材料科学基础-固体的结构
材料科学基础_第2章_固体材料的结构
4
共价键
原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合， 如金刚石，单质硅，SiC 特点： 1.饱和性：电子必须由（8－N）个邻近原子共有；
2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109°
3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏
配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74
25
体心立方结构(特征）
体心立方晶格密排面
26
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
体心立方晶格（间隙及堆垛方式）
间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的 中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成， 即数量为6。大小为rB=0.154R(在<100>) 或rB=0.633R (在<110>) 。
配位数： CN=8 致密度： k=0.68
31
密排六方晶格原子位置
32
密排六方晶格晶胞原子数
33
密排六方晶格密排面
34
密排六方晶格原子配位数
35
密排六方晶格(间隙及堆垛方式）
• 间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个
图1 Cl和Na离子保持r0的距离
图2 NaCl 晶体
9
•
分子键（范德华力)
以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性， 无方向性。
氢键： 分子间特殊作用力
表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方 向性，可存在于分子内 或分子间。氢键主要存 在于高分子材料内。
材料科学基础 第二章 固体材料的结构
第二章固体材料的结构固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构。
原子之间的作用结合键与晶体结构密切相关。
通过研究固体材料的结构可以最直接、最有效地确定结合键的类型和特征。
固体材料主要包括：金属、合金、非金属、离子晶体、陶瓷研究方法：X光、电子、中子衍射——最重要、应用最多§2-1 结合键结合键——原子结合成分子或固体的结合键决定了物质的物理、化学、力学性质。
一切原子之间的结合力都起源于原子核与电子间的静电交互作用（库仑力）。
不同的结合键代表了实现结构）的不同方式。
一、离子键典型的金属与典型的非金属元素就是通过离子键而化合的。
从而形成离子化合物或离子晶体由共价键方向性特点决定了的SiO2四面体晶体结构极性共价键非极性共价键五、氢键含有氢的分子都是通过极性共价键结合，极性分子之间结合成晶体时，通过氢键结合。
例如：H 2O ，HF ，NH 3等固态冰液态水§2-2 金属原子间的结合能一、原子作用模型固态金属相邻二个原子之间存在两种相互作用：a) 相互吸引——自由电子吸引金属正离子，长程力；b) 相互排斥——金属正离子之间的相互排斥，短程力。
平衡时这二个力相互抵消，原子受力为0，原子处于能量最低状态。
此时原子间的距离为r0。
§2-3 合金相结构基本概念♦合金——由两种或两种以上的金属或金属非金属元素通过化学键结合而组成的具有金属特性的材料。
♦组元、元——组成合金的元素。
♦相——具有相同的成分或连续变化、结构和性能的区域。
♦组织——合金发生转变（反应）的结果，可以包含若干个不同的相，一般只有一到二个相。
♦合金成分表示法：(1) 重量（质量）百分数A-B二元合金为例m B——元素B的重量(质量m A——元素A的重量(质量合金中的相分为：固溶体，化合物两大类。
固溶体金属晶体(溶剂)中溶入了其它元素(溶质)后，就称为固溶体。
一、固溶体的分类：♦按溶质原子在溶剂中的位置分为：置换固溶体，间隙固溶体♦按溶解度分为：有限固溶体，无限固溶体♦按溶质原子在溶剂中的分布规律分为：有序固溶体，无序固溶体置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。
材料科学基础习题
第1章固体结构1．何谓晶体？晶体与非晶体有何区别？2．已知MgO晶体中Mg2+和O2-在三维空间有规律地相间排列，其晶体结构相当于两套面心立方点阵互相套叠在一起，晶胞常数a=b=c=4.20 ，α=β=γ=90℃,请回答:①画出MgO晶体二维和三维空间的晶体结构图.②从①的图形中抽象出MgO晶体的空间点阵图形.③从②中划分出单位空间格子,计算其结点数.④画出晶胞结构图,指出晶胞中的分子数.3．何谓元素电负性，有何意义？在元素周期表中分布规律如何？4．何谓晶格能，用途？试计算MgO晶格能。
