1、章材料科学概述章材料科学概述一、材料与材料科学二、材料结构简述三、材料的性能四、材料工艺及其与结构和性能的关系五、材料的强化机制一、材料与材料科学 1.材料科学基础的基本概念材料科学基础的基本概念 2.材料科学基础的地位材料科学基础的地位 3.学习材料科学基础的意义学习材料科学基础的意义 材料材料是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。材料科学材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代材料的性能与材料应用之间的相互关系
2、的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。纳米材料科学与技术是之一。纳米材料科学与技术是20世纪世纪80年代发展起来的新兴学科年代发展起来的新兴学科，成为，成为21世纪新技术的主导中心世纪新技术的主导中心。材料科学基础材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展在共同的理论基础
3、上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间：历了七个时代，各时代的开始时间：w 石器时代石器时代（公元前（公元前10万年）万年）w 青铜器时代青铜器时代（公元前（公元前3000年）年）w 铁器时代铁器时代（公元前（公元前1000年年w 水泥时代（公元水泥时代（公元0年）年）w 钢时代（钢时代（1800年）年）w 硅时
4、代（硅时代（1950年）年）w 新材料时代（新材料时代（1990年）年）（一）材料科学的内涵（一）材料科学的内涵 材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学材料科学的核心问题是的核心问题是材料的组织结构（材料的组织结构（Structure）和性能（）和性能（Property）以及它们之间的以及它们之间的关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解材料的结构关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解材料的结构是什么？是什么？材料结构关系材料结构关系 w材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的
5、微观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了的微观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。解了这些才能实现控制结构的目的。w材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。(二）材料科学与材料工程的关系二）材料科学与材料工程的关系 材料科学的形成材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提出于20世纪60年代，1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继建立十余个材料科学研究中心，自此开始，“材料科学”一词广泛应用。一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料
6、工程指明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。w 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此，后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词材料科学与工程（MSE，Material Science and Engineering）材料科学材料科学：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能。材料工程材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材
7、料的结构、性能和形状。它包括下面的五个环节。(三）三）材料的分类材料的分类 通常根据材料的结构和用途来分类。通常根据材料的结构和用途来分类。是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。疲劳强度等力学性能为特征的材料。是以声，光，电，磁，热等物理性能为是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材料。特征的材料。又可按金属、陶瓷、高分子和它又可按金属、陶瓷、高分子和它们的复合材料来。们的复合材料来。结构材料实际上是一种按结合键种类来分类的方法。结构材料实际上是一种按结合键种类来分类的方法。由此可将材料分为由此可将材料分为金属、陶瓷、高分子金
8、属、陶瓷、高分子和由金属、陶和由金属、陶瓷和高分子分别组合成的各种瓷和高分子分别组合成的各种复合材料材料复合材料材料。金属材料金属材料：黑色金属材料（钢铁）、有色黑色金属材料（除钢铁：黑色金属材料（钢铁）、有色黑色金属材料（除钢铁以外的）以外的）陶瓷材料陶瓷材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷高分子材料高分子材料：塑料、橡胶合成纤维：塑料、橡胶合成纤维复合材料复合材料：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料功能材料功能材料：电子材料、光电子材料、超导材料：电子材料、光电子材料、超导材料（四）材料的应用（四）材料的应用
9、让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。w计算机与材料计算机与材料 1、计算机经历：电子管、计算机经历：电子管晶体管晶体管集成电路时代集成电路时代 2、个人电脑移动存储器的比较、个人电脑移动存储器的比较 材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。种类种类使用的材料使用的材料存储容量存储容量特点特点软盘软盘氧化铁氧化铁1.44 Mb1.44 Mb容量小，文本文件存容量小，文本文件存储储CDCDRWRW以以ZnSZnS等为等为主的陶瓷
