前言 材料科学的重要地位 材料与人们的生活戚戚相关,人类文明的标志是以材料进程(使用材料的历史) 旧石器时代→新石器时代→(陶器时代)→青铜→铁器→水泥→钢→硅→新材料时代 石器:直接使用原材料、外形(原材料阶段) 陶、青铜、铜铁:对材料进行一定加工处理(加工材料阶段) 新材料:单一材料不能满足要求,n种材料复合方法(复合材料阶段) 随着学科发展,材料科学与其它学科互相渗透,出现边缘学科。 二、材料科学研究内容 1.材料的分类(工程材料) 按属性①金属材料:钢铁、有色金属(铝、钛、铜、镍合金) ②高分子材料(聚合物):塑料、合成纤维、橡胶 ③陶瓷:传统的建材、新型的结构陶瓷、功能陶瓷 ④复合材料、电子材料、光电材料、超导材料 按使用性质结构材料:主要利用力学性能 功能材料:主要利用物理性能 2.材料性能影响因素 ①材料的性能取决于其内部结构,只有改变了材料的内部结构才能达到改变或控制材料性 能的目的。 金属材料:良好的导电性、高的塑性、韧性 高分子材料:低强度、塑性,多数不导电 陶瓷:高硬度、脆性,多数绝缘 材料的内部结构可分为四个层次:原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织 ②材料的制备和加工工艺对材料的性能起着决定性作用。 硏制与开发新材料,不只是科学家的事(实验室论证材料可行性),更重要的是工程师 的事(改进材料制备与加工方法用于生产投入市场) 3.材料科学 材料科学是研究各种材料的组分结构、制备加工工艺与性质之间关系和变化规律、应用 基础的科学 材料科学与工程是研究有关材料成分、结构、制备合成、性能和使用效能及其关系的科 学技术与生产。 四要素:①成分、组织结构:表示材料内部结构包含的四个层次 ②制备合成与加工工艺 ③固有性能:材料本身具有的物理(电、磁、光、热性能)、化学(氧化、腐 蚀、降解等)、力学(强、塑、韧) ④使用性能一把材料固有性能和实际应用联系起来(寿命、利用率、可靠性等 综合因素) 《材料科学基础》基本任务是介绍材料结构、构成、性能之间关系,这里 结构:材料处于静止时的几何状态 过程:反映材料中原子(离、分)随时间的变化情况 性能:材料对外场的影响 结构与过程是基础,性能取决于结构与过程
结构:晶体结构、缺陷、相平衡 过程:扩散、相变、转变(凝固、烧结) 结晶学基础 讨论:晶体结构的特征及决定晶体结构的一些基本原理。 物质的基本聚集状态有气体、固、液三种,固态物质按其原子(离子或分子)的聚集状 态可分为晶体和非晶体两大类 自然界中绝大多数材料都是晶体组成的(多数材料在固态下通常是以晶体形式存在)。 根据结合键类型不同,晶体可分为金属、离子、共价、分子晶体 结晶学是以晶体为研究对象的自然科学 结晶学对晶体的研究首先是从晶体几何外形的特征开始的,随着科学技术的发展,研究 从外部进入到晶体内部。 1.1晶体的概念与性质 1.1.1晶体的概念 ①人们认识晶体是从外部形态的观察开始的 把天然的不是人为磨削的规则几何外形的固体称为晶体,如石盐、石英、方解石等。 ②这种对晶体的认识没有抓住最本质的特点 盐湖中产生的石盐有立方体,也有任意形状颗粒,除形态各异外,其他一切性质,如比 重、硬度等完全相同 ③多面体形态只是晶体内某种本质因素所具有的规律性在外表的一种反映 将任意形态石盐颗粒,放入饱和NaCl溶液中,有充分空间生长,最终长成立方体形态。 ④有关晶体本质问题,直至1912年应用x-ray对晶体构造进行研究后,才真正弄清楚 在一切晶体中,组成它们的物质的质点(原子、分子、离子、离子团)在空间都是按格 子构造规律分布的。 