材料科學(xué)基礎(chǔ)(講稿1-4章)

材料科學(xué)基礎(chǔ)劉宏玉2015年3月1導(dǎo)論材料科學(xué)的重要地位工程材料的分類及性能特點材料性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系材料制備和加工工藝對性能的影響本課程的任務(wù)課程的主要內(nèi)容教學(xué)和考核方式2一、材料科學(xué)的重要地位人類使用材料的7個時代的開始時間：公元前10萬年→石器時代公元前3000年→青銅器時代公元前1000年→鐵器時代公元0年→水泥時代1800年→鋼時代1950年→硅時代1990年→新材料時代：以人造為特征；為特定的需要設(shè)計和加工而成。3二、工程材料的分類及性能特點按使用性能分：結(jié)構(gòu)材料：主要用其力學(xué)性能。功能材料：主要用其物理性能。按屬性分：金屬材料陶瓷材料高分子材料（復(fù)合材料）41、金屬材料使用量最大，使用面最廣。高強度，良好的延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。黑色金屬有色金屬52、陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷：由粘土、石英、長石等成分組成，用于建筑材料。新型結(jié)構(gòu)陶瓷：Al2O3、SiC、Si3N4等成分。優(yōu)點:①重量輕；②壓縮強度高；③熔點高；④耐磨性好；⑤化學(xué)穩(wěn)定；⑥電、熱絕緣。但脆、不易成形63、高分子材料又稱聚合物。低密度，高彈性，絕緣性，低導(dǎo)熱，低強度，低彈性模量，易老化。按用途分：塑料合成纖維橡膠4、復(fù)合材料高比強度，高比模量，抗疲勞。塑料基金屬基陶瓷基75、功能材料電功能材料磁功能材料形狀記憶合金。。。各種特殊的物理、化學(xué)性能。8三、材料性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系各種材料的性能是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。內(nèi)部結(jié)構(gòu)分四個層次：原子結(jié)構(gòu)結(jié)合鍵原子的排列方式（晶體和非晶體）顯微組織9四、材料的制備與加工工藝對性能的影響鋼材→零件：冶煉、澆鑄、軋制、鍛造、熱處理、表面處理液態(tài)→固態(tài)凝固：

發(fā)動機葉片：傳統(tǒng)為熔模鑄造，通常凝固葉片組織為任意取向小單晶；定向凝固為一定方向的柱狀晶，甚至單晶。工作溫度由850℃提高到1100℃。研究各種材料的制備與加工工藝是材料工程類各專業(yè)的任務(wù)。10五、本課程的任務(wù)（什么是材料科學(xué)？）是研究各種材料的結(jié)構(gòu)、制備加工工藝與性能之間關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)與工程四要素11六、課程的主要內(nèi)容ⅠⅡ材料結(jié)構(gòu)的基本知識材料中的晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷材料的相結(jié)構(gòu)及相圖材料的凝固高分子材料的結(jié)構(gòu)固態(tài)擴散材料的變形與斷裂固體材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能12七、教學(xué)和考核方式1、教學(xué)方式課堂講授課堂討論課堂練習(xí)課外作業(yè)考勤2、考核方式期末閉卷考試30%平時成績+70%期末成績13第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識結(jié)構(gòu)分4個層次：原子結(jié)構(gòu)結(jié)合鍵原子的排列顯微組織14第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)一、原子的電子排列1、原子的核式結(jié)構(gòu)原子由原子核及核外電子構(gòu)成原子核：體積小，質(zhì)量大，帶正電電子：質(zhì)量可忽略，在一定軌道繞核旋轉(zhuǎn)，帶負電2、電子分布（1）4個量子數(shù)：①主量子數(shù)n：電子能級的殼層序數(shù)。n=1,2,3,…7；②次量子數(shù)l(角量子數(shù)、軌道量子數(shù))：l=0,1,2,…,確定每一殼層的亞殼層數(shù)目(spdf)15③磁量子數(shù)m：確定每一亞殼層中空間取向不同的軌道數(shù)目。m=0,±1，±2，…,軌道空間取向（spdf→1357）④自旋量子數(shù)ms：確定每一軌道中能容納的電子數(shù)目。ms=+1/2,-1/2各殼層能夠容納的電子總數(shù)：2n2(n-主量子數(shù))16（2）兩個基本原理：①泡利不相容原理；一個原子中不可能存在有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子。②最低能量原理：電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。（3）能級的重疊相鄰主殼層的能量范圍有重疊17例題

：寫出原子序數(shù)為11的鈉原子及原子序數(shù)解：

Na:1s22s22p63s1Ca:1s22s22p63s23p64s23、原子的活潑程度主要取決于外殼層（S層和P層）填滿與否例如：為20的鈣原子的電子分布

He：1s2

Ne：…2s22p6

Ar：…3s23p6

Kr：…4s23d104p6

Xe：…5s24d105p6Rn：…6s24f145d106p6

Na：…3s118二、元素周期表及性能的周期性變化191、周期對應(yīng)于電子主殼層2、同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)和相似的化學(xué)性質(zhì)3、過渡族元素具有未滿的內(nèi)殼層和典型的金屬性4、ⅠB族和ⅡB族的內(nèi)殼層填滿，ⅠA族和ⅡA族的內(nèi)殼層未滿，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和ⅡA族活潑例如：Cu：…3p63d104s1K：…3p64s1205、電負性呈周期性變化：同周期自左至右逐漸增強，同族自上而下逐漸減弱21第二節(jié)原子的結(jié)合鍵一次鍵二次鍵混合鍵結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距結(jié)合鍵與性能22按結(jié)合力強弱分：一次鍵：通過電子的轉(zhuǎn)移或共享使原子結(jié)合的結(jié)合鍵．包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵，結(jié)合力較強．二次鍵：通過偶極吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵．包括氫鍵、范德瓦爾斯鍵，結(jié)合力較弱．一、一次鍵1、離子鍵通過正負離子間相互吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵．

23例如：NaCl,MgO對于NaCl：Na：1S22S22P63S1Cl：1S22S22P63S23P5Na原子失去一個外層電子，變成正離子，帶正電Cl原子得到一個外層電子，變成負離子，帶負電24252、共價鍵通過共用電子對使原子結(jié)合的結(jié)合鍵．例如，金剛石…26(1)具有方向性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性．金剛石109.5°(2)8-N定律—一個原子周圍的共用電子對的數(shù)目，其中，Ｎ為原子的價電子數(shù)ⅣA族，4個共用電子對，空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)ⅤA族，3個共用電子對，空間層狀結(jié)構(gòu)ⅥA族，2個共用電子對，空間鏈狀結(jié)構(gòu)273、金屬鍵通過正離子與自由電子之間相互吸引力使原子結(jié)合的結(jié)合鍵。價電子脫離原子成為“電子氣”，正離子整齊地排列在“電子氣”的海洋中．金屬具有高的密度，良好的塑性，導(dǎo)電，導(dǎo)熱，固態(tài)溶解28二、二次鍵1、范德瓦耳斯鍵具有穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的原子或分子通過電偶極矩相互吸引而結(jié)合的結(jié)合鍵。如石蠟、塑料…292、氫鍵含氫的分子具有極性，與另一個具有較強電負性的原子通過氫離子而結(jié)合的結(jié)合鍵。如冰…

X-H-YX-H:離子鍵H-Y：氫鍵30三、混合鍵大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往是各種鍵的混合。1、一次鍵混合（1）共價鍵與金屬鍵混合如ⅣA族中，CSiGeSnPb共價鍵共價鍵＋金屬鍵金屬鍵再如，過渡族元素，有時會出現(xiàn)少量共價鍵31（2）金屬鍵與離子鍵混合如金屬間化合物中（3）共價鍵與離子鍵混合如陶瓷化合物中AB化合物中離子鍵的比例取決于組成元素的電負性差，差越大，離子鍵比例越高：XA,XB–A,B的電負性數(shù)值。（表1-2，P17）32例題:計算化合物(1)MgO、(2)GaAs中離子鍵結(jié)合的比例．解：(1)MgO查電負性表得XMg

=1.31,XO

=3.44代入公式得,離子鍵結(jié)合比例＝68%(2)GaAs查電負性表得,XGa

=1.81,XAs

=2.18代入公式得,離子鍵結(jié)合比例＝4%33由表可見，A、B原子間的電負性差越大，所形成的AB化合物中離子鍵結(jié)合的比例越高342、一次鍵與二次鍵混合例如：石墨:片層中為共價鍵,片層間為范德瓦爾斯鍵高分子:分子鏈中為共價鍵,鏈與鏈之間為二次鍵35四、結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距1、結(jié)合鍵的本質(zhì)

