材料科学基础

材料科学基础

绪论工程材料（按属性分类）：金属材料、陶瓷材料和高分子材料，也可由此三类材料相互组合而成复合材料。材料科学基础：研究材料的成分、结构、组织、加工工艺与性能之间的关系及其变化规律。主要任务：了解材料组织结构的形成规律，了解材料在性能上产生差异的原因。

第一章 材料中的晶体结构

1-1 晶体 一、晶体及其性质（一）晶体：构成固体的基本粒子（原子、离子、分子、原子集团）在三维空间呈规则分布或排列。

1-1 晶体 高分辨电镜（High Resolution Electron Microscope, HREM）直接观察晶体中原子的规则排列。

1-1 晶体 （二）晶体的性质：（1）组成晶体的各种粒子在空间是呈有规律的周期性重复排列。（2）具有规则多面体的对称外形。（3）具有固定的熔点。（4）具有各向异性。

1-1 晶体 晶粒：晶体中原子排列规律相同、位向一致的小区域。单晶体：仅由一个晶粒组成的晶体。多晶体：由多个晶粒组成的晶体。晶界：相邻晶粒之间的分界面。

1-1 晶体 二、晶体中的结合键（一）金属键：由金属中的自由电子与金属正离子之间产生强烈的静电相互作用所构成的键合。金属键既无饱和性也无方向性。

1-1 晶体 （二）共价键：相邻原子各给出一个电子作为二者共有，原子借共用电子对所产生的力而结合。共价键既有饱和性又有方向性。

1-1 晶体 （三）离子键：失掉电子的正离子和得到电子的负离子依靠静电引力而结合。离子键无方向性。

1-1 晶体 （四）分子键（范德华键）：组成晶体的中性原子或中性分子互相靠近时，出现电子的不均匀分布，从而使正、负电荷的中心发生偏离，形成电偶极子，电偶极子的异极相吸而结合。分子键无饱和性和方向性。

1-1 晶体 （五）氢键：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。氢键既有饱和性也有方向性。

1-1 晶体 二、晶体中原子间的作用力及结合能（一）晶体中原子间作用力平衡距离：两相邻原子之间的作用力为零时原子间的距离（r0）。

1-1 晶体 （二）结合能平衡距离下的原子间相互作用能。离子键、共价键的结合能最大，金属键次之，其后为氢键，分子键的结合能最低。

1-2 晶体学基础 一、空间点阵和晶胞（一）空间点阵空间点阵阵点晶格结点

1-2 晶体学基础 （二）晶胞 1.概念：点阵中具有代表性的基本单元（最小平行六面体）

1-2 晶体学基础 2. 晶胞的选取原则 (1) 选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性； (2) 平行六面体内的棱和角相等的数目应最多； (3) 当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多； (4) 在满足上述条件下，晶胞应具有最小的体积。

1-2 晶体学基础 3. 晶胞的分类简单晶胞：只在平行六面体的八个顶角上有阵点。复合晶胞：除在平行六面体顶角位置含有阵点外，在体心、面心、底心等位置上亦存在阵点。

1-2 晶体学基础 4. 点阵参数棱边边长：a、b、c（称为点阵常数或晶格常数）棱间夹角：、、

晶系棱边长度及夹角关系举例三斜单斜正交六方菱方四方立方 a≠b≠c, ≠≠≠90 a≠b≠c, ==90≠ a≠b≠c, ===90 a=b≠c, ==90, =120 a=b=c, ==≠90 a=b≠c, ===90 a=b=c, ===90 K2CrO7 -S、CaSO42H2O -S、Ga、Fe3C Zn、Cd、Mg、NiAs As、Sb、Bi -Sn、TiO2 Fe、Cr、Cu、Ag、Au 1-2 晶体学基础（三）晶系和布拉菲点阵 1.晶系（七个）

布拉菲点阵 晶系布拉菲点阵晶系简单三斜三斜简单六方六方简单单斜底心单斜单斜简单菱方菱方简单四方体心四方四方简单正交底心正交体心正交面心正交正交简单立方体心立方面心立方立方 1-2 晶体学基础 2. 布拉菲点阵（十四种）：每个阵点的周围环境相同

1-2 晶体学基础

1-2 晶体学基础 （四）晶体结构与晶体点阵晶体结构：晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况

1-2 晶体学基础 晶体点阵：晶体中实际原子、离子或分子中心的具体排列情况

 1-2 晶体学基础不同的晶体结构类型属于相同的空间点阵 Cu晶体 NaCl晶体 CaF2晶体

Cr晶体 CsCl晶体 1-2 晶体学基础相似的晶体结构类型属于不同的空间点阵

1-2 晶体学基础 思考题：说明为何十四种布拉菲点阵中不存在底心四方点阵和面心四方点阵？

1-2 晶体学基础 二、原子坐标、晶面指数和晶向指数（一）原子（阵点）坐标原子坐标的表示方法： P点坐标可表示为 [[x, y, z]]或[[x y z]]

1-2 晶体学基础 （二）晶面与晶面指数 1. 晶面不在同一直线上的三个以上原子所构成的平面。 2. 晶面指数及其表示方法通常采用密勒指数（Miller Index）来标定晶面指数。

1-2 晶体学基础 （1）已知晶面标定其晶面指数标定步骤： 1）以晶胞的某一阵点O为坐标原点，过原点O的三个棱边为坐标轴x、y、z； 2）求得待定指数晶面在三个坐标轴上的截距； 3）取各截距的倒数； 4）将三倒数化为互质的整数，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为（h k l）。

