第1章材料结构的基本知识.

第一章材料结构的基本知识第一节原子结构第二节原子结合键第三节原子排列方式第四节晶体材料的组织第五节材料的稳态结构与亚稳态结构不同的材料具有不同的性能，同一材料经不同加工工艺后也会有不同的性能。这些都与材料中原子的排列方式，即其内部结构密切相关。因此，研究固态结构，即原子排列和分布规律，深入理解结构的形成以及结构与成分、加工工艺之间关系，是了解掌握材料性能的基础，只有这样，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。一、原子的结构与结合键1、显著影响材料的电、磁、光和热性能；2、决定材料的类型。二、原子的空间排列作用：显著影响材料的力学性能。三、显微组织作用：显著影响材料的力学性能。第一节原子结构（电子的排列方式）原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。电子的分布不仅决定了原子的行为，也对工程材料内部原子的结合以及材料的某些性能起着决定性的作用。原子间的作用力是由原子的外层电子排布结构造成的。除惰性元素外，其它元素的外层轨道必须通过以下两种方式来达到电子排布的相对稳定结构：(1)接受或释放额外电子，形成具有净负电荷或正电荷的离子。(2)共有电子。原子间的键合力较强。元素周期表把所有元素按相对原子质量及电子分布方式排列成的表称元素周期表(图1-2)周期表上竖的各列称为族，同一族元素具有相同的外壳层电子数，周期表两侧的各族IA、ⅡA、ⅢA…ⅦA分别对应于外壳层价电子数为1、2、3…7的情况，所以同一族元素具有非常相似的化学性能。周期表从根本上揭示了自然界物质的内在联系，反映了物质世界的统一性和规律性。表中水平行排称为周期，共七个周期。而原子结构从根本上决定了原子间的结合键，从而影响元素的性质。一、结合力与结合能图1-3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固体原子固体原子吸引力排斥力库伦定律吸引力和排斥力均随原子间距的增大而减小，但两者减小的情况不同；排斥力更具有短程力的性质，即当距离很远时，排斥力很小，只有当原子间接近至电子轨道互相重叠时，排斥力才明显增大，并超过了吸引力。第二节原子结合键根据物理学，力(F)和能量(E)之间的转换关系：dxdEFxFdxE0在作用力等于零的平衡距离下能量应该达到最低值，表明在该距离下体系处于稳定状态。当两个原子无限远时，原子间不发生作用，作用能可视为零。当距离在吸引力作用下靠近时，体系的位能逐渐下降，到达平衡距离时，位能最低；当原子距离进一步接近，就必须克服反向排斥力，使作用能重新升高。平衡距离下的作用能定义为原子的结合能E0。二、原子间主键及特性在凝聚态下，原子间距离十分接近便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，或者说形成了键。材料的许多性能在很大程度上取决于原子结合键。根据结合力的强弱可把结合键分成两大类：次键（或二次键）——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。原子间主键（或一次键）一、离子键1、定义由于正、负离子间的库仑引力而形成。氯化钠是典型的离子键结合，钠原子将其3s态电子转移至氯原子的3d态上，这样两者都达到稳定的电子结构，正的钠离子与负的氯离子相互吸引，稳定地结合在一起(图1-4)当IA、IIA族金属和ⅦA、ⅥA族的非金属原子结合时，金属原子的外层电子很可能转移至非金属原子外壳层上、使两者都得到稳定的电子结构，从而降低了体系的能量；此时金属原子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。©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™2、特点1）正负离子相间排列，正负电荷数相等；2）键能最高，结合力很大；3）性能：硬度高、强度大；热膨胀系数小，在常温下的导电性很差；脆性较大。3、典型材料：陶瓷材料。二、共价键1、定义是由于相邻原子共用其外部价电子，形成稳定的电子满壳层结构而形成。