1、1. 材料是国民经济的基础；广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质；材料、信息、能源是现代技术的三大支柱。2. 材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的学科。3. 材料分类：金属材料、陶瓷材料或无机非金属材料、高分子材料、复合材料。4. 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（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。它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。5. 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。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性质：良好
2、导电、导热性能，延展性好。6. 离子键：正负离子之间由于静电引力相互吸引，是原子结合在一起形成离子键。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。7.共价键：两个或多个电负性相差不大的原子通过共用电子对而形成的化学键。特点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s 电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差二；晶体学基础晶体：是指其内部原子（分子或离子）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物体。晶体原子（分子或离子）在空间的具体排列方式称为晶体结构。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即即存在长程有性
3、能上两大特点：固定的熔点，各向异性空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列空间点阵 特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境晶胞： 代表性的基本单元（最小平行六面体）选取晶胞的原则1.选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性 2.平行六面体的棱和角相等的数目应最多3.当平行六面体的棱边夹角存在直角，直角数目应最多4.在满足上述条件下晶胞应具有最小体积晶格：为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子) 在空间的平衡位置作为结点，人为地将结点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格。简单晶胞（初级晶胞）：只有在平
4、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14 种步拉菲点阵看书 p7晶体结构与空间点阵的区别：空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，故它只能有 14 种类型；而晶体结构中则是指晶体中实际质点（原子、分子或离子）的具体排列情况，他们能组成各种类型的排列（因实际质点千差万别） ，因此，实际排列的晶体结构是无限的。晶向：空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。 晶向指数：表示晶向方位符号求法：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
5、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。晶向族：具有等同性能的晶向归并而成；原子排列方式相同，空间位向不同。任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围（注意只适用于立方晶系） 。 晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子面的方向。 晶面指数：表示晶面方位的符号。标定方法：1）选定以晶轴 x、y、z 为坐标轴的坐标系，要求坐标原点不在待标晶面上，各轴单位分别是单位平行六面体（晶胞）边长a、b 和 c；（2）晶面在三个坐标上的截距 pa、qb、rc ； （3) 计算 1/p: 1/q: 1/r=
6、h:k:l（应为最小整数比）(4)去掉比例符号，以小括号括之，写成 (hkl)， (hkl) 即为待标定晶面的米勒指数。4.六方晶系指数三坐标系 a1，a2 ，c 四轴坐标系 a1，a2 ，a3，c缘由：由于等价晶向或晶面不具有类似的指数，无法从指数判定其等价性，也无法由晶面族或晶向族写出他们所包含的各种等价晶面或晶向，给研究带来不便。uvtw 化为 UVW u=1/3(2UV) t=-1/3(U+V) V=1/3(2V U) w=W 四指数转成三指数:U=u-t V=v-t W=w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”此直线称为晶带轴，所有的这些晶面都称为共带面。hu k
7、v lw0 晶带定律凡满足此关系的晶面都属于以u v w为晶带轴的晶带已知晶面（h1k1l1）和晶面（h2k2l2）在一个晶带上，则（h1h2）（k1k2） （l1l2）必为此晶面上的另一晶面指数。公式书 p12一组平行晶面中，最邻近的两个平行晶面之间的垂直距离称为晶面间距低指数晶面的晶面间距较大、原子排列越紧密；高指数晶面的晶面间距较小；原子排列越稀疏；晶体中原子排列的紧密程度（与晶体结构类型有关）配位数:晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数致密度（堆积系数 K ）晶胞中原子所占的体积分数.K=V/V0V 一个晶胞中原子所占的体积 V0 一个晶胞的体积体心立方 bcc：-Fe 、Cr
8、、 V、Mo 、W 等 八面体间隙：位置：面心和棱的中点 间歇数量： 12/4 + 6/2 = 6 半径为 0.154r四面体间隙：位置：侧面中心线 1/4 和 3/4 处 间歇数量：46 212 半径为 0.291r面心立方 fcc ：Al、-Fe、Ni 等八面体间隙：位置：体心和棱的中点 间歇数量：12/4+1=4 半径为0.414r四面体间隙：位置：四个最近邻原子的中心 间歇数量：428 半径为 0.225r密排六方 hcp：Mg 、Zn、-Ti 等密排面：该晶面上原子排列最为紧密密排方向：该晶向上原子排列最为紧密 体心立方结构中的八面体间隙却比四面体间隙小，其余相反。某些金属在固态下的
