经典：材料科学基础第一章材料结构的基本知识
《材料科学基础》教学教案
《材料科学基础》教学教案导论一、材料科学的重要地位生产力发展水平，时代发展的标志二、各种材料概况金属材料陶瓷材料高分子材料电子材料、光电子材料和超导材料三、材料性能与内部结构的关系原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织四、材料的制备与加工工艺对性能的影响五、材料科学的意义第一章材料结构的基本知识§1-1 原子结构一、原子的电子排列泡利不相容原理最低能量原理二、元素周期表及性能的周期性变化§1-2 原子结合键一、一次键1．离子键2．共价键3．金属键二、二次键1．范德瓦尔斯键2．氢键三、混合键四、结合键的本质及原子间距双原子模型五、结合键与性能§1-3 原子排列方式一、晶体与非晶体二、原子排列的研究方法§1-4 晶体材料的组织一、组织的显示与观察二、单相组织等轴晶、柱状晶三、多相组织§1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构稳态结构亚稳态结构阿累尼乌斯方程第二章材料中的晶体结构§ 2-1 晶体学基础一、空间点阵和晶胞空间点阵，阵点（结点）晶格、晶胞坐标系二、晶系和布拉菲点阵7 个晶系14 个布拉菲点阵表2-1三、晶向指数和晶面指数1．晶向指数确定方法，指数含义，负方向，晶向族2．晶面指数确定方法，指数含义，负方向，晶向族3．六方晶系的晶向指数和晶面指数确定方法，换算4．晶面间距密排面间距大5．晶带相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合晶带定律：hu+kv+lw=0• 晶向指数和晶面指数确定练习，例题§2-2 纯金属的晶体结构一、典型金属晶体结构体心立方bcc面心立方fcc密排六方hcp1．原子的堆垛方式面心立方：ABCABCAB—C—密排六方：ABABA—B —2．点阵常数3．晶胞中的原子数4．配位数和致密度晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数晶体结构中原子体积占总体积的百分数5．晶体结构中的间隙四面体间隙，八面体间隙二、多晶型性:-Fe, :-Fe, :-Fe例：碳在:-Fe中比在-Fe中溶解度大三、晶体结构中的原子半径1温度与压力的影响2.结合键的影响3.配位数的影响§ 2-3离子晶体的结构一、离子晶体的主要特点正、负离子二、离子半径、配位数和离子的堆积1.离子半径2.配位数表2-63.离子的堆积三、离子晶体的结构规则1.负离子配位多面体规则一鲍林第一规则配位多面体是离子晶体的真正结构基元2.电价规则一鲍林第二规则3.负离子多面体共用点、棱与面的规则一鲍林第三规则四、典型离子晶体的结构6 种§ 2-4共价晶体的结构一、共价晶体的主要特点原子晶体二、典型共价晶体的结构第三章晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷§3-1 点缺陷一、点缺陷的类型空位、间隙原子Schottky, Frenkel 缺陷晶个畸变二、点缺陷的产生1．平衡点缺陷及其浓度2．过饱和点缺陷的产生高温淬火、辐照、冷加工3．点缺陷与材料行为扩散物理性能：电阻，密度减小体积增加力学性能：蠕变，强度，脆性§3-2 位错的基本概念一、位错与塑性变形实际屈服强度远低于刚性滑移模型得到的G/30.50 年代中期证实位错的存在二、晶体中位错模型及位错易动性1．刃型位错2．螺型位错3．混合型位错4．位错的易动性图4-12三、柏氏矢量1．确定方法2．柏氏矢量的意义原子畸变程度已滑移区与未滑移区的边界滑移矢量位错线的性质3．柏氏矢量的表示方法练习四、位错的运动1．位错的滑移外加切应力方向、晶体滑移方向、位错线运动方向与柏氏矢量之间关系图4-18 、4-19 、4-20 ，表4-12．位错的攀移通过扩散实现割阶的产生正应力影响3．作用在位错上的力F d二：b五、位错密度=SN:二n/A六、位错的观察图4-24 , 4-25§ 3-3位错的能量及交互作用一、位错的应变能U= :Gb二、位错的线张力图4-30：=Gb/(2R)三、位错的应力场及与其它缺陷的交互作用1位错的应力场螺位错：纯剪切刃位错：正应力为主2.位错与点缺陷的交互作用溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。
《材料科学基础》名词解释
《材料科学基础》名词解释第一章材料结构的基本知识1、晶体材料的组织：指材料由几个相(或组织单元)组成，各个相的相对量、尺寸、形状及分布。
第二章材料的晶体结构1、空间点阵：将理想模型中每个原子或原子团抽象为纯几何点，无数几何点在三维空间规律排列的阵列2、同素异构：是指有些元素在温度和压力变化时，晶体结构发生变化的特性3、离子半径：从原子核中心到其最外层电子的平衡距离。
4、离子晶体配位数：在离子晶体中，与某一考察离子邻接的异号离子的数目称为该考察离子的配位数。
5、配位数：晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数6、致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分数；第三章高分子材料的结构1、聚合度：高分子化合物的大分子链是出大量锥告连成的。
