材料科学基础知识总结-辽宁科技大学金材10-1

第0章 绪论

1.材料的分类

①金属材料 ②无机非金属材料 ③高分子材料 ④复合材料 2.无机非金属材料分类

①水泥 ②玻璃 ③耐火材料 ④陶瓷（器）

第一章 固体结构

1.要求掌握的内容

⑴晶体、晶体结构、空间点阵、对称、配位数、配位多面体、合金、固溶体、置换固溶体

⑵晶体结构与空间点阵的关系和区别、点阵几何元素表示法、球体的最紧密堆积、金属的晶体结构、固溶体、鲍林规则、用鲍林规则分析离子晶体结构.

⑶重点:晶体结构与空间点阵的关系和区别、点阵几何元素表示法、典型离子晶体的结构.

⑷ 难点:空间点阵,点阵几何元素表示法,鲍林规则,硅酸盐晶体结构

2.⑴晶体:内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体,即晶体是具有格子构造的固体. ⑵空间点阵（空间格子）：从理想晶体结构中抽象出来，相当于晶体结构中结构基元的结点在三维空间作周期性重复排列的几何图形。 ⑶晶体结构与空间格子

晶体结构：客观实体，有实际内容，质点代表原子、离子、分子等。空间格子：抽象几何图形，结点为几何点。

⑷根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型，即7个晶系。

⑸布拉菲点阵：用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，这14种空间点阵也称布拉菲点阵。 ⑹晶胞-能代表整个晶体全部结构特征的最小单位。（与单位平行六面体（单位空间格子）相对应,从实际晶体选取的这种最小单位。） 单位平行六面体（单位空间格子）：能代表整个空间点阵全部特点的最小单位。 晶体结构：晶体内部质点在三维空间作周期性重复排列构成。 晶胞与平行六面体比较：区别：点的意义不同

相同：晶胞与平行六面体的大小、形状、参数相同，“点”排列规律相同 2.晶向符号

Z Z

A ①符号[212] A O X Y O Y ②符号012

??X C

晶向符号不仅代表一根直线方向，而且代表所有平行于这根直线的直线方向。

Z 3.晶面指数

P O m Y X

m面： ?332? 晶面符号代表了一组平行等距的晶面。 P面： 332

4.晶带：

⑴晶带：所有平行或相交于某一直线的这些晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为共带面。 ⑵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： hu + kv + lw = 0 ⑶晶带定律的应用：

?uvw?①已知两个不平行的晶面(h1 k1 l1)和

??(h2 k2 l2)，求晶带轴的晶向指数[u v w] u:v:w= ?h1k1l1?? ?h2k2l2??l??hk②已知两晶向[u1 v1 w1]和[u2 v2 w2]，

?uvw?求两晶向所决定的晶面指数（h k l） h:k:l= ?111???u2v2w2??

③晶轴1 [u1 v1 w1] 晶轴2 [u2 v2 w2] 晶轴3 [u3 v3 w3]三个晶轴是否同在一个晶面上

④晶面1 (h1 k1 l1) 晶面2 (h2 k2 l2) 晶面3 (h3 k3 l3) 三个晶面同属一个晶带 5.宏观对称要素和对称操作

⑴对称轴（旋转轴）和旋转 ⑵对称面与反映

⑶对称中心和倒反 ⑷回转-反演轴与旋转倒反 6.等径球体最紧密堆积：

⑴六方最紧密堆积ABAB：第三层球体排列的位置与第一层球完全相同 ⑵立方最紧密堆积第四层球时，与第一层球重复，形成ABCABC…… 7.最紧密堆积中的空隙 ①四面体空隙 ②八面体空隙

8.球体空间利用率:晶胞中原子体积与晶胞体积的比值.＝紧密系数＝堆积密度＝致密度K＝nv/V 9.配位数CN

离子晶体配位数：最邻近且等距的异号离子数。单质：一个原子周围最邻近且等距原子数。

10.晶体结构中正、负离子配位数的大小由正、负离子半径的比值来决定。

r＋/r－ 正离子配位数 负离子多面体形状 实例 0.225～0.414 4 四面体 SiO2 0.414～0.732 6 八面体 NaCl、MgO

0.732～1.000 8 立方体 CsCl、ZrO2 11.离子的极化

离子极化:在离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场必然要对另一离子的电子云发生作用（吸引或排斥），因而使这个离子的大小和形状发生了改变,这种

??

现象叫离子极化。

极化会对晶体结构产生显著影响，主要表现为极化会导致离子间距离缩短，离子配位数降低，同时变形的电子云相互重叠，使键性由离子键向共价键过渡，最终使晶体结构类型发生变化．

12离子半径:每个离子周围存在着一个一定大小的球形力的作用圈，其它离子不能进入这个作用圈，这种作用圈的半径 。 意义：对球体的最紧密堆积和配位数有影响。 13.体心立方，面心立方，密排六方：

①原子半径②原子个数③晶格常数④致密度⑤四面体，八面体间隙

合金相结构

13.⑴合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼，烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。

