材料科學(xué)基礎(chǔ)1材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)課件

第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)第二節(jié)原子結(jié)合鍵第三節(jié)原子排列方式第四節(jié)晶體材料的組織第五節(jié)材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)

不同的材料具有不同的性能，同一材料經(jīng)過加工也會(huì)有不同的性能，這些都?xì)w結(jié)與內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同。

結(jié)構(gòu)大致可分為四個(gè)層次：原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)合鍵、材料中原子的排列以及晶體材料的顯微組織。返回下頁概述第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)一、原子的電子排列——可看成是原子核及分布在核周圍的電子組成。原子原子核——中子和質(zhì)子組成，核的體積很小，集中了原子的絕大部分質(zhì)量。電子運(yùn)動(dòng)的軌道：由四個(gè)量子數(shù)決定，分別是主量子數(shù)、次量子數(shù)、磁量子數(shù)及自旋量子數(shù)。主量子數(shù)——決定電子離核遠(yuǎn)近和能量高低的主要參數(shù)。次量子數(shù)——量子軌道并不一定總是球形的，次量子數(shù)反映了軌道的形狀，各軌道在原子核周圍的角度分布不同。它也影響軌道的能級(jí)，按s、p、d、f依次升高。磁量子數(shù)——確定了軌道的空間取向，以m表示。沒有外磁場時(shí)，處于同一亞殼層而空間取向不同的電子具有相同的能量，但在外加磁場下，不同空間取向軌道的能量會(huì)略有所差別。自旋量子數(shù)——ms=+1/2，–1/2，表示在每個(gè)狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個(gè)電子。主量子數(shù)殼層序號(hào)次量子數(shù)亞殼層狀態(tài)磁量子數(shù)規(guī)第的狀態(tài)數(shù)目考慮自旋量子數(shù)后的狀態(tài)數(shù)目各殼層總電子數(shù)12341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f113135135722626102610142（=2×12）8（=2×22）18（=2×32）32（=2×42）二、元素周期表及性能的周期性變化原子周期律——早在1869年，俄國化學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了元素性質(zhì)是按原子相對質(zhì)量的增加而程周期性的變化。這正是由于原子核外電子的排列是隨原子序數(shù)的增加呈周期性變化。族——周期表上豎的各列。同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)，同一族元素具有非常相似的化學(xué)性能。過渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB對應(yīng)著內(nèi)殼層電子逐漸填充的過程，把這些內(nèi)殼層未填滿的元素稱過渡元素?？偨Y(jié)各個(gè)元素所表現(xiàn)的行為或性質(zhì)一定會(huì)呈現(xiàn)同樣的周期性變化，因?yàn)樵咏Y(jié)構(gòu)從根本上決定了原子間的結(jié)合鍵，從而影響元素的性質(zhì)。返回第二節(jié)原子結(jié)合鍵鍵的形成——在凝聚狀態(tài)下，原子間距離十分接近，便產(chǎn)生了原子間的作用力，使原子結(jié)合在一起，就形成了鍵。鍵分為一次鍵和二次鍵：一次鍵——結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵。二次鍵——結(jié)合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。共價(jià)鍵——價(jià)電子數(shù)為4或5個(gè)的ⅣA、ⅤA族元素，離子化比較困難，在這種情況下，相鄰原子間可以共同組成一個(gè)新的電子軌道，由兩個(gè)原子中各有一個(gè)電子共用，利用共享電子對來達(dá)到溫定的電子結(jié)構(gòu)。這就是共價(jià)鍵。金屬鍵——金屬原子很容易失去外殼層電子而具有穩(wěn)定的電子殼層，形成帶正電的陽離子，由正離子和自由電子之間的相互吸引而結(jié)合起來的稱金屬鍵。二、二次鍵1、范德瓦耳斯鍵當(dāng)原子和分子相互靠近時(shí)，一個(gè)原子的偶極矩將會(huì)影響另一個(gè)原子的電子分布，電子密度在靠近第一個(gè)原子的正電荷處更高些，這樣使兩個(gè)原子相互靜電吸引，體系就處于較低的能量狀態(tài)。2、氫鍵氫鍵的本質(zhì)與范德瓦耳斯鍵一樣，只是氫原子起了關(guān)鍵作用。氫原子只有一個(gè)電子，當(dāng)氫原子與一個(gè)電負(fù)性很強(qiáng)的原子X結(jié)合成分子時(shí)，氫原子的一個(gè)電子轉(zhuǎn)移至該原子殼層上；分子的氫離子側(cè)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)裸露的質(zhì)子，對另個(gè)電負(fù)性較大的原子Y表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸引力，這樣，氫原子便在兩個(gè)電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間形成一個(gè)橋梁，把兩者結(jié)合起來，形成氫鍵。所以氫鍵可表達(dá)為：