已知：MgO属NaCl型结构，立方面心点阵N0=6.023×1023，e=4.8×10-10静电单位，r =1.32 , r =0.78 ，A=1.74765．画出MgO晶体（立方面心点阵）在（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面上的结点和离子排布图.6．立方晶系中①画出下列晶面：（0 0 1）、（1 0）、（1 1 1）②在①所画晶面上分别标出下列晶向：[2 1 0]、[1 1 1]、[1 0 ].7．在立方晶系中给出（1 1 1）面和（1 1 ）面交棱的晶棱符号.8．找出正交晶系（斜方）（P点阵）宏观对称型.9．何谓布拉维点阵？举例论证为什么仅有14种？14种布拉维点阵分属的七个晶系名称？点阵常数特点？14种布拉维点阵分为几个类型？结点数计算？10．表示晶体的宏观对称性，其特点？如何表示晶体的微观对称性，其特点？11．划分单位平行六面体应遵循那些原则？何谓晶格常数？12．何谓晶胞、原胞、单位空间格子？13．试举例说明：晶体结构与空间点阵？晶胞与单位空间格子的关系？14．什么叫离子半径？有何实用意义？什么叫离子极化？极化对晶体结构有什么影响？15．解释原子，离子配位数. 根据半径比关系，说明下列离子与O2-配位时的配位数及配位多面体的类型.r =1.32 , r =0.39 ，r =0.57 ，r =0.78 ，r =1.10 .16．胞林规则有几条？其要点是什么？应用胞林规则有何局限性？17．试用胞林规则分析MgO晶体结构.（r =0.78 ，r =1.32 ）18．运用胞林规则来解释在氧离子立方密堆体中，对于获得稳定结构各需要何种电价的离子，其中：①所有八面体间隙位置均填满.②所有四面体间隙位置均填满.③填满一半八面体间隙位置.④填满一半四面体间隙位置.19．已知：r =0.78 ，Mg的原子量为24.30，r =1.32计算：①MgO的点阵常数；②MgO的密度.20．画出闪锌矿、萤石晶胞结构在（0 0 1）面上的投影图.21．金红石的晶胞为什么不属于四方体心格子而是四方原始格子呢？而萤石的结构为什么不是立方原始格子而是立方面心格子？22．比较ThO2、TiO2、MgO结构中间隙的大小.23．简单说明下列名词的含义：反萤石结构，反尖晶石结构.24．指出下列化合物的结构类型，并改写成化学式：γ-Ca2[SiO4]、Ca2Al[AlSiO7]、CaMg[Si2O6]、Mg3[Si4O10](OH)2、K[AlSi3O8].25．高岭石、叶腊石和云母具有相似的结构，画出它们的结构草图，说明它们结构的区别及由此而引起的性质上的差异.26．下列物质的结构式，化学组成式写成相应的化学组成式和结构式：a) Al2O3·2SiO2·2H2O; ②2CaO·5MgO·8SiO2·H2O;③CaMg[Si206]; ④Na[AlSi3O8]27．说明高岭石、叶腊石和白云母结构区别及由此引起的性质上差异.28．在层状硅酸盐结构中，八面体层中的Al3+可以取代四面体层中的Si4+、而四面体层中的Si4+从来不会置换八面体层中的Al3+为什么？已知：r =1.40 , r =0.40 ，r =0.53 .29．青石2MgO·2Al2O3·5SiO2具有与绿柱石Be3Al2[Si6O8]类型结构，写出它的结构式，并指出它是由绿柱石进行怎样的离子置换而得来的？30．α—方石英属立方晶系，面心立方点阵，a=7.05 ，请a) 画出晶胞在（0 0 1）面上的投影图，注明各离子相对标高。
材料科学基础_第二章-合金的相结构
(2) TCP相 TCP相（topologically close-packed phase）的特点： ①由配位数为12、14、15、16的配位多面体堆垛而成；②呈层状 结构。
TCP相类型：①Lavs相 AB2型 镁合金、不锈钢中出现
②σ相 AB型或AxBx型 有害相
b.间隙化合物 间隙化合物的晶体结构比较复杂。其表达式有如下类型： M3C、M7C3、M23C6、M6C。间隙化合物中金属元素M常被其 它金属元素所代替形成化合物为基的固溶体（二次固溶体）。
在H、N、C、B等非金属元素中,由于H和N的原子半径很小,与所 有过渡族金属都满足rX/rM<0.59,所以过渡族金属的氢化物、氮化物 都为间隙相；而硼原子半径rB/rM>0.59较大, rB/rM>0.59，硼化物 均为间隙化合物；而碳原子半径处于中间,某些碳化物为间隙相,某些 为间隙化合物。
4.超结构—有序固溶体
超结构（super structure/lattice）类型： 有序化条件：异类原子之间的相互吸引大于同类原 子间 有序化影响因素：温度、冷却速度和合金成分
5.金属间化合物的性质及应用（P56） （1）——（7）
CuAu有序固溶体的晶体结构
2.4 离子晶体
离子晶体有关概念 1.离子晶体(ionic crystal) ：由正、负离子通过离子键按
相分类:固溶体和中间相(金属间化合物)
固溶体——
中间相——
中间相可以用分子式来大致表示其组成。
合金相的性质由以下三个因素控制:
（1）电化学因素(电负性或化学亲和力因素)
电负性——
（2）原子尺寸因素 △r=（rA－rB)/rA 中间相。 △r越小，越易形成固溶体
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【解析】置换型固溶体分为连续置换和有限置换。只有离子价相同或者离子价总和相
等时才能生成连续置换型固溶体。
三、判断题 1．形成连续固溶体的最主要条件是溶质和溶剂的晶体结构要一致，例如，银和铝都 具有面心立方结构。( ) 【答案】× 【解析】溶质和溶剂晶体结构相同，能形成连续固溶体，这是形成连续固溶体的必要 条件，而不是充分必要条件。
3．以金属为基的固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么？ 答：（1）结构上，固溶体晶体结构最大的特点是保持着原溶剂的晶体结构，根据溶 质原子在溶剂点阵所处的位置，可以分为置换固溶体和间隙固溶体。中间相的结构一般与 两组元的结构都不同，它们处于二元相图的位置总是位于中间，中间相可以是化合物也可 以是以化合物为基的固溶体，中间相可以用化学分子式表示。 （2）键性上，固溶体原子间多以金属键结合；而大多数中间相中，原子间的结合方 式属于金属键与其他典型键（如离子键、共价键、分子键）相混合的一种结合方式，因此 它们具有金属性，也正是由于中间相各组元间的结合含有金属的结合方式，所以表示它们 组成的化学分子式并不一定符合化合价规律。 （3）性能上，固溶体由于溶质与溶剂的原子半径大小不同，总会引起点阵畸变并导 致点阵常数发生变化，点阵畸变增大，一般固溶体的电阻率升高，同时降低电阻温度系数， 且由于溶质原子的溶入，使固溶体的强度和硬度升高；而对于中间相来说，它们的熔点较 高，硬度和强度也比较高，韧性和塑性较差。