9、晶体结构是不固定的，而是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛等，这种现象称为同素异晶转变，所谓合金，是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金属特性的物质。组成合金的基本的、独立的物质称为组元相，是指合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分固溶体是以某一组元为溶剂，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，它保持着溶剂的晶体结构类型。溶质原子在溶剂中的最大含量（即极限溶解度）称为固溶度形成置换固溶体的影响因素1 原子或离子尺寸的影响 尺寸愈相近，则固溶体愈稳定当r (r1-r2)/r115时 形
10、成连续固溶体 当r 15 30时 形成有限固溶体 当r 30时 不能形成固溶体 形成中间相或化合物 r 越大 溶解度越小原子尺寸因素的影响主要与溶质原子的溶入所引起的点阵畸变及其结构状态有关。r 越大，溶入后点阵畸变程度越大，畸变能越高，结构的稳定性越低，溶解度则越小。若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续固溶体 只有当两两结构相同和r15才是形成连续固溶体的充分必要条件电负性: 原子获得电子形成负离子的倾向 电负性差越大，倾向于生成化合物而不利于形成固溶体 电负性相近的元素才可能具有大的溶解度电子浓度是指合金相中各组成元素价电子总数 e 与原子总数 a 之比 e/a A(100-x)+Bx
11、/100A 和 B溶剂和溶质的原子价（原子能直接或间接与氢原子结合或替代氢原子的数目 x溶质原子在合金中的原子百分数以一价金属为基体的固溶体中，溶质元素的原子价越高，同样数量的溶质原子溶解时，其电子浓度增加越快，故其固熔度（摩尔分数）就愈小。溶解度有一定限度，这种固溶体称为有限固溶体；但是某些元素之间可以任意比列形成固溶体，即不存在极限浓度的限制称为无限固溶体或连续固溶体。溶质原子和溶剂原子分别占据固定位置，而且每个晶胞中溶质原子数和溶剂原子数之比都是一定的称作有序固溶体有序固溶体 加热 无序固溶体 无序固溶体 缓冷 有序固溶体 这一转变过程称为有序化，临界转变温度称为有序化温度。溶质原子溶入
12、造成的晶格畸变使塑性变形抗力增加，位错移动困难，因而使固溶体的强度、硬度提高、塑性和韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式溶质原子更显著影响中间相的因素：电负性、电子浓度、原子尺寸正常化合物：电负性差越小，化合物越不稳定，越趋于金属键结合 电负性差越大，化合物越稳定，越趋于离子键结合电子化合物：中原子间结合的性质是金属键结合为主，它们具有明显的金属特性。两种原子半径差很大的元素形成化合物时，倾向于形成间隙相和间隙化合物，而中等程度差别时则倾向形成拓扑密堆相间隙相具有比较简单的晶体结构（面心、密排、体心） ，金属原子占据结点位置，而非金属原子则存在于金属原子间
13、隙中。间隙相具有很高的硬度和熔点，但很脆（金属键和共价键）间隙化合物：当非金属原子半径与过渡族金属原子半径之比rx rM0.59 时所形成的相往往具有复杂的晶体结构，这就是间隙化合物。间隙化合物中原子间结合键为共价键和金属键。玻璃的狭义定义为：“熔融物在冷却过程中不发生结晶的无机物质第二章：单晶体：一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体” 晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒” 。晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”点缺陷：其特点是在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一、两个原子大小的级别，又称零
14、维缺陷，例如空位，间隙原子和杂质原子等。线缺陷：其特点是仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，故也称一维缺陷，通常是指位错。面缺陷：其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，例如晶体表面、晶界和相界面等。弗兰克尔空位：在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位肖脱基空位:如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖脱基空位，空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点，称为空位。空位是热力学
15、稳定的晶体缺陷。金属晶体的点缺陷主要是指空位空位的运动是不规则运动，空位在运动过程中如遇到间隙原子，空位便消失，这种现象称为复合点缺陷能使金属的电阻增加(电子在传导时散射增加) ，体积膨胀，密度减小。过饱和点缺陷还可以提高金属的屈服强度。空位和间隙原子的运动是晶体内原子扩散的内部原因，原子（或分子）的扩散就是依靠点缺陷的运动而实现的各部分晶体相对滑动的结果使晶体的尺 寸沿着受力方向拉长，直径变细，这样的过程称为滑移 滑移是塑性变形的基本方式。韧性位错：特征：1.有一额外原子面，额外半原子面刃口处的原子列称为位错线 2.位错线垂直于滑移矢量，位错线与滑移矢量构成的面是滑移面，韧位错的滑移面是唯一
16、的 3.半原子面在上，正刃位错，“” ；负刃位错， “T” 4.刃位错的位错线不一定是直线也可以是折线，亦可以是曲线，但是位错线与滑移矢量垂直 5.韧性位错周围的晶体产生畸变，上压，下拉，半原子面是对称的，位错线附近畸变大，远处畸变小 6.位错周围的畸变区一般只有几个原子（一般点阵畸变程度大于其正常原子间距的 1/4 的区域宽度，定义为位错宽度，约 2 至 5 个原子间距）螺位错：特征：1.无额外半原子面，原子错排是轴对称的 2.位错线与滑移矢量平行，且为直线 3.凡是以螺位错线为晶带轴的晶带由所有晶面都可以为滑移面 4.螺型位错线的运动方向与滑移矢量相垂直5.分左螺旋位错 符合左手法则 6.