大分子链中链节的重复次数叫聚合度2、官能度：指在一个单体上能和别的单体发生键合的位置数目3、加聚反应：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应；4、缩聚反应：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出(缩去)某种低分子物质(如水、氨、醉、卤化氢等)的反应；5、共聚：由两种或两种以上的单休参加聚合而形成聚合物的反应。
第四章晶体缺陷1、晶体缺陷：实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域；2、位错密度：晶体中位错的数量，是单位体积晶体中所包含的位错线总长度；3、晶界：同一种相的晶粒与晶粒的边界；4、晶界内吸附：少量杂质或合金元素在晶体内部的分布是不均匀的，它们常偏聚于晶界，称这种现象为晶界内吸附；第五章材料的相结构及相图1、固溶体：当合金相的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种相就称为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体。
2、拓扑密堆积：如两种不同大小的原子堆积，利用拓扑学的配合规律，可得到全部或主要由四面体堆垛的复合相结构，形成空间利用率很高、配位数较大(12、14、15、16等)一类的中间相，称为拓扑密堆积。
3、电子浓度：固溶体中价电子数目e与原子数目之比。
4、间隙相：两组元间电负性相差大，且/1≤0.59具有简单的晶体结构的中间相5、间隙化合物：两组元间电负性相差大，且/≥0.59所形成化合物具有复杂的晶体结构。
《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。
材料科学基础课后习题 第1-第4章
《材料科学基础》课后习题答案第一章材料结构的基本知识4. 简述一次键和二次键区别答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。
其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。
一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。
二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。
二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。
6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？答：材料的密度与结合键类型有关。
一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。
相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。
共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。
9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。
答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。
即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。
两相组织是指具有两相的组织。
单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。
晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。
单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。
等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。
对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。
如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。
如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
离子% 结 ）= [-1 e 合 -1 4(X A 键 X B )（ 2 1% 00
另一种混合键表现为两种类型的键独立 纯在例如一些气体分子以共价键结合，而 分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多 有机材料的长链分子内部是共价键结合， 链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石 墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为 范德瓦力二次键结合。
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、
晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材
料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材
料概论等主要内容。 .
