原子结构与键合

原子结构与键合
一、决定材料性质最为本质的内在因素：
组成材料各元素原子结构：原子
原子间相互作用，相互结合：键合
原子或分子在空间的排列：晶体结构
原子集合体的形貌特征：显微组织
二、原子是化学变化中的最小微粒。

原子结构直接影响原子间的结合方式。

三、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，包括范德华键和氢键。

混合键——对于大多数晶体而言，它们的键并不单纯属于上述五种中的某一种，而具有某种综合性。

换言之，许多晶体存在混合键。

四、范德华力、氢键和共价键的对比
五、石墨（共价键、金属键和范德瓦尔斯力的混合键）
1. C原子的三个价电子组成sp2杂化轨道，分别与最近邻的三个C原子形成三个共价键，在同一平面内互成120°，使碳原子形成六角平面网状结构。

2. 第四个价电子未参与杂化，自由的在整个层内活动，具有金属键的特点。

（石墨是一种良导体，可做电极等）
3. 层与层之间以范德瓦尔斯力结合。

（结合力弱，所以石墨质地疏松，在层与层之间可插入其它物质，制成石墨插层化合物）。

六、晶体、准晶，非晶体
晶体中原子的排列是有序的，即原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则重复排列，有固定的熔点。

而非晶体内部原子的排列是无序的。

准晶体，亦称为“准晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。

准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但是准晶体不具备晶体的平移对称性。

七、弥散强化
弥散强化——指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料
的强化手段。

是指用不溶于基体金属的超细第二相(强化相)强化的金属材料。

第二相一般为高熔点的氧化物或碳化物、氮化物，其强化作用可保持到较高温度，既可显著提高合金强度和硬度，又可使塑性和韧性下降不大，并且颗粒越细小，越呈弥散均匀分布，强化效果越好。

第二章晶体结构
1.晶体的基本概念:
晶体(Crystal)就是原子（或离子、分子、原子集团）在三维空间呈有规律、周期性、重复排列的固体。

2、晶界：晶粒之间的交界面。

晶粒越细小，晶界面积越大。

3、非晶体的基本概念:
非晶体不具有上述特征。

在非晶体中原子（或分子、离子）无规则地堆积在一起。

4、晶体学(crystallography)的基本知识
空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。

阵点：空间点阵中的点。

它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。

晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格子。

晶胞：空间点阵中具有代表性的基本单元。

同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞。

晶格常数: 为了描述晶胞的形状和大小，通常采用交于一点的三条棱边的边长及棱间夹角等六个点阵系数来表达。

晶系，晶面与晶向，晶带轴，间隙
5、晶面，晶向
6、fcc和hcp都是密排结构，而bcc则是比较“开放”的结构；fcc和hcp金属中的八面体间隙大于四面体间隙，故这些金属中的间隙元素的原子必位于八面体间隙；fcc和hcp晶体中的八面体间隙远大于bcc中的八面体或四面体间隙,因而间隙原子在fcc和hcp中的溶解度往往比在bcc中的大得多；
题：分别写出立方晶系中{110}和{100}晶面族包括的晶面
7.①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晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。

③配位数：指晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数目。

④致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。

8、单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。

单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。

原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。

9、在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为{110}；原子密度最大的晶向为<111>。

在面心立方晶格中, 密排面为{111}, 密排方向为<110>
6 4
4 6
1 3
体心立方致密度：0.68 面心立方0.74 密排六方0.74
第三章晶体缺陷
1、缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。

理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。

实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。

2、分类方式：
几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷等
形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等
3、点缺陷：缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。

包括：空位，间隙质点，错位原子或离子，外来原子或离子（杂质质点），双空位等复合体。

点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。

4线缺陷：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。

如各种位错。

线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。

5、面缺陷：又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。

如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。

面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。

6、体缺陷：在三维方向上尺寸都比较大的缺陷。

例如，固体中包藏的杂质、沉淀和空洞等。

7、点缺陷平衡浓度：通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶体中最稳定的状态是含有一定浓度的点缺陷的状态，这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平衡浓度。

经热力学推导：
C = n/N = Aexp（－U/kT）
C与T、U之间呈指数关系。

T上升、C升高。

8、位错的基本类型
刃型位错，螺型位错，混合位错
9、位错的运动
位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移
在一定的切应力的作用下，位错在滑移面上受到垂至于位错线的作用力。

