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1、2021/6/7,1,第一章 材料结构的基本知识,原子结合键 原子排列 显微组织,2021/6/7,2,凝聚态通常把材料的液态和固态称为 凝聚态原子结合键 一次键结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。 二次键结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。,第二节 原子结合键,2021/6/7,3,一、一次键,依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合。,2021/6/7,4,1离子键,IA、A族金属与A、A族的非金属原子结合时，由于得失电子，金属和非金属原子分别形成正离子与负离子，正、负离子间相互吸引，使原子结合在一起，这就是离子键。 MgO、Mg2Si、CuO、CrO2、Mo
2、F2等也是离子键结合为主的。,图1-3 NaCl的离子结合键示意图,2021/6/7,5,2共价键,共价键利用共享价电子对来达到稳定的电子结构 价电子数为4或5个的IVA、VA族元素，相邻原子间共同组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用。 特点：共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键具有明显的饱和性和方向性，不允许改变原子间的相对位置，所以材料不具塑性且比较坚硬，像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。,图l-4 金刚石的共价结合及其方向性,2021/6/7,6,3金属键,金属键原子间通过正离子与自由电子之间的相互吸引而形成的结合。特点：1. 金属键没有方向性，因而金属具有良好
3、的塑性。2. 金属正离子被另一种金属的正离子取代时也不会破坏结合键，这种金属之间的溶解 (称固溶) 能力也是金属的重要特性。3. 金属导电性、导热性以及金属晶体中原子的密集排列等，都直接起因于金属键结合。,图1-5 金属键结合示意图,2021/6/7,7,二、二次键,二次键不是依靠电子的转移或共享，而是借原子之间的偶极吸引力结合而成。 形成条件： 原子或分子本身已具有稳定的电子结构，如惰性气体及CH4、CO2、H2或H2O等分子，分子内部靠共价键结合使单个分子的电子结构十分稳定，分子内部具有很强的内聚力。 众多的气体分子仍然可凝聚成液体或固体。,2021/6/7,8,1范德瓦耳斯键,图l-6
4、范德瓦耳斯键力示意图a) 理论的电子云分布 b) 原子偶极矩的产生 c) 原子(或分子)间的范德瓦耳斯键结合,2021/6/7,9,2氢键,氢键本质与范德瓦耳斯键一样，是靠原子 (或分子)的偶极吸引力结合的，只是氢键中氢原子起了关键作用，结合力比范德瓦耳斯键强。形成过程： 氢原子在两个电负性很强的原子(或原子团)之间形成一个桥梁，把两者结合起来，成为氢键。所以氢键可以表达为： X-HYX-H 离子键结合(X-H)Y 氢键结合,图l-7 冰中水分子的排列及氢键的作用,2021/6/7,10,三、混合键,实际材料中单一结合键的情况并不是很多，大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。,2021
5、/6/7,11,离子键结合的相对值,陶瓷化合物离子键与共价键混合金属离子/非金属离子非纯粹离子化合物离子键的比例组成元素的电负性差越大，离子键比例越高。,2021/6/7,12,计算公式,由A、B元素所组成的化合物中 离子键结合() 1 100XA、XB分别为元素A、B的电负性,2021/6/7,13,2021/6/7,14,四、结合键的本质及原子间距,双原子模型：r0原子平衡距离(原子间距)。 吸引力=排斥力,图1-8 原子间结合力a) 原子间吸引力、排斥力、合力 b) 原子间作用位能与原子间距的关系,2021/6/7,15,原子的结合能E0,原子的结合能（结合键能）把两个原子完全分开所作的
6、功。结合能越大，原子结合越稳定。结合能：测定固体的蒸发热。,2021/6/7,16,例题,例题 计算Na+、Cl- 离子对的结合能E0，假设离子半径分别为：r Na+ = 0.095 nm；rCl- 0.181nm。,2021/6/7,17,结合键类型及键能对材料性能的影响,1物理性能 熔点 共价键、离子键化合物熔点高，金属的熔点相对较低。 金属中过渡族金属有较高的熔点，特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点更高，起因于内壳层电子未充满，使结合键中有一定比例的共价键所致。 二次键结合材料，熔点偏。 密度 金属键的密度高：原子质量大，金属键的结合方式没有方向性，金属原子 趋于密集排列， 共价结合时，
7、相邻原子的个数要受到共价键数目的限制； 离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，不如金属密度高。 二次键结合，分子链堆垛不紧密，组成原子的质量较小(C、H、O)，密度最低。 导电性和导热性 金属键具有良好的导电性和导热性 ，而由非金属键结合的陶瓷、聚合物均在固态下不导电。,2021/6/7,18,2力学性能,结合键能与弹性模量 共价与离子键弹性模量高（金刚石：1000 GPa，碳 化物、氧化物、氮化物：250600 GPa）。 金属键弹性模量较低，常用金属材料的弹性模量约 70350 GPa。 二次键聚合物弹性模量低，仅为0.73.5GPa。结合键能与强度 结合键能高，强度高结合键与