10、材主的陶瓷材料料650 Mb650 MbCDCD光盘，价低，用量光盘，价低，用量大大MO(MO(磁光磁光盘盘)TbFeCoTbFeCo合金合金磁光材料磁光材料6 5 0 M b6 5 0 M b，1.3G1.3G需专用驱动器，价格需专用驱动器，价格高，局限在广告图形高，局限在广告图形用户用户DVDDVDRWRWZnSZnS等为主等为主的陶瓷材料的陶瓷材料单面单层为单面单层为4.7 Gb4.7 GbCDCDRWRW和和CDCD光盘，用光盘，用量大量大w飞机和材料飞机和材料 从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快和远，就要采
11、用强度高和比重小的材料，巨变。为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度重视材料的比强度，即强度/比重之比。因此，航空和航天比重之比。因此，航空和航天器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发展，轻质器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发展，轻质和高比强度的钛合金、碳纤维和高比强度的钛合金、碳纤维 实例实例压气机叶压气机叶片片压气机压气机机匣机匣飞机尾翼飞机尾翼硼纤维铝合硼纤维铝合金板和管金板和管材料材料铝合金铝合金钛合金钛合金碳纤维复合碳纤维复合材料材料硼纤维增强硼纤维增强铝合金铝合金强度范强度范围围 MPa MPa15015045045035035011
12、001100100010001200 1200（顺纤维方（顺纤维方向）向）15001500（顺纤（顺纤维方向）维方向）比强度比强度 MPaMPa55551601608080245245625625750750570570美国待升空的航天飞机美国待升空的航天飞机钛结构自行车钛结构自行车：“自行车发烧友”选择钛合金制自行车。钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合 生命科学材料生命科学材料原来使用专用的汞合金，为防止金属合金的分解已经开发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新型陶瓷。具体来讲，它需要满足下列要求：耐口腔中的酸；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；尽得住数年
13、的咀嚼力；耐骤冷骤热；当然还要口感舒适 碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可以在某碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可以在某特定方向上增加强度（用于特殊目的）特定方向上增加强度（用于特殊目的）。材料的主要性能取决于母体，加入合金元素成分将改善金属的物理及机械性能强度、耐力、使用寿命。在飞机发动机中一种掺镍化合物制成称作718合金被广泛的用于制造波音777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。近来，钢铁工业已经开发出一种汽车用钢，比原先的轻24%，而强度高34%，称为。其优点是：高撞击能量吸收率；高强度-质量比；实用新型制造工艺；可以有多种不同性能(寿命、防锈等）。w 是一个由多种材料决
14、定社会和经济发展的时代；是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代；w 新材料以人造为特征，非自然界中现成有的新材料以人造为特征，非自然界中现成有的;w 新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为了特定的需要设计和加工而成的；解，为了特定的需要设计和加工而成的；w 这些新材料使新技术得以产生和应用，而新技术这些新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新工业的出现和发展，从而使国家财富和又促进了新工业的出现和发展，从而使国家财富和就业增加。就业增加。w1990年美国总统的科学顾问年美国总统的科学顾问Allany.Bromley明明确指出确指出“
15、材料科学在美国是最重要的学科材料科学在美国是最重要的学科”。w 1991年日本为未来工业规划技术列举的年日本为未来工业规划技术列举的11项项主要项目中有主要项目中有7项是基于先进材料之上。项是基于先进材料之上。w 1986年科学的美国人杂志指出年科学的美国人杂志指出“先进材先进材料对未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业料对未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的，材料科学的进步决定了经济关的发展是必要的，材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。键部门增长速率的极限范围。”w 可见，材料科学历来是技术进步的支柱可见，材料科学历来是技术进步的支柱 二、材料结构简述1.原子
16、结构2.结合键3.固体结构4.结构缺陷一、物质的组成（Substance Construction）物质由无数微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒l18791879年年 J.J Thomson J.J Thomson 发现电子（发现电子（electron),electron),揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密l19111911年年 E.Rutherford E.Rutherford提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型l19131913年
17、年 N.Bohr N.Bohr将将 lBohr atomic modelBohr atomic model M.PlankM.Plank和A.Einstein量子论和A.Einstein量子论原子结构的量子理论原子结构的量子理论Rutherford Rutherford 原子有核模型原子有核模型-2-2H H-1-1AlAl原子（atom)原子（atom)r=3.7 10 nmr=3.7 10 nmr=1.43 10 nmr=1.43 10 nm-2 27 7-2 27 7-3 31 1（p pr ro ot to on n）（n ne eu ut tr ro on n）质质子子：正正电电荷荷
