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①符号[212]②符号210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。3.晶面指数XCAYZOAXYZOmOXYZPm面：233晶面符号代表了一组平行等距的晶面。P面：2334.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[uvw]与该晶带的晶面（hkl）之间存在以下关系：hu+kv+lw=0⑶晶带定律的应用：①已知两个不平行的晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)，求晶带轴的晶向指数[uvw]u:v:w=②已知两晶向[u1v1w1]和[u2v2w2]，求两晶向所决定的晶面指数（hkl）h:k:l=③晶轴1[u1v1w1]晶轴2[u2v2w2]晶轴3[u3v3w3]三个晶轴是否同在一个晶面上④晶面1(h1k1l1)晶面2(h2k2l2)晶面3(h3k3l3)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/V9.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。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111222uvwhklhkl111222hkluvwuvwr＋/r－正离子配位数负离子多面体形状实例0.225～0.4144四面体SiO20.414～0.7326八面体NaCl、MgO0.732～1.0008立方体CsCl、ZrO2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）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：ZiiiiZSCN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键强度S的总和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。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6.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。图2-2点缺陷的类型1-大的置换原子4-复合空位2-肖特基空位5-弗兰克尔空位3-异类间隙原子6-小的置换原子'ClClCaCaCliCl.KKCl2ClK.KKCl2Cl2'VCaCaCl23232222232322333623236AlOiAlOAlOAlOAlZrOZrOOZrOZrOiTiOTiOOTiOTiOVYOYOVYOYOY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/dxJ：扩散通量，kg/（m2﹒s）D：扩散系数，m2/sρ：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/∂x2⑴两端成分不受扩散影响的扩散偶初始条件：t=0，x0，则ρ=ρ1边界条件：t≥0，x=∞，则ρ=ρ1x0，则ρ=ρ2x=-∞，则ρ=ρ2通解为：在界面处（x=0）：⑵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：2021)exp(AdA)2(22),(2121Dtxerftx221s初始条件：t=0，x0，ρ=ρ0边界条件：t0，x=0，ρ=ρsx=∞，ρ=ρ0应用：在渗碳中，常需要估算满足一定渗碳层深度所需要的时间，7.扩散的热力学分析上坡扩散：物质从低浓度区向高浓度区扩散，提高了浓度梯度，上坡扩散8.⑴从热力学分析可知，扩散的驱动力并不是浓度梯度∂ρ/∂x，而是化学势梯度∂μ/∂x。只要两个区域中i组元存在化学势差Δμi就能产生扩散，⑵决定组元扩散的基本因素是化学势梯度，不管是上坡扩散还是下坡扩散，其结果总是导致扩散组元化学势梯度的减小，直至化学势梯度为零。9.扩散机制⑴交换机制:两个相邻原子互换位置。扩散原子是等量互换，不出现柯肯达尔效应。⑵间隙机制:原子从一个晶格间隙位置迁移到另一个间隙位置。对大的间隙原子提出推填机制和挤列机制。⑶空位机制:晶体中存在空位，使原子迁移容易。柯肯达尔效应支持了空位机制，⑷晶界扩散及表面扩散:多晶体材料，扩散物质可沿三种不同路径进行即晶体内扩散，晶界扩散和样品自由表面扩散，并用DL、DB、DS表示三者的扩散系数，（见图4-11，P145）且DLDBDS。10.扩散系数⑴对间隙型扩散，其扩散系数为：D＝D0exp(－△U/kT)＝D0exp(－Q/kT)D0为扩散常数；△U是间隙扩散时溶质原子跳跃所需额外的热力学内能，等于间隙原子的扩散激活能Q。⑵对置换型扩散或自扩散，原子迁移主要是通过空位扩散机制。其扩散系数为：D＝D0exp{(－△UV－△U)/kT}＝D0exp(－Q/kT)式中Q＝△UV＋△U，表明置换扩散或自扩散除了需要原子迁移能△U外还比间隙扩散增加了一项空位形成能△UV。11.扩散激活能(lnD＝lnD0－Q/RT)Q＝－Rtanα（其中：tanα=ΔlnD/Δ1/T）12.影响扩散的因素⑴温度:温度越高，扩散系数越大。⑵固溶体类型:间隙扩散激活能比置换扩散激活能小得多。⑶晶体结构:结构不同的固溶体对扩散元素的溶解限度不同，造成浓度梯度不)2()(),(0Dtxerftxss同，会影响扩散速率。⑷晶体缺陷:DSDBDL各种缺陷加快了原子的扩散。⑸化