FCC结构，所以：
2a 4r
a为晶胞边长，r为Cu原子半径
a 4r 4 0.1278 0.361 nm
2
2
Cu的密度为 4 M
v
No
4 63.54
6.021023 0.3613
8.98 g / cm3
1. 根据FCC和HCP结构原子堆垛方式的区别，证明这两种 结构中八面体间隙和四面体间隙体积相等。
1 2
(u1v2
u2v1 )
w1w2
c a
2
u12 v12 u1v1 w12
c a
2
u22 v22 u2v2 w22
c a
2
九、晶向[uvw]的长度L
A ua vb wc
L A A
材料科学基础试卷(一)与答案
材料科学基础试卷(一)一、概念辨析题（说明下列各组概念的异同。
任选六题，每小题3分，共18分）1 晶体结构与空间点阵2 热加工与冷加工3 上坡扩散与下坡扩散4 间隙固溶体与间隙化合物5 相与组织6 交滑移与多滑移7 金属键与共价键8 全位错与不全位错9 共晶转变与共析转变二、画图题（任选两题。
每题6分，共12分）1 在一个简单立方晶胞内画出［010］、［120］、［210］晶向和（110）、（112）晶面。
2 画出成分过冷形成原理示意图（至少画出三个图）。
3 综合画出冷变形金属在加热时的组织变化示意图和晶粒大小、内应力、强度和塑性变化趋势图。
4 以“固溶体中溶质原子的作用”为主线，用框图法建立与其相关的各章内容之间的联系。
三、简答题（任选6题，回答要点。
每题5分，共30 分）1 在点阵中选取晶胞的原则有哪些？2 简述柏氏矢量的物理意义与应用。
3 二元相图中有哪些几何规律？4 如何根据三元相图中的垂直截面图和液相单变量线判断四相反应类型？5 材料结晶的必要条件有哪些？6 细化材料铸态晶粒的措施有哪些？7 简述共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。
8 晶体中的滑移系与其塑性有何关系？9 马氏体高强度高硬度的主要原因是什么？10 哪一种晶体缺陷是热力学平衡的缺陷，为什么？四、分析题（任选1题。
10分）1 计算含碳量w=0.04的铁碳合金按亚稳态冷却到室温后，组织中的珠光体、二次渗碳体和莱氏体的相对含量。
2 由扩散第二定律推导出第一定律，并说明它们各自的适用条件。
3 试分析液固转变、固态相变、扩散、回复、再结晶、晶粒长大的驱动力及可能对应的工艺条件。
五、某面心立方晶体的可动滑移系为(111) [110].（15分）(1) 指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量.(2) 如果滑移由纯刃型位错引起,试指出位错线的方向.(3) 如果滑移由纯螺型位错引起,试指出位错线的方向.(4) 在(2),(3)两种情况下,位错线的滑移方向如何?(5) 如果在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试确定单位刃型位错和螺型位错线受力的大小和方向。
材料科学基础知识点总结(1)
金属学与热办理总结一、金属的晶体构造要点内容：面心立方、体心立方金属晶体构造的配位数、致密度、原子半径，八面体、四周体空隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特征、晶界具的特征。
基本内容：密排六方金属晶体构造的配位数、致密度、原子半径，密排场上原子的堆垛次序、晶胞、晶格、金属键的观点。
晶体的特色、晶体中的空间点阵。
晶格种类fcc(A1)bcc(A2)hcp(A3)空隙种类正四周体正八面体四周体扁八面体四周体正八面体空隙个数84126126原子半径2a3a a442r A空隙半径32a22a53a23a62a21a 444442r B晶胞：在晶格中选用一个能够完整反应晶格特色的最小的几何单元，用来剖析原子摆列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。
金属键：失掉外层价电子的正离子与洋溢此间的自由电子的静电作用而联合起来，这类联合方式称为金属键。
位错：晶体中原子的摆列在必定范围内发生有规律错动的一种特别构造组态。
位错的柏氏矢量拥有的一些特征：①用位错的柏氏矢量能够判断位错的种类；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路程径没关；③位错的柏氏矢量个部分均同样。
刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混淆型呈随意角度。
晶界拥有的一些特征：①晶界的能量较高，拥有自觉长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋向；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐化和氧化；⑥常温下晶界能够阻挡位错的运动，提升资料的强度。
二、纯金属的结晶要点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成体制。
基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质办理的观点。
铸锭的缺点；结晶的热力学条件和构造条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。
相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不停变化着的近程规则摆列的原子公司。