17、螺型位错也是包含几个原子宽度的线缺陷。滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢量 b） ，这样的位错称为混合位错伯氏矢量的确定方法：1）对于给定点的位错，人为规定位错线的正方向，纸面出来为正方向。（2） 实际晶体做柏氏闭合回路，用右手螺旋定则确定伯格斯回路方向。（3）按照图 2-15 所示的规律走回路，最后封闭回路的矢量即要求的伯氏矢量伯氏矢量;把形成一个位错的滑移矢量定义为位错矢量。伯氏回路：实际晶体中，假定有一位错，在位错周围的“好”区内围绕位错线作一任意大小的闭合回路。伯氏矢量的重要特性 1）用柏氏矢量可以判断位错的类型 2）用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小 3）用柏氏
18、矢量可以表示晶体滑移的方向和大小4）一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的 5）对于一个位错来说，同时 包含位错线和柏氏矢量的晶面是潜在的滑移面。对一条位错线而言，其伯氏矢量是固定不变的，此即位错的伯氏矢量的守恒性。推论：1.一条位错线只有一个伯氏矢量。 2.如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点） ，则指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和 。位错线的连续性:位错线不可能中断于晶体内部。在晶体内部，位错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交于节点，要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面。位错密度：单位体积内位错线的总长度 LV=L/V A=n/A 式中 L 为位错线的
19、总长度，V 是晶体的体积，n 为位错线数目，A晶体截面积。提高工程材料的强度途径 1 增大位错：加工硬化 2 减小位错：晶须而晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现的。 位错运动的基本形式有两种：滑移（slip）和攀移位错运动的方向总是与位错线相垂直。作用在单位长度位错线上的力 Fd=F/L=b 刃型位错：Fd 和 方向一致；螺型位错的 Fd和 方向垂直位错的滑移：所谓滑移是位错线沿滑移面的运动，任何类型的位错均可进行滑移。 位错的攀移：所谓攀移是指位错垂至于滑移面的移动，只有刃型位错才能进行攀移。滑移面：位错的滑移面是由位错线 l 和柏氏矢量 b 决定的平面。 刃位错滑移面唯一 螺型位错滑移
20、面不唯一刃型位错的滑移 位错移动的方向和位错线垂直 螺型位错可以有多个滑移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移错攀移在低温下是难以进行的，只有在高温下才可能发生。许多高温过程如蠕变、回复等，攀移都起着重要作用。通常把多余半原子面向上移动称正攀移，向下移动称负攀移位错的总能量正比于它的长度，所以位错有尽量缩短其长度的趋势。位错也存在为缩短位错线的长度而产生的线张力 T T=aGb(平方) a 是与几何因素有关的系数，约为 0.51 Gb/2R在间隙固溶体中，由于间隙原子的半径比晶体间隙的半径大，与位错进行弹性交互作用，结果间隙原子将在位错线附近聚集，形成小原子集团，称为柯垂尔气团体心立方晶体中
21、的间隙原子，在有足够激活力的条件下，会偏聚于螺型位错线附近形成溶质原子气团，叫史氏气团 能增殖位错的地方称为位错源位错的塞积障碍物受到的切应力 =N.0 引起应力集中，晶体受外力作用后产生裂缝的重要机制。不同滑移面上运动的位错在运动中相遇就有可能发生位错互相切割现象，称之为位错的交割。 交割可以分为割阶和扭折两种情况对位错运动具有阻碍左右。柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为单位位错。 柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错称为全位错。 一些位错的柏氏矢量不等于点阵矢量，这种位错称为不全位错位错的柏氏矢量不是任意的，它应符合相应的结构条件和能量条件。晶体结构条件是指柏氏矢量必须连接晶体中一个原子平衡位