—結(jié)合鍵的強弱反映了原子或分子間結(jié)合時互作用能降低的程度．離子鍵、共價鍵最強，金屬鍵次之，氫鍵再次之，范德瓦爾斯鍵最弱。362、原子間的互作用力及結(jié)合能（1）雙原子模型固體原子間總存在著兩種力：吸引力、排斥力引力與斥力相等時，r0稱原子間距。平衡距離下的作用能定義為原子的結(jié)合能Ｅ0結(jié)合能越大，原子結(jié)合越穩(wěn)定。37（2）原子結(jié)合能的實驗測定及理論計算實驗測定原理測定固體的蒸發(fā)熱理論計算(自學(xué)P24例題)五、結(jié)合鍵與性能1、對物理性能的影響1)熔點：共價鍵、離子鍵的最高，高分子材料 的最低．2)密度：金屬鍵的最高，共價鍵、離子鍵的較 低，高分子材料的最低．3)導(dǎo)電導(dǎo)熱性：金屬鍵最好，共價鍵、離子鍵最差。382、對力學(xué)性能的影響（1）強度：結(jié)合鍵強，則強度也高，但還受組織的影響．（2）塑韌性：金屬鍵最好，共價鍵、離子鍵最低.（3）彈性模量：共價鍵、離子鍵最高，金屬鍵次之，二次鍵最低39第三節(jié)原子排列方式晶體與非晶體原子排列的研究方法一、晶體與非晶體1、晶體原子(原子團或分子)在空間有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的固體。一般情況下，金屬、大多數(shù)陶瓷、少數(shù)高分子材料為晶體。40非晶體：排列無序，不存在長程的周期規(guī)則排列。二氧化硅結(jié)構(gòu)示意圖a)晶體b)非晶體412、結(jié)晶過程晶核形成晶核長大423、晶體與非晶體性能的主要差別晶體：有確定熔點單晶體各向異性多晶體各向同性非晶體：無確定熔點各向同性43二、原子排列的研究方法X射線或電子束衍射原理布拉格定律：根據(jù)衍射分布圖，可分析晶體中原子排列的特征（排列方式、原子面間距等）44第四節(jié)晶體材料的組織1、結(jié)晶過程及多晶組織452、材料的組織各種晶粒的組合特征。即各種晶粒的相對量、尺寸大小、形狀及分布等特征。組織是影響材料性能的極為敏感而重要的結(jié)構(gòu)因素。463、組織的顯示與觀察宏觀組織：肉眼能觀察顯微組織：用金相顯微鏡或電子顯微鏡才能看到。磨光→拋光→浸蝕→顯微鏡下觀察：474、單相與多相組織（1）單相組織所有晶粒的化學(xué)組成相同，晶體結(jié)構(gòu)也相同。描述單相組織特征的主要用晶粒尺寸及形狀。（2）多相組織兩相以上的晶體材料，各個相具有不同的成分和晶體結(jié)構(gòu)。兩相例子：48第五節(jié)材料的穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)（平衡態(tài)結(jié)構(gòu)）能量最低的結(jié)構(gòu)。亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)能量相對較高的結(jié)構(gòu)。材料最終得到什么結(jié)構(gòu)，必須綜合考慮結(jié)構(gòu)形成的熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件。1、熱力學(xué)條件結(jié)構(gòu)形成時必須沿著能量降低的方向進行，或者說結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變必須存在一個推動力。49等溫等容過程：亥姆霍茲自由能變化，自發(fā)過程等溫等壓過程：吉布斯自由能變化，自發(fā)過程2、動力學(xué)條件反應(yīng)速度?；瘜W(xué)反應(yīng)動力學(xué)的Arhennius方程：v-反應(yīng)速度；Ａ－常數(shù)；Ｑ－激活能；Ｔ－熱力學(xué)溫度；Ｒ－氣體常數(shù)。50激活能的意義激活能可看作阻力。材料最終的結(jié)構(gòu)？取決于熱力學(xué)和動力學(xué)哪個起支配作用。51本章作業(yè)P36:第3題，第6題，第8題52第二章材料中的晶體結(jié)構(gòu)晶體可分為：①金屬晶體②離子晶體③共價晶體④分子晶體晶體結(jié)構(gòu)晶體中原子（離子或分子）在三維空間的具體排列方式。53主要內(nèi)容:晶體學(xué)基礎(chǔ)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)離子晶體的結(jié)構(gòu)共價晶體的結(jié)構(gòu)54第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ)空間點陣和晶胞晶系和布拉菲點陣晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶面間距晶帶及晶帶定理55第一節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ)一、空間點陣和晶胞1、空間點陣人為地將晶體結(jié)構(gòu)抽象為空間點陣。指由幾何點在三維空間作周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。2、陣點（結(jié)點）構(gòu)成空間點陣的每一個點。晶體→點陣→晶格→晶胞563、晶格人為地將陣點用一系列相互平行的直線連接起來形成的空間格架。4、晶胞構(gòu)成晶格的最基本單元，選取晶胞應(yīng)滿足的條件：①充分反映整個空間點陣的對稱性；②要具有盡可能多的直角；③晶胞的體積要最小。簡單晶胞：只在八個角點上有陣點；復(fù)合晶胞：體心、面心上也有陣點。575、晶胞形狀和大小的表達①由三個棱邊長度a、b、c（點陣常數(shù)）及其夾角α、β、γ六個參數(shù)完全表達。②點陣中任一陣點位置：r：原點到某陣點的矢量；u,v,w：沿三個點陣矢量方向平移的基矢數(shù)或坐標(biāo)值。

58二、晶系和布拉菲（A.Bravais）點陣7個晶系（表2-1，P40）14種空間點陣（布拉菲點陣）59三、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶向空間點陣中各陣點列的方向代表晶體中原子排列的方向。晶面空間點陣中任意一組陣點的平面代表晶體中的原子平面。60用密勒（Miller）指數(shù)來表示晶向和晶面指數(shù)。1、晶向指數(shù)確定步驟：（確定已知晶向的指數(shù)）①建立坐標(biāo)系：以待定晶向上的某一陣點為原點，晶軸為坐標(biāo)軸。②確定坐標(biāo)值：確定距原點最近的一個陣點的三個坐標(biāo)值。③化整并加方括號：坐標(biāo)值化為最小整數(shù)uvw，并加括號[uvw]，負號在數(shù)值上方。61特別說明：一個晶向代表相互平行、方向一致的所有晶向。兩晶向平行但方向相反→數(shù)字相同，符號相反。如晶體中原子排列相同，但空間位向不同的一組晶向，稱為晶向族，用<uvw>表示。如立方<111>包括：

立方體４個體對角線。如果不是立方晶系，改變晶向指數(shù)的順序所表示的晶向可能不是同等的。如：正交晶系中[100]、[010]、[001]不是等同晶向，因a≠b≠c，原子排列的情況不同，不屬于同一晶向族。62２、晶面指數(shù)確定步驟：（確定已知晶面的指數(shù)）①建立坐標(biāo)：以晶胞的某一陣點O為原點，以過原點的晶軸為坐標(biāo)軸，以點陣常數(shù)a、b、c為三個坐標(biāo)軸的長度單位?！镒鴺?biāo)原點的選取應(yīng)便于確定截距，且不能選在待定晶面上。②求截距：晶面與某坐標(biāo)軸平行，截距為∞。③取倒數(shù)。④化整并加圓括號→(hkl)63特別說明：(hkl)不是指一個晶面，而是代表著一組相互平行的晶面。平行晶面的面指數(shù)相同，或數(shù)字相同而正負號相反。晶體中具有相同條件（原子排列和面間距完全相同）而只是空間位向不同的各組晶面稱為晶面族，用{hkl}表示。如立方晶系中：對正交晶系，(100)、(010)、(001)原子排列情況不同，晶面間距不等，不屬于同一晶面族。立方晶系，相同指數(shù)的晶向和晶面必定相互垂直，如[100]⊥(100)，但不適應(yīng)于其它晶系。64課堂練習(xí)：A、寫出MN晶向指數(shù)65解：（1）選M點為原點，建立坐標(biāo)系（2）N點的坐標(biāo)：-1/2,1/2,1（3）化整數(shù)：-1，1，2（4）加括號：[-112]66B、寫出BCD晶面指數(shù)67解：（1）以A點為原點建坐標(biāo)系（2）求截距：-1/2,-3/4,1（3）取倒數(shù)：-2，-4/3,1（4）化整數(shù)：-6，-4，3（5）加括號(-6-43)68C、寫出圖示立方晶胞中晶向及晶面的指數(shù)693、六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)(1)確定已知晶面的指數(shù)（hkil）①建坐標(biāo)．四軸坐標(biāo)，坐標(biāo)軸為a1、a2、a3和c，坐標(biāo)原點不能位于待定晶面內(nèi)②求截距．以晶格常數(shù)為單位，求待定晶面在坐標(biāo)軸上的截距值③取倒數(shù)．將截距值取倒數(shù)④化整數(shù)．將截距值的倒數(shù)化為一組最小整數(shù)⑤加括號．（hkil），可以證明，i=－(h+k)70例題:71課堂練習(xí)寫出圖中六方晶胞六個側(cè)面的Miller-Bravais指數(shù)，及其晶面族的指數(shù)．72(2)確定已知晶向的指數(shù)[uvtw]移步法公式換算法正射投影修正系數(shù)法第１種方法—移步法：坐標(biāo)原點依次沿a1、a2、a3、c軸移動到待定晶向上的某個陣點，所移動步數(shù)即為［uvtw］第2種方法—公式換算法：73先用三軸坐標(biāo)系標(biāo)出待定晶向指數(shù)[UVW]，然后用下列公式換算成四軸坐標(biāo)系[uvtw]:74第３種方法－正射投影修正系數(shù)法：在四軸坐標(biāo)中，從待定晶向上的某個陣點向四個坐標(biāo)軸作垂直投影，給C軸的投影值乘以3/2，再將四個投影值化為一組最小整數(shù)，即為[uvtw]75課堂練習(xí):

