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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，同一材料经过加工也会有不同的性能，这些都归结与内部的结构不同。结构大致可分为四个层次：原子结构、原子结合键、材料中原子的排列以及晶体材料的显微组织。概述第一节原子结构一、原子的电子排列——可看成是原子核及分布在核周围的电子组成。原子原子核——中子和质子组成，核的体积很小，集中了原子的绝大部分质量。电子——绕着原子核在一定的轨道上旋转质量虽可忽略，但电子的分部却是原子结构中最重要的问题，它不仅决定单个原子的行为，也对工程材料内部原子的结合及某些性能起着决定性作用。电子运动的轨道：由四个量子数决定，分别是主量子数、次量子数、磁量子数及自旋量子数。主量子数——决定电子离核远近和能量高低的主要参数。次量子数——量子轨道并不一定总是球形的，次量子数反映了轨道的形状，各轨道在原子核周围的角度分布不同。它也影响轨道的能级，按s、p、d、f依次升高。磁量子数——确定了轨道的空间取向，以m表示。没有外磁场时，处于同一亚壳层而空间取向不同的电子具有相同的能量，但在外加磁场下，不同空间取向轨道的能量会略有所差别。自旋量子数——ms=+1/2，–1/2，表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。主量子数壳层序号次量子数亚壳层状态磁量子数规第的状态数目考虑自旋量子数后的状态数目各壳层总电子数12341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f113135135722626102610142（=2×12）8（=2×22）18（=2×32）32（=2×42）原子核外电子的分部与四个量子数有关，且服从下述两个基本原理：（1）泡利不相容原理一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。（2）最低能量原理电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。二、元素周期表及性能的周期性变化原子周期律——早在1869年，俄国化学家已发现了元素性质是按原子相对质量的增加而程周期性的变化。这正是由于原子核外电子的排列是随原子序数的增加呈周期性变化。族——周期表上竖的各列。同一族元素具有相同的外壳层电子数，同一族元素具有非常相似的化学性能。总结各个元素所表现的行为或性质一定会呈现同样的周期性变化，因为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。第二节原子结合键键的形成——在凝聚状态下，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，就形成了键。键分为一次键和二次键：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。一、一次键离子键——当两类原子结合时，金属原子的外层电子很可能转移到非金属原子外壳层上，使两者都得到稳定的电子结构，从而降低体系的能量，此时金属原子和非金属原子分别形成正离子和负离子，正负离子间相互吸引，使原子结合在一起，这就是离子键。（如NaCl）共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、ⅤA族元素，离子化比较困难，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，由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。这就是共价键。金属键——金属原子很容易失去外壳层电子而具有稳定的电子壳层，形成带正电的阳离子，由正离子和自由电子之间的相互吸引而结合起来的称金属键。二、二次键1、范德瓦耳斯键当原子和分子相互靠近时，一个原子的偶极矩将会影响另一个原子的电子分布，电子密度在靠近第一个原子的正电荷处更高些，这样使两个原子相互静电吸引，体系就处于较低的能量状态。极化分子间的作用力正电中心负电中心原子核电子云a)原子核电子云+–b)c)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2、氢键氢键的本质与范德瓦耳斯键一样，只是氢原子起了关键作用。氢原子只有一个电子，当氢原子与一个电负性很强的原子X结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上；分子的氢离子侧实质上是一个裸露的质子，对另个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力，这样，氢原子便在两个电负性很强的原子之间形成一个桥梁，把两者结合起来，形成氢键。所以氢键可表达为：X–H——Y三、混合键实际材料中单一结合键并不多，大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。