【答案】配位多面体；正负离子半径和；半径比
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3．斜长石 Na（A1Si3O8）与钙长石 Ca（Al2Si2O8）可以形成______型固溶体，其中
斜长石中的______和钙长石中的______可以相互替代。
材料科学基础第2章
晶胞示意图
晶胞大小和形状表示方法
晶胞大小和形状表示方法为：
晶胞的棱边长度ａ、ｂ、ｃ（称为点阵常数、晶格常 数(lattice constants/parameters))； 棱边的夹角为α、β、γ（称为晶轴间夹角）。 选取晶胞的原则： 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
晶面指数（hkil）其中i=-（h+k）
晶向指数 [uvtw] 其中t=-（u+v）
六方晶系按两种晶轴系所得的晶面指数和晶向 指数可相互转化：
六方晶系的晶向（面）指数示意图
六方晶系的一些晶向（面）指数
4.晶带
晶带——所有平行或相交于同一直线的晶面构成一个 晶带，此直线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为共 带面。 晶带定理：同一晶带上晶带轴[uvw]和晶带面（hkl） 之间存在以下关系：hu+kv+lw=0 通过晶带定理可以求晶向指数或晶面指数。 a) 求两不平行的晶面（h1k1l1）和（h2k2l2）的晶 带轴。 b) 求两个不平行的晶向[u1v1w1]和[u2v2w2]所决定 的晶面。
面心立方八面体间隙面心立方Biblioteka 面体间隙面心立方四面体间隙
面心立方四面体间隙
面心立方原子堆垛顺序
面心立方晶体的 ABCABC 顺序密堆结构
2.体心立方晶格(特征）
原子排列:晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个原子 点阵参数:a=b=c，α=β=γ=90º 晶胞中原子数:n=8×1/8＋1=2个 3 原子半径: 4R 3a, R a
三种典型金属晶体结构刚球模型
三种典型金属晶体结构晶胞原子数
原子半径与晶格常数
三种典型金属晶格密排面的堆垛方式
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第2章 固体材料的结构一、选择题1．空间电子的意义为（）。
[浙江大学2006研]A．晶体中杂质原子的分布规律B．晶体中原子或分子的空间规则排列C．晶体中与原子或分子的电荷空间分布规律【答案】B2．间隙相和间隙固溶体的区别在于（）。
[东南大学2005研]A．间隙相的结构比间隙固溶体简单B．间隙相中原子结合符合化合价规律，间隙固溶体不符合化合价规律C．间隙固溶体中间隙原子在溶剂晶格的间隙中，间隙相中原子在正常原子位上D．间隙相中有点阵畸变，间隙固溶体中没有点阵畸变【答案】C3．离子晶体通常借助表面离子的极化变形和重排来降低其表面能，对于下列离子晶体的表面能，最小的是（）。
[南京工业大学2008研]A．CaF2B．PbF2C．Pbl2D．BaSO4E．SrSO4【答案】C二、填空题1．材料的结合键决定其弹性模量的高低。
氧化物陶瓷材料以______键为主，结合键______故其弹性模量______；金属材料以______键为主，结合键______故其弹性模量______；高分子材料的分子链上是______键，分子链之间是______键，故其弹性模量______。
【答案】离子；较强；较高；金属；较弱；较低；共价；分子；最低2．固溶体中，当溶质原子和溶剂原子分别占据固定位置，且每个晶胞中溶质原子和溶剂原子数之比一定时，这种有序结构被称为______。
[北京工业大学2009研]【答案】超点阵3．形成有序固溶体的必要条件是：______、______、______。
[中南大学2003研]【答案】异类原子之间相互吸引力大于同类原子之间吸引力；一定的化学成分；较慢的冷却速度4．无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是：强度和硬度______，塑性______，导电性______。
[中南大学2003研]【答案】升高；降低；降低三、判断题1．固溶体是一种溶解了杂质组分的非晶态固体。
[中南大学2004研]【答案】×2．形成连续固溶体的最主要条件是溶质和溶剂的晶体结构要一致，例如，银和铝都具有面心立方结构。
上海交大-材料科学基础-第二章-1
晶面的位向
h : k : l cos : cos : cos
cos2 cos2 cos2 1 立方晶系
晶面间距
dhkl
a h
cos
b h
cos
c h
cos
d
2hkl [(
h a
)2
( h )2 b
( h )2 ] c
cos2
cos2
cos2
式中ｈ、ｋ、ｌ为晶面指数（ｈｋｌ），ａ、ｂ、ｃ为 点阵常数，α、β、γ为晶面法线方向与晶轴夹角。
每个原子周围的情况完全相同，则这种原子所组成的
网格称为简单晶格。
复式晶格：如果晶体由两种或两种以上原子组成，同 种原子各构成和格点相同的网格，网格的相对位移而 形成复式晶格。
cc
金刚石结构
2.1.2 晶向指数和晶面指数
晶列：布拉菲格子的格点可以看成是分布在一系列相 互平行的直线上，而无遗漏，这样直线称为晶列；
uvw 放入方括号内，写成[uvw],即为待标定晶向的晶 向指数。若为负值，则在指数上加一负号。（化整数， 列括号）