寫出圖示六方晶胞中ABCDA晶面指數(shù)及其與晶胞表面交線的指數(shù)76解:(1)求ABCDA晶面指數(shù)1)四個軸的截距為:1,∞,-1,12)倒數(shù):1,0,-1,13)整數(shù)化:(10-11)(2)BA晶向:(晶向采用公式法)先求三軸坐標(biāo):1)坐標(biāo)原點為B點2)A的三軸投影:-1,-1,1[UVW]3)公式轉(zhuǎn)成四軸:-1/3,-1/3,2/3,14)整數(shù)化:[-1-123]5)AB=[11-2-3]77(3)BC晶向:先求三軸坐標(biāo):1)坐標(biāo)原點為B點2)C點的三軸投影:0,1,0[UVW]3)公式轉(zhuǎn)成四軸:-1/3,2/3,-1/3,04)整數(shù)化:[-12-10](4)CD晶向:先求三軸坐標(biāo):1)坐標(biāo)原點為C點2)D點的三軸投影:-1,0,1[UVW]3)公式轉(zhuǎn)成四軸:-2/3,1/3,1/3,14)整數(shù)化:[-2113]78(5)DA晶向:先求三軸坐標(biāo):1)坐標(biāo)原點為D點2)A點的三軸投影:0,-2,0[UVW]3)公式轉(zhuǎn)成四軸:4/3,-8/3,4/3,04)整數(shù)化:[4-840]5)化簡:[1-210]794、晶面間距（1）晶面間距-相鄰兩個平行晶面之間的距離。（2）計算公式對于各晶系的簡單點陣，晶面間距dhkl

與晶面指數(shù)(hkl)和點陣常數(shù)(a,b,c)之間有如下關(guān)系：80（3）特別說明1)應(yīng)用公式的條件：各晶系中的簡單點陣，如簡單立方點陣、簡單四方點陣、簡單正交點 陣、簡單六方點陣等。2)對于非簡單點陣，其某些面的面間距與簡單點陣的相同，某些卻是簡單點陣的分數(shù)倍。如，對于簡單立方，d100=a

對于面心立方，d100=a/23)較為穩(wěn)妥的方法是利用下式計算：

面間距＝面密度／體密度如：面心立方的81課后自主練習(xí):1.計算體心立方晶體{100}面間距2.計算面心立方晶體{110}面間距3.計算密排六方晶體(0001)面間距82（4）特點晶面間距越大，晶面上的原子排列越密集；晶面間距最大的晶面通常是原子最密排的晶面。低指數(shù)的晶面間距較大。835、晶帶(1)相交和平行于某一晶向直線的所有晶面的組合，稱為晶帶；此直線稱晶帶軸；同一晶帶中的晶面，稱共帶面。晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示[uvw];(2)晶帶定律晶帶軸[uvw]與該晶帶中任一晶面(hkl)之間均滿足：hu+kv+lw=084推論：兩個不平行晶面(h1k1l1)、(h2k2l2)必定屬于同一個晶帶，其晶帶軸[uvw]可由下式求得：[uvw]=h1k1l1×h2k2l2=兩不平行晶向[u1v1w1]、[u2v2w2]所決定的晶面指數(shù)（hkl）：85例題講解作圖表示立方晶體的晶面及晶向。書上例題（P44）

課后仔細閱讀。86金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)多晶型性晶體的原子半徑第二節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)87一、金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)FCC(face-centeredcubic)Cu,Ni,Al,γ-Fe…88體心立方結(jié)構(gòu)BCC(body-centeredcubic)Cr,V,β-Ti,α-Fe,δ-Fe…89密排六方結(jié)構(gòu)CPH(close-packedhexagonal)Zn,Mg,α-Ti…90原子密排面和密排方向一個晶胞中的原子數(shù)原子的配位數(shù)點陣常數(shù)致密度間隙原子堆垛方式911、原子最密排面和最密排方向結(jié)構(gòu)類型最密排面最密排方向fcc{111}<110>bcc{110}<111>cph{0001}<11-20>2、一個晶胞中的原子數(shù)fccbcccph42692每個晶胞所包含的原子數(shù)N:N=Ni+Nf/2+Nr/mNi:晶胞內(nèi)原子數(shù)；Nf:面心上的原子數(shù)；Nr:角頂上的原子數(shù)；m=8(立方晶系)；m=6（六方晶系）933、原子的配位數(shù)晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)。fccbcccph128124、點陣常數(shù)晶胞的棱邊長度a、b、c稱為點陣常數(shù)。如把原子看做半徑為r的剛性球，則：結(jié)構(gòu)類型點陣常數(shù)特征點陣常數(shù)fcca=b=cbcca=b=ccpha=b≠c94晶體中原子體積占總體積的百分數(shù)。K=nv/Vn-晶胞中原子數(shù)；v-一個原子的體積，v=4/3(πr3)；V-晶胞的體積。5、致密度fccbcccph0.740.680.7495若將晶體中的原子視為球形，則相互接觸的最近鄰原子間的空隙稱為間隙。間隙內(nèi)能容納的最大剛性球的半徑稱為 間隙半徑rB。間隙大小常用間隙半徑與原子半徑rA之比rB/rA

表示。6、間隙96（1）面心立方結(jié)構(gòu)晶體中的間隙正八面體間隙：位于晶胞各棱邊中點及體心位置。一個晶胞中共有4個。rB

/rA

≈0.41497正四面體間隙：位于晶胞體對角線的四分之一處。一個晶胞中共有8個。rB

/rA

≈0.22598（2）體心立方結(jié)構(gòu)晶體中的間隙扁八面體間隙：位于晶胞各棱邊中點及面心處。一個晶胞中共有6個。rB

/rA

≈0.15599四面體間隙：位于晶胞各面中線的四分之一處。一個晶胞中共有12個。rB

/rA

≈0.291100（3）密排六方結(jié)構(gòu)晶體中的間隙正八面體間隙：一個晶胞中共有6個。rB

/rA

≈0.414101正四面體間隙：一個晶胞中共有12個。rB

/rA

≈0.225102103原子密排面在空間沿其法線方向?qū)訉悠叫卸讯猓蓸?gòu)成各自的晶體結(jié)構(gòu)。7、原子的堆垛方式（1）fcc堆垛密排面：{111}ABCABCABC……104（2）cph堆垛密排面：{0001}ABABAB……105當(dāng)外界條件改變時，元素的晶體結(jié)構(gòu)可發(fā)生轉(zhuǎn)變。Fe：小于912℃，bcc,α-Fe;912-1394℃,fcc,γ-Fe;大于1394℃，bcc,δ-Fe;高壓下（150KPa），hcp,ε-Fe.二、多晶型性106例題講解P51（見黑板）107三、晶體結(jié)構(gòu)中的原子半徑1、原子半徑若將晶體中的原子看成剛球，則晶體中最近鄰的原子中心間距的一半定義為原子半徑。2、影響原子半徑的主要因素

原子半徑并非固定不變，受溫度、壓力、結(jié)合鍵、配位數(shù)以及外層電子結(jié)構(gòu)等因素的影響。108（1）溫度與壓力的影響一般隨溫度的升高和壓力的降低而變大。（2）結(jié)合鍵的影響結(jié)合鍵增強時，原子（或離子）半徑變小。