当此力足够大，足以克服位错运动时受到的阻力时，位错便可以沿着滑移面移动，这种沿着滑移面移动的位错运动称为滑移。

刃型位错的位错线还可以沿着垂直于滑移面的方向移动，刃型位
错的这种运动称为攀移。

10、螺型位错：在滑移时，螺型位错的滑移方向与位错线垂直，也与柏氏矢量垂直。

对于螺型位错，位错线与柏氏矢量平行，故它的滑移不限于单一的滑移面上。

对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可成为其滑移面，因此，当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。

如果交滑移后的位错再转回原滑移面平行的滑移面上继续运动，称双交滑移。

11、
第四章固体材料中原子的扩散
1、扩散的分类
扩散(diffusion): 在一个相内因分子或原子的热激活运动导致成分混合或均匀化的分子动力学过程。

（1）根据有无浓度变化
自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。

(如金属的晶粒长大：无浓度变化。

)
互扩散：原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。

（有浓度变化）
（2）根据扩散方向
下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。

上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。

（3）根据是否出现新相
原子扩散：扩散过程中不出现新相。

反应扩散：由之导致形成一种新相的扩散。

2、固态扩散的条件：
（1）温度足够高；
（2）时间足够长；
（3）扩散原子能固溶；
（4）具有驱动力：具有化学位梯度。

3、菲克第一定律：当固体中存在着成分差异时，原子将从浓度高处向浓度低处扩散，扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比。

稳态扩散
J: 扩散通量(mass flux), kg/(m2s)
D: 扩散系数(diffusivity), m2/s
: 质量浓度，kg/m3
: 浓度梯度
菲克第二定律：在扩散过程中某点的浓度随时间的变化率与浓度分布曲线在该点的二阶导数成正比。

4、上坡扩散：物质从低浓度区向高浓度区扩散，扩散的结果提高了浓度梯度，这种扩散称为“上坡扩散”。

从热力学分析可知，扩散的驱动力并不是浓度梯度，而应是化学势梯度，由此不仅能解释通常的扩散现象，也能解释“上坡扩散”等反常现象。

决定组元扩散的基本因素是化学势梯度，不管是上坡扩散还是下坡扩散，其结果总是导致扩散组元化学势梯度的减小，直至化学势梯度为零。

5、可能的扩散机制
1、易位：两个质点直接换位
2、环形扩散：同种质点的环状迁移
3、准间隙扩散：从间隙位到正常位，正常位质点到间隙
4、间隙扩散：质点从一个间隙到另一个间隙
5、空位扩散：质点从正常位置移到空位
6、影响扩散的因素：
1、温度
2、固溶体类型
3、晶体结构
4、晶体缺陷
5、应力作用
6、化学成分
7、多种扩散的含义
体积扩散(Db): (晶格扩散，本征扩散)
界面扩散(Dg): 晶界扩散－－液相少时主要
相界扩散－－液相多时主要
表面扩散(DS)
8、反应扩散：通过扩散而形成新相的现象称为反应扩散，也称为相变扩散。

反应扩散包括两个过程：一是扩散过程；一是界面上达到一定浓度即发生相变的反应过程。

反应扩散取决于两个因素：
反应速度：若由反应控制，则反应扩散层厚度与时间呈直线关系原子扩散速度：若由原子扩散控制，则反应扩散厚度与时间呈抛物线关系。

反应扩散的特点：
二元系扩散层中不存在两相共存区，且在相界面的浓度是突变的；
三元系扩散层中不存在三相共存区
因为扩散的驱动力是化学位梯度；而多相共存的条件为化学位相等。

9、烧结
烧结过程如下：将压实的粉末加热到高温，在初期，相互接触的颗粒开始逐渐形成颈的连接烧结初期主要是表面扩散，后期主要是晶界扩散。

烧结速率主要取决于两个因素：
②末原材料的颗粒粗细；
②原子的扩散速率，这决定于温度。

第五章相平衡相图原理
1、相图是表示材料成分、温度、压力及其状态之间关系的几何图形，故相图又被称之为状态图
2、相平衡：
相与相之间的转变称为相变。

若多相体系的各相中每种物质的浓度不随时间而变，或者说多相体系中各相的相对量不随时间而变，则体系达到相平衡。

相平衡是一个动态平衡。

3、由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或纯晶体，该体系称为单元系。

从一种相到另一种相的转变称为相变。

由液相至固相的转变称为凝固；
如凝固后的固体为晶体，称为结晶。

由不同固相之间的转变称为固态相变
4、相变
相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化时，物相在某一特定条件下发生的突变。