⑵组织:材料中的直观形貌,可以用肉眼观察到,也可以借助于放大镜、显微镜观察到的微观形貌。

⑶相:合金中具有同一聚集状态,同一化学成分、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。

⑷固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体。

①置换型固溶体：当溶质原子溶人溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。

②间隙固溶体:溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体

14.两组元A、B组成合金时:①固溶体（结构与溶剂相同）②中间相（结构不同A、B）

15.离子晶体：由正、负离子通过离子键或离子键和共价键混合键按一定方式堆积起来而形成的。离子半径：从原子核中心到其最外层电子的平衡距离。 16.离子化合物结合的几个规则

⑴离子配位多面体规则（鲍林第一规则）:在离子晶体结构中，每个正离子周围都形成一个负离子配位多面体；正负离子间的平衡距离取决于正负离子的半径之和；正离子配位数取决于正负离子半径之比。 ⑵电价规则（鲍林第二规则）

在一个稳定的离子型晶体中，每一个负离子的电价Z应该

? 等于（或近似等于）其邻近的正离子到该负离子的各静电

?Z??键强度S的总和Z??Si??? ??ii?CN?i

其中：Si为第i种正离子静电键强度，Z+为正离子的电荷，CN为其配位数。 17.用鲍林规则解释CsCl晶体结构与NaCl型结构

CsCl：第三规则 8个[CsCl8]共棱，共面相连，实际[CsCl8]共面相连 NaCl：第三规则：八面体可共棱，共面连接，实际共棱相连。

第2章 晶体缺陷

1.⑴根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类：

①点缺陷 ②线缺陷 ③面缺陷 ④体缺陷 ⑵根据缺陷的形成原因

①热缺陷②杂质缺陷③非化学计量缺陷等。 2.金属晶体中的点缺陷的类型 ①空位②间隙原子③置换原子 3.空位

⑴原子迁移到晶格的间隙中,这样所形成的空位叫弗仑克尔空位

⑵原子迁移到晶体表面上,这样所产生的空位叫肖特基空位

⑶迁移到其他空位处,这样虽然不产生新的空位,但可以使空位变换位置。

图2-2 点缺陷的类型

4.离子晶体中点缺陷

肖特基缺陷：在离子晶体中，由于要维持电价

平衡，因此一个正离子产生空位，则邻近必有 1-大的置换原子 4-复合空位 一个负离子空位，这样的一个正负离子空位对； 弗仑克尔缺陷：一个正离子跳入离子晶体的间隙位置，则出现了一个正离子空位，这种空位－间隙离子对。

5.CaCl2加入KCl中的缺陷反应方程式 KCl. Al2O3??CaCl???Ca?Cl?Cl'2TiO????2Ti?3O?Oi2KCli2AlO

KCl. Al2O3 3TiO??????CaCl????Ca?V?3Ti?6O?V2KK'?2ClCl2AlOAl ZrO2YO????2YZr??3OO?VO23

ZrO2 2Y2O3????3YZr??6OO?Yi6.线缺陷：刃型位错 、螺型位错 ⑴刃型位错的结构特征 ①有一额外的半原子面

②可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直

③只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移 ⑵螺型位错的结构特征 ①无额外的半原子面

②螺型位错线与滑移矢量平行，一定是直线，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；

③滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面； 7.位错的运动 ⑴刃型位错运动：

①位错的运动在外加切应力的作用下发生；

②位错移动的方向和位错线垂直（与伯氏矢量的方向平行）；

③运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了伯氏矢量大小的相对运动(滑移)； ④位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生伯氏矢量大小的台阶。

⑵螺型位错运动

①螺位错也是在外加切应力的作用下发生运动；

②位错移动的方向总是和位错线垂直(与伯氏矢量垂直）；

③运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了伯氏矢量大小的相对运动(滑移)； ④位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的表面上产生伯氏矢量大小的完整台阶。

第三章 固体中的扩散 1.固体中，扩散是唯一的物质迁移方式，研究扩散一般有两种方法： ①表象理论：根据所测量的参数描述物质传输的 速率和数量等； ②原子理论：扩散过程中原子是如何迁移的。 2.化学扩散：由于浓度梯度所引起的扩散。

自扩散：不依赖浓度梯度，而仅由热振动 而产生的扩散。

3.把Cu、Ni两根金属棒对焊在一起, 在焊接面上镶嵌上几根钨丝作为界面标志，然后加热到高温并保温很长时间后，左侧Ni的浓度大于右侧Cu的浓度，侧的点阵膨胀，右边点阵收缩, 导致界面向右漂移。 4.菲克第一定律：J＝－Ddρ/dx

J：扩散通量，kg/（m2﹒s） D：扩散系数，m2/s

ρ：质量浓度，kg/m3 “-”：扩散方向与dρ/dx方向相反 它仅适应于稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。

5.大多数扩散过程是非稳态扩散，即浓度随时间而变化的扩散，需要用菲克第二定律处理。 6.菲克第二定律

?ρ/?t=?(D?ρ/?x)/?x ?ρ/?t=D?2ρ/?x2 ⑴两端成分不受扩散影响的扩散偶

初始条件：t=0，x>0，则ρ=ρ1 边界条件：t≥0，x=∞，则ρ=ρ1 x<0，则ρ=ρ2 x=-∞，则ρ=ρ2

?1??2?1??2x?通解为： 2?(x,t)??erf()??A1?exp(??)d??A2222Dt 0

?1??2??在界面处（x=0）： s2⑵一端成分不受扩散影响的扩散体（考研同学重点） 质量浓度为ρ0的低碳钢渗碳：

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