離子鍵、共價鍵：原子間距較??；范德瓦爾斯鍵：原子間距最大。FeFe2+Fe3+0.124nm0.083nm0.067nm109（3）配位數(shù)的影響原子半徑隨配位數(shù)的降低而減少。（4）原子核外層電子結(jié)構(gòu)的影響原子半徑隨原子序數(shù)的遞增而呈現(xiàn)周期性的變化。110111黑板：例題1例題講解112第三節(jié)離子晶體的結(jié)構(gòu)離子晶體的主要特點離子半徑、配位數(shù)和負離子配位多面體離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則離子晶體的典型結(jié)構(gòu)113一、離子晶體的主要特點離子鍵結(jié)合，鍵合力強，高熔點，小熱脹系數(shù)，高硬度，高脆性，絕緣性，無色透明。二、離子半徑、配位數(shù)和負離子配位多面體1、離子半徑從原子核中心到其最外層電子的平衡距離。用X射線結(jié)構(gòu)分析，可測得正負離子半徑之和R0=R+

+R-，再用鮑林公式計算出R+或R-。114用鮑林（Pauling）法計算離子半徑： 單價離子半徑：R1=Cn/(Z-σ)多價離子半徑：Rw=R1(W)-2/(n-1)式中,Z—原子序數(shù)W—離子價數(shù) σ—屏蔽常數(shù)n—外層電子的主量子數(shù) Cn—由n決定的常數(shù)1152、離子配位數(shù)離子周圍最近鄰等距離的異號離子數(shù)。如，NaCl晶體中，Na+的配位數(shù)為６，

Cl?的配位數(shù)也為６。1163、負離子配位多面體（1）由正離子周圍最近鄰等距離的負離子所構(gòu)成的多面體，正離子位于多面體中心。（2）離子晶體可以看成是由負離子配位多面體堆積而成。MgO晶格中的配位多面體—鎂氧八面體[MgO6]的連接方式117（3）負離子配位多面體的形狀取決于正、負離子半徑之比：R+/R-118三、離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則鮑林（L.Pauling）經(jīng)驗規(guī)則：1、鮑林第一規(guī)則：負離子配位多面體規(guī)則離子晶體中，正離子的周圍形成一個負離子配位多面體，正負離子間的平衡距離取決于離子半徑之和，而正離子的配位數(shù)則取決于正負離子的半徑比。1192、鮑林第二規(guī)則：電價規(guī)則(共用同一個頂點的多面體數(shù)目，即負離子的配位數(shù))在一個穩(wěn)定的離子晶體中，每個負離子的電價Z-等于或接近等于與之鄰接的各正離子靜電鍵強度S的總和，即

Z-=∑Si=∑(Z+/n)i正離子的靜電鍵強度：S=Z+/n

Z+-正離子電荷；

n-正離子的配位數(shù)。在一個離子晶體中，一個負離子必定同時被一定數(shù)量的負離子配位多面體所共有。120對于MgO:Z+=2,Z?=2,n=6則，S=1/3,i=6即６個[MgO6]八面體共用一個頂點121例題講解黑板：例題31223、鮑林第三規(guī)則：負離子共用點、棱與面規(guī)則在一配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，會降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對于電價高、配位數(shù)低的正離子來說，這個效應(yīng)尤為顯著。2個多面體，中央正離子間的庫侖力會隨它們間的共用頂點數(shù)的增加而激增。123四、離子晶體的典型結(jié)構(gòu)1、NaCl晶型晶型點陣類型基元正離子配位數(shù)負離子配位數(shù)負離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例NaCl面心立方1個正離子1個負離子66八面體MgO,CaO,FeO, NiO,…1242、CsCl型晶型晶型點陣類型基元正離子配位數(shù)負離子配位數(shù)負離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例CsCl簡單立方1個正離子1個負離子88立方體CsBr,CsI,…1253、立方ZnS（閃鋅礦）晶型晶型點陣類型基元正離子配位數(shù)負離子配位數(shù)負離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例立方ZnS面心立方1個正離子1個負離子44四面體GaAs,AlP,…1264、六方ZnS（纖鋅礦）晶型晶型點陣類型基元正離子配位數(shù)負離子配位數(shù)負離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例六方ZnS簡單六方2個正離子2個負離子44四面體ZnO,SiC,…1275、CaF2（螢石）晶型晶型點陣類型基元正離子配位數(shù)負離子配位數(shù)負離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例CaF2面心立方1個正離子2個負離子84立方體ZrO2,ThO2,Mg2Si, CuMgSb,…1286、TiO2（金紅石）晶型晶型點陣類型基元正離子配位數(shù)負離子配位數(shù)負離子配位多面體該晶型的其他晶體舉例TiO2體心四方1個正離子2個負離子63八面體VO2,NbO2,MnO2,SnO2,PbO2,…129例題講解黑板：例題4130P60例題：Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。已知Al3+、O2+的離子半徑分別為0.057nm、0.132nm，試對圖中的結(jié)構(gòu)給予解釋。131第四節(jié)共價晶體的結(jié)構(gòu)共價晶體的主要特點共價晶體的典型結(jié)構(gòu)132一、共價晶體的主要特點（1）由同種或異種非金屬元素的原子以共價鍵結(jié)合而成的無限大分子→共價晶體（原子晶體）（2）周期表中間位置的具有3，4，5個價電子的元素，獲得和丟失電子的能力相近。形成分子或晶體時，容易以共用價電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的結(jié)合方式。133（3）主要特點共價鍵結(jié)合，鍵合力通常強于離子鍵鍵的飽和性和方向性，配位數(shù)低于金屬和離子晶體高熔點、高硬度、高脆性、絕緣性134二、共價晶體的典型結(jié)構(gòu)1、金剛石晶型晶型點陣類型基元配位數(shù)該晶型的其他晶體舉例金剛石面心立方2個原子4Si,Ge,Sn,…1351362、ZnS晶型

1373、SiO2晶型晶型點陣類型基元A原子配位數(shù)B原子配位數(shù)該晶型的其他晶體舉例SiO2面心立方2個A原子4個B原子42GeO2,…138本章作業(yè)（P62-63）：第1、4、10、15題。139第三章高分子材料的結(jié)構(gòu)高分子材料概述高分子鏈的結(jié)構(gòu)及構(gòu)象高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高分子材料的性能與結(jié)構(gòu)140第一節(jié)高分子材料概述高分子材料的基本概念高分子材料的合成高分子材料的分類141一、高分子材料的基本概念1、高分子化合物由一種或多種簡單低分子化合物聚合而成的相對分子量大于5000的化合物，又稱聚合物或高聚物。如，聚乙烯：—CH2—CH2—CH2—1422、單體構(gòu)成高分子鏈的低分子化合物。如：聚乙烯的單體：CH2=CH2聚氯乙烯的單體：CH2=CHCl3、鏈節(jié)高分子鏈中的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元。如：聚乙烯結(jié)構(gòu)式：[-CH2-CH2-]n-CH2-CH2-為鏈節(jié)。1434、聚合度高分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)。5、官能度一個單體上能與別的單體發(fā)生鍵合的位置數(shù)目。如：聚乙烯單體(CH2＝CH2

)的官能度為2,是雙官能的單體144單體分子的官能度決定著高分子的結(jié)構(gòu)單官能的單體:可作為鏈聚合的終止劑雙官能的單體:

只能聚合為鏈狀結(jié)構(gòu),形成熱塑性塑料，有較低的強度三官能的單體:

可聚合為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有更高的強度1456、多分散性高分子化合物中各個分子的相對分子質(zhì)量不相等的現(xiàn)象。多分散性決定了高分子材料的物理和力學(xué)性能的分散性。7、平均分子量數(shù)均分子量：