NaC1晶体中Na、CI在空间的不同方向上,各自按照一定的间隔重复出现 如果用不同的符号代表不同质点,并且直线将其连接起来,可得到一个格子状的图形。 对其它任何一个晶体,不论外形如何,它们内部质点在三维空间都有规律地或周期性重 复排列而构成格子状构造,不同的是质点种类不同,排列方式和间隔大小不同 由此得出晶体的定义: 晶体:内部质点在三维空间作周期性重复排列的物质,具有格子构造的固体 晶体结构:晶体中的原子(离子、分子)在三维空间的具体排列方式。 既然一切晶体都是具有格子构造,那么各种晶体格子之间有没有共同规律可循?如何描 述晶体中的原子排列规律或具体的空间形象? 1.1.2空间点阵 为了研究晶体中物质质点的排列规律,人们把物质的质点抽象为不动的几何点,用立体 图形来表示 显然,物质的晶体结构是多样的,表示晶体的立体图形也是多种多样的 仔细分析NaCl结构,发现Na和CI的排列规律相同,具有同样的周期性重复。因此, 只要用一类原子的排列规律,既可概括NaCl 在同一类原子中又可发现:每个原子周围环境是相同的 等同点:晶体中周围环境完全相同的点,由晶体中原子抽象而成的质点的种类、分布相 排列:相同方向上有相同质点 间隔:同一方向上等距离的地方重复出现
用一类等同点,就可以反映晶体结构的基本规律。 可能有很多不同的晶体,其等同点的排列规律却是相同的,即具有相同的基本规律 本等同点在空间的排列称为空间点阵,它是描写晶体结构的重要工具。 空间点阵:阵点的空间排列 几何点在三维空间做周期性规则排列的三维阵列。 对应于每种晶体结构都可以作出其相应的空间点阵,点阵中结点在空间的排列规则体现 了相应晶体结构中质点排列的重复规律。 不同晶体具有不同结构,对应不同的点阵,其差别仅在于:结点产生重复的方向和间距 不同 为了便于观察,用许多在三维方向上的平行线,把空间点阵的阵点连成一个空间几何格 子架,称空间格子 空间格子:等同点在三维空间作格子状排列。 同一点阵的空间格子可有各种连法,因而阵点是构成空间点阵的基本要素,空间格子只 是空间点阵的一种明显的几何形象。 空间格子要素 ①结点:代表实际晶体构造等同点的几何位置,几何点。实际晶体中结点的位置为同种质 点所占据 ②行列:分布在同一直线上的结点构成一个行列,任意两结点上决定 结点间距:同一行列上两相邻结点的距离 同一方向的行列中,d永远相等; 不同方向的行列中,d一般不等; ③面网:联结分布在同一平面内的结点构成一个面网 面网密度:单位面积的结点数。 面网间距:任意两相邻平行面网的垂直距离 平行面网,密度、间距相等; 不平行面网,密度、间距不等 ④平行六面体:单位空间格子,最小单元。由三对平行且相等的面网组成,结点分布在角顶, 三个棱长恰好是相应三条行列的结点间距。 整个空间点阵或空间格子就是最小单元在三维空间的重复堆砌 1.1.3晶体的基本性质 在一定外界条件下,晶体的性质取决于成分和内部构造。 仅仅与其内部格子构造有关,是一切晶体无例外都具有的共同特性,就是晶体的基本性 (1)结晶均一性 不连续性:切物体都是由不连续的微粒(原子、离子)构成的从微观角度看,一切物体 的性质都是不连续的。 均一性:晶体在其不同部位上具有相同的性质。(周期性重复排列,结构相同,性质相 同) 晶体的不连续性是绝对的,钧一性是相对的,有条件的 (2)各向异性 晶体的性质随方向而异。(不同方向上性质差异) 格子构造中各方向质点性质与排列不同) 晶体的均一性、异向性是格子构造反映在晶体性质上的两个方面。 (3)有限性(自范性)
