《理工《材料科学基础》课件第一章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《理工《材料科学基础》课件第一章（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章第一章 工程材料中的原子排列工程材料中的原子排列结结合合力力: :在在固固态态下下，当当原原子子（离离子子或或分分子子）聚聚集集为为晶晶体体时时，原原子子（离离子子或或分分子子）之之间间产产生生较较强强的的相相互互作作用用力，也称为结合键。力，也称为结合键。化学键化学键：由于电子运动使原子产生聚集的结合力。：由于电子运动使原子产生聚集的结合力。固固体体中中的的结结合合键键可可以以分分为为离离子子键键、共共价价键键和和金金属属键键3 3种种化学键化学键，以及，以及分子键、氢键分子键、氢键等等物理键物理键。第一节第一节 原子键合原子键合1一一 固体中的原子结合键固体中的原子结合键1.1.金属
2、键金属键 金属晶体：导电性、金属晶体：导电性、导热性、延展性好，导热性、延展性好，熔点较高熔点较高22. 2. 共价键共价键共共价价键键的的特特点点：具具有有明明显显的的饱饱和和性性和和强强烈烈的的方向性。结合力很大方向性。结合力很大性能：共价晶体具有强度高、硬度大、脆性性能：共价晶体具有强度高、硬度大、脆性大、熔点高等性质，结构也比较稳定。大、熔点高等性质，结构也比较稳定。 33. 3. 离子键离子键离离子子晶晶体体的的硬硬度度高高、强强度度大大、热膨胀系数小，但脆性大。热膨胀系数小，但脆性大。4. 4. 分子键（范德瓦尔斯力）分子键（范德瓦尔斯力） 分子晶体：熔点低，硬度分子晶体：熔点低，
3、硬度低。如高分子材料低。如高分子材料45.5.氢键氢键（离离子子结结合合）X-H-YX-H-Y（氢氢键键结结合合），有有方方向向性，如性，如O-HO-HO O氢键是一种较强的氢键是一种较强的 、有方向性的范德瓦尔斯键。、有方向性的范德瓦尔斯键。结合力比离子键、共价键小。结合力比离子键、共价键小。6. 6. 混合键。如复合材料混合键。如复合材料7.7.结合力比较结合力比较 化学键化学键 物理键（氢键物理键（氢键 分子键）分子键）5二二 工程材料的分类工程材料的分类工程材料：工程材料： 主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料主主要要用用于于制制作作结结构构
4、、机机件件和和工工具具等等的的固固体体材材料料称称为为工工程程材材料料，它它可可以以分分为为金金属属材材料料、陶陶瓷瓷材材料料、高分子材料高分子材料和和复合材料复合材料四大类。四大类。在在这这四四类类工工程程材材料料中中，金金属属材材料料应应用用面面最最广广、用量最大、承载能力最高用量最大、承载能力最高。6工工程程材材料料金属材料金属材料无机非金属金无机非金属金属材料属材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料黑色金属材料，黑色金属材料，有色金属材料有色金属材料普通陶瓷，特殊陶瓷，普通陶瓷，特殊陶瓷，金属陶瓷金属陶瓷树脂基复合材料树脂基复合材料金属基复合材料金属基复合材料塑料塑料橡胶橡胶合成纤维
5、合成纤维7一、晶体学基础一、晶体学基础1.1.晶体晶体晶体晶体 原子（分子）在三维空间按一定规律作原子（分子）在三维空间按一定规律作周期周期性排列性排列的固体。自然界中绝大多数固体都是的固体。自然界中绝大多数固体都是晶体。晶体。晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别晶体具有确定的熔点，晶体具有确定的熔点，晶体具有晶体具有各向异性各向异性，而非晶体具有，而非晶体具有各向同性各向同性。第二节第二节 原子的规则排列原子的规则排列8晶体和非晶体在一定的情况下可以转晶体和非晶体在一定的情况下可以转 晶体从液态快速冷却下来就可以得到非晶态；晶体从液态快速冷却下来就可以得到非晶态；非晶体缓慢冷却下来可以得到晶
6、体。非晶体缓慢冷却下来可以得到晶体。2 2 空间点阵与晶体结构空间点阵与晶体结构1 1）空空间间点点阵阵：由由几几何何点点做做周周期期性性的的规规则则排排列列所所形成的三维阵列。形成的三维阵列。 特征：原子的理想排列；特征：原子的理想排列；阵阵点点空空间间点点阵阵中中的的点点。它它是是纯纯粹粹的的几几何何点点，各点周围环境相同。各点周围环境相同。9晶格晶格描述晶体中原子排列规律的空间格架。描述晶体中原子排列规律的空间格架。原子堆垛模型原子堆垛模型空间点阵空间点阵晶格晶格晶胞晶胞晶晶胞胞空空间间点点阵阵中中反反映映晶晶格格特特征征的的最最小小的的几几何何单元单元。10通常是在晶格中取一个通常是在
