材料科學基礎第一章材料結構的基本知識

1、編輯課件1第一章 材料結構的基本知識結構分4個層次： 原子結構 結合鍵 原子的排列 顯微組織編輯課件2第一節(jié) 原子結構一、原子的電子排列1、 原子的核式結構 原子由原子核及核外電子構成 原子核：體積小，質量大，帶正電 電子：質量可忽略，在一定軌道繞核旋轉，帶負電2、電子分布（1）4個量子數(shù)：主量子數(shù) n ：電子能級的殼層序數(shù)。n=1,2,3,7；次量子數(shù) l(角量子數(shù)、軌道量子數(shù))：l=0,1,2,確定每一殼層的亞殼層數(shù)目(spdf)編輯課件3磁量子數(shù) m：確定每一亞殼層中空間取向不同的軌道數(shù)目。m=0,1，2，, 軌道空間取向（spdf1357）自旋量子數(shù)ms ：確定每一軌道中能容納的電子數(shù)

2、目。ms=+1/2,-1/2 各殼層能夠容納的電子總數(shù)：2n2(n-主量子數(shù))編輯課件4（2）兩個基本原理： 泡利不相容原理；一個原子中不可能存在有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子。 最低能量原理：電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。（3）能級的重疊相鄰主殼層的能量范圍有重疊編輯課件5例題 ：寫出原子序數(shù)為11的鈉原子及原子序數(shù)解： Na: 1s22s22p63s1 Ca: 1s22s22p63s23p64s23、原子的活潑程度主要取決于外殼層（S層和P層）填滿與否例如：編輯課件6二、元素周期表及性能的周期性變化編輯課件71、周期對應于電子主殼層2、同一族元素具有相同的外殼層電

3、子數(shù)和相似的化學性質3、過渡族元素具有未滿的內(nèi)殼層和典型的金屬性4、B族和B族的內(nèi)殼層填滿，A族和A族的內(nèi)殼層未滿，故B族和B族不如A族和A族活潑例如：Cu ： 編輯課件85、電負性呈周期性變化：同周期自左至右逐漸增強，同族自上而下逐漸減弱編輯課件9第二節(jié) 原子的結合鍵 一次鍵 二次鍵 混合鍵 結合鍵的本質及原子間距 結合鍵與性能編輯課件10按結合力強弱分： 一次鍵：通過電子的轉移或共享使原子結合的結 合鍵包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵，結合力較強 二次鍵：通過偶極吸引力使原子結合的結合鍵包括氫鍵、范德瓦爾斯鍵，結合力較弱一、一次鍵1、離子鍵 通過正負離子間相互吸引力 使原子結合的結合鍵 編輯課件

4、11 例如：NaCl, MgO對于 NaCl：Na：1S22S22P63S1Cl： 1S22S22P63S23P5Na 原子失去一個外層電子，變成正離子，帶正電Cl 原子得到一個外層電子，變成負離子，帶負電編輯課件12編輯課件132、共價鍵 通過共用電子對使原子結合的結合鍵例如，金剛石編輯課件14(1) 具有方向性和結構穩(wěn)定性金剛石109.5(2) 8-N 定律 一個原子周圍的共用電子對的數(shù)目，其中，為原子的價電子數(shù) A族，4個共用電子對，空間網(wǎng)絡狀結構 A族，3個共用電子對，空間層狀結構 A族，2個共用電子對，空間鏈狀結構編輯課件153、金屬鍵 通過正離子與自由電子之間相互吸引力使原子結合的

5、結合鍵。 價電子脫離原子成為“電子氣”，正離子整齊地排列在 “電子氣”的海洋中 金屬具有高的密度，良好的塑性，導電，導熱，固態(tài)溶解編輯課件16二、二次鍵1、范德瓦耳斯鍵 具有穩(wěn)定電子結構的原子或分子通過電偶極矩相互吸引而結合的結合鍵。如石蠟、塑料編輯課件172、氫鍵 含氫的分子具有極性，與另一個具有較強電負性的原子通過氫離子而結合的結合鍵。如冰 X-H-YX-H: 離子鍵H-Y：氫鍵編輯課件18三、混合鍵 大部分材料的內(nèi)部原子結合鍵往往是各種鍵的混合。1、一次鍵混合（1）共價鍵與金屬鍵混合如 A族中， C Si Ge Sn Pb編輯課件19（2） 金屬鍵與離子鍵混合如金屬間化合物中（3）共價鍵