重均分子量：i=1-∞;Ni-相對分子質(zhì)量為Mi的分子在聚合物中所占的分子分數(shù)。一般情況下，用重均分子量表征聚合物比用數(shù)均分子量更恰當(dāng)。146二、高分子材料的合成1、加聚反應(yīng)：由一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng)。其生成物叫加聚物。如：乙烯→聚乙烯1472、縮聚反應(yīng)：由一種或多種單體相互混合而連接成聚合物，同時析出某種低分子物質(zhì)的反應(yīng)，生成縮聚物和副產(chǎn)品。如：對苯二甲酸脂+乙二醇→聚酯纖維+甲醇滌綸（的確良）148三、高分子材料的分類按聚合反應(yīng)的類型按高分子的幾何結(jié)構(gòu)按聚合物的熱行為加聚聚合物，如：聚乙烯縮聚聚合物，如：聚酯纖維線型聚合物：線型或支鏈型結(jié)構(gòu)體型聚合物：網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)熱塑性聚合物熱固性聚合物149熱塑性聚合物線型或支鏈型分子結(jié)構(gòu)，加熱軟化，可制成一定形狀，冷卻變硬；再加熱仍軟化和成型。熱固性聚合物網(wǎng)狀或體型分子結(jié)構(gòu)，初熱變軟，可制成一定形狀，加入固化劑后硬化定型，重復(fù)加熱不軟化。150四、高分子化合物的命名和常見類型黑板例題1151第二節(jié)高分子鏈的結(jié)構(gòu)及構(gòu)象高分子鏈的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和構(gòu)型高分子鏈的幾何形狀高分子鏈的構(gòu)象及柔順性152高分子材料的結(jié)構(gòu)高分子鏈的結(jié)構(gòu)高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu):高分子結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成鍵接方式空間構(gòu)型高分子鏈的幾何形狀高分子鏈的構(gòu)象分子鏈的排列和堆積結(jié)構(gòu)153一、高分子鏈的化學(xué)組成1、碳鏈高分子：主鏈全部由C原子以共價鍵聯(lián)結(jié)而成的高分子鏈如：-C-C-C-C-或-C-C=C-C-（側(cè)基可以各種各樣）2、雜鏈高分子：主鏈中除C原子外，還有其它原子的高分子鏈如：-C-C-O-C-C、-C-C-N-C-C-雜原子能大大改變聚合物的性能。如：O原子增強鏈的柔性，提高聚合物的彈性。1543、元素有機高分子：主鏈一般由無機元素和有機元素原子組成，側(cè)基一般為有機基團如：-O-Si-O-Si-O-有機基團使聚合物具有較高的強度和彈性；無機原子能提高耐熱性155二、結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和構(gòu)型1、鍵接方式以乙烯型為例156多種單體共聚無規(guī)共聚，a)交替共聚，b)嵌段共聚，c)接枝共聚，d)（黑球代表一種重復(fù)單元，白球代表另一種重復(fù)單元）157各種連接方式主要受能量和空間阻礙兩個因素所控制，即聚合時力求使能量體系最穩(wěn)定和所受的空間阻礙最小。2、空間構(gòu)型由化學(xué)鍵所固定的空間排列稱為分子鏈的構(gòu)型。即使分子鏈組成相同，但由于取代基所處的位置不同，也有不同的立體異構(gòu)。158(1)全同立構(gòu)取代基X同側(cè)容易結(jié)晶(2)間同立構(gòu)取代基X相間容易結(jié)晶(3)無規(guī)立構(gòu)取代基X無規(guī)不易結(jié)晶159三、高分子鏈的幾何形狀線型線團形支化形梳形星形a)b)c)d)交聯(lián)形網(wǎng)形e)f)體型1601、高分子鏈的構(gòu)象：由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起的原子在空間據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象。單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)：每一個單鍵圍繞其相鄰單鍵按一定角度進行的旋轉(zhuǎn)運動。四、高分子鏈的構(gòu)象及柔順性1612、高分子鏈的柔順性：由構(gòu)象變化而獲得的不同卷曲程度的特性。柔順性的度量末端距h均方末端距h2容易內(nèi)旋轉(zhuǎn)的鏈→柔性鏈不易內(nèi)旋轉(zhuǎn)的鏈→剛性鏈1623、影響高分子鏈柔順性的主要因素（1）主鏈結(jié)構(gòu)主鏈全由單鍵組成，柔順性最好碳鏈高分子，雜鏈高分子，元素有機高分子主鏈含孤立雙鍵時，柔順性較好主鏈含芳雜環(huán)時，因芳雜環(huán)不能旋轉(zhuǎn)，柔順性很差，但剛性好，能耐高溫柔順性163（2）側(cè)基性質(zhì)側(cè)基的極性：極性越大，柔順性越差側(cè)基的體積：體積越大，柔順性越差側(cè)基分布的對稱性：對稱分布，柔順性較好聚異丁烯聚丙烯好于164第三節(jié)高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)聚合物的結(jié)晶度與玻璃化溫度165高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：又稱超分子結(jié)構(gòu)，指聚合物本體中分子鏈的排列和堆積結(jié)構(gòu)。即使具有相同結(jié)構(gòu)的同一聚合物，在不同加工成型和后處理條件下，也會產(chǎn)生不同的聚集狀態(tài)，從而使制品具有不同的性能，因此，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對性能的影響更為直接和重要固態(tài)聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分為晶態(tài)和非晶態(tài)（無定型）兩種166一、晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)1、纓狀膠束結(jié)構(gòu)模型早期的模型，現(xiàn)已被替代纓狀膠束結(jié)構(gòu)模型a)未受外力拉伸b)受外力拉伸1672、折疊鏈結(jié)構(gòu)模型（目前最成功的模型）晶體形態(tài)片狀晶體（片晶）球狀晶體（球晶）線狀晶體（串晶）樹枝狀晶體（枝晶）

…1681、無序結(jié)構(gòu)模型二、非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)無規(guī)線團模型1692、局部有序結(jié)構(gòu)模型折疊鏈纓狀膠粒模型粒子相粒間相粒子相170半晶態(tài)聚合物的霍斯曼（Hosemann）模型171三、聚合物的結(jié)晶度與玻璃化溫度1、結(jié)晶度：晶態(tài)聚合物中結(jié)晶的程度

式中，Wc—結(jié)晶區(qū)的總重量Wa—非晶區(qū)的總重量Vc—結(jié)晶區(qū)的總體積Va—非晶區(qū)的總體積重量結(jié)晶度：體積結(jié)晶度：172測定結(jié)晶度的方法：常用密度法

ρ

—聚合物的密度ρa

—聚合物完全不結(jié)晶時的密度ρc

—聚合物完全結(jié)晶時的密度例題：P821732、分子結(jié)構(gòu)對結(jié)晶能力的影響體型聚合物：不易結(jié)晶，為非晶態(tài)線型聚合物結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)整度高、對稱性好，有利于結(jié)晶等規(guī)（側(cè)基排布規(guī)整）聚合物易結(jié)晶縮聚物都能結(jié)晶高分子鏈的支化不利于結(jié)晶影響結(jié)晶的其他因素 (與金屬相似)冷卻速度過冷度雜質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)1743、玻璃化溫度Tg（1）無定型聚合物的三種物理狀態(tài)粘流態(tài)：分子鏈可動高彈態(tài)：鏈段可動玻璃態(tài)：鏈段也不可動

線型非晶態(tài)高聚物的變形-溫度曲線示意圖175（2）玻璃化溫度Tg

高聚物由高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度，指無定型聚合物（包括結(jié)晶型聚合物中的非結(jié)晶部分）由玻璃態(tài)向高彈態(tài)或者由后者向前者的轉(zhuǎn)變溫度一般聚合物的Tg/Tm=0.5-0.75結(jié)構(gòu)對稱聚合物Tg/Tm=0.5結(jié)構(gòu)不對稱聚合物Tg/Tm=0.75176第四節(jié)高分子材料的性能與結(jié)構(gòu)高分子材料的主要性能特點高分子材料性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系改變高分子材料性能的途徑177一、高分子材料的主要性能特點1、優(yōu)點原料豐富、成本低密度小，～1g/cm3化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕，如聚四氟乙烯耐磨性好，很大的、或很小的摩擦系數(shù)電絕緣性好絕熱性好良好的光學(xué)性能，如有機玻璃178（2）缺點彈性模量低強度低熱性能差易蠕變、應(yīng)力松弛易老化降解—強度↓，彈性↓交聯(lián)—變硬，變脆179二、高分子材料的性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系通常將高分子材料分為：熱塑性塑料熱固性塑料橡膠1801、熱塑性塑料線型鏈狀結(jié)構(gòu)。線型分子鏈之間以二次鍵結(jié)合。加熱至Tg以上溫度時，二次鍵破壞，分子鏈很容易運動，表現(xiàn)出一定彈性和粘性流動，可改變其形狀。溫度<0.75Tg，完全脆性；>0.75Tg-1.0Tg，鋼硬，只能發(fā)生彈性變形；>1.0Tg，先后發(fā)生皮革狀、橡膠狀的粘彈性變形；溫度再升高，發(fā)生粘性流動，可加工成型。1812、熱固性塑料體型結(jié)構(gòu)。加熱加壓成型后，分子鏈之間強烈交聯(lián)，成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。從而具有較高硬度、剛度和脆性，不能再改變其形狀。塑性加工只能在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成前進行。1823、橡膠線型分子鏈之間有少量交聯(lián)(在C的主鏈上大約幾百個C原子中有一個C原子與S原子共價結(jié)合)，因而具有高彈性。Tg＜＜室溫；相對分子質(zhì)量大，鏈段長，柔性好；不結(jié)晶或結(jié)晶度很??；硫化處理，產(chǎn)生少量交聯(lián)（加硫過多，交聯(lián)太強，變硬脆失去彈性）183三、改變高分子材料性能的途徑熱塑性塑料能最大程度地改變材料的結(jié)構(gòu)與性能。改變熱塑性塑料性能（主要限于力學(xué)性能）的主要途徑：1、改變結(jié)晶度結(jié)晶度增加→強度、彈性模量、密度、尺寸穩(wěn)定性提高，塑性、吸濕性降低。尼龍-66屈服強度與結(jié)晶度的關(guān)系1842、改變側(cè)基的性質(zhì)側(cè)基原子團尺寸增大（尤其產(chǎn)生苯環(huán)結(jié)構(gòu)上），單鍵旋轉(zhuǎn)困難，不易改變構(gòu)象，剛性鏈程度增強→強度、模量提高，塑性減低。柔性鏈→剛性鏈強度↑彈性模量↑塑性↓185例如：聚乙烯→聚苯乙烯，側(cè)鏈：H→C6H5,彈性模量：9384-23460MPa→62560-78200MPa伸長率：100-600%→1.5-2.0%3、改變主鏈的結(jié)構(gòu)聚烯烴類高分子主鏈：C-C鍵；甲醛：引入C-O鍵，剛性增大。