价电子数为4或5个的ⅣA、ⅤA族元素，离子化比较困难，例如ⅣA族的碳有四个价电子，借失去这些电子而达到稳态结构所需的能量很高，因此不易实现离子键结合。在这种情况下，相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，出两个原子中各有一个电子共用，利用共享电子对来达到稳定的电子结构。2、共价键性能结合力很大，硬度高、强度大、熔点高，延展性和导电性都很差，具有很好的绝缘性能。3、典型材料：金刚石、陶瓷和聚合物材料。图1-5金刚石的共价结合及其方向性a)正四面体b)共价键的方向性三、金属键1、定义贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生静电作用而结合的方式。2、性能它没有饱和性和方向性；良好的导电性、导热性、正的电阻温度系数；具有良好的塑性。3、典型材料：各种金属。四、范德瓦尔键1、定义一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起的方式。也称为分子键。2、性能键合较弱，在外力作用下键易断裂；可在很大程度上改变材料的性能；低熔点、高塑性。3、典型材料：高分子材料。总结大多数工程材料是以混合键方式结合的。金属材料以金属键为主；陶瓷材料以离子键为主；高分子材料以共价键为主。原子的排列可分为：无序排列、短程有序和长程有序三个等级，如下图所示。材料中原子的排列(a)惰性气体无规则排列；(b)、(c)表示有些材料包括水蒸气和玻璃的短程有序；(d)金属及其他许多材料的长程有序排列第三节原子排列方式晶体与非晶体。金属的结构晶态非晶态SiO2的结构一、非晶体1、定义：若构成材料的原子在三维空间呈无序或短程有序排列，则称此材料为非晶态材料。2、特点结构无序；各向同性；无固定熔点；热导率和热膨胀性小；塑性变形大；组成的变化范围大。3、典型材料：大多数聚合物。二、晶体1、定义原子呈长程有序排列的物质。3、晶体的特点结构有序；各向异性；有固定的熔点。3）典型材料：金属；许多陶瓷和部分高分子材料。晶态材料与非晶态材料中原子排列的不同，导致性能上出现较大差异。如图1-29所示，从液态冷却凝固(或固态加热熔化)时只有确定的熔点，并发生体积的突变。图1-29从液态转变为晶体及非晶体的比体积变化结晶过程示意图及相应的多晶体组织液体向晶体的转变不是简单的冷却过程，而且还具有结构转变(称为结晶)，这一原子重排过程是通过在液体中不断形成有序排列的小晶核(形核)以及晶核的逐渐生长(生长)二个过程实现的、只有在熔点以下结晶方能实现，同时从无序到有序排列必然伴随着体积的收缩。物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体，如图1-9(d)。非晶体在整体上是无序的，但原子间也靠化学键结合在一起，所以在有限的小范围内观察原子排列还有一定规律，可以将非晶体的这种结构称为短程有序，如图1-9(b)、(c)。多数材料在固态下通常都以晶体形式存在，依结合键类型不同，晶体可分为金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体，不同晶体材料的结构不同。晶体小原子〔离子或分子)在二维空间的具体排列方式称为晶体结构。材料的性质通常都与其晶体结构有关，因此研究和控制材料的晶体结构，对制造、使用和发展材料均具有重要的意义。第四节晶体材料的组织一、组织的显示与观察115.tif图1-15利用显微镜观察材料的组织二、单晶体各向异性。单晶体金刚石刀具三、多晶体：各向同性例、Fe的E=210000MN/m2四、晶粒（10-1~10-2mm）晶界(100~200)五、相是合金中具有晶体结构相同、成分相同和性能相同，并以界面相互分开的组成部分。纯铁：由α-Fe（铁素体相）单相构成，为单相合金；共析钢：由F（铁素体相）+Fe3C（渗碳体相）双相构成，为双相合金。六、合金的显微组织在显微镜下，合金中各相的形状、大小和分布所构成的综合体称合金的显微组织。第五节材料的稳态结构与亚稳态结构图1-20稳态与亚稳态转变的热力学和动力学条件亚晶粒、亚晶界（10~20）结束