晶体能自发的形成规则外形的性质。 晶体的几何多面体外形是晶体格子构造的外在反映 从晶体构造观点出发:晶面——格子构造中最外层面网 晶棱一—最外层网面相交的行列 角顶一—行列两端的结点 (4)对称性 晶体的外形和性质的相等部分做有规律的重复出现的现象,虽具异向性,并不排除在特 定方向上具有相同性质 由格子构造中质点上做周期性重复排列产生的,晶体的宏观对称是微观对称的外在表 现 (5)稳定性(最小内能) 在相同热力学条件下,对于化学成分相同但呈不同物态的物质相比较而言,以呈结晶态 的物体内能为最小。 结晶态是热力学稳定状态,结晶态物质最稳定 物体内能:动能部分:取决于所处热力学条件 势能部分:取决于物体内部质点相对位置(d排列) 结晶态物质,内部质点规则排列,质点间的引、斥力平衡,势能固定改变质点d(↑或 ↓)导致势能↑ 晶体最稳定,有固定熔点(各部分质点排列相同,破坏任何部分所需T一样)。 1.2晶体的宏观对称 晶体的对称是由格子构造的对称决定的,一切晶体都是对称的,但不同晶体之间的对称 往往有差异。 只限于讨论晶体外形上的对称一宏观对称 1.2.1对称操作及对称要素 是对称物体相同部分作有规律的重复。 对称现象自然界、日常生活中极为常见,人体、建筑等 对称的图形必须由两个以上的相同部分组成,但只有相同部分还不一定是对称图形,必 须符合另一条件,相同部分通过一定的操作后可作有规律的重复 对称操作:使对称物体中相同部分得以重复出现或重合操作,简单、复杂(一种或连续 进行两种不同操作) 对称要素:进行对称操作时引用的几何要素。(假想的、辅助的) (1)对称中心(C) 假想几何点,过此点做任意直线,直线上距该点等距的两端出现性质相同部分(对应点)。 具有对称中心的晶体:晶面成对出现,平行反向:是晶体的几何中心 对称中心可有可无,最多1个 (2)对称面(P)对平面的反映 通过晶体中心假想平面,能把晶体分成互为镜像反映关系的两部分,相同部分上对应点 的直线与P垂直等距。 对称面可有可无,最多9个 (3)对称轴(L")围绕直线旋转 通过晶体中心假想直线,晶体绕此直线旋转一定角度后,相同部分重复。 轴次n:旋转一周重复的次数 基转角a:重复时所旋转的最小角度 n=360°/a
自然界的晶体,由于受格子构造限制,n=1,2,3,4,6 L为任何晶体共有无实际意义 n>2称高次轴L,L,L6 对称轴的数目、种类可多可少(只一种、一种没有、同时几种、多种数根)。描述时,数 目写在符号前,轴次由高到低。 以立方体为例:L4平行晶面中心连线 L3两顶角连线 L2对棱中心连线 (4)旋转反伸轴L (5)旋转反映轴L LiP LS=C 晶体中具有实际意义的宏观对称要素只有8种:P、C、L2、L3、L 1.2.2对称要素的组合及对称型 晶体的宏观外形多种多样,晶体中存在的对称要素各不相同,有单独存在,也有多个组 合在一起共存。 对称要素的组合不是任意的,它服从一定的规律一组合定律 对称型:晶体中全部对称要素的集合 点群:由于对称要素相交于晶体中一点(中心),在进行对称操作时至少有一点不动, 对称型也称为点群。 晶体中可能出现的对称型共32种 1.2.3晶体的对称分类 属于同一对称型的所有晶体归为一类——32晶类 对称型中高次轴的有无、多少——3个晶族 轴次和数目——7个晶系 32晶类:低级晶族(无高次轴):三斜(无L2、P) 单斜(L2、P不多于一个) 斜方(正交)(L2、P不少于3) 中级晶族(只1根高次轴):三方(L3) 四方(L、L4) 六方(L°、L0) 高级晶族(多根高次轴):等轴 1.3晶体定向和结晶符号 晶体的形态从根本上说是由晶体的对称性决定的,但是属于同一对称型的晶体,由于 们的晶面在空间的取向不同,从而在外表形态上也各不相同。例如:立方体和八面体。 要正确认识晶体,必须确定其晶面在空间的相对位置 1.3.1晶体的定向 确定晶面在空间的位置,包括选择轴、确定单位 (1)轴的选择 轴的选择应符合晶体所固有的对称性,符合空间格子构造规律,晶轴应是格子构造中的 行列方向,一般选择对称轴、平行晶棱直线 (2)轴单位的确定 轴单位:结晶轴上的长度计量单位a、b、c 轴率:轴单位比率a:b:c 轴角:晶轴间夹角α、β、y