相变表现为：
从一种结构转变为另一种结构。

化学成分的不连续变化。

物质物理性能的突变。

5、气体，不论有多少种气体混合，只有一个气相
液体，按其互溶程度可以组成一相、两相或三相共存。

固体，一般有一种固体便有一个相。

两种固体粉末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液除外，它是单相）
相图（phase diagram）表达多相体系的状态如何随温度、压力、组成等强度性质变化而变化的图形，称为相图。

6、热力学平衡条件：1。

热平衡条件2.压力平衡条件3.相平衡条件4.化学平衡条件
7、自由度（degrees of freedom）确定平衡体系的状态所必须的独立强度变量的数目称为自由度，用字母 f 表示。

这些强度变量通常是压力、温度和浓度等。

8、如果已指定某个强度变量，除该变量以外的其它强度变量数称为条件自由度，用表示。

例如：指定了压力，指定了压力和温度，
9、独立组分数
定义：，在平衡体系所处的条件下，能够确保各相组成所需的最少独立物种数称为独立组分数。

它的数值等于体系中所有物种数S 减去体系中独立的化学平衡数R，再减去各物种间的浓度限制条件R'。

相律：f =C – P + 2，
相律是相平衡体系中揭示相数P ，独立组分数C和自由度 f 之间关系的规律，可用上式表示。

式中2通常指T，p两个变量。

相律最
早由Gibbs提出，所以又称为Gibbs相律。

10、建立相图的方法：1。

计算法2.热分析法
11.对于二元相图，影响状态的因素只有第二组元的浓度和温度两个参数。

所以对于二元相图，是以横坐标表示成分，纵坐标表示温度的温度－成分平面图形。

第六章材料的凝固
1.凝固：物质由液态转变成固态的过程。

2.结晶：晶体物质由液态转变成固态的过程；物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。

3.凝固：物质从液态到固态的转变过程。

若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。

凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。

凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。

4.液态金属的结构起伏是凝固形核的基础
5. 液态金属的结构的定性分析：
根据：相变吸热－－键－－断裂
推断：熔化吸热－－少量金属键断裂
推论：液态金属相对于固态金属，原子配位数降低，或原子平均间距有限增大。

6. 熔化过程体积变化率小，仅3~5％；
金属熔化时熵Sm（无序程度）明显增加；
微观结构分析证明液态金属中还存在短程有序
7. 液态金属的结构长程无序，但存在短程有序；原子热运动强烈，导致局部的原子有序排列不断地变化，不断消失又不断生成，“此起彼伏”。

液态金属中这种结构不稳定的现象称为结构起伏或相起伏。

可推断：液态金属中的原子堆垛并非完全混乱的，而是在许多微小区域内存在着与固态金属中的原子排列近似的原子集团，这种结构称为近程规则排列或晶胚。

8. 凝固过程包含：形核和长大两个基本阶段。

金属的结晶包括晶核（晶体核心）的形成和晶核长大（晶体生长）两个基本过程。

9. 均匀形核：(匀质形核，自发形核）新相晶核是在母相中均匀地生成的，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。

这种晶核是在液相内部结构起伏的基础上形成的。

特点：液相内各处同时形核，
单位体积内形成的晶核数相同
10. 非均匀形核：（异质形核，非自发形核）新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。

是在固体夹杂或容器壁等现成表面上形成的。

实际的形核过程都是非均匀形核
11.形核率：
形核率N：单位时间、单位体积内形成的晶核数。

当晶胚长成临界r*，有两种可能：A继续长大 B重溶消失
从理论上讲：临界晶胚只要增加一个原子，就成为稳定长大的晶核；临界晶胚失去一个原子，则重溶消失。

12非均匀形核
液体金属中常夹有一些固体粒子，它们与液体金属之间有现成的界面；另外，金属结晶时总要与器壁接触，如铸模的模壁。

非自发晶核就是在这些现成的界面上形成的。

非均匀形核借助于模壁、杂质、自由表面等处形核，降低了形核功。

13. 影响晶体生长的主要因素：
（1）热力学因素：液-固界面前沿的温度
动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。

