材料科学基础课件

材料科学基础课件制作人：张通目录•材料结构的基本知识•材料中的晶体结构•高分子材料的结构•晶体缺陷•材料的相结构及相图•材料的凝固与气相沉积•扩散与固态相变•材料的变形与断裂•固体材料的电子结构与物理性能•材料概论导论一.材料使用时间划分：石器时代→青铜器时代→铁器时代→水泥时代→钢时代→硅时代→新材料时代二.工程材料划分：金属材料（钢铁材料和有色金属）、陶瓷材料（粘土、石英和长石）、高分子材料(塑料、合成纤维和橡胶）、复合材料。三.其它材料电子材料：在电子学和微电子学使用的材料，包括半导体材料、介电功能材料和磁性材料光电子材料：具有光子和电子的产生、转换和传输功能的材料。超导材料：具有一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。四.材料性能金属材料：导电性，高的塑性和韧性，可作导体陶瓷材料：高硬度，较脆，可作绝缘体高分子材料:弹性模量，强度，塑性都很低，多数不导电五.内部结构划分层次：原子结构、结合键、原子的排列方式和显微组织六.内部结构决定性能举例：金属键材料内部有大量移动电子，使金属具有良好导电性。变形时金属键不会破坏，使金属具有良好塑性。金属键结合的原子排列紧密，晶体结构简单，金属密度高。共价键结合的材料，电子受束缚不能自由运动，通常不导电。共价键结合力很强，变形时要破坏局部键的结合，故材料硬而脆。原子排列不紧密，晶体结构复杂，故共价键晶体陶瓷密度低。七.材料科学定义：研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的学科。八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材料概论等主要内容。第一章材料结构的基本知识•原子结构•原子结合键•原子排列方式•晶体材料的组织•材料的稳态结构与亚稳态结构第一节原子结构一、原子的电子排列1.原子组成：原子核（质子和中子）和核外电子。2.电子排列：原子核外电子的分布，它不仅决定了单个原子的行为，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作用。3.电子排列参数：主量子数、次量子数、磁量子数以及自旋量子数（1）主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。（n=1、2、3、4…）（2）次量子数l：也称为轨道角量子数，给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚壳层）。l=0、1、2、3…，这些亚壳层习惯上以s、p、d、f表示。（3）磁量子数m：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。它基本上确定了轨道的空间取向。m=0、±1、±2、±3…。（4）自旋量子数（全名为自旋角动量量子数）ms：反映电子不同的自旋方向，ms=+1/2，-1/2。5.电子分布服原从理：(1)最低能量原理：原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。(2)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。(3)Hund规则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。二.元素周期表1.具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。2.元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。三.结论1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定从低能到高能依次排列在不同的量子状态下，同一原子中电子的四个量子数不可能完全相同。2.根据排列次序建立了元素周期表，各个周期中的元素的性质呈现相同的周期变化规律，元素在周期表上的位置不仅决定了单个原子的行为，也决定了材料中原子的结合方式以及材料的化学性能和物理性能。第二节原子结合键一.原子结合键1.存在状态：凝聚态（液态和固态）分类2.一次键：结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。3.二次键：结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二.一次键1.离子键（1）通过电子转移形成稳定结构，存在于大多数盐类、碱类和金属氧化物，如NaCI、MgO、CuO、Mg2Si、CrO2。（2）基本特点是以离子为基本结合单位。(3）一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。2.共价键（1）通过共用电子对形成稳定结构（2）共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。（3）共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。3.金属键（1）金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键，例如Na、Mg、Al等。（2）金属键的基本特点是电子的共有化。（3）金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。三.二次键1.二次键：借原子之间的偶极吸引力结合，例如CH4、CO2、H2、H2O。2.范德瓦耳斯键：属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级，这主要是因为偶极吸引力的作用3.范德瓦耳斯键的键能低，但它仍然是材料结合键的重要组成部分，依靠它大部分气体才能聚合为液态甚至固态，当然它们的稳定性极差。4.氢键氢键是一种特殊的分子间作用力，本质上与范德瓦耳斯键一样，它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（O，F，N等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力。也是靠原子（或分子、原子团）的偶极吸引力结合起来的，只是氢键中氢原子起了关键作用。原子核电子云原子核电子云a）理论电子云的分布b）原子偶极矩的产生质上是一个裸露的质子，对另一个电负性值较大的原子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（或原子团）之间形成一个桥梁，把二者结合。起来，成为氢键。