7、晶格中取一个最小的平行六面体最小的平行六面体作为作为晶胞。晶胞。晶胞参数：晶胞参数：点阵常数点阵常数晶胞大小晶胞大小晶轴夹角晶轴夹角晶胞形状晶胞形状11晶胞选取原则：晶胞选取原则：a a 能够充分反映空间点阵的对称性；能够充分反映空间点阵的对称性；b b 相等的棱和角的数目最多；相等的棱和角的数目最多；c c 具有尽可能多的直角；具有尽可能多的直角；d d 体积最小。体积最小。12结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分的晶胞。的晶胞。 特点特点: :空间重复堆垛，就得到晶体结构。空间重复堆垛，就得到晶体结构。133.3.布拉菲点阵布拉菲点阵晶晶系系：七
8、七种种晶晶系系，1414种种点点阵阵（法法国国晶晶体体学学家家A.BravaisA.Bravais于于18481848年年用用数数学学方方法法证证明明空空间间点点阵阵只只能有能有1414种种）简单三斜 简单单斜 底心单斜14简单正交 体心正交 底心正交 15面心正交面心正交 简单六方简单六方 简单菱方简单菱方 16简单四方简单四方 体心四方体心四方 简单立方简单立方 174 4 晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数晶晶向向：空空间间点点阵阵中中各各阵阵点点列列的的方方向向。（穿穿过过两两个结点的任意直线）个结点的任意直线）晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点
9、的平面。国国际际上上通通用用米米勒勒指指数数标标定定晶晶向向和和晶晶面面。称称为为晶晶面指数和晶向指数。面指数和晶向指数。181) 1) 晶向指数晶向指数按以下几个步骤确定：按以下几个步骤确定： 1) 1) 以以晶晶胞胞的的某某一一阵阵点点为为原原点点，三三条条棱棱边边为为坐坐标标轴轴（x,y,zx,y,z），并并以以晶晶胞胞棱棱边边的的长长度度作作为为轴轴的的单单位长度（位长度（a,b,ca,b,c）. .（建坐标）建坐标）2) 2) 过过原原点点作作一一有有向向直直线线OPOP，使使其其平平行行于于待待标标定定的晶向的晶向ABAB。（平移线）平移线）3) 3) 在在直直线线OPOP上上选选
10、取取离离原原点点最最近近一一个个结结点点的的坐坐标标（x,y,zx,y,z）. .（求投影）求投影）19原原子子排排列列相相同同但但空空间间位位向向不不同同的的所所有有晶晶向向称称为为晶向族晶向族，以，以 表示。表示。4) 4) 将坐标的比化为将坐标的比化为简单整数比，如简单整数比，如 x x：y y：z=uz=u：v v：w w。加加上方括号上方括号， uvwuvw 即为即为ABAB晶向的晶向晶向的晶向指数。指数。（化整数）（化整数）202)2)晶面指数晶面指数 确定步骤如下：确定步骤如下：1) 1) 建建立立以以晶晶轴轴为为轴轴的的坐坐标标系系（x,y,zx,y,z），令令坐坐标标原原点点
11、不不在在待待定定晶晶面面上上，各各轴轴上上的的坐坐标标单单位位为为晶晶胞胞边边长长a a，b b和和c c。（建坐标）建坐标）212) 2) 找出待定晶面在三坐标轴上的截距找出待定晶面在三坐标轴上的截距x,y,zx,y,z。( (求截矩）求截矩）3) 3) 取截距的倒数。取截距的倒数。( (求倒数）求倒数）4) 4) 将这些倒数化成将这些倒数化成3 3个互质的整数个互质的整数h,k,lh,k,l（化整（化整数）数）5 5）晶面指数可写成（）晶面指数可写成（hklhkl)()(加括号）加括号）22注意注意：1)1)每每一一个个晶晶面面指指数数( (或或晶晶向向指指数数) )泛泛指指晶晶格格中中一