18、m m1 1.6 67 72 26 61 10 0k kg g原原子子核核（n nu uc cl le eu us s)：位位于于原原子子中中心心、带带正正电电中中子子：电电中中性性m m1 1.6 67 74 48 81 10 0k kg g电电子子（e el le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋转转，带带负负电电，按按能能量量高高低低排排列列，如如电电子子云云（e el le ec ct tr ro on n c cl lo ou ud d）m m9 9.1 10 09 95 5 1 10 0k kg g，约约为为质质子子的的1 1/1 18 83 36 6l核外
19、电子的排布（electron configuration)规律iiinln1,spdfm i主量子数：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q electron shell轨道动量量子数：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2，shape of the electron s ubshell磁量子数：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-li1),1,0,1,spatial orientation of an electron cloudsii，-(ll11自旋角动量量子数：表示电子自旋（spin moment）的方向，取值为 或-22l描述原子中一
20、个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum quantum numbersnumbers）表示表示2 2全充满全充满半充满 半充满 全空全空自旋方向相同自旋方向相同能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量 最低的壳层最低的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-4d-5p-PauliPauli不相容原理（Pauli Exclusion p
21、rinciple):不相容原理（Pauli Exclusion principle):2n2nHundHund原则（Hund Rule)原则（Hund Rule)2 2结合键结合键(Bonding type with other atom)(Bonding type with other atom)金属键（Metallic bonding）金属键（Metallic bonding）化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding）主化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding）主 价键primary interatomic bonds
22、价键primary interatomic bonds共价键（covalent bonding）共价键（covalent bonding）物理键（physical bonding),次价键(Secondary bond物理键（physical bonding),次价键(Secondary bond ing)ing)，亦称Van der Waals bonding，亦称Van der Waals bonding氢键（Hydrogen-bondin氢键（Hydrogen-bondin和g)g)介于化学键范德华力之间介于化学键范德华力之间l一、金属键（一、金属键（Metallic bondingMe
23、tallic bonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electronvalence electron）极易）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electronFree electron），形成电子云），形成电子云（electron cloudelectron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键l特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性
24、，形成低能量密堆结构l性质：良好导电、导热性能，延展性好性质：良好导电、导热性能，延展性好l二、离子键（Ionic bonding)多数盐类、碱类和金属氧化物l 特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体静静 电电键键引引 力力 离离 子子l三、共价键（covalent bonding）l 亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料l实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 键电对键键两键间极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子极性(Polar bonding):共用子偏于某成原
25、子非极性（Nonpolar bonding):位于成原子中非极性（Nonpolar bonding):位于成原子中l特点：饱和性 配位数较小，方向性（s电子除外）l性质：熔点高、质硬脆、导电能力差 实质：金属原子 带正电的正离子（Cation）非金属原子 带负电的负离子（anion）e l四、范德华力（Van der waals bonding)电应邻电华偶极矩的感作用偶极矩的感作用近原子相互作用荷位移近原子相互作用荷位移偶极子(dipoles）范德力偶极子(dipoles）范德力l包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive forc
26、e)l属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 l五、氢键（Hydrogen bonding）极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性气态（gas state）气态（gas state）物质（substance）液态（liquid state）物质（substance）液态（liquid state）晶体（crystal）晶体（crystal）固态（solid state）固态（solid state）非晶体（amorph