X–H——Y三、混合鍵實(shí)際材料中單一結(jié)合鍵并不多，大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往是各種鍵的混合。例如：（1）ⅣA族的Si、Ge、Sn元素的結(jié)合是共價(jià)鍵與金屬鍵的混合。（2）陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵與共價(jià)鍵混合的情況。四、結(jié)合鍵的本質(zhì)與原子間距固體原子中存在兩種力：吸引力和排斥力。它們隨原子間距的增大而減小。當(dāng)距離很遠(yuǎn)時(shí)，排斥力很小，只有當(dāng)原子間接近至電子軌道互相重五、結(jié)合鍵與性能1、物理性能（1）熔點(diǎn)的高低代表了材料穩(wěn)定性的程度。共價(jià)鍵、離子鍵化合物的熔點(diǎn)很高這是陶瓷材料比金屬材料具有更高熱穩(wěn)定性的根本原因。二次鍵結(jié)合的材料熔點(diǎn)一定偏低，如聚合物等。（2）材料的密度與結(jié)合鍵類型有關(guān)。金屬有高的密度，陶瓷材料的密度很低。聚合物由于其是二次鍵結(jié)合密度最低。（3）金屬鍵使金屬材料具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而由非金屬鍵結(jié)合色陶瓷、聚合物均在固態(tài)下不導(dǎo)電。2、力學(xué)性能結(jié)合鍵是影響彈性模量的主要因素。結(jié)合鍵能越大，彈性模量越大，材料的強(qiáng)度越大。返回測得的性能數(shù)據(jù)亦不同這種性質(zhì)稱晶體的各向異性。各向同性——非晶體在各個(gè)方向上的原子排列可視為相同，沿任何方向測得的性能是一致的，表現(xiàn)為各向同性。從液態(tài)到非晶態(tài)固體是一個(gè)漸變過程，既無確定的熔點(diǎn)，又無體積的突變。這說明非晶態(tài)轉(zhuǎn)變只不過是液態(tài)的簡單冷卻過程，隨溫度的下降，液態(tài)的粘度越來越高，當(dāng)其流動(dòng)性完全消失時(shí)則稱固相。液體向晶體的轉(zhuǎn)變還具有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這一原子重排過程是通過在液體中不斷形成有序排列的小晶核及晶核的逐漸生長實(shí)現(xiàn)的。描述單相組織特征的主要有晶粒尺寸與形狀。（1）晶粒尺寸對材料性能有重要影響，細(xì)化晶粒可提高材料的強(qiáng)度，還改善材料的塑性和韌性。（2）晶粒的形狀取決于各個(gè)核心的生長條件。等軸晶：若每個(gè)核心在各個(gè)方向上的生長條件接近，最終得到的晶粒在空間三維方向上尺度相當(dāng)。柱狀晶：若在特定的條件下，空間某一方向的生長條件明顯優(yōu)于其它二維方向，最終得到拉長的晶粒形狀。（圖1-16）三、多相組織

（圖1-17）是兩相合金的一種典型組織，兩個(gè)相的晶粒尺度相當(dāng)，兩種晶粒各自成為等軸狀，兩者均勻的交替分布，此時(shí)合金的力學(xué)性能取決于兩個(gè)相或兩種組織組成物的相對量及各自的性能。以強(qiáng)度為例，材料的強(qiáng)度σ應(yīng)等于：σ=σ1φ1+σ2φ2σ1、σ2為兩個(gè)相的強(qiáng)度值；φ1、φ2為兩個(gè)相的體積分?jǐn)?shù)。彌散強(qiáng)化——組織中兩個(gè)相的晶粒尺度相差甚遠(yuǎn)，尺寸較細(xì)的相以球狀、點(diǎn)狀、片狀或針狀等形態(tài)彌散地分布于另一相的基體內(nèi)（圖1-17b）。大幅度地提高材料的強(qiáng)度。

第二相在基體相的晶界上分布是一種常見的組織特征（圖1-17c）。返回第五節(jié)材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)——同一材料在不同條件下可以得到不同的結(jié)構(gòu)，其中能量最低的結(jié)構(gòu)稱穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)——能量相對較高的結(jié)構(gòu)則稱亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件：結(jié)構(gòu)形成時(shí)必須沿著能量降低的方向進(jìn)行。熱力學(xué)第二定律對這種自發(fā)過程的敘述為：只有那些使體系自由能A減小的過程才能自發(fā)進(jìn)行，可表示為：等溫等容ΔAT、V<0

自發(fā)過程等溫等壓ΔGT、P<0

自發(fā)過程兩種自由能的表達(dá)式為：

A=U–TSG=H–TSU——內(nèi)能H——焓S——熵T——熱力學(xué)溫度反應(yīng)速率ν與熱力學(xué)溫度T之間滿足：

ν=Aexp（圖1-18）R——?dú)怏w常數(shù)；Q——過程的激活能–QRT圖1-18激活能的物理意義圖1-19反應(yīng)速