例如：（1）ⅣA族的Si、Ge、Sn元素的结合是共价键与金属键的混合。（2）陶瓷化合物中出现离子键与共价键混合的情况。四、结合键的本质与原子间距固体原子中存在两种力：吸引力和排斥力。它们随原子间距的增大而减小。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斥力才明显增大，并超过了吸引力。在某一距离下引力和斥力相等，这一距离r0相当于原子的平衡距离，称原子间距。力（F）核能量（E）之间的转换关系：F=E=∫FdχdEdχ∞0五、结合键与性能1、物理性能（1）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。共价键、离子键化合物的熔点很高这是陶瓷材料比金属材料具有更高热稳定性的根本原因。二次键结合的材料熔点一定偏低，如聚合物等。（2）材料的密度与结合键类型有关。金属有高的密度，陶瓷材料的密度很低。聚合物由于其是二次键结合密度最低。（3）金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性，而由非金属键结合色陶瓷、聚合物均在固态下不导电。2、力学性能结合键是影响弹性模量的主要因素。结合键能越大，弹性模量越大，材料的强度越大。第三节原子排列方式一、晶体与非晶体晶体中原子的排列是有序的，即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。而非晶体内部原子的排列是无序的。这种排列上的差异造成性能上的不同：各向异性——晶体由于其空间不同方向上的原子排列不同，沿着不同方向上所测得的性能数据亦不同这种性质称晶体的各向异性。各向同性——非晶体在各个方向上的原子排列可视为相同，沿任何方向测得的性能是一致的，表现为各向同性。从液态到非晶态固体是一个渐变过程，既无确定的熔点，又无体积的突变。这说明非晶态转变只不过是液态的简单冷却过程，随温度的下降，液态的粘度越来越高，当其流动性完全消失时则称固相。液体向晶体的转变还具有结构转变，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及晶核的逐渐生长实现的。第四节晶体材料的组织材料的组织——指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。一、组织的显示与观察宏观组织——粗大的组织用肉眼即能观察到。显微组织——用金相显微镜或电子显微镜观察到的组织。二、单相组织——具有单一相的组织，即所有晶粒的组成相同，晶粒结构也相同。——溶液中各处的成分与结构相同，是单一的相，在固体状态时称为固溶体。单相组织固溶体描述单相组织特征的主要有晶粒尺寸与形状。（1）晶粒尺寸对材料性能有重要影响，细化晶粒可提高材料的强度，还改善材料的塑性和韧性。（2）晶粒的形状取决于各个核心的生长条件。等轴晶：若每个核心在各个方向上的生长条件接近，最终得到的晶粒在空间三维方向上尺度相当。柱状晶：若在特定的条件下，空间某一方向的生长条件明显优于其它二维方向，最终得到拉长的晶粒形状。（图1-16）三、多相组织（图1-17）是两相合金的一种典型组织，两个相的晶粒尺度相当，两种晶粒各自成为等轴状，两者均匀的交替分布，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。以强度为例，材料的强度σ应等于：σ=σ1φ1+σ2φ2σ1、σ2为两个相的强度值；φ1、φ2为两个相的体积分数。弥散强化——组织中两个相的晶粒尺度相差甚远，尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相的基体内（图1-17b）。大幅度地提高材料的强度。第二相在基体相的晶界上分布是一种常见的组织特征（图1-17c）。第五节材料的稳态结构与亚稳态结构——同一材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称稳态结构。稳态结构亚稳态结构——能量相对较高的结构则称亚稳态结构结构转变的热力学条件：结构形成时必须沿着能量降低的方向进行。热力学第二定律对这种自发过程的叙述为：只有那些使体系自由能A减小的过程才能自发进行，可表示为：等温等容ΔAT、V0自发过程等温等压ΔGT、P0自发过程两种自由能的表达式为：A=U–TSG=H–TSU——内能H——焓S——熵T——热力学温度反应速率ν与热力学温度T之间满足：ν=Aexp（图1-18）R——气体常数；Q——过程的激活能–QRT图1-18激活能的物理意义图1-19反应速率随激活能减小呈指数关系上升终态O能量始态激活能状态（位置）O反应速度温度T扩散激活能Q亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能量的前提下才能实现，在常温下这一转变往往难以进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定，甚至长期存在。