如：聚乙烯

［CH2—CH2］n抗拉強度17.25～34.5MPa

聚甲醛［CH2—O］n

62.1～69MPa1864、共聚（“合金化”）共聚：由兩種或兩種以上的單體參加聚合而形成聚合物的反應(yīng)。是高分子材料的主要“合金化”方式。187如：ABS塑料（共聚丙烯腈（A）-丁二烯（B）-苯乙烯（S））丙烯腈（A）+苯乙烯（S）→線性共聚物（SAN塑料）→材料的基體；丁二烯（B）+苯乙烯（S）→線性共聚物（BS橡膠）→呈顆粒狀分布于SAN基體中；聚苯乙烯的缺點：脆性大、耐熱性差；ABS共聚物：將聚苯乙烯的優(yōu)點得到保持，同時丙烯腈提高了耐熱、耐蝕性；丁二烯提高彈性和韌性。ABS特點：“硬、韌、剛”用途：齒輪，軸承，管道，殼體…1885、拉拔強化一些高分子材料（如尼龍、聚氯乙烯、有機玻璃）在Tg溫度附近冷拉時，其強度和彈性模量大幅提高。尼龍冷拉時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始屈服：開始解纏屈服延伸：不斷解纏取向強化：定向排列189本章作業(yè)（P90）：第3、9、15、17題190第四章晶體缺陷點缺陷位錯的基本概念位錯的彈性性質(zhì)作用在位錯線上的力實際晶體結(jié)構(gòu)中的位錯晶體中的界面191第四章晶體缺陷晶體缺陷實際晶體中偏離理想結(jié)構(gòu)的不完整區(qū)域。晶體缺陷容易受外界條件的影響，其數(shù)量及分布對材料的行為有重要影響。根據(jù)晶體中結(jié)構(gòu)不完整區(qū)域的形狀及大小，晶體缺陷常分為如下三類:192晶體缺陷點缺陷面缺陷空位Vacancy間隙原子Interstitialatom位錯Dislocation晶界Grainboundary亞晶界Subgrainboundary孿晶界Twinboundary相界Phaseboundary堆垛層錯Stakingfault表面Surface線缺陷193（1）點缺陷：零維缺陷，在三維空間各方向上尺寸都很小?？瘴弧㈤g隙原子、異類原子等。（2）線缺陷：一維缺陷。在兩個方向尺寸小，主要為位錯。（3）面缺陷：二維缺陷。在一個方向上尺寸小，另兩個尺寸方向較大。如晶界、相界等。194第一節(jié)點缺陷點缺陷的類型點缺陷的濃度點缺陷與材料行為195一、點缺陷的類型1、空位：晶體中某結(jié)點上的原子空缺。肖脫基（Schottky）缺陷：脫位原子進入其它空位或者逐漸遷移至晶界或表面。點缺陷的類型:Schottky

空位；

Frenkel

缺陷異類間隙原子；小置換原子；大置換原子1962、間隙原子：晶體中原子擠入結(jié)點的間隙。弗蘭克耳（Frenkel）缺陷：原子擠入結(jié)點間隙，同時原來結(jié)點位置空缺，產(chǎn)生空位，這一對點缺陷（空位和間隙原子）稱為弗蘭克耳缺陷。在一般晶體中產(chǎn)生弗蘭克耳缺陷的數(shù)量遠少于肖脫基缺陷。3、異類原子如異類原子尺寸很小，可能擠入晶格間隙；若原子尺寸與基體尺寸相當(dāng)，則會置換晶格的某些結(jié)點。1974、離子晶體中產(chǎn)生的點缺陷缺陷的存在不應(yīng)破壞正負電荷的平衡。肖脫基缺陷：必須在晶體中同時移去一個正離子和負離子。弗蘭克耳缺陷：尺寸較小的離子擠入相鄰的同號離子的位置，形成間隙離子和空位對。對于正負離子尺寸差異較大，配位數(shù)較低的離子晶體，弗蘭克耳缺陷常見。（不同于金屬晶體）；配位數(shù)高，排列比較密集的晶體（如NaCl），肖脫基缺陷較重要。198二、點缺陷的濃度1、平衡點缺陷的濃度雖然點缺陷的存在使晶體的內(nèi)能增高，但同時也使熵增加，從而使晶體的能量下降。因此，點缺陷是晶體中熱力學(xué)平衡的缺陷等溫等容條件下，點缺陷使晶體的亥姆霍茲自由能變化為：