所以氢键可以表达为：X-H—Y。氢与X原子（或原子团）为离子键结合，与Y之间为氢键结合，通过氢键将X、Y结合起来，X与Y可以相同或不同。氢键具有饱和性和方向性，氢键在高分子材料中特别重要。（3）混合键对于某一具体材料而言，似乎只具有单一的结合键，如金属应为金属键，ⅣA族元素应为共价键，电负性不同的元素应结合成离子键。然而，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。陶瓷化合物中出现离子键和共价键混合的情况很常见，通常金属正离子与非金属离子所组成的化合物不是纯粹的离子化合物，它们的性质不能仅用离子键理解。化合物中离子键的比例取决于组成元素中电负性差。电负性差相差越大，则离子键比例越高。鲍林推荐以下公式来确定化合物AB中离子结合键的相对值：另一种混合键表现为两种类型的键独立纯在例如一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多有机材料的长链分子内部是共价键结合，链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为范德瓦力二次键结合。正由于大多数工程材料的结合键是混合的，混合的方式比例又随材料的组成而变，因此材料的性能可在很广的范围变化。从%100e-[1=）%离子结合键（)(241-XXBA而满足工程实际各种不同的需要。（4）结合键的本质及原子间距固体中原子是依靠结合键力结合起来的不论是何种类型的结合键，固体原子间总存在着两种力：一是吸引力，来源于电荷间的静电吸引；二是同种电荷之间的排斥力。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，排斥与吸引力相等，两原子便稳定在此相对位置上，这一距离r0相当于原子的平衡距离，或称为原子间距。当原子距离被外力拉开时，吸引力则力图使它们回到平衡距离r0反之，当原子压缩时，排斥力起作用，使之回到平衡距离r0。如果从能量的角度来看问题的话，我们说，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，原子间无作用力，作用能为零。当距离在吸引力作用下靠近时，体系的位能逐渐下降,使体系的组态熵增加，引起自由能下降。当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。因为系统都具有最小自由能的倾向，由此确定的点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。（5）结合键与性能材料结合键的类型及键能大小对某些性能有重要影响，主要表现在以下两个方面：1.物理性能：（1）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。物质加热时，当热振动能足以破坏相邻原子间的稳定结合时，便会发生熔化，所以熔点与键能值有较好的对应关系：共价键、离子键化合物的熔点较高，其中纯共价键金刚石具有最高熔点，金属的熔点相对较低，但过渡族金属有较高的熔点，特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点都很高。而具有二次键结合的材料的熔点一般很低，如聚合物（2）材料的密度与结合键的类型有关。大多数金属有高的密度，主要有两个原因：第一，金属元素有较高的相对原子质量；第二，也是更重要的，金属键的结合方式没有方向性，金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的情况，原子排列不可能很致密，所以它们的化合物的密度较低。而聚合物由于二次键结合，分子链堆垛不紧密，加上组成原子的质量较小（C、H、O），在工程材料中具有最低的密度。原子排列不可能很致密，所以它们的化合物的密度较低。而聚合物由于二次键结合，分子链堆垛不紧密，加上组成原子的质量较小（C、H、O），在工程材料中具有最低的密度。（3）此外，金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性，而由非金属键结合的陶瓷、聚合物均在固态下不导电，它们可以作为绝缘体或绝热体在工程上应用。2.力学性能：（1）弹性模量是材料应力-应变曲线上弹性变形段的斜率，在拉伸变形中通常称它为杨式模量，以E表示。而结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，则“弹簧”越“硬”，原子之间距离的移动所需要的外力就越大，即弹性模量越大。如金刚石具有最高的弹性模量值，E=1000GPa；其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化物等结合键能也较高，它们的弹性模量为250-600GPa；由金属键结合的金属材料，弹性模量略低些，一般约为70-350GPa；而聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7-3.5GPa。（2）工程材料的强度与结合键能也有一定的联系，一般说来，结合键能高的，强度也高些，然而强度在很大程度上还取决于材料的其他结构因素，如材料的组织，因此它与键能之间的对应关系不是很明显。此外，材料的塑性与结合键类型有关，金属键赋予材料良好的塑性；而离子键、共价键结合，使塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。第三节原子的排列方式1.固体根据原子（或原子团、分子)分为晶体和非晶体。2.晶体原子排列：粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性的规则重复排列。特点：各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异；固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体。3.非晶体：粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈非周期性的无规则重复排列。特点：各向同性：不同方向原子的排列方式相同，因而其表现的性能也相同；无固定的熔点4.原子排列的研究方法原子的尺寸极小，用通常的光学显微镜和电子显微镜很难直观的看到材料内部的原子及其排列方式。那么，在材料研究中，我们经常用下面两种方法来进行研究分析：1.X射线法；2.电子束法。这两种方法的原理就是光学中的干涉和衍射。第四节晶体材料的组织1.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。2.宏观组织：粗大的能用肉眼观察到的组织。显微组织(金相组织）