无机材料科学基础(第一章)
第一章结晶学基础§1-1 晶体的基本概念与性质一、晶体的基本概念1、晶体的概念：晶体是内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体。
晶体是具有格子构造的固体。
2、等同点：在晶体结构中占据相同的位置和具有相同的环境的几何点。
3、空间点阵：由一系列在三维空间按周期性排列的几何点。
4、阵点or结点：空间点阵中的几何点或等同点。
5、行列：在空间点阵中，分布在同一直线上的结点构成一个行列。
6、结点间距：行列中两个相邻结点间的距离。
7、网面：连接分布在三维空间内的结点构成空间格子。
二、晶体的性质1、结晶均一性：由于晶体内部结构的特性，因此，晶体在其任一部位上都具有相同的性质。
2、各向异性：晶体在不同的方向上表现出的性质的差异。
3、自限性：or自范性晶体能自发形成封闭的凸几何多面体外形的特征。
晶面：结晶多面体上的平面。
晶棱：晶面的交棱。
4、对称性：晶体中相同部分（包括晶面、晶棱等）以及晶体的性质能够在不同的方向或位置上有规律地重复出现。
5、最小内能性：在相同的热力学条件下，晶体与同组气体、液体以及非晶质固体相比其内能为最小。
§1-2 晶体的宏观对称性一、对称的概念1、对称：是指物体中相同部分之间的有规律重复。
2、对称条件：物体必须有若干个相同的部分以及这些相同部分能借助于某种特定的动作发生有规律的重复。
3、对称变换（对称操作）：指能使对称物体中各个相同部分作有规律重复的。
4、对称要素：指在进行对称变换时所凭借的几何要素—点、线、面等。
二、晶体的对称要素宏观晶体中的对称要素有：1、对称中心（符号C）：是一个假象的几何点，其相应的对称变换是对于这个点的倒反（反伸）。
在晶体中如有对称中心存在必位于晶体的几何中心。
2、对称面（符号P）：假想的平面，其相应的对称变换是对此平面的反映。
3、对称轴（符号Ln）：是一根假想的直线，相应的对称变换是绕此直线的旋转。
轴次n：物体在旋转一周的过程中复原的次数对称该对称轴的轴次。
807材料科学基础 (1)
杭州电子科技大学全国硕士研究生招生考试业务课考试大纲考试科目名称：材料科学基础科目代码：807一、晶体学基础1.晶体与非晶体、晶体结构与空间点阵的差异；2.晶面指数和晶向指数的标注方法和画法；立方晶系晶面与晶向平行或垂直的判断；3.立方晶系晶面族和晶向族的展开；4.面心立方、体心立方、密排六方晶胞中原子数、配位数、紧密系数的计算方法；5.面心立方和密排六方的堆垛方式的描述及其它们之间的差异。
二、固体材料的结构1.结合键2．晶体学基础与常见晶体结构3．固溶体的结构4．金属间化合物的结构5．硅酸盐结构6．非晶态固体结构7．高分子材料结构三、晶体中的缺陷1.点缺陷2．位错的结构与位错的运动3．位错的应力场及其与晶体缺陷间的交互作用4．位错的增殖、塞积与交割5．实际晶体中的位错6．表面、晶界与相界的结构7．界面能与显微组织形貌8．晶界平衡偏析与晶界迁移四、固态中的扩散1.扩散定律及其应用2.扩散的微观机理3.影响扩散的因素4.扩散的热力学理论5.反应扩散五、回复与再结晶1.回复、再结晶、晶粒长大的概念和应用；2.再结晶温度的概念，及其影响因素；3.冷变形金属经过加热、保温后组织结构和力学性能的变化。
六、相图1.相律的描述和计算，及其对相平衡的解释；2.二元合金中匀晶、共晶、包晶、共析、二次相析出等转变的图形、反应式；二元典型合金的平衡结晶过程分析、冷却曲线；3.二元合金中匀晶、共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡组织名称、相对量的计算；4.铁－渗碳体相图及其典型合金的平衡冷却曲线分析、反应式、平衡相计算、平衡组织计算、组织示意图绘制；5.简单三元合金的相平衡分析、冷却曲线分析、截面图分析；6.单相固溶体自由能的求解方法，单相固溶体自由能表达式，固溶体的自由能－成分曲线形式，混合相自由能表达式，相平衡的公切线法则。
七、金属的凝固1.液体结构的描述及其与固体结构的差异；2.凝固的基本过程和基本条件；3.均匀形核过程的热力学分析，临界晶核半径概念、临界形核功概念；4.影响凝固过程的因素的分析，及其对凝固后固体形貌和晶粒大小的影响；5.固溶体在不平衡结晶过程中溶质原子在液相和固相中的分布的定量和定性的描述；6.成分过冷的概念及其对晶粒形貌的影响。
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I 第一章(晶体学基础)
第一章 晶体学基础
1、晶面指数 、
方法和步骤与三指数时相同， 方法和步骤与三指数时相同， 只是要找出晶面 在四个坐标 轴上的截距。 轴上的截距。 例如： 例如： a3 o a1 a2
(1010) (0110) (1100)
(1010)
2、晶向指数： 、晶向指数：
四坐标晶向指数的确定方法有行走法和解析法。 四坐标晶向指数的确定方法有行走法和解析法。由于行走法 确定的晶向指数不是唯一的，所以这里仅介绍解析法 解析法。 确定的晶向指数不是唯一的，所以这里仅介绍解析法。 步骤： 步骤： 1)求出待定晶向在 1,a2,c三个坐标轴下的指数：U, V, W 求出待定晶向在a 三个坐标轴下的指数： 求出待定晶向在 三个坐标轴下的指数 2)按以下公式算出在四坐标轴下的指数：u, v, t, w 按以下公式算出在四坐标轴下的指数： 按以下公式算出在四坐标轴下的指数