子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
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处在
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
高温熔融状态时，正负离子在外电场作用 下可以自由运动，即呈现离子导电性。
2.共价键
（1）通过共用电子对形成稳定结构
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三.结论
1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定 从低能到高能依次排列在不同的量子状态 下，同一原子中电子的四个量子数不可能 完全相同。
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3、金属键 • 通过正离子与自由电子之间相互吸引力使原子结
合的结合键。 • 价电子脱离原子成为“电子气”，正离子整齐地
排列在 “电子气”的海洋中． • 金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热，
固态溶解
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二、二次键 1、范德瓦耳斯键 • 具有稳定电子结构的原子或分子通过电偶极矩相
Cu ： …3p63d104s1
K：…3p64s1
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5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强， 同族自上而下逐渐减弱
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第二节 原子的结合键
• 一次键 • 二次键 • 混合键 • 结合键的本质及原子间距 • 结合键与性能
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按结合力强弱分：
• 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结 合键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较 强．
晶体： 有确定熔点 单晶体各向异性 多晶体各向同性
非晶体： 无确定熔点 各向同性
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二、 原子排列的研究方法
• X射线或电子束 • 衍射原理 布拉格定律：
2dsinn
根据衍射分布图，可 分析晶体中原子排列 的特征（排列方式、 原子面间距等）
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第四节 晶体材料的组织
1、结晶过程及多晶组织
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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
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2、一次键与二次键混合 例如： • 石墨: 片层中为共价键,片层间
《材料科学基础》总复习(完整版)
《材料科学基础》上半学期内容重点第一章固体材料的结构基础知识键合类型（离子健、共价健、金属健、分子健力、混合健）及其特点；键合的本质及其与材料性能的关系，重点说明离子晶体的结合能的概念；晶体的特性（5个）；晶体的结构特征（空间格子构造）、晶体的分类；晶体的晶向和晶面指数（米勒指数）的确定和表示、十四种布拉维格子；第二章晶体结构与缺陷晶体化学基本原理：离子半径、球体最紧密堆积原理、配位数及配位多面体；典型金属晶体结构；离子晶体结构，鲍林规则（第一、第二）；书上表2－3下的一段话；共价健晶体结构的特点；三个键的异同点（举例）；晶体结构缺陷的定义及其分类，晶体结构缺陷与材料性能之间的关系（举例）；第三章材料的相结构及相图相的定义相结构合金的概念：固溶体置换固溶体（１）晶体结构无限互溶的必要条件—晶体结构相同比较铁（体心立方，面心立方）与其它合金元素互溶情况（表３－１的说明）（２）原子尺寸：原子半径差及晶格畸变；（３）电负性定义：电负性与溶解度关系、元素的电负性及其规律；（４）原子价：电子浓度与溶解度关系、电子浓度与原子价关系；间隙固溶体（一）间隙固溶体定义（二）形成间隙固溶体的原子尺寸因素（三）间隙固溶体的点阵畸变性中间相中间相的定义中间相的基本类型：正常价化合物：正常价化合物、正常价化合物表示方法电子化合物：电子化合物、电子化合物种类原子尺寸因素有关的化合物：间隙相、间隙化合物二元系相图：杠杆规则的作用和应用；匀晶型二元系、共晶（析）型二元系的共晶（析）反应、包晶（析）型二元系的包晶（析）反应、有晶型转变的二元系相图的特征、异同点；三元相图：三元相图成分表示方法；了解三元相图中的直线法则、杠杆定律、重心定律的定义；第四章材料的相变相变的基本概念：相变定义、相变的分类（按结构和热力学以及相变方式分类）；按结构分类：重构型相变和位移型相变的异同点；马氏体型相变：马氏体相变定义和类型、马氏体相变的晶体学特点，金属、陶瓷中常见的马氏体相变（举例）（可以用许教授提的一个非常好的问题――金属、陶瓷马氏体相变性能的不同――作为题目）有序-无序相变的定义玻璃态转变：玻璃态转变、玻璃态转变温度、玻璃态转变点及其黏度按热力学分类：一级相变定义、特点，属于一级相变的相变；二级相变定义、特点，属于二级相变的相变；按相变方式分类：形核长大型相变、连续型相变（spinodal相变）按原子迁动特征分类：扩散型相变、无扩散型相变第5章 金属材料的显微结构特征一、纯金属的凝固及结晶1、结晶的热力学条件结晶后系统自由能下降。
材料科学基础：第一章 固体材料的结构基础知识
