第一章材料中的原子排列
第一節原子的結合方式
2 原子結合鍵
（1）離子鍵與離子晶體
原子結合：電子轉移，結合力大，無方向性和飽和性；
離子晶體；硬度高，脆性大，熔點高、導電性差。如氧化物陶瓷。
（2）共價鍵與原子晶體
原子結合：電子共用，結合力大，有方向性和飽和性；
原子晶體：強度高、硬度高（金剛石）、熔點高、脆性大、導電性差。如高分子材料。
（3）金屬鍵與金屬晶體
原子結合：電子逸出共有，結合力較大，無方向性和飽和性；
金屬晶體：導電性、導熱性、延展性好，熔點較高。如金屬。
金屬鍵：依靠正離子與構成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使諸原子結合到一起的方式。
（3）分子鍵與分子晶體
原子結合：電子雲偏移，結合力很小，無方向性和飽和性。
分子晶體：熔點低，硬度低。如高分子材料。
氫鍵：（離子結合）x-h---y（氫鍵結合），有方向性，如o-h—o
（4）混合鍵。如複合材料。
3 結合鍵分類
（1） 一次鍵 （化學鍵）：金屬鍵、共價鍵、離子鍵。
（2） 二次鍵 （物理鍵）：分子鍵和氫鍵。
4 原子的排列方式
（1）晶體：原子在三維空間內的週期性規則排列。長程有序，各向異性。
（2）非晶體不規則排列。長程無序，各向同性。
第二節原子的規則排列
一晶體學基礎
1 空間點陣與晶體結構
（1） 空間點陣：由幾何點做週期性的規則排列所形成的三維陣列。圖1-5
特徵：a 原子的理想排列；b 有14種。
其中：空間點陣中的點－陣點。它是純粹的幾何點，各點周圍環境相同。
描述晶體中原子排列規律的空間格架稱之為晶格。
空間點陣中最小的幾何單元稱之為晶胞。
（2） 晶體結構：原子、離子或原子團按照空間點陣的實際排列。
特徵：a 可能存在區域性缺陷； b 可有無限多種。
2 晶胞圖1－6
（1）――－：構成空間點陣的最基本單元。
（2）選取原則：
a 能夠充分反映空間點陣的對稱性；
b 相等的稜和角的數目最多；
c 具有盡可能多的直角；
d 體積最小。
（3） 形狀和大小
有三個稜邊的長度a,b,c及其夾角α,β,γ表示。
（4） 晶胞中點的位置表示（座標法）。
3 布拉菲位圖1－7
14種點陣分屬7個晶系。
4 晶向指數與晶面指數
晶向：空間點陣中各陣點列的方向。
晶面：通過空間點陣中任意一組陣點的平面。
國際上通用公尺勒指數標定晶向和晶面。
（1） 晶向指數的標定
a 建立座標系。確定原點（陣點）、座標軸和度量單位（稜邊）。
b 求座標。u』,v』,w』。
c 化整數。 u,v,w.
d 加[ ]。[uvw]。
說明： a 指數意義：代表相互平行、方向一致的所有晶向。
b 負值：標於數字上方，表示同一晶向的相反方向。
c 晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的一組晶向。用表示，數字相同，但排列順序不同或正負號不同的晶向屬於同一晶向族。
（2） 晶面指數的標定
a 建立座標系：確定原點（非陣點）、座標軸和度量單位。
b 量截距：x,y,z。
c 取倒數：h』,k』,l』。
d 化整數：h,k,k。
e 加圓括號：(hkl)。
說明： a 指數意義：代表一組平行的晶面；
b 0的意義：面與對應的軸平行；
c 平行晶面：指數相同，或數字相同但正負號相反；
d 晶面族：晶體中具有相同條件（原子排列和晶面間距完全相同），空間位向不同的各組晶面。用表示。
e 若晶面與晶向同面，則hu+kv+lw=0;
f 若晶面與晶向垂直，則u=h, k=v, w=l。
（3）六方系晶向指數和晶面指數
a 六方系指數標定的特殊性：四軸座標系（等價晶面不具有等價指數）。
b 晶面指數的標定
標法與立方系相同(四個截距)；用四個數字(hkil)表示；i=-(h+k)。
c 晶向指數的標定
標法與立方系相同(四個座標)；用四個數字(uvtw)表示；t=-(u+w)。
依次平移法：適合於已知指數畫晶向（末點）。
座標換算法：[uvw]~[uvtw]
u=(2u-v)/3, v=(2v-u)/3, t=-(u+v)/3, w=w。
（4）晶帶
a ――：平行於某一晶向直線所有晶面的組合。
晶帶軸晶帶面
b 性質：晶帶用晶帶軸的晶向指數表示；晶帶面//晶帶軸；
hu+kv+lw=0
c 晶帶定律
凡滿足上式的晶面都屬於以[uvw]為晶帶軸的晶帶。推論：
(a) 由兩晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶帶軸[uvw]：
u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。
(b) 由兩晶向[u1v1w1][u2v2w2]求其決定的晶面(hkl)。
h=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。
（5） 晶面間距
a ――：一組平行晶面中，相鄰兩個平行晶面之間的距離。
b 計算公式（簡單立方）：
d=a/(h2+k2+l2)1/2
注意：只適用於簡單晶胞；對於麵心立方hkl不全為偶、奇數、體心立方h+k+l=奇數時，d(hkl)=d/2。
2 離子晶體的結構
（1）鮑林第一規則（負離子配位多面體規則）：在離子晶體中，正離子周圍形成乙個負離子配位多面體，正負離子間的平衡距離取決於正負離子半徑之和，正離子的配位數取決於正負離子的半徑比。