12、一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。2)2)立立方方晶晶系系中中，凡凡是是指指数数相相同同的的晶晶面面与与晶晶向向是是相互垂直的。相互垂直的。3)3)原原子子排排列列情情况况相相同同但但空空间间位位向向不不同同的的晶晶面面（或晶向）统称为一个（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族晶面（或晶向）族。 233 3）六方晶系中的晶向、晶面指数）六方晶系中的晶向、晶面指数 但但是是，用用三三指指数数表表示示六六方方晶晶系系的的晶晶面面和和晶晶向向有有一一个个很很大大的的缺缺点点，即即晶晶体体学学上上等等价价的的晶晶面面和和晶晶向不具有类似的指数。向不具有类似的指数。
13、六方晶体六方晶体晶面指数晶面指数：用：用（hkilhkil）4 4个数字表示。个数字表示。特特点点：在在三三维维空空间间中中独独立立的的坐坐标标轴轴不不会会超超过过3 3个个，故故h h，k k，i i中中必必定定有有一一个个不不是是独独立立的的。存存在在下下列列关系：关系：i=-(h+k)i=-(h+k)。2425六方晶体晶向指数：用六方晶体晶向指数：用uvtw4uvtw4个数字表示。个数字表示。特特点点：u u，v v，t t之之间间也也有有关关系系：t=-(u+v)t=-(u+v)。比比较较可可靠靠的的标标注注指指数数方方法法是是解解析析法法，即即用用三三轴轴坐坐标标系系先先求求出出待待
14、标标晶晶向向的的3 3个个指指数数U U，V V，W W，再再用用下下列三轴与四轴坐标系晶向指数的关系列三轴与四轴坐标系晶向指数的关系u=1/3(2U-V) u=1/3(2U-V) v=(2V-U) v=(2V-U) t=-(u+v) t=-(u+v) w=Ww=W265.晶面间距晶面间距晶面间距晶面间距:一一组平行晶面中，相邻两个平行晶面组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。之间的距离。晶面间距越大晶面间距越大, 晶面的原子密度越大。晶面的原子密度越大。原子线密度最大的晶向（密排晶向）其晶面间原子线密度最大的晶向（密排晶向）其晶面间距最大。距最大。2728二、晶体结构及其几何特征二、晶体
15、结构及其几何特征1.1.金属中常见晶体结构金属中常见晶体结构大多数金属具有比较简单的高对称性晶体结构。大多数金属具有比较简单的高对称性晶体结构。最常见的只有最常见的只有3 3种，即体心立方（种，即体心立方（bccbcc）、）、面心面心立方（立方（fccfcc）及密排六方（及密排六方（hcphcp）。）。 29 晶格常数 a=b=c,=90。 原子半径 晶胞所含原子数 2个原子。1 1）体心立方晶格（）体心立方晶格（bccbcc晶格）晶格）原子排列特征原子排列特征30晶晶体体中中原原子子排排列列的的紧紧密密程程度度，通通常常有有两两种种表表示示：配配位位数数CNCNCoordination Co
16、ordination NumberNumber。致致密密度度k k。k k值越大，晶体排列得越紧密。值越大，晶体排列得越紧密。配位数配位数 8 8。致密度致密度 68%68%。具有体心立方晶格的金属：具有体心立方晶格的金属：-Fe-Fe、-Ti-Ti、CrCr、W W、MoMo、V V、NbNb等等3030余种金属。余种金属。 312 2）面心立方晶格（）面心立方晶格（fccfcc晶格）晶格）原子排列特征原子排列特征 具具有有面面心心立立方方晶晶格格的的金金属属：-Fe-Fe、NiNi、AlAl、CuCu、AgAg等等 32晶格常数晶格常数 a=b=c,=90a=b=c,=90。原子半径原子半
17、径晶胞所含原子数晶胞所含原子数 4 4个原子。个原子。配位数配位数 1212。致密度致密度 74%74%。33343 3）密排六方晶格（）密排六方晶格（hcphcp）原子排列特征原子排列特征 晶格常数晶格常数35原子半径原子半径 晶胞所含原子数晶胞所含原子数 6 6个原子。个原子。配位数配位数 1212。致密度致密度 74%74%。具有密排六方晶格的金属：具有密排六方晶格的金属：MgMg、CdCd、ZnZn、BeBe、-Ti-Ti等。等。 364)4)晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙 37结构间隙结构间隙 正四面体正八面体正四面体正八面体 四面体扁八面体四面体扁八面体 四面体正八面体四面体正八