ΔA=ΔU?TΔS ΔU=nu式中，n—點缺陷個數(shù)u—一個點缺陷引起的內(nèi)能增量，即點缺陷的形成能199自由能隨點缺陷數(shù)量的變化200平衡點缺陷濃度Ce=ne/N=Aexp(-u/kT)Ce:某一種類型點缺陷的平衡濃度；ne:平衡點缺陷數(shù)目；N：晶體原子總數(shù)；A：材料常數(shù)，A=1；T：熱力學(xué)溫度；K：玻爾茲曼常數(shù)；u:該類型缺陷的形成能。201點缺陷平衡濃度計算過程：見黑板例題1P95例題202討論（1）平衡濃度點缺陷的存在使晶體自由能最低（2）點缺陷產(chǎn)生于原子的熱振動，故其平衡濃度隨溫度升高呈指數(shù)增加（3）點缺陷平衡濃度隨其形成能減小呈指數(shù)增加，故晶體中的間隙原子平衡濃度大大小于空位平衡濃度2032、過飽和點缺陷的產(chǎn)生點缺陷的數(shù)目超過平衡值，稱為過飽和點缺陷。原因：（1）高溫淬火（2）輻照（弗蘭克耳缺陷）（3）冷加工204三、點缺陷與材料行為1、點缺陷的運動（1）空位的運動（2）間隙原子的運動（3）空位片的形成2052、點缺陷對材料性能的影響（1）點缺陷的運動是晶體中原子擴散的內(nèi)在原因。（2）引起晶體物理性能變化，如電阻率升高、密度變化。（3）引起晶體力學(xué)性能變化，如強度升高、韌性下降。206第二節(jié)位錯的基本概念位錯與塑性變形晶體中的位錯模型及位錯易動性柏氏矢量位錯的運動位錯密度位錯的觀察207一、位錯與塑性變形塑性變形后，表面形成很多臺階→相對滑移的結(jié)果→滑移的微觀過程如何？→理想晶體滑移模型實際強度與理論強度間存在巨大差異（差2-4個數(shù)量級）→對理想模型的滑移方式產(chǎn)生懷疑→晶體內(nèi)部存在很多缺陷（位錯）208→20世紀50年代中期TEM證實了晶體中位錯的存在毛毛蟲爬行過程示意圖挪動地毯過程示意圖209二、晶體中的位錯模型及位錯易動性基本類型：刃型位錯螺型位錯混合位錯1、刃型位錯EF列原子及其周圍區(qū)域（若干個原子距離）半原子面在滑移面上方的稱正刃型位錯，“┴”半原子面在滑移面下方的稱負刃型位錯，“┬”210可以把位錯定義為：晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界。位錯不可能中斷于晶體內(nèi)部；或者在表面露頭，或者終止于晶界和相界，或者與其它位錯線相交，或者自己在晶體內(nèi)部形成一個封閉環(huán)。刃位錯滑移方向垂直于位錯線2112、螺型位錯滑移方向平行于位錯線。右旋螺型位錯（右手拇指代表螺旋面前進方向，其他四指代表螺旋面旋轉(zhuǎn)方向）左旋螺型位錯2123、混合位錯介于刃型和螺型位錯之間。A點：螺型C點：刃型中間：混合混合位錯可分解為刃型和螺型兩個分量2134、位錯的易動性原子2的移動過程原子實際的位移距離遠小于原子距離，與理想晶體的滑移模型不同。當(dāng)很多位錯移出晶體時，會在晶體表面產(chǎn)生宏觀可見的臺階，使晶體發(fā)生塑性變形。位錯移動的比喻214215三、柏氏矢量表示位錯區(qū)原子的畸變特征（畸變程度、方向）的物理量→柏氏（Burgers）矢量1、確定方法圍繞位錯線作回路（從M出發(fā)）（柏氏回路）將同樣大小回路置于理想晶體中回路不封閉，需要額外矢量連接，該矢量即是bQM即是b2162、柏氏矢量與位錯線的關(guān)系柏氏矢量與位錯線的關(guān)系a)刃型位錯b)螺型位錯c)混合型位錯217（1）對于刃位錯線柏氏矢量垂直于位錯線，且柏氏矢量的正方向、位錯線的正方向、半原子面的位置三者之間符合右手定則判斷刃位錯柏氏矢量方向的右手定則218（2）對于螺位錯線柏氏矢量平行于位錯線，且左相反、右相同（3）對于混合位錯線柏氏矢量既不垂直也不平行于位錯線，但可分解成平行于位錯線的螺分量，和垂直于位錯線的刃分量2193、柏氏矢量的表示方法與晶向指數(shù)相似，在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上把矢量的模也表示出來。立方晶體中(1)O’b:晶向指數(shù)為[110]，柏氏矢量：b1=1a+1b+0c=a[110](2)Oa:b2=1/2a+1/2b+0c=a/2[110]2204、柏氏矢量的特性（1）柏氏矢量的唯一性一根位錯線只能有一個惟一不變的柏氏矢量。（2）柏氏矢量的加和性由幾根位錯線合并成一根位錯線的柏氏矢量是這幾個位錯線的柏氏矢量之和。位錯柏氏矢量的加和a)加和前;b)加和后221（3）柏氏矢量的守恒性匯聚于一點的幾根位錯線，流入節(jié)點的位錯的柏氏矢量之和等于流出節(jié)點的位錯的柏氏矢量之和。位錯柏氏矢量的守恒性2225、柏氏矢量討論描述了位錯線上原子的畸變特征，畸變發(fā)生的方向和大小。對于任意位錯，不管其形狀如何，只要知道b，就可知晶體滑移的方向和大小，而不必從原子尺度考慮其運動細節(jié)。柏氏矢量是晶體的滑移矢量一方面，晶體局部滑移的滑移矢量就是所產(chǎn)生的位錯的柏氏矢量；另一方面，位錯的運動會使位錯線掃過區(qū)域兩側(cè)的晶體產(chǎn)生相對滑動，相對滑動的方向及大小與位錯的柏氏矢量相同。223四、位錯的運動1、位錯的滑移位錯運動滑移運動攀移運動位錯的滑移—位錯線在其滑移面內(nèi)的運動位錯的滑移面—由位錯線及其柏氏矢量所確定的平面或曲面（1）位錯運動方向、切應(yīng)力方向及晶體滑移方向間的關(guān)系（螺、刃位錯對比）：224開動位錯的切應(yīng)力方向不同：刃：切應(yīng)力⊥位錯線螺：切應(yīng)力‖位錯線位錯運動方向與晶體滑移方向不同：刃：運動方向‖滑移方向螺：運動方向⊥滑移方向位錯運動方向與位錯線：均⊥225（2）位錯環(huán)的滑移當(dāng)切應(yīng)力的作用面與位錯環(huán)的滑移面平行且切應(yīng)力方向與位錯柏氏矢量平行時，位錯環(huán)在其滑移面內(nèi)擴大或縮小。．226①各段位錯線的性質(zhì)：A、B處：刃位錯（A、B符號相反）；C、D處：螺位錯（C、D符號相反）；其余位置：混合位錯。②位錯運動方向：沿法線方向向外擴展；環(huán)離開晶體時，晶體上下部相對滑動一個臺階，其方向和大小與b相同。位錯的滑移面①位錯線與b組成的原子面即是滑移面；②刃位錯只能在同時包含有位錯線和滑移矢量的滑移面上滑移，在其它面上不能滑移（唯一性）。③螺位錯的滑移面不唯一，包含螺位錯的平面都可以作為它的滑移面。227各類位錯的滑移特性類型柏氏矢量位錯線運動方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面?zhèn)€數(shù)刃⊥位錯線⊥位錯線本身與b一致與b一致唯一螺‖位錯線⊥位錯線本身與b一致與b一致多個混合與位錯線成一定角度⊥位錯線本身與b一致與b一致228P104，例題：圖中陰影面為晶體的滑移面。該晶體的ABCD表面有一個圓形標(biāo)記，它與滑移面相交，在標(biāo)記左側(cè)有根位錯線。試問當(dāng)刃、螺型位錯從晶體左側(cè)滑移至右側(cè)時，表面的標(biāo)記發(fā)生什么變化？并指出使刃、螺位錯滑移的切應(yīng)力方向。229P107，例題：圖中的晶面上有一位錯環(huán)，其柏氏矢量b垂直于滑移面，試問該位錯環(huán)在切應(yīng)力下的運動特征。230例題分析：（1）位錯性質(zhì)全部為刃位錯。（2）形成空位在該面上聚集成空位片。（3）滑移面似乎是：通過位錯環(huán)的圓柱面；但根據(jù)晶體的滑移幾何學(xué)，不是滑移面，不能滑移→固定位錯。（4）位錯運動只能攀移：半原子面的擴大或縮小。231討論(1)位錯滑移是在切應(yīng)力作用下進行的，起作用的是既平行于滑移面又平行于位錯柏氏矢量的切應(yīng)力分量(2)刃位錯只有一個滑移面，螺位錯有多個滑移面(3)位錯線滑移過的區(qū)域，其兩側(cè)的晶體發(fā)生與位錯柏氏矢量相同的相對位移(4)位錯線滑移出晶體，晶體表面產(chǎn)生一個與位錯柏氏矢量相同的臺階(5)位錯滑移是保守運動：只改變晶體形狀，不改變晶體體積2322、刃位錯的攀移刃位錯的攀移

—刃位錯線在垂直于其滑移面內(nèi)的運動，實際上是半原子面的擴大或縮小。使半原子面縮小的攀移稱為正攀移;使半原子面擴大的攀移稱為負攀移。刃位錯的攀移a)攀移前;b)正攀移;c)負攀移233討論（1）位錯攀移是在正應(yīng)力作用下進行的，起作用的是垂直于半原子面的正應(yīng)力分量。壓應(yīng)力使其正攀移，拉應(yīng)力使其負攀移。（2）位錯攀移需要原子的長程遷移，因而比位錯滑移困難，需要熱激活。（3）位錯線攀移過的區(qū)域，其兩側(cè)晶體發(fā)生與位錯柏氏矢量相同的相對位移。（4）刃位錯攀移是非保守運動：既改變晶體的形狀，也改變晶體的體積，正攀移使晶體中空位減少而體積收縮，負攀移使晶體中空位增多而體積膨脹。234螺位錯的交滑移—當(dāng)螺位錯滑移受阻時,會在與初始滑移面相交的另一個滑移面內(nèi)繼續(xù)滑移的運動。當(dāng)滑移受阻的螺位錯通過交滑移越過障礙后，又交滑移到與初始滑移平行的滑移面內(nèi)的滑移運動稱為雙交滑移。3、螺位錯的交滑移235例題1如圖所示，立方形晶體內(nèi)有一正方形位錯環(huán)ABCD,其滑移面EFGH平行于晶體的上下底面，AB∥EF，柏氏矢量b⊥AB．在晶體的上下底面施加切應(yīng)力τ∥b．試判斷各段位錯線運動的類型及方向236解：AB段:滑移，指向－ＹBC段:滑移，指向－ＸCD段:滑移，指向ＹDA段:滑移，指向Ｘ判斷位錯線運動方向的右手法則237例題2如圖所示，立方形晶體內(nèi)有一正方形位錯環(huán)ABCD,其滑移面EFGH平行于晶體的上下底面，AB∥EF，柏氏矢量b⊥AB.在晶體的左右表面施加壓應(yīng)力σ∥b.試判斷各段位錯線運動的類型及方向.238解：AB段:攀移，指向－ZBC段:不動CD段:攀移，指向ZDA段:不動判斷刃位錯柏氏矢量方向的右手定則239五、位錯密度（1）位錯密度ρ：單位體積晶體中所包含的位錯線總長度。(位錯的體密度)