xa : yb : zc u :v : w abc
立方晶系中一些常用的晶向指数
例：如图在立方体中， a i , b j , c k
方法2
D是BC的中点，求BE,AD的晶列指数
第二章 固体结构
本章主要内容
❖ 2.1晶体学基础 ❖ 2.2金属的晶体结构 ❖ 2.3合金相结构 ❖ 2.4离子晶体结构 ❖ 2.5共价晶体结构
概述
❖ 物质按聚集状态分类: 气态、液态和固态； ❖ 按原子（或分子）排列特征分类：晶体和非晶体。
绝大部分陶瓷、少数高分子材料、金属及合金是晶体； 多数高分子材料、玻璃及结构复杂材料是非晶体。
《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。
材料科学基础名词解释
材料科学基础名词解释第一章固体结构1、晶体:原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。
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。
2、中间相:两组元A 和B 组成合金时，除了形成以A 为基或以B 为基的固溶体外，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。
3、晶体点阵：由实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定几何规律的具体排列方式称为晶体结构或晶体点阵。
4、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。
5、晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
6、晶胞:在点阵中取出一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
7、空间点阵：由周围环境相同的阵点在空间排列的三维列阵成为空间点阵。
8、晶向：在晶格中，穿过两个以节点的任一直线，都代表晶体中一个原子列在空间的位向，称为晶向。
9、晶面：由节点组成的任一平面都代表晶体的原子平面，称为晶面。
10、晶向指数（晶面指数）：为了确定晶面、晶向在晶体中的相对取向、就需要一种符号，这种符号称为晶面指数和晶向指数。
国际上通用的是密勒指数。
一个晶向指数并不是代表一个晶向，二十代表一组互相平行、位向相同的晶向。
11、晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以<uvw>表示。
12、晶面间距：相邻两个平行晶面之间的垂直距离。
低指数晶面的面间距较大，而高指数晶面的面间距较小。
晶面间距越大，则该晶面上原子排列越紧密，该原子密度越大。
13、配位数：每个原子周围最近邻且等距离的原子数目，称为配位数。
14、多晶型性：有些金属固态在不同温度或不同压力范围内具有不同的晶体结构，这种性质称为晶体的多晶型性。
15、多晶型性转变：具有多晶型性的金属在温度或压力变化时，由一种结构转变为另一种结构的过程称为多晶型性转变，也称为同素异构转变。
839材料科学基础
2.5 共价晶体结构
第三章 晶体缺陷（★★★★）
什么是晶体缺陷？有几种存在方式？ 3.1 点缺陷 点缺陷的形成有哪几种？离子晶体？ 点缺陷的平衡浓度的形成原因？
真题再现
平衡浓度的公式
n 点C缺陷 的运动Aexp(
EV
)
N
kT
3.2 位错 刃型位错和螺型位错的特点，混合位错。 伯氏矢量的确定？位错型的确定？特性？ 位错的运动？滑移、攀移，交割。要求会判断运动方向等问题
4.1 表象理论
菲克第一定律
J D d 物理意义，单位，使用条件
菲克第二定dx律 使用条件，理解其推导过程
化学扩散，自扩散 渗碳厚度计算
（x, t）
s
(s
0 )erf
( 2
x) Dt
x A Dt 或x2 BDt
薄膜扩散衰减分布
（x, t） M exp( x2 )
置换固溶体2中的D扩t 散 4Dt 柯肯达尔效应，互扩散系数
4.7 反应扩散
概念，不存在两相混合区的解释 4.8 离子晶体中的扩散
真题再现
第五章 材料的形变和再结晶（★★★★★）
5.1 弹性和粘弹性 了解弹性形变的本质 弹性模量的物理意义和其对材料的影响
真题再现
弹性不完整性的现象 粘性流动和粘弹性的概念，性质，粘弹性的物理模型
5.2 晶体的塑性变形 什么是滑移线和滑移带？什么是滑移系？ fcc,bcc,hcp的滑移系各是什么，会产生什么影响
（三）晶体中的缺陷 1．点缺陷 2．位错 3．面缺陷
（四）固体中的扩散 1．扩散的表象理论 2．扩散的热力学 3．扩散的微观理论与机制 4．扩散激活能 5．影响扩散的因素 6．反应扩散 7．离子晶体中的扩散
考研必备之《材料科学基础》学霸笔记
考研必备之《材料科学基础》学霸笔记材料科学基础笔记第⼀章原⼦结构与键合概述：决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原⼦结构，原⼦间的相互作⽤、相互结合，原⼦或分⼦在空间的排列分布和运动规律以及原⼦集合体的形貌特征等。
为此，我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的⽭盾性找出改善和发展材料的途径。
第⼀节原⼦结构1 物质的组成物质是由⽆数微粒按⼀定⽅式聚集⽽成的，这些微粒可能是原⼦、分⼦或离⼦；分⼦是能单独存在且保持物质化学特性的⼀种微粒；原⼦是化学变化中的最⼩微粒。
2 原⼦的结构（原⼦结构直接影响原⼦间的结合⽅式）3 原⼦的电⼦结构3.1电⼦既有粒⼦性⼜具有波动性，具有波粒⼆象性。