18、面体（个数）（个数） 8 4 12 6 12 6（rB/rA） 0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414间隙半径（间隙半径（rB）：）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。间隙中所能容纳的最大圆球半径。385 5）晶体中原子的堆垛方式）晶体中原子的堆垛方式39406 6）晶体结构的多晶型性）晶体结构的多晶型性多多晶晶型型性性: :有有些些金金属属（如如FeFe，MnMn，TiTi，CoCo，SnSn，ZrZr等等）固固态态下下在在不不同同温温度度或或不不同同范范围围内内具具有有不不同同的的晶晶体体结结构构的的性质。性质。同同素素异异构构转转变变：多多晶晶型型的的金金属属在在
19、温温度度或或压压力力变变化化时时，由由一一种种结结构构转转变变为为另另一一种种结结构构的的过过程程称称为多晶型性转变，也称为同素异构转变。为多晶型性转变，也称为同素异构转变。412.2.陶瓷的晶体结构陶瓷的晶体结构 特点：晶体结构复杂，原子排列不紧密，配位特点：晶体结构复杂，原子排列不紧密，配位数较低等。数较低等。分类：分类：离子键结合的陶瓷，如离子键结合的陶瓷，如MgOMgO，CaOCaO，ZrOZrO2 2，AlAl2 2O O3 3等金属氧化物；等金属氧化物；共价键结合的陶瓷，如共价键结合的陶瓷，如SiCSiC，SiSi3 3N N4 4及纯及纯SiOSiO2 2等。等。421 1）离子
20、键晶体陶瓷的结构）离子键晶体陶瓷的结构432 2）共价晶体的结构共价晶体的结构 特点特点：饱和性饱和性; ; 方向性方向性金金刚刚石石型型：每每个个单单胞胞中中共共8 8个个原子原子 配配位位数数：4 4（远远少少于于面面心心立立方方的的1212）结构属于非密堆结构。结构属于非密堆结构。44SiOSiO2 2型型：面心立方：面心立方点阵，点阵，1 1个硅原子个硅原子被被4 4个氧原子所包个氧原子所包围，每个氧原子则围，每个氧原子则介于两个硅原子之介于两个硅原子之间，起着连接两个间，起着连接两个四面体的作用。单四面体的作用。单胞共有胞共有2424个原子。个原子。 SiCSiC型：类似于金刚石型型
21、：类似于金刚石型45第三节第三节 原子的不规则排列原子的不规则排列原原子子的的不不规规则则排排列列产产生生晶晶体体缺缺陷陷（在在晶晶体体中中所所占比例低）。占比例低）。晶体缺陷晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现：晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的区域。不完整性的区域。晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能和物理化学变化有重要的影响。和物理化学变化有重要的影响。46根据晶体缺陷的几何特征，可将他们分为三根据晶体缺陷的几何特征，可将他们分为三类：类：点缺陷点缺陷 如
22、空位、间隙原子等如空位、间隙原子等线缺陷线缺陷 如各种类型的位错如各种类型的位错面缺陷面缺陷 如晶界、相界等如晶界、相界等47一、点缺陷一、点缺陷形成条件：能量起伏形成条件：能量起伏 1.1.点缺陷的类型点缺陷的类型1 1）空位：）空位：肖脱基空位肖脱基空位弗兰克尔空位弗兰克尔空位2 2）间隙原子）间隙原子3 3）置换原子。）置换原子。2.2.晶格畸变晶格畸变482 2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度1 1）点点缺缺陷陷是是热热力力学学平平衡衡的的缺缺陷陷在在一一定定温温度度下下，晶晶体体中中总总是是存存在在着着一一定定数数量量的的点点缺缺陷陷（空空位位），这这时时体体系系的的能能量量最最低
23、低具具有有平平衡衡点点缺缺陷陷的的晶晶体体比理想晶体在热力学上更为稳定。比理想晶体在热力学上更为稳定。2 2）点缺陷的平衡浓度）点缺陷的平衡浓度493 3 点缺陷对晶体性能的影响点缺陷对晶体性能的影响点缺陷主要影响晶体的物理性质，主要表现为点缺陷主要影响晶体的物理性质，主要表现为引起电阻增加，过饱和点缺陷（即超过平衡浓引起电阻增加，过饱和点缺陷（即超过平衡浓度）还会提高金属的屈服强度。度）还会提高金属的屈服强度。50晶格畸变：由于原子间的作用力的平衡被破坏，使原子离开其平衡位置的现象。51二、线缺陷（位错）二、线缺陷（位错）位位错错: :晶晶体体中中一一部部分分晶晶体体相相对对另另一一部部分分