晶体的对称取决于它内在的格子构造是否与 其它物体的对称具有不同的一面： 主要表现为： （1）一切晶体都是对称的; （2）晶体的对称是有限的; （3）晶体的对称不仅体现在外形上，同时也 体现在物理性质上，即晶体对称的意义不 但具有几何意义，也包含着物理意义。
宏观对称要素： （1）对称面（P） 对称面是通过晶体中心的一个 假象面，将晶体平分成互为 镜面反映的两个相等部分。 这个反映操作所凭借的平面 称为对称面或反映面 。 对称面必须通过晶体中心，且 垂直平分某些晶面、晶棱或 包含某些晶棱。 晶体中可以没有对称面，但是 最多也只能有9个对称面。
(6) 混合键 实际的材料大多为混合键： 或由几种类型的键合组合构成晶体 ； 或以两种独立类型的键共同存在 。 实例： 陶瓷材料中主要是离子健和金属键； 一些气体分子以共价健结合，而分子凝聚时却依靠 范德华键； 金属中主要是金属键，但是还有其它的键，如共价 健、离子健等。 聚合物的长链分子内部是共价健结合，而链与链之 间则为范德华键或氢键。Fra bibliotek (1)
1．2．2键合的本质及其性能 原子间斥力和引力
原子间距(r0) ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 结合能（E）: 原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功， E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范德 华的E最小。
（2）共价健
共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价 键； （2）饱和性。根据量子力学理论，已成对的电子不能再与其它原 子中的电子结合成对，即共价结合的原子所能形成键的数目有 一最大值，当原子的价电子数为N时，应建立（8－N）个共用 电子对才达到共价结合。 （3）方向性。共价键是借共享的电子结合而成的，相邻两原子的 外层未满壳层电子云重叠越多，所形成的共价键就越稳定，因 此，电子云是按其最大密度的方向重叠的，各个共价键之间有 确定的相对取向，带有明显的方向性。 （4）在外力的作用下，原子发生相对位移时，键将被破坏，故共 价键的材料通常都不具有塑性，是较为典型的脆性材料；为使 电子运动产生电流，必须破坏共价键，需要高温、高压，因此 共价键材料又都具有良好的绝缘性能。但是共价键的结合能变 化范围较大，共价键的结合能可以很强，如金刚石非常坚硬、 熔点非常高；共价键的结合能也可以很弱，如铋270℃左右即可 熔化。
大学材料科学基础第一章材料结构基本知识
四、结合键的本质及原子间距
双原子模型：
r0——原子平衡距离 (原子间距)。 吸引力=排斥力
图1—8 原子间结合力
a) 原子间吸引力、排斥力、合力
b) 原子间作用位能与原子间距的
关系
大学材料科学基础第一章材料结 构基本知识
原子的结合能E0
原子的结合能(结合键能)——把两个原子完全分 开所作的功。结合能越大，原子结合越稳定。
大学材料科学基础第一章材料结 构基本知识
硅氧四面体中的Si-O共价键示意图
大学材料科学基础第一章材料结 构基本知识
3 金属键
当金属原子处于聚集状态时，几乎所有的原 子都将它们的价电子贡献出来，为整个原子集体 所共有，形成所谓“电子云” （electron cloud） 。这些自由电子己不再只围绕自己的原 子核运动，而是与所有的价电子一起在所有的原 子核周围按量子力学规律运动着。贡献出价电子 的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生 静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键， 它没有饱和性和方向性。
即
2dsin ＝ n
图1—13 X射线在原子面AA'和BB'上的衍射
大学材料科学基础第一章材料结 构基本知识
图1—14 X射线衍射分析示意及衍射分布图 a) X射线衍射分析示意图 b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图
大学材料科学基础第一章材料结 构基本知识
第四节 晶体材料的组织
• 实际晶体材料大都是多晶体，由很多晶粒所组成。 • 材料的组织——各种晶粒的组合特征，即各种晶粒
大学材料科学基础第一章材料结 构基本知识
金属键示意图
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石德珂材料科学填空题
《材料科学基础》填空题第一章材料结构的基本知识1.原子核外电子的分布与四个量子数有关，且服从下述两个基本原理：泡利不相容原理和最低能量原理2.原子结合键中一次键（强健）有离子键、共价键、金属键：二次键（弱健）有范德瓦尔斯键、氢键、离子晶体和原子晶体硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
3.金属晶体导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
4.能量最低的结构称为稳态结构或平衡态结构，能量相对较高的结构则称为亚稳态结构;5.材料的稳态结构与亚稳态结构由热力学条件和动力学条件共同决定;第二章材料的晶体结构1、晶体结构中基元就是化学组成相同、空间结构相同、排列取向相同、周围环境相同的基本单元2、简单立方晶胞中（100）、（110）、（111）晶面中，面间距最小的是（111）面，最大的是（100）面；3、晶面族｛100｝包含（100）（010）（001）及平行（100K010K001）等晶面；4、（100），（210），（110），⑵0）等构成以［001］为晶带轴的晶带;（010,（011），（101），（110）等构成以［111］为晶带轴的晶带；5、晶体宏观对称元素只有1，2, 3, 4, 6, 1，m，等8种是基本的6、金属中常见的晶体结构有面心立方、体心立方、密排六方三种；7、金属密堆积结构中的间隙有四面体间隙和八面体间隙两种类型8、面心立方晶体中1个晶胞内有生个八面体间隙，E个四面体间隙。