8、塑性 金属键：塑性高； 离子键、共价键：塑性差。,2021/6/7,19,第三节 原子排列方式,一、晶体与非晶体晶体内部原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则重复排列（原子有序排列）非晶体内部原子的排列是无序的，不存在长程的周期排列,图l-10 二氧化硅结构示意图a) 晶态 b) 非晶态,2021/6/7,20,原子排列方式不同所导致的性能差异,晶体各向异性：晶体由于其空间不同方向上的原子排列特征 （原子间距及周围环境）不同，因而沿着不同方向所测得的性能数据亦不同 （如导电性、热导率、弹性模量、强度及外表面化学性质等） ；非晶体各向同性：非晶体在各方向上的原子排列可视为相同，因此沿任何方向
9、测得的性能是一致的。,2021/6/7,21,图l-11 从液态转变为晶体及非晶体的比体积变化,2021/6/7,22,单晶体多晶体晶粒晶界,图1-12 结晶过程示意图及相应的多晶体组织,2021/6/7,23,二、原子排列的研究方法,布拉格定律 波长为 的X射线以入射角 照射到一组间隔为d的原子面AA 、BB ，在对称的反射角位置上，X射线在各个原子面的光程差应等于 (SQ + QT)，当光程差等于波长的整数倍n 时，这些射线就可彼此增强：SQ十QT 2PQsin n即 2dsin n,图1-13 X射线在原子面AA和BB上的衍射,2021/6/7,24,图1-14 X射线衍射分析示意及衍射
10、分布图a) X射线衍射分析示意图 b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图,2021/6/7,25,第四节 晶体材料的组织,实际晶体材料大都是多晶体，由很多晶粒所组成。材料的组织各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等特征。晶体的组织比原子结合键及原子排列方式更易随成分及加工工艺而变化，是一个影响材料性能的极为敏感而重要的结构因素。,2021/6/7,26,一、组织的显示与观察,图1-15 利用显微镜观察材料的组织 图l-16 单相组织的两种晶粒形状 a) 等轴晶 b) 柱状晶,2021/6/7,27,二、单相组织,单相组织具有单一相的组织，即所有晶粒的化学组成相同，晶体结
11、构也相同。固溶体固态溶体，能够溶解其它合金元素。如-Fe。等轴晶晶粒在空间三维方向上尺寸相当柱状晶晶粒在空间某一个方向的尺寸明显大于其它二维方向。树枝状晶晶粒的空间形状类似于树枝形状。,2021/6/7,28,三、多相组织,多相组织由两个或两个以上相组成的材料，每个相具有不同的成分和晶体结构。多相组织的基本组织形态,图l-17 两相组织的基本组织形态a等轴状 b球状、点状、片状或针状 c. 晶界上分布,2021/6/7,29,图l-17a：两个相（或两种组织单元）的晶粒尺度相当，两种晶粒各自成为等轴状，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或两种组织组成物的相对量及各自的性能，以强
12、度为例，材料的强度应等于： = 图l-17 b：弥散强化 如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著地提高材料的强度，与此同时，塑性与韧性必将下降。增加弥散相的相对量，或者在相对量不变的情况下细化弥散相尺寸（即增加弥散相的个数），都会大幅度地提高材料的强度。材料工作者常采取各种措施（如合金化、热处理等），沿着这一思路改变组织，从而提高材料的强度水平，这种强化方法称为弥散强化。图1-17c： 第 二相非连续地分布于晶界：它对性能的影响并不大； 第二相连续分布于晶界并呈网状： 当第二相很脆时材料将完全表现为脆性； 第二相的熔点低于材料的热变形温度，则热变形时将由于晶界熔化，使晶粒失去联系，导致“热脆
13、性”。,2021/6/7,30,第五节 材料的稳态与亚稳态结构,稳态结构（平衡态结构）能量最低的结构亚稳态结构能量相对较高的结构,2021/6/7,31,结构转变的条件,热力学转变必须沿着能量降低的方向进行（推动力），自发进行过程。热力学第二定律：只有那些使体系自由能A （或自由能G） 减小的过程才能自发进行。等温等容过程，通常用亥姆霍兹自由能A表示推动力： A T, V 0 自发过程（A = UTS）等温等压过程，则用吉布斯自由能G表示推动力。用数学式可表示为：G T, P 0 自发过程 （G = HTS）,2021/6/7,32,结构转变的条件,动力学反应速度（阻力），阻力最小的过程总是进
14、行得最快、最容易实现阿累尼乌斯 (Arhennius) 方程 反应速度v与热力学温度T之间关系 v = A exp A为速度常数；R为气体常数；Q为过程的激活能,2021/6/7,33,激活能过程的始态能量与激活态的差值,图l-18 激活能的物理意义 图1-19 反应速度随激活能减小 呈指数关系上升,2021/6/7,34,稳态与亚稳态结构的转化,热力学的推动力起支配作用时稳态结构；动力学起了支配作用转变向阻力小的方向进行，获得亚稳态结构；亚稳态结构可以保持相对稳定，甚至长期存在；亚稳态结构在外部合适的条件下，向稳态结构转变。例题：说明液体向固体转变可以形成晶体或非晶体。热力学：无序排列的非晶
15、态能量较高， 晶体的能量较低动力学：但在形成晶体的过程中首先要生成有序 排列的小晶核，形核需要克服一定的激活。对于原子排列比较简单的金属，原子重排形成晶核的激活能很小，因此热力学条件起支配作用，得到稳态的晶体。分子结构复杂的玻璃等，原子重排过程较难，形核的激活能高，得不到稳态结构，只能以液体的简单冷却方式得到非晶态亚稳结构。,图l-20 稳态与亚稳态转变的热力学和动力学条件,2021/6/7,35,改变外部条件控制结构转变,降温速度缓慢时， 液态SiO2有可能得到稳定的晶态；提高冷却速度，液态SiO2有可能得到亚稳的非晶态。热处理淬火工艺，将金属材料加热保温后急速冷却，得到相结构与组织形态完全不同于慢冷状态，因而性能也明显变化。金属液体在极高的冷却速度下 (106 K/s) 有可能得到非晶玻璃态而不是晶体，因此称为金属玻璃。,2021/6/7,36,Hardness (BHN),钢,图1-21 冷却速度对钢的组织和硬度的影响,2021/6/7,37,第1章 结束,2021/6/7,38,部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！,