多数金属和非金属材料都是晶体。因此， 多数金属和非金属材料都是晶体。因此，首先 要掌握晶体的特征及其描述方法。 要掌握晶体的特征及其描述方法。 晶体——组成晶体的质点在三维空间作周期性地、 组成晶体的质点在三维空间作周期性地、 晶体 组成晶体的质点在三维空间作周期性地 规则地排列。 规则地排列。 晶体的特点： 晶体的特点： 质点排列具有规则性、 质点排列具有规则性、周期性 有固定熔点（结晶温度） 非晶体没有固定的熔点 非晶体没有固定的熔点] 有固定熔点（结晶温度）[非晶体没有固定的熔点 各向异性（包含多种性能） 各向异性（包含多种性能）
材料科学基础-第1章材料基础知识-原子结合键(2)
E0 : 原子结合能 原子间距为r0时的互作用能 是互作用能的极小值
结合键与性能
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：金属键的最高，共价键、离子键的较低，高
分子材料的最低． 3) 导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。
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
1 一次键混合
1) 共价键与金属键混合
如ⅣA族中， C Si Ge
Sn Pb
共价键 共价键＋金属键 金属键 再如，过渡族元素，有时会出现少量共价键
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混合键
2) 金属键与离子键混合
如金属间化合物中
3) 共价键与离子键混合
如陶瓷化合物中
金属间化合物
AB化合物中离子键结合的相对值：
离子键结合（％）
[1
e
1( 4
X
A
X
B
)2
]
100%
陶瓷化合物
式中，XA 、XB 分别为化合物组成元素A、B的电负性数值
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混合键
由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所形成的 AB化合物中离子键结合的比例越高
混合键
结合键的本质及原子间距
2 原子间的互作用力及结合能
Fa(r )
Z 1Z 2 q 2 40r 2
Fr(r )
K rm
K 和 m 为常数， m >2
材料科学基础-第1章
复合材料和纳米材料
1 复合材料
由两种或更多种不同材料组成，具有综合性 能优于单一材料。
2 纳米材料
具有纳米级尺寸的材料，具有特殊的电学、 磁学和光学性质造和航空航天等领域。
聚合物材料
用于塑料制品、纤维和包装材料等领域。
陶瓷材料
用于电子、玻璃和医疗器械等领域。
材料的晶体结构、晶格缺陷和晶界等对性能的影响。
2
特定结构的特定性能
不同结构的材料具有不同的力学、电学和热学性能。
3
性能优化
通过调整材料的结构来优化其性能，例如热处理和合金化。
基础金属和非金属材料
基础金属材料
如铁、铜、铝等，具有良好的导电性和导热性，广 泛用于电子和建筑领域。
非金属材料
如玻璃、塑料和陶瓷等，具有良好的绝缘性和耐腐 蚀性，在化工和医疗领域有重要应用。
复合材料
用于航空航天、运动器材和建筑领域。
材料科学的发展和未来趋势
1
新材料的发展
石墨烯、有机发光二极管等新材料的研究和应用。
2
可持续发展
可再生能源、环保材料和循环利用的发展。
3
智能材料的兴起
具有传感、响应和自修复功能的智能材料的研究。
总结和回顾
材料科学是一个广泛的领域，涵盖了各种材料和应用领域。掌握材料特征、结构与性能的关系对于材料科学的 发展至关重要。
材料科学基础-第1章
材料科学研究材料的特征、性能和应用。它是现代工程学的基础，涉及多个 领域，包括金属、聚合物、陶瓷、复合材料和纳米材料等。
材料的特征和分类
1 材料的特征
2 材料的分类
材料的密度、强度、导电性和导热性等特性。
金属、陶瓷、聚合物和复合材料等不同类型 的材料。
材料科学基础1
2012-3-26
3
2012-3-26
2、主族元素 ⅠA〜ⅧA • 分别填入外层s 分别填入外层s、p电子（ 电子（2+6=8）， 2+6=8），原子的电 ），原子的电 负性和化学性质由此呈周期变化。 负性和化学性质由此呈周期变化。
3、副族元素 ⅢB〜ⅡB
• 分别填入 分别填入d 填入d内层电子（ 内层电子（共10个 10个）。 • 由于外层s 由于外层s电子为1 电子为1、2个，几乎相同， 几乎相同，化学性质变化不大， 化学性质变化不大， 统称“ 过渡族元素” 统称 “过渡族元素 ”。 • 因核内正电荷数目增加， 因核内正电荷数目增加，对外层电子吸引力增大， 对外层电子吸引力增大，稳定性 上升。 上升。 • 材料元素的重点选择区域。 材料元素的重点选择区域。
其中：xA、xB分别为结合对A、B的电负性。 • 性能：强大的键合力，具有高强、高硬、耐高温、耐 腐蚀，但塑性韧性差。 • 功能：极性强，使其具有宽广的导电、导热、透光 性；良好的铁电、铁磁和压电性。 2、高分子： 高分子：共价键＋范德华力/氢键 • 分子链内强大的共价键，赋予材料一定的强度、硬度， 极好的柔韧性，高弹性、耐化学药品性。 • 熔点低 3、金属： 金属：金属键 具有良好的综合性能、导电、导热。
二、共价键（covalent bonding）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 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差
三、金属键（Metallic bonding）