27、ous solid）非晶体（amorphous solid）金的AFM 照片l 1晶体学基础l（Basis Fundamentals of crystallography）l晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间 呈周期性重复排列（periodic repeated array），即存在长程有序（long-range order）l性能上两大特点：固定的熔点（melting point）,各向异性（anisotropy）一、晶体的空间点阵（Space lattice）1.空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point），即可得到一个由无数几何点在
28、三维空间排列成规则的阵列空间点阵（space lattice）特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)2晶胞（Unite cells）代表性的基本单元（最小平行六面体）small repeat entities选取晶胞的原则：)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。lattice parameterlattice parametera,b,ca,b,c棱边长（点阵常数）棱边长（点阵常数）描述晶胞描述晶胞,晶轴间的夹角,晶轴间
29、的夹角uvwuvw阵点 r=ua+vb+wc阵点 r=ua+vb+wca体积V(bc)体积V(bc)简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点复杂晶胞：除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点 或用点阵矢量a,b,c或用点阵矢量a,b,c 3.晶系与布拉菲点阵（Crystal System and Bravais Lattice）七个晶系，14个布拉菲点阵晶系布拉菲点阵晶系布拉菲点阵三斜Triclinicabc，单斜 Monoclinicabc，=90正交abc，=90 简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交六方 Hexagonala1=a2a3c，=90，=12
30、0菱方 Rhombohedrala=b=c,=90 四方（正方）Tetragonala=bc,=90 立方 Cubica=b=c，=90 简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方底心单斜简单三斜简单单斜底心正交简单正交面心正交体心正交简单菱方简单六方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方4.4.晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵 二、晶向指数和晶面指数（Miller Indices of Crystallographic Direction and Planes）1阵点坐标晶向族：具有等同性能的晶向归并而成；（x1,y1,z1）,(x2,y2,z2)二点连线的晶向指数：x2
31、-x1,y2-y1,z2-z1*指数看特征，正负看走向 求法：1）确定坐标系2）过坐标原点，作直线与待求晶向平行；3）在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z）4）将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号u v w即是。（代表一组互相平行，方向一致的晶向）2.晶向指数（Orientation index）opxaybzc34 122！3424！组，如1 2 3晶面族h k l中的晶面数：a）h k l三个数不等，且都0，则此晶面族中有 b）h k l有两个数字相等 且都0，则有，如1 1 2c)h k l三个数相等，则有，d）h k l 有一个为0，应除以2，则有 有二个为0，应除以2
32、2，则有 3!441113!组，如3!4122组，如1 2 023!432!2 组，如1 0 0求法：求法：1 1）在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o o，三棱边为三坐标轴，三棱边为三坐标轴x x，y y，z z2 2）以棱边长以棱边长a a为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距；为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距；3 3）取截距之倒数，并化为最小整数取截距之倒数，并化为最小整数h h，k k，l l并加以圆括号（并加以圆括号（h k lh k l）即是。）即是。3.晶面指数（Indices of Crystallographic Plane）4.六
33、方晶系指数（Indices of hexagonal crystal system orhexagonal indices）三坐标系 四轴坐标系a1，a2，c a1，a2，a3，c120 120 120（h k i l)i=-(h+k)u v t w t=-(u+v)指三指数系统 四数系统三指数系统 四数系统threethreeindex system fourindex systemindex system fourindex system（h k l）（h k i l）i-（hk）（h k l）（h k i l）i-（hk）U V W u v t wU V W u v t wU=u-t,V
34、=v-t,W=w U=u-t,V=v-t,W=w 1111u=2U-V,v=2V-U,t=-(u+v),w=Wu=2U-V,v=2V-U,t=-(u+v),w=W33335.晶带（Crystal zone）所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个“晶带”（crystal zone）此直线称为晶带轴（crystal zone axis），所有的这些晶面都称为共带面。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 lw0 晶带定律 凡满足此关系的晶面都属于以u v w为晶带轴的晶带111111222222333333uvwuvwuvwuvw 0，则三个晶轴同在一