3.2电⼦的状态和在某处出现的机率可⽤薛定谔⽅程的解/波函数来描述，即原⼦中每个电⼦的空间位置和能量可⽤四个量⼦数来确定：a主量⼦数（n）：决定原⼦中电⼦的能量及与核的平均距离（⼀般能量低的趋向近轨道,r较⼩，反之则反），即表⽰电⼦所处的量⼦壳层。
如K、L、M…，n=1,2,3；b 轨道⾓动量量⼦数（l）：表⽰电⼦在同⼀壳层内所处的能级，与电⼦运动的⾓动量有关。
如s、p、d、f…（0，1，2，…n-1）；c 磁量⼦数（m）：给出每个轨道⾓动量量⼦数的能级数或轨道数，为2l+1,决定电⼦云的空间取向；d ⾃旋⾓动量量⼦数（s）：反映电⼦不同的⾃旋⽅向，其值可取*只有n,l决定能量和能级3.3能级和能级图把电⼦不同状态对应着相同能量的现象称为简并。
将所有元素的各种电⼦态（n，l）按能量⽔平排列成能级图。
3.4核外电⼦的排布规则a 能量最低原理：电⼦的排布总是尽可能使体系的能量最低；b Pauling不相容原理：在⼀个原⼦中，不可能有上述运动状态完全相同的两个电⼦，即不能有上述四个量⼦数都相同的两个电⼦；c 洪德Hund规则：在同⼀个亚层中的各个能级中，电⼦的排布尽可能分占不同的能级，⽽且⾃旋⽅向相同（尽可能保持⾃旋不成对）；3.5 元素周期表元素是具有相同核电荷数的同⼀类原⼦的总称；元素的外层电⼦结构随着原⼦序数的递增⽽呈周期性的变化规律称为元素周期律；元素周期表是元素周期律的表现形式；元素的性质、原⼦结构和该元素在周期表中的位置三者之间有着密切的关系。
材料科学基础-固体结构
材料科学基础-固体结构(总分：430.00，做题时间：90分钟)一、论述题(总题数：43，分数：430.00)1.试证明四方晶系中只有简单四方点阵和体心四方点阵两种类型。
（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(可作图加以证明。
四方晶系表面上也可含简单四方、底心四方、面心四方和体心四方结构，然而根据选取晶胞的原则，晶胞应具有最小的体积，尽管可以从4个体心四方晶胞中勾出面心四方晶胞(图2(a))，从4个简单四方晶胞中勾出1个底心四方晶胞(图2(b))，但它们均不具有最小的体积。
因此，四方晶系实际上只有简单四方和体心四方两种独立的点阵。
[*])解析：2.为什么密排六方结构不能称为一种空间点阵?（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(空间点阵中每个阵点应具有完全相同的周围环境，而密排六方晶胞内的原子与晶胞角上的原子具有不同的周围环境。
在A和B原子连线的延长线上取BC=AB，然而C点却无原子。
若将密排六方晶胞角上的一个原子与相应的晶胞内的一个原子共同组成一个阵点(0，0，0阵点可视作由0，0，0和[*]这一对原子所组成)，如图3所示，这样得出的密排六方结构应属简单六方点阵。
[*])解析：3.标出面心立方晶胞中(111)面上各点的坐标，并判断是否位于(111)的线密度。
（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(为了确定[*]是否位于(111)面上，可运用品带定律：hu+kv+lw=0加以判断，这里1×(-1)+l×1+1×0=0因此[*]位于(111)面上。
材料科学基础复习(总结) 2
固体结构(一) 原子结构与键合原子结构(元素的核外电子分布)原子间的键合☆金属键：掌握金属的电子结构特征，金属键的特征，懂得用上述内容解释金属的特有的性能⊙金属键（Metallic bonding）(一次键)典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云（electron cloud）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☆离子键：键合特点和离子晶体的特点⊙离子键（Ionic bonding)(一次键)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(熔融状态可导电)☆共价键：键合特点和共价晶体的特点⊙共价键（covalent bonding）(一次键)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(二) 固体结构☆晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序懂得下列名词的含义：☆空间点阵：这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。
☆阵点：为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。
☆晶胞：具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。
☆简单晶胞：晶胞中的阵点数为一。
☆复合晶胞：晶胞中的阵点数大于一。
晶体结构与空间点阵的关系：1.同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞；2.○1空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14中类型；○2晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。
材料物理基础第二章固体结构-(2)空间点阵-201209
42
第二章固体结构（2）习题
1. 用文字阐述以下名词及其它们的关联性和异同点。
晶胞参数 点阵参数 晶格参数 a,b,c,,, 结构基元 晶体结构 晶胞 非初级阵胞 复胞 阵点 空间点阵 阵胞 初级阵胞 原胞 单胞 结晶学元胞
十四种布拉菲点阵 七个晶系
格点
晶格
基本单元