（2）鮑林第二規則（電價規則含義）：乙個負離子必定同時被一定數量的負離子配位多面體所共有。
（3）鮑林第三規則（稜與面規則）：在配位結構中，共用稜特別是共用面的存在，會降低這個結構的穩定性。
3 共價鍵晶體的結構
（1） 飽和性：乙個原子的共價鍵數為8-n。
（2） 方向性：各鍵之間有確定的方位
（配位數小，結構穩定）
三多晶型性
元素的晶體結構隨外界條件的變化而發生轉變的性質。
四影響原子半徑的因素
（1） 溫度與應力
（2） 結合鍵的影響
（3） 配位數的影響 （高配位結構向低配位結構轉變時，體積膨脹，原子半徑減小減緩體積變化。
（4） 核外電子分布的影響（一週期內，隨核外電子數增加至填滿，原子半徑減小至一最小值。
第三節原子的不規則排列
原子的不規則排列產生晶體缺陷。晶體缺陷在材料組織控制（如擴散、相變）和效能控制（如材料強化）中具有重要作用。
晶體缺陷：實際晶體中與理想點陣結構發生偏差的區域。
（晶體缺陷可分為以下三類。）
點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。
線缺陷：在兩個方向上尺寸很小，而另乙個方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯。
面缺陷：在乙個方向上尺寸很小，在另外兩個方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。
一點缺陷
1 點缺陷的型別圖1－31
（1） 空位：
肖脫基空位－離位原子進入其它空位或遷移至晶界或表面。
弗蘭克爾空位－離位原子進入晶體間隙。
（2） 間隙原子：位於晶體點陣間隙的原子。
（3） 置換原子：位於晶體點陣位置的異類原子。
2 點缺陷的平衡濃度
（1）點缺陷是熱力學平衡的缺陷－在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數量的點缺陷（空位），這時體系的能量最低－具有平衡點缺陷的晶體比理想晶體在熱力學上更為穩定。（原因：晶體中形成點缺陷時，體系內能的增加將使自由能公升高，但體系熵值也增加了，這一因素又使自由能降低。
其結果是在g-n曲線上出現了最低值，對應的n值即為平衡空位數。）
（2）點缺陷的平衡濃度
c=aexp(-ev/kt)
3 點缺陷的產生及其運動
（1） 點缺陷的產生
平衡點缺陷：熱振動中的能力起伏。
過飽和點缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。
（2） 點缺陷的運動
（遷移、復合－濃度降低；聚集－濃度公升高－塌陷）
4 點缺陷與材料行為
（1）結構變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。）
（2）效能變化：物理效能（如電阻率增大，密度減小。）
力學效能（屈服強度提高。）
二線缺陷（位錯）
位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規律的錯排。
意義：（對材料的力學行為如塑性變形、強度、斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴散、相變過程有較大影響。）
位錯的提出：2023年，弗蘭克爾發現理論晶體模型剛性切變強度與與實測臨界切應力的巨大差異（2～4個數量級）。
2023年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時提出位錯的概念。
2023年，柏格斯提出用柏氏向量表徵位錯。
2023年，柯垂耳提出溶質原子與位錯的互動作用。
2023年，弗蘭克和瑞德同時提出位錯增殖機制。
之後，用tem直接觀察到了晶體中的位錯。
1 位錯的基本型別
（1） 刃型位錯
模型：滑移面/半原子面/位錯線 （位錯線┻晶體滑移方向，位錯線┻位錯運動方向，晶體滑移方向//位錯運動方向。）
分類：正刃型位錯（┻）；負刃型位錯（┳）。
（2） 螺型位錯
模型：滑移面/位錯線。（位錯線//晶體滑移方向，位錯線┻位錯運動方向，晶體滑移方向┻位錯運動方向。）
分類：左螺型位錯；右螺型位錯。
（3） 混合位錯
模型：滑移面/位錯線。
2 位錯的性質
（1） 形狀：不一定是直線，位錯及其畸變區是一條管道。
（2） 是已滑移區和未滑移區的邊界。
（3） 不能中斷於晶體內部。可在表面露頭，或終止於晶界和相界，或與其它位錯相交，或自行封閉成環。
材料科學基礎 總結
第一部分材料結構的基本知識 離子鍵由原子通過相互得失價電子形成正 負離子，正 負離子的相互吸引而形成的鍵。共價鍵通過相鄰原子間形成共用電子的方式使每個原子的最外層電子數都達到穩定的八個，其形成的鍵為共價鍵。金屬鍵金屬很容易失去最外層的價電子而形成正離子和自由電子，當許多金屬結合時，失去價電子的金屬正...
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固體結構 一 原子結構與鍵合 原子結構 元素的核外電子分布 原子間的鍵合 金屬鍵 掌握金屬的電子結構特徵，金屬鍵的特徵，懂得用上述內容解釋金屬的特有的效能 金屬鍵 metallic bonding 一次鍵 典型金屬原子結構 最外層電子數很少，即價電子 valence electron 極易掙脫原子核...