（2）液-固界面结构
（3）对合金来说，还与液-固界面前沿合金成分和性质有关。

14. 液-固界面的构造
粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构。

光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。

15. 光滑界面：宏观上看为弯折小平面状，微观上液固界线分明，无过渡层
粗糙界面：宏观平滑，微观上看存在几个原子层厚的过渡层，高低不平
16. 形核之后晶体生长成什么形态，取决于：
固-液界面的微观结构
界面前沿液相中的温度分布情况。

17. 晶粒的数量与形核率及长大速度有关：
形核率高，晶粒越多（细）；长大速度越高，晶粒越少（粗）。

18.非均匀形核时的溶质再分配：
1. 固相无扩散，成分不均匀；液相完全混合（充分扩散，混合均匀），成分均匀（正常凝固），
2. 固相无扩散，成分不均匀; 液相完全不混合（非正常凝固）
3. 固相无扩散，成分不均匀；液相部分混合，成分不均匀（非正常凝固）
19. 成分过冷: 合金在不平衡凝固时，液固界面前沿的液相中形成溶质富集层，因富集层中各处的合金成分不同，具有不同的熔点，造成液固前沿的液相处于不同的过冷状态。

这样，过冷度既与实际温度分布有关，又与溶质分布有关，此即“成分过冷”。

20. 成分过冷度很小或没有成分过冷，平直界面；
成分过冷度较大时，胞状晶；
成分过冷度很大时，树枝晶。

21. 铸态组织缺陷：1.缩孔2.气孔3.夹杂4.裂纹5.偏析
22.凝固技术的应用：
1.定向凝固：原理：单一方向散热获得柱状晶。

通过控制冷却方式，铸件从一端开始凝固，按一定方向逐步向另一端发展的结晶过程。

2.单晶制备：基本原理：根据结晶理论，制备单晶的基本要求是
液体结晶时只存在一个晶核，要严格防止另外形核。

制备方法：尖端形核法和垂直提拉法
3．区域提纯：
4.快速凝固技术：
第十章：材料的变形与回复再结晶
1、单晶体的塑性变形：
单晶受力后，在它晶面上可以分解出平行于晶面和垂直于晶面的两个分量，前者称为切应力，后者称为正应力。

切应力产生塑性形变而正应力不产生塑性形变。

滑移，孪生，扭折
2、滑移
滑移系：
①晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方向进行，我们将其称为滑移面和滑移方向
②滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶面和晶向，这是由于最密排面的面间距最大，因而点阵阻力最小，容易发生滑移，而沿最密排方向上的点阵间距最小，从而使导致滑移的位错的柏氏矢量也最小。

③每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系，滑移系表明了晶体滑移时的可能空间取向。

3、滑移系数目与材料塑性的关系
一般滑移系越多，塑性越好；
与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；
与同时开动滑移系数目有关。

4. 滑移变形的特点：
（1）滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）进行。

（2）滑移只能在切应力的作用下发生。

（3）滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍。

（4）滑移是晶体内部位错在切应力下作用的结果
5、孪生：
单晶体中如果滑移系由于某些情况而不能开动，就会发生另一种重要的变形，这就是孪生。

在金相显微镜下一般呈带状，称为孪晶带。

6.孪生的晶体学
孪生是以晶体中一定的晶面（称为孪晶面）沿着一定的晶向（孪生方向）移动而发生的。

在切变区域内，与孪晶面平行的各层晶面的相对位移是一定的。

6.多晶体塑性变形的特点：不同步性，不均匀性，协调性。

7.晶界在多晶体塑性形变中的作用：协调作用，障碍作用，促进作用，起裂作用。

8. 晶粒大小对塑性变形的影响
晶粒越细，强度越高：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越
大。

晶粒越细，塑韧性提高：晶粒越多，变形均匀性提高，由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。

细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现高韧性。

9. 固溶强化的影响因素：
（１）溶质原子含量越多，强化效果越好；
（２）溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；
（３）溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好；
（４）间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子
10.加工硬化：
定义：金属经冷加工变形后，其强度、硬度增加、塑性降低。