简单晶格
43
单位矢量
复式晶格
将周期性重复排列的原子/分子或原子群/分子群称为结构基
元（structural motif）。
结构基元是具有不同种类和几何位置的原子 / 离子的集合，
包含原子或分子的种类和数量及其排列方式，可以是单个原 子/分子，或是在空间以一定方式排列的原子群或分子群。
• 晶体结构可以看作由结构基元在三维空间组成的空间图案， 这些图案按一定的周期平移后可以自身重合。
期重复堆积而成的。
34
固体结构 — 空间点阵
• 晶胞的选择也有多种，通常按照反映晶体结构最高对称性原 则（十四种布拉菲点阵）进行划分 。 • 晶胞参数和其对应的阵胞（单胞）具有相同的点阵参数（a、 b、c和、、），即两者的形状和大小相同。
• 晶胞的结构基元抽象为阵点，就转化为相应的阵胞，在阵胞
31
固体结构 — 空间点阵
aP Triclinic三斜
mP Monoclinic单斜
mC
oP
32
oC oI Orthorhombic正交
oF
固体结构 — 空间点阵
hR Rhombohedral菱方
tP Tetragonal四方
tI
33
hP Hexagonal六方
cP
cI Cubic立方
cF
固体结构 — 空间点阵 晶胞：按照晶体结构的周期性划分的几何单元，构成晶体结构 的基本单元，整个晶体可看作是由晶胞在三维空间按一定的周
材料科学基础第2章
菱方 Rhombohedral a=b=c, α=β=γ≠90º
四方（正方）Tetragonal a=b≠c, α=β=γ＝90º
立方 Cubic a=b=c， α=β=γ＝90º
简单菱方
简单四方 体心四方
简单立方 体心立方 面心立方
简单三斜
简单单斜
底心单斜
简单正交
体心正交
底心正交
面心正交
简单六方
回转对称轴（n）1，2，3，4，6
宏观对称性 元素 对称面（m）
对称中心（i） 回转 — 反演轴 1，2，3，4，6
微观对称性
元素
滑动面 螺旋轴
a，b，c，n，d 21；31，32；41，43，42；61，65，62，64，63
点群（point group）—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（space group）—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）
原子半径（atomic radius） R
配位数（coordination number）
致密度（Efficiency of space filling）
N
K
nv
n 4 R3
3
VV
轴比（axial ratio） c/a
堆垛（Stacking） 密排结构（close-packed crystal structure） 最密排面(close-packed plane of atoms) fcc {1 1 1} ABCABCABC······ hcp{0 0 0 1} ABABABAB······
晶系
三斜Triclinic a≠b≠c ，α≠β≠γ
材料科学基础2-1
晶体结构=空间点阵+结构基元
实际晶体——质点体积忽略——空间点阵——阵点连线——晶格（空间格子）
2.晶胞----具有代表性的基本单元(最小平行六面体)作为点 阵的组成单元，称为晶胞
u1 u2 u3 v1 v2 v3 w1 w 2 ＝0，则三个晶轴同在一个晶面上 w3
h1 h2 h3
k1
l1
则三个晶面同属一个晶带 k 2 l2 ＝0，则三个晶轴同属一个晶带 k3 l3
• 若已知两个不平行的晶面（h1k1l1）和（ h2k2l2 ），则其 晶带轴[uvw]可以用下式求得
或者写成
第三个问题：晶体的性质由什么决定？
决定 化学组成 结构 晶体性质
晶体结构 = 结构基元 + 空间点阵
结晶化学
晶体结构学
化学组成也会影响晶体结构！
2.2 金属的晶体结构
金属在固态下一般都是晶体。决定晶体结构的内在因素 是原子，离子，分子间键合的类型及键的强弱。金属晶体是 以金属键结合，其晶体结构比较简单,常见的有: 心立方结构A1或fcc(face—centered cubic)立方晶系
图2.2表示在二维点阵选取不同的晶胞
• 晶胞参数：
•
平行六面体的三根棱长a、b、c及其夹角α 、β 、γ 是表 示它本身的形状、大小的一组参数，称为点阵参数（晶胞 参数）
根据平行六面体中结点的分布情况，又可以分为四种格 子类型：简单格子（P）、底心格子（C）、体心格子（I） 和面心格子（F）。
5. 晶面间距
一般是晶面指数数值越小，其面间距较大，并且其阵点密度 较大
814材料科学基础-第二章 固体结构例题讲解
北京科技大学材料科学与工程专业814 材料科学基础主讲人：薛老师第二章固体结构例题讲解1.什么是晶面族？立方晶系{111}晶面族包含哪些晶面？答：在晶体内凡是晶面间距和晶面上的原子分布完全相同，只是空间位向不同的晶面我们可以把它们归并为同一个晶面族中，即晶面族，用{hkl}表示。
立方晶系{111}包括：（111）（111）（111）（111）（111）（111）（111）（111），这八个晶面构成一个八面体，因此晶面族{111}也成为八面体的面。
2.面心立方结构（100）和（111）晶面的夹角是多少？{100}的面间距是多少？答：（1） 所以：222222321321332211,cos b b b a a a b a b a b a ba b a b a ++⨯++++=⨯⨯>=<31111001101011cos 222222=++++⨯+⨯+⨯=ϕ︒==7.5431cos arc ϕ晶面的位向表示方法！！（2）面心立方，晶面间距：晶面为{100}，则带入公式，得到d=a,（a 最好自己设一下）因为是立方晶系需要对晶面进行判断是否需要修复！！面心立方h 、k 、l 不全为奇数或者偶数时，需要修正，可知，该晶面需要修正所以：d=a/2.222)()()h (d l k a hkl ++=3.晶带定律的应用例：已知晶体中两个不平行的晶面(h1k1l1)(h2k2l2)，证明(h3k3l3)与这两个晶面属于同一晶带，其中h3=h2+h1,k3=k2+k1,l3=l2+l1.答：设两个不平行的晶面所属晶带的晶带轴为[uvw]。