35、个晶面上0，则三个晶轴同在一个晶面上uvwuvw111111222222333333hklhklhklhkl 0，则三个晶轴同属一个晶带0，则三个晶轴同属一个晶带hklhkl则三个晶面同属一个晶带则三个晶面同属一个晶带 6晶面间距（Interplanar crystal spacing）两相邻近平行晶面间的垂直距离晶面间距，用dhkl表示从原点作（h k l）晶面的法线，则法线被最近的（h k l）面所交截的距离即是 hkl2adhkl22立方晶系 hkl21dhklabc22直角坐标系（）（）（）hkl21d4 hhkkl3ac222六方晶系（）（）上述公式仅适用于简单晶胞,对于复杂晶胞则要
36、考虑附加面的影响 fcc 当（hkl）不为全奇、偶数时，有附加面：hkl2adhkl221，如1 0 0,1 1 02 hkl21d4 hhkkl3ac2221，如0 0 0面2（）（）h2k3nn0 1 2 3 当（，），l=奇数，有附加面：通常低指数的晶面间距较大，而高指数的晶面间距则较小bcc 当hkl奇数时，有附加面：如1 0 0,1 1 1六方晶系 立方晶系：如如0 0 0 10 0 0 1面面 三、晶体的对称性晶体的对称性 crystalline symmetry symmetrization of crystals 对称性晶体的基本性质 对称元素（symmetry element
37、s）宏观对称性 元素 回转对称轴（n）1，2，3，4，6回转对称轴（n）1，2，3，4，6对称面（m）对称面（m）对称中心（i）对称中心（i）回转反演轴 1，2，3，4，6回转反演轴 1，2，3，4，61121321524311213215243滑动面 a，b，c，n，d滑动面 a，b，c，n，d 元素元素螺旋轴 2；3，3；4，4，4；6，6，6，6，6螺旋轴 2；3，3；4，4，4；6，6，6，6，6点群（point group）晶体中所有点对称元素的集合根据晶体外形对称性，共有32种点群空间群（space group）晶体中原子组合所有可能方式根据宏观、微观对称元素在三维空间的组合，可能
38、存在230种空间群（分属于32种点群）微观对称性四、极射投影 Stereographic projection 极射投影原理（principle）参考球，极点、极射面、大图、基图 Wulff网（wullf net）经线、纬线、2等分沿赤道线 沿基圆读数 只有两极点位于吴氏经线或赤道上才能正确度量晶面、晶向间夹角标准投影：以某个晶面/投影面作出极射投影图。（001）倒易点阵（reciprocal lattice）1 12 23 3面心立方结构（A）face-centred cubic lattice面心立方结构（A）face-centred cubic lattice常见金属晶体结构 体心立方结
39、构（A）body-centred cubic lat常见金属晶体结构 体心立方结构（A）body-centred cubic lattice tice 密排立方结构（A）hexagonal close-packed lattice密排立方结构（A）hexagonal close-packed lattice2 2 金属的晶体结构金属的晶体结构（Crystal Structure of Metals）体心立方点阵面心立方点阵密排六方点阵表2.5三种典型金属结构的晶体学特点 晶胞中的原子数（Number of atoms in unit cell）28fcNNiN=N点阵常数（lattice pa
40、rameter）a，c原子半径（atomic radius）R配位数（coordination number）N 致密度（Efficiency of space filling）343nRnvKVV轴比（axial ratio）c/a 堆垛（Stacking）密排结构（close-packed crystal structure）最密排面(close-packed plane of atoms)fcc 1 1 1 ABCABCABChcp0 0 0 1 ABABABAB间隙（Interstice）四、八面体间隙fcc，hcp 间隙为正多面体，且八面体和四面体间隙相互独立bcc 间隙不是正多面体
41、，四面体间隙包含于八面体间隙之中 溶质溶质多面体分散不对称点阵畸变多面体分散不对称点阵畸变tetrahedraloctahedralinterstice 4.结构缺陷点缺陷点缺陷l无机非金属材料中最重要也是最基本的结构缺陷是点缺陷。根据点缺陷相对于理想晶格位置的偏差状态，点缺陷具有不同的名称：1.填隙原子（或离子）：指原子（或离子）进入正常格点位置之间的间隙位置，成为填隙原子（离子）；2.空位：正常结点位置出现的原子或离子空缺；3.杂质原子（离子）：晶体组分以外的原子进入晶格中，即为杂质。杂质原子可以取代晶体中正常格点位置上的原子（离子），称为置换原子（离子）；也可进入正常格点位置之间的间隙位
42、置，成为填隙的杂质原子（离子）。l当晶体的温度高于绝对零度时，晶格内原子吸收能量，在其平衡位置附近热振动。温度越高，热振动幅度加大，原子的平均动能随之增加。热振动的原子在某一瞬间可以获得较大的能量，挣脱周围质点的作用，离开平衡位置，进入到晶格内的其它位置，而在原来的平衡格点位置上留下空位。这种由于晶体内部质点热运动而形成的缺陷称为热缺陷。按照离开平衡位置原子进入晶格内的不同位置，热缺陷以此分为 二类：1.弗伦克尔缺陷（Frenkel）离开平衡位置的原子进入晶格的间隙位置，晶体中形成了弗伦克尔缺陷。弗伦克尔缺陷的特点是空位和间隙原子同时出现，晶体体积不发生变化，晶体不会因为出现空位而产生密度变化
43、。2.肖特基缺陷（Schottky）离开平衡位置的原子迁移至晶体表面的正常格点位置，而晶体内仅留有空位，晶体中形成了肖特基缺陷。晶体表面增加了新的原子层，晶体内部只有空位缺陷。肖特基缺陷的特点晶体体积膨胀，密度下降。线缺陷线缺陷位错位错 晶体内部偏离周期性点阵结构的一维缺陷称为线缺陷。晶体中最重要的一种线缺陷是位错。位错在晶体的范性与强度、断裂、相变以及其他结构敏感性问题中起着重要作用。一、位错的基本类型位错是晶体结构中的一种缺陷，也可以说是原子排列的一种特殊组态。位错最简单、最基本的类型是“刃位错刃位错”和“螺位错螺位错”。1.滑移区与未滑移区的分界线；2.位错线附近原子排列失去周期性；3.
