材料科学基础复习

原子间的键合
结合键分为： 化学键（一次键）－金属键、离子键、共价键 物理键（二次键）－范德华力、氢键 1.离子键： 金属正离子——非金属负离子之间 特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的 是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性。 2. 共价键(covalent bond)
相：体系中具有相同物理与化学性质的，且与其他部分以
界面分开的均匀部分。
组元：组成一个体系的基本单元。
吉布斯相律： f=C-P+1
单元系相图的相律解释
二元系相图： 匀晶、共晶、包晶相图、线及区、平衡凝固过程、 相组成物及组织组成物的质量分数计算、非平衡凝 固的表现。 P169 表5-6

(1) 相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的 成分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相的成分必须沿着 相界线随温度而变化。 (2) 两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区分开， 而不能以一条线接界(即两个单相区只能交于一点而不能交于 一条线 ) 。两个两相区必须以单相区或三相水平线分开。即 : 在二元相图中，相邻相区的相数差为1，这个规则为相区接触 法则。 (3) 二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示恒温反应。 在这条水平线上存在3个表示平衡相的成分点，其中两点在水 平线两端，另一点在端点之间，水平线的上下方分别与3个两 相区相接。
在离子晶体中，正离子的周围形成一个负离子配位多面体，正负离子键 的平衡距离取决于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负 离子的半径比。
P60 例题 根据半径比得配位数
及处于什么间隙中。
后根据hcp八面体间隙 数及原子数目可知一个
点阵所占间隙数，对应
得如图结构。
晶体缺陷
晶体缺陷分类及特征：
[1]点缺陷：特征是三维空间的各个方面上尺寸都很小，尺寸范围
原因之一。
位错墙
位错的交割
① 两柏氏矢量相互垂直的刃型位错交割：
②两柏氏矢量相互平行的刃型位错交割

位错的密度
单位体积晶体中所包含的位错线总长度，或穿越单位截面积
的位错线数目
堆垛层错
由一根位错分解成两根以上的位错，或由两根以上的位错合
并为一根位错，位错间的相互转化(合成或分解)过程，称为
位错的反应。 位错反应满足条件：
面心立方结构 A1 或 fcc 体心立方结构 A2 或 bcc 密排六方结构 A3 或 hcp
立方晶系 立方晶系 六方晶系
晶胞中原子的排列方式 (原子所处的位置) 晶胞中原子数 原子半径 R(原子的半径)(和点阵常数关系) 配位数和致密度 密排方向和密排面 晶体结构中间隙 (大小和数量) 原子的堆垛方式



(4) 当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交则分界线 的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区。