根据晶带定律，带入已知条件得到：h1u+k1v+l1w=0，h2u+k2v+l2w=0移项相加，得：(h1+h2)u+(k1+k2)v+(l1+l2)w=0，带入题目中的已知条件，可以得到h3u+k3v+l3w=0所以，第三个晶面与前面两个晶面属于同一个晶带。
例：在体心立方晶胞中画出一个最密排方向，并标明晶向指数，再画出过该方向的两个不同的低指数晶面，写出对应的晶面指数，这两个晶面与晶向构成什么关系？xzy G FE DOCBA注意点：1.画图一定要清洗，最好分开类画2.选取晶向的时候一定要选择对后期选择晶面有利的晶向3.回答晶带时，最好加上什么是晶带定律？4.六方晶系晶面、晶向指数例：写出图中六方晶胞EFGHIJE的晶面指数，以及EF,FG,GH,HI,IJ,JE 各晶向的晶向指数。
材料科学基础-名词解释
材料科学基础名词解释（上海交大第二版）第一章原子结构结合键结合键分为化学键和物理键两大类，化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德华力。
化学键是指晶体内相邻原子（或离子）间强烈的相互作用。
金属键金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。
离子键阴阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫作离子键共价键由两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。
范德华力是借助临近原子的相互作用而形成的稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
氢键氢与电负性大的原子（氟、氧、氮等）共价结合形成的键叫氢键。
近程结构高分子重复单元的化学结构和立体结构合称为高分子的近程结构。
它是构成高分子聚合物最底层、最基本的结构。
又称为高分子的一级结构远程结构由若干个重复单元组成的大分子的长度和形状称为高分子的远程结构第二章固体结构1、晶体：原子在空间中呈有规则的周期性重复排列的固体物质。
晶体熔化时具固定的熔点，具有各向异性。
2、非晶体：原子是无规则排列的固体物质。
熔化时没有固定熔点，存在一个软化温度范围，为各向同性。
3、晶体结构：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。
4、空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。
5、阵点：把实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体，并将其中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。
6、晶胞：为了说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取出一个具有代表性的单基本元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
7、晶系：根据六个点阵参数间的相互关系，将全部空间点阵归属于7中类型，即7个晶系，分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。
13、晶带轴：所有平行或相交于某一晶向直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。
属于此晶带的晶面称为共带面。
14、晶面间距：晶面间的距离。
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晶体
.结构
晶体具有以下特性： ①各向异性 沿晶体不同晶体学方向，体现出不同的物理、化学、力学
等特性。 如单晶铁弹性模量： <100>方向上为1.35×105MPa； <111>方向上为2.90×105MPa。 产生原因：晶体晶向上原子或分子等排列规律不同。
②具有固定的熔点 晶体在熔化时必须吸收一定的熔化热才能转变为液态(凝固 时放出同样大小的结晶热)，当温度升高值熔点时，晶体开始熔 解，温度停止上升。此时所吸收的热量用于破坏晶体的格子构 造，直到晶体完全熔化，温度才继续升高。
111[ 11]1 [11]1[111][111]
b
[111][111][111][111]
a
<100>
.
15
第二章 固体结构
2、晶面与晶面指数 晶面：晶体中由原子构成的平面。 密勒晶面指数求法： 1）在晶胞中以某一阵点为原点，以过原点的三条晶胞棱
边作为坐标轴X、Y、Z，以棱边的边长 (a, b, c)作为长度单 位；
.
2
第二章 固体结构
③自限性 晶体具有自发地生长为一个封闭几何多面体的倾向，即 晶体与周围介质的界面经常是平面，晶体的多面体形态是其 晶格构造在外形上的直接反映。 ④对称性 晶体的某些性质在一定方向及位置上具有对称性，其源 于晶体内部微观结构的对称性。 ⑤均匀性（均一性） 一个晶体的各个部分性质都是一样的。因为晶体内质点 是周期性重复排列的，其任何一部分在结构上都是相同的， 因而由结构决定的一切性质都是相同的。
二氯 维化 原钠 子晶 排体 列的
Cl-
Na+
等同点
二氯 维化 空钠 间晶 点体 阵的
.