ρ=S/V（m/m3）(1/m2)（2）也可理解為穿越單位截面積的位錯線數(shù)目。ρ=n/A(1/m2)(位錯的面密度)超純金屬經(jīng)充分退火：ρ=109-1010（m/m3）冷變形或引入第二相：ρ=1014-1016（m/m3）240(3)位錯密度與晶體強度晶須：位錯密度10m/cm3,強度高，但不能直接用于制造零件，只能作為復(fù)合材料的強化纖維。依靠減少位錯密度提高強度在工程上沒有實際意義，目前主要靠增加位錯密度來提高強度。241六、位錯的觀察1、蝕坑法2、透射電鏡法位錯的腐蝕坑(1000×)用電子顯微鏡觀察位錯a)電鏡下觀察的位錯組態(tài)圖(30000×)b)該組位錯在三維試樣中的分布2423、場發(fā)射高分辨透射電鏡法243第三節(jié)位錯的彈性性質(zhì)應(yīng)力和應(yīng)變分析位錯的應(yīng)力場位錯的應(yīng)變能244一、應(yīng)力和應(yīng)變分析1、應(yīng)力應(yīng)力σ是一個張量，包含應(yīng)力的作用面、方向及大小。固體中任一點的應(yīng)力狀態(tài) 都可用單元體上的正應(yīng)力和切應(yīng)力分量來表示。（1）直角坐標(biāo)系中的應(yīng)力分量245應(yīng)力分量符號有兩個下標(biāo):第一個下標(biāo)表示應(yīng)力的作用面,第二個下標(biāo)表示應(yīng)力的作用方向.如果應(yīng)力符號的兩個下標(biāo)字母相同,此即正應(yīng)力(應(yīng)力的方向垂直于作用面);如果兩個下標(biāo)字母不同,此即切應(yīng)力(應(yīng)力的方向平行于作用面).246（2）圓柱坐標(biāo)系中的應(yīng)力分量2472、應(yīng)變應(yīng)變ε也是一個張量，固體中任一點的應(yīng)變狀態(tài)都可用九個應(yīng)變分量來表示，其中三個正應(yīng)變分量和六個切應(yīng)變分量。248249二、位錯的應(yīng)力場1、螺位錯的應(yīng)力場（1）圓柱坐標(biāo)系中的螺位錯應(yīng)力場公式250251（2）直角坐標(biāo)系中的螺位錯應(yīng)力場公式252（3）螺位錯應(yīng)力場的特點1）只有切應(yīng)力分量，無正應(yīng)力分量2）切應(yīng)力分量在θ面內(nèi)，平行于位錯線方向3）切應(yīng)力分量的大小，4）與Ｚ方向（位錯線所在方向）無關(guān)，且徑向?qū)ΨQ，即在以位錯線為軸線的圓柱面內(nèi)切應(yīng)力相同，大小只與圓柱半徑成反比。2532、刃位錯的應(yīng)力場（1）直角坐標(biāo)系中的刃位錯應(yīng)力場公式254255（2）圓柱坐標(biāo)系中的刃位錯應(yīng)力場公式256（3）刃位錯應(yīng)力場的特點1）既有切應(yīng)力分量，也有正應(yīng)力分量2）正應(yīng)力分量有σxx、σyy、σzz

，其中σxx：在滑移面上方為壓；在滑移面下方為拉；在滑移面內(nèi)為零。3）切應(yīng)力分量τxy=τyx：在滑移面內(nèi)，有最大值

在x=0處及|x|=|y|處，τ=02573、混合位錯的應(yīng)力場由于混合位錯是由一個刃位錯和一個螺位錯混合而成，那么，它的應(yīng)力場就是這兩個位錯應(yīng)力場的迭加。在直角坐標(biāo)系中，刃位錯和螺位錯的應(yīng)力場表達式正好互補。這樣，只需將混合位錯的柏氏矢量b分解為刃分量be和螺分量bs，就可以方便地寫出任何一個混合位錯在直角坐標(biāo)系中的應(yīng)力場表達式。2584、討論（1）關(guān)于螺位錯的應(yīng)力場公式：①位錯線過坐標(biāo)原點且平行于Ｚ軸，否則應(yīng)進行坐標(biāo)變換;②適用于右螺位錯，對于左螺位，每個應(yīng)力分量前應(yīng)加“－”（2）關(guān)于刃位錯的應(yīng)力場公式：①位錯線過坐標(biāo)原點且平行于Ｚ軸，半原子面垂直于x-z面,否則應(yīng)進行坐標(biāo)變換；②適用于正刃位，對于負刃位錯，每個應(yīng)力分量前應(yīng)加“－”（3）關(guān)于混合位錯的應(yīng)力場公式：①位錯線過坐標(biāo)原點且平行于Ｚ軸，否則，應(yīng)進行坐標(biāo)變換；②螺分量應(yīng)符合螺位錯應(yīng)力場公式的條件，刃分量應(yīng)符合刃位錯應(yīng)力場公式的條件。259三、位錯的應(yīng)變能位錯線周圍原子間的相對位移使晶體的能量明顯升高，這部分能量稱為位錯的應(yīng)變能。位錯的應(yīng)變能包括兩部分：位錯中心區(qū)的非彈性應(yīng)變能，占應(yīng)變能的很小一部分，可以忽略；位錯中心區(qū)以外區(qū)域的彈性應(yīng)變能，是應(yīng)變能的主要部分，常用以代表位錯的應(yīng)變能。2601、單位長度螺位錯的應(yīng)變能ES2612622、單位長度刃位錯的應(yīng)變能Ee2632643、討論（1）混合位錯的應(yīng)變能為其刃分量和螺分量應(yīng)變能之和（2）位錯總是使晶體的能量升高，所以位錯是晶體中熱力學(xué)不穩(wěn)定的缺陷（3）同一晶體中，柏氏矢量大小相同的刃位錯的應(yīng)變能高于螺位錯的應(yīng)變能，Ee≈1.5ES（4）位錯的應(yīng)變能與其柏氏矢量平方成正比，即 E=αGb2,α≈0.5?1.0,螺位錯取下限，刃位錯取上限。265第四節(jié)作用在位錯線上的力外加應(yīng)力對位錯的作用力位錯間的互作用力位錯與溶質(zhì)原子的互作用力位錯的線張力位錯運動的點陣阻力映像力266一、外加應(yīng)力對位錯的作用力以滑移為例，將力簡單處理成沿位錯運動方向有一個力F推著位錯線前進→找到F與位錯滑移的切應(yīng)力τ之間的關(guān)系1、以虛功原理計算267微元位錯，長度dl，在切應(yīng)力τ下前進ds距離。在ds×dl面積內(nèi)，晶體上下半部相對滑移︱b︱。切應(yīng)力作功：dw=τ(dsdl)bF作功：dw’=Fds根據(jù)虛功原理，dw=dw’單位長度位錯線上的力：Fd=F/dl=τbFd的方向垂直于位錯線，指向位錯運動的方向。對于攀移：Fd=σb，σ-使攀移進行的正應(yīng)力，方向指向攀移方向，與位錯線垂直。2682、討論(1)對于刃位錯，公式中的τ代表作用面與位錯滑移面平行、作用方向與位錯柏氏矢量方向平行的切應(yīng)力，或作用面與半原子面垂直、作用方向與位錯柏氏矢量方向平行的正應(yīng)力(2)對于螺位錯，公式中的τ代表作用面與位錯滑移面平行、作用方向與位錯柏氏矢量方向平行的切應(yīng)力(3)對于混合位錯，將其分解為刃分量和螺分量,求出各自的作用力后再進行矢量合成(4)作用在位錯線上的力垂直于位錯線，與位錯線運動的方向相同269二、位錯間的相互作用力1、兩平行螺位錯間的互作用力兩個相距為d、柏氏矢量分別為b1和b2的平行螺位錯，單位長度位錯線的互作用力在兩位錯線的連線方向，大小為f=Gb1b2/2πd，且同號相斥、異號相吸。2702、同一滑移面內(nèi)兩平行刃位錯間的互作用力同一滑移面內(nèi)，兩個相距為d、柏氏矢量分別為b1和b2的平行刃位錯，單位長度位錯線的互作用力在兩位錯線的連線方向，大小為f=Gb1b2/2π(1?ν)d，且同號相斥、異號相吸。2713、平行刃位錯與螺位錯間無互作用力2724、平行滑移面內(nèi)兩平行刃位錯間的互作用力273274三、位錯與溶質(zhì)原子的互作用力1、位錯與溶質(zhì)原子的彈性交互作用（1）柯垂?fàn)?Cottrell)氣團275276277278279（2）斯諾克(Ｓnoek)氣團因引起晶格非球形對稱畸變而有序分布在螺位錯周圍的溶質(zhì)原子稱為斯諾克(Ｓnoek)氣團。斯諾克氣團會阻礙螺位錯的滑移運動。例如，位于體心立方結(jié)構(gòu)扁八面體間隙中的溶質(zhì)原子。2802、位錯與溶質(zhì)原子的化學(xué)交互作用溶質(zhì)原子與擴展位錯的層錯區(qū)發(fā)生化學(xué)交互作用，形成與基體中溶質(zhì)原子濃度不同的濃度,從而阻礙擴展位錯的運動。這種分布在擴展位錯的層錯區(qū)中的溶質(zhì)原子稱為鈴木(Suzuki)氣團。281表面張力σ表面能γ在數(shù)值上相等，量綱上相同。表面能單位：J/m2=Nm/m2=N/m位錯具有應(yīng)變能U，使其有自動縮短或