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云金属中自 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
材料科学基础第一章晶体结构(一结晶学基础知识)
说明： a 指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行； c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反； d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相
同），空间位向不同的各组晶面。用{hkl}表示。 e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; f 立方晶系若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。
（2）晶面指数的标定 a 建立坐标系：确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。 b 量截距：x,y,z。 c 取倒数：h’,k’,l’。 d 化整数：h,k,k。 e 加圆括号：(hkl)。 （最小整数？）
（2）晶面指数的标定
例：标定下列A,B,C面的指数。
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
平移坐标原点：为了标定方便。
2.六方晶系的晶面指数和晶向指数
六方晶系的晶胞如图1-4所示，是边长为a，高为c的 六方棱柱体。
四轴定向：晶面符号一般写为（hkil），指数的排 列顺序依次与a轴、b轴、d轴、c轴相对应，其中a、b、d 三轴间夹角为120o，c轴与它1们垂直。它们之间的关系为： i=－（h＋k）。
晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶 面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互 质整数比。
晶向：点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组，结点 等距离地分布在直线上。位于一条直线上的结点构成一个晶 向。 同一直线组中的各直线，其结点分布完全相同，故其中任何 一直线，可作为直线组的代表。不同方向的直线组，其质点 分布不尽相同。 任一方向上所有平行晶向可包含晶体中所有结点，任一结点 也可以处于所有晶向上。
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
材料科学基础第一章
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
（3）金属键型晶体的特征 良好的延展性 良好的导电性 具有正的电阻温度系数 导热性好 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光
的能量 ）
4.范德瓦尔键 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷， 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微 弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也 叫分子键。 范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。 比化学键的键能少1～2个数量级。
1.共价键 （1）共价键的定义 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产 生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。 （2）共价键的特点 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠， 形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。 共价键具有方向性、饱和性。 金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。
最强
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
较强
无方向性键、配位数高、 塑性较好、有光泽、好 的导热、导电性
无方向性键、结构密堆、 高熔点、绝缘
最弱
思考题
为什么金属具有良好的塑性,而共价晶体一般硬而且脆?
图 金属的变形
图 共价键的断裂
§1.1.2 工程材料的键性
密排六方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
第一章 材料的结构
第一节 材料的结合方式
§1.1.1 化学键
结合键的定义：所谓结合键是指由原子结合成分子或固 体的方式和结合力的大小。 结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学 键和物理键。 化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后 不再仅仅属于原来的原子 )。 化学键有：离子键、共价键、金属键。