5
第二章 固体结构
晶格：用直线连接阵点构成的空间格子。
二维晶格
.
6
第二章 固体结构
3、晶胞 晶格中代表晶体中原子等排列特点和规律性的最小体积单元 （平行六面体）。
二维晶胞
选取晶胞的原则： 1）选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性； 2）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多； 3）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多； 4）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
.
9
第二章 固体结构
法国数学家布拉菲指出: 晶胞中阵点的排列规律只有14种(布拉菲点阵)：
晶系 三斜 单斜
正交
空间点阵 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 六方 四方 菱方
立方
空间点阵 简单六方 简单四方 体心四方 简单菱方 简单立方 体心立方 面心立方
.
10
第二章 固体结构
简单三斜
简单单斜
底心单斜
简单六方
简单正交
体心正交
底心正交
面心正交
简单菱方
简单四方
体心四方
简单立方
面心立方
14种布拉菲点阵 .
体心立方
11
第二章 固体结构
底心立方 → 简单四方
面心四方 → 简单四方
★ 虽然晶胞可有不同取法，但所有取法都可转变为布拉菲点阵。
根据阵点分布情况将晶胞分为简单阵胞（初级阵胞）和复杂阵 胞（亦称复胞）。
X、Y、Z，以棱边的边长 (a, b, c)作为长度单位；
2）求出原子列在坐标轴上投影（x，y，z）； 3）将投影值(x，y，z)化为最小整数 u，v，w
Z [ 1 10 ]
并加以方括号，即 [u v w]。 ★ [u v w]代表一组平行，方向一致的晶向。 [001 ] [111 ]
[ 2 21 ]
.
3
第二章 固体结构
一、空间点阵和晶胞（Space lattice and Unite cells ）
1、晶体结构： 晶体结构：晶体中原子或离子、分子在空间规则排列的方式。
二维晶体结构
.
4
第二章 固体结构
2、空间点阵的概念 将晶体中原子（离子）或原子（离子）团（经一定操作）抽象 为纯几何点（阵点 lattice point），所得到的由无数几何点 在三维空间规则排列而成的阵列。 特征：每个阵点在空间具有完全相同的周围环境。
2）求出待定晶面在三个坐标轴上的截距； 3）取截距的倒数，并化为最小整数，加上圆括号，此即 为晶面的晶面指数，记为( h k l )。 每个晶面指数( h k l )所代表的是空间一组相互平行晶 面；指数相同而符号相反的晶面相互平行。
.
7
第二章 固体结构
描述晶胞特征的参数：
晶胞边长（点阵常数）：a、b、c 晶胞棱间夹角：α、β、γ
c
aβ
α γ
b
c aβ α b
γ
.
8
第二章 固体结构
根据晶胞参数特征将晶胞分为七大晶系：
晶系 三斜 单斜 正交 六方 四方 菱方 立方
特征 a≠b≠c，α≠β≠γ a≠b≠c，α=γ=90 °≠β a≠b≠c，α=β= γ= 90 ° a＝b≠c，α=β= 90 °，γ=120 ° a＝b≠c，α=β= γ= 90 ° a＝b＝c，α=β= γ≠90 ° a＝b＝c， α=β= γ= 90 °
具有相同空间点阵的不同晶体结构
晶体结构相似而具有空间点阵不同
.
13
第二章 固体结构
二、晶向指数和晶面指数
（Miller Indices of Crystallographic Direction and Planes） 1、晶向与晶向指数
晶向：晶体中由原子列构成的方向。
密勒晶向指数求法：
1）在晶胞中以某一阵点为原点，以过原点的三条晶胞棱边作为坐标轴
[ 1 00 ]Y
[010 ]
.
X
14
第二章 固体结构
晶向族：原子排列规律完全相同，仅空间位向关系不同的一 组晶向（等价晶向）， 以<u v w>表示。
在立方晶系中，只要<u v w>中数字组合相同，即为同一晶 向族。
c
<111>
100 [10] 0[01] 0[00] 1 [100 ][010][001]
第二章 固体结构（Solid Structure）
第一节 晶体学基础
（Basis Fundamentals of crystallography） 固体物质按组成原子或分子排列特点分为： 晶体：原子或离子、分子在三维空间呈周期性、规则排列的固体。 非晶体：原子或离子分子呈无规则排列的固体。 晶体不同于非晶体的两大特点：固定的熔点，各向异性。
简单晶胞：只有晶胞顶角处有阵点，即阵胞只含有一个阵点。 复杂阵胞：除晶胞顶角位置有阵点外，晶胞的体中心或面中心 也有阵点，即阵胞包含有一个以上的阵点。
.
12
第二章 固体结构
4、晶体结构与空间点阵之异同 二者皆体现晶体中原子等排列的规律性。 空间点阵是晶体中质点的几何抽象，只有14种； 晶体结构是晶体中原子等具体排列情况，理论上可具有无穷种。 可将晶体结构简单地表示为：晶体结构＝空间点阵＋结构基元