24、晶晶体体发发生生了一列或若干列原子有规律的错排现象。了一列或若干列原子有规律的错排现象。1 1 位错的基本类型位错的基本类型(1)(1)刃型位错刃型位错 edge dislocationedge dislocation52位错宽度：位错宽度：晶格畸变程度大于正常原子间距晶格畸变程度大于正常原子间距1/41/4的区域称为位错宽度，约为的区域称为位错宽度，约为3 35 5个原子间距。个原子间距。刃型位错的正、负只是相对而言的，无本质区别。刃型位错的正、负只是相对而言的，无本质区别。刃型位错特征：位错线刃型位错特征：位错线滑移方向滑移方向本质上位错是一条具有一定宽度的细长的晶格畸本质上位错是一条具有
25、一定宽度的细长的晶格畸变管道。变管道。532 2）螺型位错）螺型位错 screw dislocationscrew dislocation模模型型：滑滑移移面面/位位错错线线。（位位错错线线/晶晶体体滑滑移移方方向向，位位错错线线位位错错运运动动方方向向，晶晶体体滑滑移移方方向向位位错运动方向。）错运动方向。）分类：左螺型位错分类：左螺型位错, ,右螺型位错。右螺型位错。左螺型位错和右螺型位错有着本质的区别。左螺型位错和右螺型位错有着本质的区别。无论位置如何摆放也不会改变其类型。无论位置如何摆放也不会改变其类型。螺型位错特征：滑移方向螺型位错特征：滑移方向/位错线位错线54位位错错蚀蚀坑坑左左
26、螺螺位位错错553 3）混合位错）混合位错模型：滑移面模型：滑移面/ /位错线。位错线。滑移方向既不平行也不垂直于滑移方向滑移方向既不平行也不垂直于滑移方向典型的混合型位错：典型的混合型位错：位错环位错环56(100)硅片表面的位错硅片表面的位错 57(111)硅片表面的位错硅片表面的位错 58位错的透射电子显微镜照片位错的透射电子显微镜照片 592.2.柏氏矢量柏氏矢量19391939年柏格斯（年柏格斯（J.M.BurgersJ.M.Burgers）提出了一个可以提出了一个可以揭示位错本质并能描述位错行为的矢量，以后被揭示位错本质并能描述位错行为的矢量，以后被称为称为柏氏矢量柏氏矢量，并以，
27、并以b b表示。表示。 1) 1) 柏氏矢量的确定柏氏矢量的确定602 2）柏氏矢量的表示方法）柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的方向可用晶向指数表示；柏氏矢量的柏氏矢量的方向可用晶向指数表示；柏氏矢量的大小称为位错强度，可用其大小称为位错强度，可用其模模表示。柏氏矢量的表示。柏氏矢量的模表示了该晶向上原子间的距离。模表示了该晶向上原子间的距离。全位错或单位位错全位错或单位位错:|b|=:|b|=晶向原子的间距晶向原子的间距; ;不全位错不全位错: : |b|1010时，时，D D只有只有5 56 6个原子间距，位个原子间距，位错密度太大，模型不错密度太大，模型不适用。适用。95扭转晶界扭转晶界 9
28、62)2)大角晶界大角晶界 973)3)界面能界面能 由于晶界上原子排列不规则，产生点阵畸变，由于晶界上原子排列不规则，产生点阵畸变，引起能量升高，这部分能量称为引起能量升高，这部分能量称为界面能界面能。大角界面能基本是一恒定值（在大角界面能基本是一恒定值（在0.250.251.0 1.0 J/mJ/m2 2），），与位向差无关，且比小角界面能大。与位向差无关，且比小角界面能大。小角界面能与相邻两晶粒之间的位向差有关，小角界面能与相邻两晶粒之间的位向差有关，其关系式为其关系式为 式中：式中： 为常数为常数982.2.亚晶界亚晶界3 3 孪晶界和相界孪晶界和相界 1 1）孪晶界）孪晶界孪晶之间的
29、界面称为孪孪晶之间的界面称为孪晶界。晶界。公共晶面称为孪晶面公共晶面称为孪晶面 晶界晶界亚结构亚结构亚晶界亚晶界99孪晶之间的界面为孪晶界孪晶之间的界面为孪晶界 孪晶面上的原子位于两部分晶体点阵结点上，孪晶面上的原子位于两部分晶体点阵结点上，称为共格孪晶（孪晶面与孪晶界一致）称为共格孪晶（孪晶面与孪晶界一致）孪晶界与孪晶面部孪晶界与孪晶面部不一致，称为不一致，称为非共非共格孪晶界格孪晶界 1002)2)相界相界相与相的边界。相与相的边界。共格界面示意图 101共格相界的特征共格相界的特征: :界面两侧的界面两侧的“相相”保持一定的保持一定的位向关系，沿着界面，两相具有位向关系，沿着界面，两相具有相同或近似的原相同或近似的原子排列子排列，故两相在交界面上原子匹配得较好。，故两相在交界面上原子匹配得较好。 半共格界面示意图 102非共格界面示意图 103