9、陶瓷材料是以离子键、共价键以及离子键和共价键的混合键结合在一起；10、硅酸盐的基本结构单元是硅酸根四面体:11、SiO2中主要化学键为共价键与离子与：12、硅酸盐几种主要结构单元是岛状结构单元、双四面体结构单元、环状结构单元以及链状结构单元、层状结构单元；13、离子晶体中决定正负离子堆积方式的两因数是：电荷大小，满足电中性；正负离子的相对大小;14、陶瓷材料的组成相有玻璃相、气相和结晶相(a) (b>15、上图为离子晶体中稳定和不稳定的配位图形，—为不稳定配位图形第三章高分子材料的结构1. 1.按照聚合物热行为可将聚合物分为热固性塑料和一热塑性塑料一两类。
《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
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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
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晶胞
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
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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。
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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
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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
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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
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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--材料结构的基本知识
等温等容 ΔA T、V<0 自发过程 等温等压 ΔG T、P<0 自发过程 两种自由能的表达式为：
A=U–TS G=H–TS
U——内能 H——焓 S——熵 T——热力学温度 反应速率ν与热力学温度T之间满足：
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列
原子 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。
原子核 ——中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。
电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
二、元素周期表及性能的周期性变化
原子周期律——早在1869年，俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。
过渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。
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）
共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、 ⅤA族元素，离子化比较困难，在这种 情况下，相邻原子间可以共同组成一个 新的电子轨道，由两个原子中各有一个 电子共用，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层，形成带正 电的阳离子，由正离子和自由电子之间
材料科学基础第一章
单晶体 晶体位向（或方向）一致的晶体
晶体
多晶体 包含许多小晶体，每个小 晶体内的晶格位向是一致 的，而各小晶体之间彼此 方位不同。
晶体的主要特点是：①结构有序；②物理 性质表现为各向异性；③有固定的熔点； ④在一定条件下有规则的几何外形。
晶体性质随方位 不同而有差异的 特性。
晶体中由于各晶面和晶向上的原子排列的密 度不同，因而同一晶体的不同晶面和晶向上 的原子密度不同，所以不同晶向上原子之间 的结合力便不同
§1.2原子键合
共有电子对→键有 饱和性和方向性
3.共价键
性能特点： 1）高熔点、高硬度、低 塑性 2）电绝缘体等 3）脆性大 金刚石
§1.2原子键合
分子键
正负电荷中心不重合而产生 的极化作用，以微弱静电引 力相引而结合在一起称为分 子键。
特点：分子晶体因其 结合键能很低，所以 其熔点很低，硬度也 低。但其绝缘性良好。
§1.4 晶体材料的组织
• 相组成 • 相的相对量、尺寸、形状及分布 • 组织影响强度、塑性 • 组织易随加工工艺变化
空位，间隙原子 位错 晶界，相界
原子 的不规 则排列
第一章 材料结构的基本知识
§1.2原子键合 键的定义
在所有物质结构中，质点（原子、离子或分子）
都按照一定的规则进行排列，质点之间都具有一定的 结合力，也就是说物质是依靠质点之间的键合结合在 一起的，这种质点之间所存在的结合力称为键。
第一章 工程材料中的原子排列
§1.2原子键合
氢键
形成：含氢物质中，H 与其它原子 形成共价键，共有电子强烈偏离H ， H 原子几乎为半径很小带正电的核， H 可以与另外一原子吸引，形成附 加键。 特性：有方向性，结合力较强，比 离子键、共价键小
材料科学基础1材料结构的基本知识
材料科学基础1材料结构的基本知识材料结构是材料科学中的基础概念，它描述了物质的排列方式和组织结构。
材料结构的理解对于设计和选择材料具有重要意义。
本文将介绍材料结构的基本知识，包括晶体结构、非晶态结构和晶格常数。