1-2 晶体学基础 （2）已知晶面指数确定其标示的晶面确定步骤： 1）在晶胞中确定坐标原点O，以过原点O的三个棱边为坐标轴x、y、z； 2）取各晶面指数的倒数，即可得到该晶面在三个坐标轴上的截距； 3）根据三个截距确定该晶面与三个坐标轴的交点，将三个交点依次用直线连接起来，即可画出相应晶面。

1-2 晶体学基础 3. 晶面族与同一晶面晶面族：原子的排列状况完全相同，只是空间位向不同的所有晶面。晶面族的表示方法：{hkl} 同一晶面：原子的分布状况完全相同，空间位向也相同的所有晶面。

1-2 晶体学基础 （三）晶向与晶向指数 1. 晶轴：两个以上原子所构成的直线。 2. 晶向：两个以上原子所构成的原子列的方向。 3. 晶向指数及其表示方法通常也采用密勒指数（Miller Index）来标定晶向指数

1-2 晶体学基础 （1）已知晶向标定其晶向指数标定步骤： 1）以待定晶向的始点O为坐标原点，过原点O的三个棱边为坐标轴x、y、z； 2）在待定指数晶向上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值； 3）将3个坐标值化为最小整数u、v、w，并加上方括号，即表示该晶向的指数，记为[u v w] 。

1-2 晶体学基础 （2）已知晶向指数确定其标示的晶向确定步骤： 1）在晶胞中确定坐标原点O，以过原点O的三个棱边为坐标轴x、y、z； 2）将晶向指数中的最大数字归一化，即得到P点的阵点坐标值，并确定出P点的位置； 3）由O点向P点引矢量，即可画出相应晶向。

1-2 晶体学基础 4. 晶向族晶向族：原子的排列状况完全相同的所有晶向。晶向族的表示方法：<uvw>

1-2 晶体学基础 (四) 六方晶系的晶面指数和晶向指数 1. 晶面指数采用四轴指数表示，即（h k i l），其中 i = - (h + k)

1-2 晶体学基础 2. 晶向指数采用四轴指数表示，即[uvtw]，其中： t = - (u + v)

1-2 晶体学基础 3. 三轴指数与四轴指数间的换算对晶面指数：从四轴指数（hkil）转换成三轴指数（hkl）时，只要去掉 i 即可，反之则直接加上i = - (h + k) 。对晶向指数，三轴指数[UVW]与四轴指数[uvtw]之间的互换关系为：

1-2 晶体学基础 • (五) 晶带与晶带定律 • 晶带：所有平行或相交于 • 同一直线的晶面。 • 2. 晶带定律：晶带轴[u v w] • 与该晶带的晶面(h k l) • 之间存在以下关系：

1-2 晶体学基础 3. 晶带定律的推论 1）已知两个不平行的晶面（h1k1l1）和（h2k2l2），则其所属晶带轴[uvw]可以从下式求得： 2）已知二晶向[u1v1w1]和[u2v2w2]，由此二晶向所决定的晶面指数(hkl)则为：

1-2 晶体学基础 3）已知三个晶面(h1k1l1)、(h2k2 l2)和(h3k3l3)，若有：，则此三个晶面同属一个晶带。 4）已知三个晶轴[u1v1w1]、[u2v2w2]和[u3v3w3]，若：，则三个晶轴在同一个晶面上。

1-2 晶体学基础 (六) 晶面间距晶面间距：最近邻的两个晶面间的距离。 低指数晶面的面间距通常较大，而高指数晶面的面间距则较小。 晶面间距愈大，则该晶面上的原子排列愈密集，晶面间距愈小，则原子排列愈稀疏。

1-2 晶体学基础 对于立方晶系，晶面间距的计算公式为：对于面心立方晶体，当h、k、l不全为奇数或不全为偶数时，对于体心立方晶体，当h+k+l奇数时，均含有单纯由体心、面心原子组成的附加原子面，故实际的晶面间距应为dhkl /2。

思考题： 1. 画出面心立方晶体中（111）面上的[11]晶向。 2. 何谓晶带定律？判断( 10)、( 2)和( 11) 晶面是否属于同一晶带。 3. 分别计算晶格常数为a的面心和体心立方晶体{110}晶面的面间距。 1-2 晶体学基础

1-3 常见的晶体结构 一、金属晶体结构（一）三种典型金属晶体结构 1. 面心立方结构（1）晶胞模型（2）单胞原子数（3）原子半径（4）配位数和致密度（5）原子面密度（6）重要的晶面和晶向（7）具有面心立方结构的典型金属

1-3 常见的晶体结构 2. 体心立方结构（1）晶胞模型（2）单胞原子数（3）原子半径（4）配位数和致密度（5）原子面密度（6）重要的晶面和晶向（7）具有体心立方结构的典型金属

1-3 常见的晶体结构 3. 密排六方结构（1）晶胞模型（2）单胞原子数（3）原子半径（4）配位数和致密度（5）原子面密度（6）重要的晶面和晶向（7）具有密排六方结构的典型金属

1-3 常见的晶体结构 思考题： 1. 分别画出面心立方、体心立方、密排六方晶胞，并分别计算面心立方、体心立方、密排六方晶体的致密度。 2. 分别计算面心立方晶体{111}晶面和体心立方晶体{110}晶面原子面密度。

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