6、與離子鍵混合如陶瓷化合物中 AB化合物中離子鍵的比例取決于組成元素的電負性差，差越大，離子鍵比例越高： XA, XB A,B 的電負性數(shù)值。（表1-2，P17）2()ABXX1- 4離子鍵結合（）1-e 100%編輯課件20例題: 計算化合物 (1)MgO、(2)GaAs中離子鍵結合的比例解：(1) MgO查電負性表得 X Mg = 1.31, X O = 3.44代入公式得, 離子鍵結合比例68%(2) GaAs查電負性表得, X Ga = 1.81, X As = 2.18代入公式得, 離子鍵結合比例4%編輯課件21編輯課件222、一次鍵與二次鍵混合例如： 石墨: 片層中為共價鍵,片層間

7、為范德瓦爾斯鍵 高分子:分子鏈中為共價鍵,鏈 與鏈之間為二次鍵編輯課件23四、結合鍵的本質及原子間距1、結合鍵的本質 結合鍵的強弱反映了原子或分子間結合時互作用能降低的程度編輯課件242、原子間的互作用力及結合能（1）雙原子模型 固體原子間總存在著 兩種力： 吸引力、排斥力 引力與斥力相等時， r0稱原子間距。 平衡距離下的作用能定義為原子的結合能0 結合能越大，原子結合越穩(wěn)定。0EFdx 編輯課件25（2）原子結合能的實驗測定及理論計算 實驗測定原理 測定固體的蒸發(fā)熱 理論計算(自學P24例題)五、結合鍵與性能五、結合鍵與性能1、對物理性能的影響1) 熔點：共價鍵、離子鍵的最高，高分子材料

8、的最低2) 密度：金屬鍵的最高，共價鍵、離子鍵的較 低，高分子材料的最低3) 導電導熱性：金屬鍵最好，共價鍵、離子鍵最差。編輯課件262、對力學性能的影響（1） 強度：結合鍵強，則強度也高，但還受組織的影響（2） 塑韌性：金屬鍵最好，共價鍵、離子鍵最低.（3） 彈性模量：共價鍵、離子鍵最高，金屬鍵次之，二次鍵最低編輯課件27第三節(jié) 原子排列方式 晶體與非晶體 原子排列的研究方法一、晶體與非晶體1、晶體 原子(原子團或分子)在空間有規(guī)則的周期性重復排列的固體。 一般情況下，金屬、大多數(shù)陶瓷、少數(shù)高分子材料為晶體。編輯課件28 非晶體： 排列無序，不存在長程的周期規(guī)則排列。二氧化硅結構示意圖二氧化

9、硅結構示意圖 a)晶體晶體 b)非晶體非晶體編輯課件292、結晶過程晶核形成晶核長大編輯課件303、晶體與非晶體性能的主要差別編輯課件31二、 原子排列的研究方法 X射線或電子束 衍射原理布拉格定律： 根據(jù)衍射分布圖，可分析晶體中原子排列的特征（排列方式、原子面間距等）2 sindn編輯課件32第四節(jié) 晶體材料的組織1、結晶過程及多晶組織編輯課件332、材料的組織各種晶粒的組合特征。即各種晶粒的相對量、尺寸大小、形狀及分布等特征。 組織是影響材料性能的極為敏感而重要的結構因素。編輯課件343、組織的顯示與觀察 宏觀組織：肉眼能觀察 顯微組織：用金相顯微鏡或電子顯微鏡才能看到。磨光拋光浸蝕顯微鏡下觀察：編輯課件354、單相與多相組織（1）單相組織 所有晶粒的化學組成相 同，晶體結構也相同。 描述單相組織特征的主要用晶粒尺寸及形狀。（2）多相組織 兩相以上的晶體材料，各個相具有不同的成分和晶體結構。 兩相例子：編輯課件36第五節(jié) 材料的穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結構 穩(wěn)態(tài)結構（平衡態(tài)結構） 能量最低的結構。 亞穩(wěn)態(tài)結構 能量相對較高的結構。 材料最終得到什么結構，必須綜合考慮結構形成的熱力學條件和動力學條件。1、熱力學條件 結構形成時必須沿著能量降低的方向進行，或者說結構轉變必須存在一個推動力。編輯課件37 等溫等容過程：亥姆霍茲自由能變化， 自發(fā)過程 等溫等壓過程：吉布斯自由能變化，