晶体结构是材料常见的结构形式之一、晶体的组成单位是周期性排列的原子、离子或分子。
晶体具有明确的几何形状，可以通过晶胞来描述。
晶体的形态与晶体结构密切相关，可以大致分为立方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系、四方晶系和六角晶系等。
晶体结构中的原子、离子或分子通过离子键、共价键或范德华力等方式相互连接。
晶体的结构可以通过X射线衍射技术进行分析。
X射线衍射利用X射线的波粒二象性，通过探测材料中的晶体，测定X射线的衍射图案来推断晶体结构。
X射线衍射会产生衍射斑点，斑点的位置和强度是晶体结构和组成的直接反映。
通过对衍射斑点的解析，可以确定晶体的晶格常数和晶体结构。
晶格常数是晶体结构的重要参数，它描述了晶体中相邻原子、离子或分子之间的距离。
晶格常数包括晶体的晶胞边长、夹角以及晶胞的体积等。
晶格常数的值对晶体的物理性质起着决定性作用。
晶体的晶格常数可以通过实验方法或计算方法来确定。
实验方法包括X射线衍射、电子衍射和中子衍射等。
计算方法借助于量子力学理论，使用严格的数学模型来计算晶体的晶格常数。
除了晶体结构，还有一个重要的结构形态是非晶态结构。
非晶态结构是没有明确周期性的材料结构，具有无序缺陷的特点。
非晶态材料的原子、离子或分子呈现随机排列的状态，并不具备长程有序性。
非晶态材料的物理性质与晶体有一定差异，如抗拉强度、热稳定性和导热性等方面。
总之，材料结构是材料科学中的基础概念，它描述了物质的排列方式和组织结构。
晶体结构是材料常见的结构形态，包括立方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系、四方晶系和六角晶系等。
晶体结构可以通过X射线衍射技术进行分析，并可以通过晶格常数来描述。
非晶态材料是没有明确周期性的材料结构，具有无序缺陷的特点。
材料科学基础1材料结构的基本知识
等温等容 ΔA T、V<0 自发过程 等温等压 ΔG T、P<0 自发过程 两种自由能的表达式为：
A=U–TS G=H–TS
U——内能 H——焓 S——熵 T——热力学温度 反应速率ν与热力学温度T之间满足：
测得的性能数据亦不同这种性质称晶体 的各向异性。 各向同性——非晶体在各个方向上的原 子排列可视为相同，沿任何方向测得的 性能是一致的，表现为各向同性。
从液态到非晶态固体是一个渐变过
程，既无确定的熔点，又无体积的突变。 这说明非晶态转变只不过是液态的简单 冷却过程，随温度的下降，液态的粘度
越来越高，当其流动性完全消失时 则称固相。
等轴晶：若每个核心在各个方向上的 生长条件接近，最终得到的晶粒在空
间三维方向上尺度相当。 柱状晶：若在特定的条件下，空间某一 方向的生长条件明显优于其它二维方向， 最终得到拉长的晶粒形状。（图1-16）
三、多相组织 （图1-17）是两相合金的一种
典型组织，两个相的晶粒尺度相当，
两种晶粒各自成为等轴状，两者均匀的
电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
电子运动的轨道： 由四个量子数决定，分别是主量子
数、次量子数、磁量子数及自旋量子数。 主量子数——决定电子离核远近和能量 高低的主要参数。 次量子数——量子轨道并不一定总是球 形的，次量子数反映了轨道的形状，各 轨道在原子核周围的角度分布不同。它 也影响轨道的能级，按s、p、d、f依次 升高。
交替分布，此时合金的力学性能取决于
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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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（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
• AB化合物中离子键的比例取决于组成元素的电负性 差，差越大，离子键比例越高：
离子键结合（％）＝[1-e-
1 4
(
X
A
X
B
)2
]
1
0
0
%
XA, XB –A,B 的电负性数值。（表1-2，P17）
20
20
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
21
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2、一次键与二次键混合 例如： • 石墨: 片层中为共价键,片层间
为范德瓦尔斯键 • 高分子:分子链中为共价键,链
与链之间为二次键
22
22
四、结合键的本质及原子间距
1、结合键的本质 — 结合键的强弱反映了原子或分 子间结合时互作用能降低的程度．
一、一次键 1、离子键 • 通过正负离子间相互吸引力
使原子结合的结合键．
10
10
• 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
8
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第二节 原子的结合键
• 一次键 • 二次键 • 混合键 • 结合键的本质及原子间距 • 结合键与性能
9
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按结合力强弱分： • 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结
合键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较 强． • 二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合 键．包括氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱．
24
（2）原子结合能的实验测定及理论计算 • 实验测定原理
测定固体的蒸发热 • 理论计算(自学P24例题) 五、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。