44、位错线附近原子受应力作用强，能量高，位错不是热运动的结果；4.位错线的几何形状可能很复杂，可能在体内形成闭合线，可能在晶体表面露头，不可能在体内中断。刃型位错的特点是位错线垂直垂直于滑移矢量b b；螺型位错的特点是位错线平行平行于滑移矢量b b。b b又称为伯格斯（Burgers）矢量，它的模等于滑移方向上的平衡原子间距，它的方向代表滑移方向。除此之外，还存在位错线于滑移矢量既不平行又不垂直的混合型位错，如图。E处位错线与滑移矢量平行，是纯螺型位错，F处的位错线与滑移矢量垂直，是纯刃型位错。其余位错线与滑移矢量既不平行又不垂直，属混合型位错，混合位错的原子排列介于刃型位错和螺型位错之间，可以分
45、解为刃型位错和螺型位错。面缺陷与体缺陷面缺陷与体缺陷 晶体内偏离周期性点阵结构的二维缺陷称为面缺陷，主要有层错、小角晶界、晶界、相界等。晶体内部偏离周期性点阵结构的三维缺陷称为体缺陷，主要有包裹体、空洞、夹杂物，第二相等。一、层错 层错是在密排晶体中原子面的堆垛顺序出现反常所造成的面缺陷。二、晶界 固体从蒸汽、溶液或熔体中结晶出来时，只有在一定条件下，例如有籽晶存在时，才能形成单晶，而大多数固体属于多晶体。多晶是由许多小晶粒组成。这些小晶粒本身可以近似看作单晶，且在多晶体内做杂乱排列。多晶体中晶粒与晶粒的交界区域称为晶界，三、小角晶界 晶界结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差小于10时，
46、晶界称为小角晶界；当取向大于10时晶界称为大角度晶界。实际的多晶材料一般都是大角度晶界，但晶粒内部的亚晶界则是小角晶界。最简单的小角晶界是对称倾斜晶界。图中是简单立方结构晶体中界面为（100）面的倾斜晶界，相当于一系列平行的、伯氏矢量在100方向上的刃型位错线。小角晶界具有阻止原子扩散的作用。实验表明：沿着垂直于一个小角晶界中的位错扩散，要比平行于位错的扩散慢的多。并且通过晶界的扩散，能控制晶体中某些沉淀反应的速率。四、体缺陷 在体缺陷中比较重要的是包裹体。包裹体是晶体生长过程中界面所捕获的夹杂物。它可能是晶体原料中某一过量组分形成的固体颗粒，也可能是晶体生产过程中坩埚材料带入的杂质微粒。这是一种严重影响晶体性质的体缺陷，如造成光散射，或吸收强光引起发热从而影响晶体的强度。另一方面，由于包裹体的热膨胀系数一般与晶体不同，在单晶体生长的冷却过程中会产生体内应力，造成大量位错的形成。三、材料的性能1、特征性能2、功能物性四、材料工艺及其与结构和性能的关系1、材料工艺过程2、材料工艺与材料结构和性能的关系五、材料的强化机制冷变形强化细晶强化固溶强化多相强化分散强化马氏体强化