分析复杂二元相图的步骤和方法如下： (1) 首先看相图中是否存在化合物，如有稳定化 合物，则以这些稳定化合物为界 ( 把化合物视为组 元)，把相图分成几个区域(基本相图)进行分析。 (2) 根据相区接触法则，认清各相区的组成相。 单相区：代表一种具有独特结构和性质的相的成分 和温度范围，若单相为一根垂线，则表示该相成分 不变。 双相区：邻区原则是含有 P 个相的相区的邻区，只 能含有P1个相。违背了这条原则，无法满足相律的 要求。两相区中平衡相之间都有互溶度，只是互溶 度大小不同而已。
b) 求两个不平行的晶向[u1v1w1]和[u2v2w2]所决定的晶面。 h=v1w2-v2w1 k=w1u2-w2u1 l=u1v2-u2v1
晶面间距 ——晶面指数为（ hkl）的晶面相邻两个晶面之间距离， 用dhkl表示。 低指数的晶面面间距较大，高指数的则较小。 面间距越大，该面上原子排列愈密集，否则越疏。
(3) 找出所有的三相共存水平线，分析这些恒温转变 的类型，写出转变式。 (4) 应用相图分析典型合金的组晶过程和组织变化规 律。 单相区；相成分、质量与原合金相同。 双相区；在不同温度下两相成分沿相界线变化，各 相的相对量可由杠杆法则求得。 三相共存(平衡)时，三个相的成分固定不变，可用 杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。
晶体结构基础
如何求取晶向指数和晶面指数
已知晶向指数及晶面指数，如何画出晶向及晶面。（限立方 晶系） 晶带——所有平行或相交于同一直线的晶面构成一个晶带，此直 线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为共带面。 晶带定理：同一晶带上晶带轴[uvw]和晶带面（hkl）之间存在以 下关系：hu+kv+lw=0 通过晶带定理可以求晶向指数或晶面指数。 a) 求两不平行的晶面（h1k1l1）和（h2k2l2）的晶带轴。 u=k1l2k2l1 v=l1h2-l2h1 w=h1k2-h2k1
两个或多个原子间共用电子对 特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向性，配位 数较小、各键间都有确定方位。
3.金属键 自由电子——金属正离子间 特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。 4.范德华力 电偶极矩的感应作用 特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性，无方 向性。 5. 氢键 分子间特殊作用力 表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。氢键主 要存在于高分子材料内。
在凝固前沿由于溶质再分配所产 生的过冷，称为成分过冷。
区域熔炼：基于合金在不平衡凝 固时液体内合金的成分不能均匀 化，让合金由左向右顺序凝固， 将杂质逐渐排除到右端，而合金 棒的左端可得到精炼提纯。
图6—18 当TL<GCR就产生成分过冷
扩散
菲克定律描述了固体中存在浓度梯度时发生的扩散， 称为化学扩散。 自扩散 ：当扩散不依赖于浓度梯度，仅由热振动而引 起时，则称为自扩散。 扩散方程的解：1.钢棒在富含一定浓度的CH4气氛中进 行渗碳处理。 x Cs C erf ( ) 2 Dt Cs C0
相图的正确与否可用相律来判断。
Fe—Fe3C合金相图 固态转变线： ① GS线 ② ES线 ③ PQ线 平衡凝固过程、相组成物及组织组成物的质量分数 计算、不同c含量的合金名称、五种渗碳体的区别。 课堂练习及思考题、作业都是重点！
三元相图基础：
成分表示方法、浓度三角形特殊线、三元相图的建 立； 直线法则、杠杆定律、重心定律 匀晶相图平衡结晶过程：蝴蝶形迹线； 等温截面：共轭曲线（可用杠杆定律） 变温截面：判定转变温度范围和相转变过程，不能 用杠杆定律。
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。 P95 例题 代入公式：C = n/N = Aexp（－△Ev/kT）
刃型位错及螺型位错的判断
柏氏矢量的确定：
用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。柏氏矢量可表示位错性 质和取向,即晶体滑移方向。 柏氏矢量越大,位错周围晶体畸变越严重。 柏氏矢量具有守恒性。即一条位错线的柏氏矢量恒定不变。 柏氏矢量的唯一性。即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。 位错的连续性:可以形成位错环、连接于其他位错、终止于晶界或露头于表面, 但不能中断于晶体内. 可用柏氏矢量判断位错类型 刃型位错: ξe⊥be，右手法则判断正负 螺型位错: ξs∥bs，二者同向右旋,反向左旋
结合键的本质及原子间距
原子间距：两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，两原子便 稳定在此相对位置上，这一距离r0相当于原子间的平衡距。 把两个原子平衡距离下的作用能称为原子的结合能（E）。结 合能的大小相当于把两原子分开所需做的功，E越大，原子结 合越稳定。离子键、共价键的E最大；金属键的次之；范德华 力的最小。 熔点的高低代表了材料稳定性程度。共、离子键化合物的Tm 较高。 密度与结合键有关。多数金属有高的密度，原因为金属有较高 的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集排列 弹性模量与结合能有较好的对应关系。
凝固与气相沉积
ΔT=Tm-T，是熔点Tm与实际凝固温度T之差。 由上式可知，要使 ΔGv＜0，必须使Δ T＞0，即 T＜Tm，故 ΔT称为过冷度。晶体凝固的热力学条件表明，实际凝固温度 应低于熔点Tm，即需要有过冷度。 形核的两种方式： 均匀形核：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。 非均匀形核：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。

元素的性能变化
1.电离能 气态原子失去一个电子成为一价正离子所需要的最 低能量称为第一电离能。从一价正离子失去一个电 子成为二价正离子所需要的最低能量称为第二电离 能。依此类推。电离能 的大小可以反映原子失去电 子的难易程度。单位：电子伏特或千伏/摩尔。 2.电子亲合能 气态原子获得一个电子成为一价负离子所释放的能 量。 3.电负性 原子在化合物中把电子吸引向自己的本领。
液-固界面分为：粗糙界面和光滑界面 晶粒长大方式分为：连续长大、二维晶核长大及螺 型位错长大。
溶质原子的再分配
成分为C0的合金，在凝固时， 当温度低于T0便开始析出固相， 其成分为CS’；
在任一温度T时，固相成分为 CS，液相成分为CL。
由于固相成分低于C0，在凝固 时固相中不能容纳的溶质原子 B被排挤出来，富集在界面前 沿液相一侧，然后逐渐相熔体 内扩散均匀化。这种成分分离 的现象，称为溶质原子的再分 配。
约为一个或几个原子尺度，又称零维缺陷，包括空位、间隙 原子、杂质和溶质原子。 [2]线缺陷：特征是在两个方向上尺寸很小 , 另外一个方面上很大， 又称一维缺陷，如各类位错。 [3]面缺陷：特征是在一个方面上尺寸很小 , 另外两个方面上很大， 又称二维缺陷，包括表面、晶界、亚晶界、相界、孪晶界等。
通过热力学分析，在绝对零度以上的任何温度，晶
复习课
材料结构的基本知识
原子的结构

⑴ 能量最低原理—电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。 ⑵ Pauli不相容原理—在一个原子中不可能有运动状态完全相 同的两个电子，即不能有上述四个量子数都相同的两个原子。 因此，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。 ⑶ Hund规则—在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可 能分占不同的能级，而且自旋方向相同。当电子排布的全充 满，半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。 试根据电子从低能到高能，依次排列在不同量子态的原理， 写出原子序数为xx的x原子核外电子排列方式。