22、置到另一个平衡位置；能量条件是指柏氏矢量所表征的位错应尽量处于最低能量。弗兰克不全位错：插入或抽去一层密排面而造成的不全位错 弗兰克不全位错不能滑移，只能攀移。层错区与右半部完整晶体之间的边界（垂直与纸面）就是弗兰克不全位错。 位错间存在相互作用力，可能发生相互转化或相互作用，此即位错反应。位错能否发生反应，取决于两个条件： 其一，必须满足伯氏矢量的守恒性（几何条件） ； b 前b 后； 其二，必须满足能量 b2 前b2 后这种由两个肖克莱不全位错之间还夹着一片层错的位错称为扩展位错d= Gb1b2/2 层错能 扩展位错的宽度和层错能成反比界面一般是指两相之间的“接触面 界面包括外表面（自由表
23、面）和内界面。表面是指固体材料与气体或液体的分界面内界面可分为晶粒边界和晶内的亚晶界、孪晶界、层错及相界面等。晶体表面单位面积自由能的增加称为表面能 表面能与晶体表面原子排列紧密程度有关，原子密排的表面具有最小的表面能。晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界 小角度晶界（10）基本由位错构成 大角度晶界（10）晶界较晶内具有较高的强度和硬度 晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多 与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快（通常2）.这些小晶块之间的内界面称为亚晶粒间界，简称亚晶界孪晶是指两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶，此公共晶面就称孪晶面
24、孪晶之间的界面称为孪晶界 晶界可分为两类，共格孪晶界和非共格孪晶界具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界 相界面可分为共格相界、半共格相界和非共格相界 共格界面是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有。 晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷称为堆垛层错，简称层错第六章：扩散：由构成物质的微粒(离子、原子、分子) 的热运动而产生的物质迁移现象称为扩散自扩散：不伴有浓度变化的扩散，它与浓度梯度无关（纯金属和均匀固溶体中晶粒长大） 互扩散：伴有浓度变化，与异类原子的浓度差有关（也称为异扩散、化学扩散）（2）根据扩散方向下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。上坡扩散
25、：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散原子扩散：扩散过程中不出现新相。 反应扩散：由之导致形成一种新相的扩散 伴随有相变过程的扩散称为反应扩散或相变扩散。 固态扩散的条件（1）具有驱动力：化学位梯度；（2）扩散原子能固溶；（3）温度足够高；（4）时间足够长。在稳态扩散中，单位时间内通过垂直于给定方向的单位面积的净原子数（称为通量）不随时间变化，即任一点的浓度不随时间变化。菲克第一定律：在稳态扩散中，单位时间内通过垂直于给定方向的单位面积的净原子数（称为通量）不随时间变化，即任一点的浓度不随时间变化。P 书 163菲克第二定律：p 书 163 在置换固溶体中，一个处于阵点上的原子通过与空位交换位置
26、而迁移。这个过程相当于空位向相反方向移动，故亦称为空位扩散。在含有浓度梯度的置换固溶体中，埋入一个惰性标记，由于两组元扩散能力不相等，经过扩散后会引起标记的移动。这个现象以后就称为柯肯达尔效应影响扩散的因素：1. 温度 温度越高，扩散系数越大，扩散速率越快。 2. 固溶体类型：间隙固溶体间隙原子的扩散激活能要比置换固溶体中置换原子的扩散激活能小得多，扩散速度也快得多。3.晶体结构：间隙固溶体间隙原子的扩散激活能要比置换固溶体中置换原子的扩散激活能小得多，扩散速度也快得多。4.晶体缺陷：晶界、表面和位错等对扩散起着快速通道的作用，加速了原子的扩散。5. 第三组元的影响： 在二元合金中加入第三元素时，扩散系数也会发生变化。有的促进扩散，有的阻碍扩散。