(3)晶体常数: 是轴角a、B、y和轴率a:b:c的合称,鉴定晶体的依据。 1.3.2晶面符号 晶面符号是以数字形式表达晶面在晶体上方位的符号(空间相对位置)。h、k、1表示晶 体中点阵平面的指数,由晶面与三坐标轴的截距值决定。 步骤:①建坐标:原点可移动,不能转动 ②求截距:正、负:面∥轴时记∞;截距与轴要一一对应 ③取倒数:∞的倒数为0 ④化整、加括号:化为最小互质整数:(h、k、1);负号在上方 例:①立方晶系:(100)与(100)指数相同,只差正负,代表一组平行的晶面 ③两晶胞,一个的点阵常数a、b、c另一个的点阵常数a=2a,b=3b,c=c, 对(111)面而言,与aa、bb、cc的关系无关,只考虑晶面与点阵常数的关系 注意:掌握晶面符号,重要的是明白其含义,能够想像晶面在晶体中的方位及各晶面的关系 ①指数为0,与相应轴平行。(100) ②指数越大,对应轴截距越小,轴单位相等时,晶面与轴的交角大。(210 ③指数相同,轴单位相同,晶面与相应轴的夹角相同。(110) ④指数相同,符号相反,两晶面平行。(100)与(100)、(123)与(123) ⑤(hk1)不单指一个晶面,代表一组相互平行的晶面 hkl}代表原子排列相同,不平行的一族晶面 1.3.3晶向符号 晶向符号是表示晶棱在晶体上的方位的符号。u、v、w表示晶体中点阵方向的指数 由晶向上阵点的坐标值决定 步骤:①建坐标 ②确定坐标值:待定晶向OP上距原点0最近的一个阵点的三坐标值 ③化整、加括号 注意:①[uvw代表相互平行、方向一致的所有晶向 ②两晶向平行且方向相反,则指数相同,符号相反 ③指数为0,与相应轴垂直。 ④<uvw代表原子排列相同,空间方位不同的一族晶向。 1.34晶面间距 晶面间距是指相邻两平行晶面的最近距离,记为dhk d越大,晶面上原子排列越密集,dmax的晶面为原子最密排面。d与h、k、l和a、b 有关。 对于简单晶胞:立方晶系dk= √h2+k2+1 斜方晶系 h2k212
1.3.5晶带 晶带:相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合。 晶带轴:晶向直线 共带面:同一晶带中的晶面 晶带指数:晶带用晶带轴的晶向指数表示 晶带定律:晶带轴[uw与该晶带中任一晶面(hk)满足hu+kv+w=0 任意两不平行晶面属同一晶带,由(hk)可确定[uvw u=kik2-k2kI v=l2h1-h1l2已知两不平行晶面,求由其决定的晶带轴 w=hjk2-h2kI 任意两晶带有一共同晶面,由[uvw可确定(khl) k=w1u2-w2u1已知两不平行晶向,求由其决定的晶面 u2VI 1.4晶体内部结构 平行六面体是晶体结构(空间格子构造)在三维空间最小重复单位,对它的描述包括其 形状特征和结点分布情况两方面。 7个晶系,参数不同,平行六面体形状不同 结点分布分为原始格子P,体心I,面心F,底心C 习题 1.名词解释:等同点,空间格子,单位平行六面体,点群,晶胞 2.试述晶体的本质及其与性能的关系 3.说明七个晶系的对称特点及与晶体几何常数的关系。 思考题 1.试从晶体的空间格子构造说明晶体中不可能存在L和大于L的对称轴 2.说明在等轴晶系中,(111)、(111)、(222)、(110)与(111)面之间的几何关系