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
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列
1、 原子的核式结构 • 原子由原子核及核外电子构成 • 原子核：体积小，质量大，带正电 • 电子：质量可忽略，在一定轨道绕核旋转，带负电 2、电子分布 （1）4个量子数： ①主量子数 n ：电子能级的壳层序数。n=1,2,3,…7；
离子键、共价键最强，金属键次之，氢键再次之， 范德瓦尔斯键最弱。
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2、原子间的互作用力及结合能
（1）双原子模型 • 固体原子间总存在着
两种力： 吸引力、排斥力 • 引力与斥力相等时，
r0称原子间距。
E 0 Fdx
• 平衡距离下的作用能定义为 原子的结合能Ｅ0
• 结合能越大，原子结合越稳 定。
25
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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
3
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（2）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。 （3）能级的重叠
相邻主壳层的能量范围
有重叠
4
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例题 ：写出原子序数为11的钠原子及原子序数
解： Na: 为1s2202的s22钙p6原3s子1 的电子分布
②次量子数 l(角量子数、轨道量子数)：l=0,1,2,…, 确定每一壳层的亚壳层数目(spdf)
2
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③磁量子数 m：确定每一亚壳层中空间取向不同的轨道数目。 m=0,±1，±2，…, 轨道空间取向（spdf→1357）
④自旋量子数ms ：确定每一轨道中能容纳的电子数目。ms=+1/2,1/2
• 各壳层能够容纳的电子总数：2n2(n-主量子数)
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2、氢键 • 含氢的分子具有极性，与另一个具有较强电负性
的原子通过氢离子而结合的结合键。 如冰… X-H--Y X-H: 离子键 H--Y：氢键
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三、混合键
大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混 合。
1、一次键混合 （1）共价键与金属键混合 如Ⅳ A族中，
C Si Ge Sn Pb
11
12
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2、共价键 • 通过共用电子对使原子结合的结合键．例如，金
刚石…
13
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(1) 具有方向性和结构稳定性．金刚石109.5°
(2) 8-N 定律 — 一个原子周围的共用电子对的数目， 其中，Ｎ为原子的价电子数
• Ⅳ A族，4个共用电子对，空间网络状结构 • Ⅴ A族，3个共用电子对，空间层状结构 • Ⅵ A族，2个共用电子对，空间链状结构
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例题: 计算化合物 (1)MgO、(2)GaAs中离子键结合的 比例．
解：(1) MgO 查电负性表得 X Mg = 1.31, X O = 3.44 代入公式得, 离子键结合比例＝68%
(2) GaAs 查电负性表得, X Ga = 1.81, X As = 2.18 代入公式得, 离子键结合比例层 2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的化
学性质 3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性 4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和ⅡA族的
内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和ⅡA族 活泼 例如：
Cu ： …3p63d104s1
K：…3p64s1
7
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5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强， 同族自上而下逐渐减弱
Ca: 1s22s22p63s23p64s2
3、原子的活泼程度
主要取决于外壳层（S层和P层）填满与否
例如：
He：1s2
Ne：…2s22p6
Ar：…3s23p6
Kr：…4s23d104p6
Xe：…5s24d105p6
Rn：…6s24f145d106p6
Na：…3s1 5
5
二、元素周期表及性能的周期性变化
14
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3、金属键 • 通过正离子与自由电子之间相互吸引力使原子结
合的结合键。 • 价电子脱离原子成为“电子气”，正离子整齐地
排列在 “电子气”的海洋中． • 金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热，
固态溶解
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二、二次键 1、范德瓦耳斯键 • 具有稳定电子结构的原子或分子通过电偶极矩相
互吸引而结合的结合键。 如石蜡、塑料…