材料组成、结构与性能

2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB1第二章材料的组成、结构与性能2.1材料的组成2.1.1材料组元的结合形式2.1.2材料的化学组成2.2材料的结构2.2.1材料中的化学键合2.2.2晶体结构基础学习要求小结2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB2学习要求牢固地建立各种材料都具有不同的内部结构这一概念明确认识内部微观结构有几个不同的层次明确认识不同层次的结构对性能有不同的影响了解晶面、晶棱、顶点、解理面的概念；晶体的宏观特性、晶面角守恒定律；熟悉密堆积和配位数掌握空间点阵、平移周期；晶胞、点阵常数；七个晶系、十四种类型；结合力的普遍特征掌握晶体缺陷的类型、特征掌握材料的组织、相的概念掌握固体材料的结构。不同材料的基本结构特点及其基本性能2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB3物质的状态世界上的一切物质都是由元素组成的。以单元素、或多元素复合形式存在，构成各种固体、液体和气体。作为物质体系的基本组成单元：离子、原子或分子等粒子，在组成具体物质时，彼此之间产生相互作用力，具势能。粒子本身也处在不停的运动中，因此具有动能。粒子之间的相互作用，相互吸引，从而结合在一起。吸引力的大小与粒子间的距离有关。两粒子间的距离大于平衡距离时，距离越近，引力越大，结合力越大。温度是离子键作用力的主要影响因素之一。温度越高，粒子运动越剧烈，则彼此分离的趋势加大。所以，物质的状态取决于粒子间的相互作用和它们的热运动。随温度和压力等外界条件的不同，物质处于不同的状态。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB4粒子间距动能/势能排列特点气态大≥彼此独立液态较小＜粒子引力保证受热冲击时不分散，不保证粒子长距离有序排列非晶态固态或凝聚态晶态小≤短程有序长程有序本课程主要讨论对象——固态物质2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB52.1.1材料组元的结合形式2.1.1.1组元、相、和组织2.1.1.2固溶体2.1.1.3聚集体2.1.1.4复合体2.1材料的组成2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB62.1.1.1组元、相、和组织组元组成材料最基本、独立的物质称为材料的组元（或称组分）。组元可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。相（Phase）材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相。相单质化合物固溶体2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB7材料的组织（Structure结构）晶相、非晶相（玻璃）和气相（气孔）分类（按尺度划分）：微观结构（高分辨率电子显微镜观察到原子或分子的排列状态）显微组织结构（光学显微镜、观察到的晶粒和其集合体）宏观组织（肉眼或放大镜观察到的颗粒、和其集合体）材料的结构多晶材料的微观结构一般包括：材料性能的决定性因素材料内部由各种相所形成的图案。是相的形态、大小、数量及其分布的图像。只含一种相的组织为单相组织或单一组织；由多种相构成的组织为多相组织或复合组织。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB8图2-54（a)为纯Al铸锭不同冷却条件的宏观组织（横截面）单相组织(b)为钢的显微组织照片白色的为铁素体，即α-Fe，黑色的为化合物，称之为渗碳体。珠光体形态多相组织相和组织的比较（c)为合金钢的电子显微组织照片经过高温加热和水冷以后，得到马氏体组织，位错现象2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB9②改变机体的物理和化学性能（Si溶入α－Fe中，可提高磁导率、增大比电阻。含2％－4％Si的硅钢片是一种应用广泛的软磁材料）2.1.1.2固溶体（相）溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体称为—固溶体。（一种相）按照溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，固溶体可分为：置换型固溶体（或称取代型固溶体）：A溶剂晶格原子被B溶质原子取代。填隙型固溶体（或称间隙型固溶体）：A溶剂晶格间隙被B的原子填入。固溶体形成对材料性能的影响：①提高材料的强度和硬度（固溶强化）2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB102.1.1.3聚集体（组织）由无数的原子或晶粒聚集而成的固体称为——聚集体。（单相组织或多相组织）2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB112.1.1.4复合体由两种或两种以上的不同材料通过一定的方式复合而构成的新型材料称为—复合体。（复合组织）特点：①各相之间存在明显的界面②各相保持各相固有的特性③复合体具备各相所不具备的优良特性2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB122.1.2材料的化学组成2.1.2.1金属材料的化学组成2.1.2.2无机非金属材料的化学组成2.1.2.3高分子材料的化学组成2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB132.1.2.1金属材料的化学组成金属材料包括：纯金属和合金纯金属黑色金属有色金属FeCrMn重金属Cu、Pb、Zn、Ni等轻金属Al、Mg、Ti等贵金属Au、Ag、Pt等稀有金属W、Mo等及稀土金属等2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB14由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素构成的具有金属性质的物质。金属合金轿车用镁合金轮毂直升机变速箱壳体全镁合金手机、笔记本电脑等3C产品2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB152.1.2.2无机非金属材料的化学组成无机非金属材料包括：陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等由金属元素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制得的。其化学组分几乎涉及到元素周期表上的所有元素。传统陶瓷——以K2O-Al2O3-SiO2系统为代表；水泥——以CaO－Al2O3－SiO2三元系统相图为基础；普通玻璃——以Na2O－CaO－SiO2三元系统相图为基础；耐火材料工艺中常用的有——SiO2－Al2O3和MgO－SiO2二元体系相图。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB16有机高分子材料（天然）：松香、淀粉、蛋白质和天然橡胶。有机高分子材料（合成）：塑料、合成纤维、合成橡胶、交粘剂、涂料等。无机高分子材料：是指其分子组成中无碳元素，如硅酸盐材料、玻璃、陶瓷（指它们当中的长分子链）等。2.1.2.3高分子材料的化学组成高分子材料是以相对分子质量大于5000的高分子化合物（聚合物、高聚物、树脂）为主要组分的材料，分为有机高分子材料和无机高分子材料。有机高分子材料是由相对分子质量大于104的有机化合物组成。它有天然和合成之分。有机化合物简称为碳氢化合物。以碳元素（C）为主，大多数是同氢元素（H）、氧元素（O）中的任一种或两种以上结合而成的。此外，也有同氮（N）、硫（S）、磷（P）、氯（Cl）、氟（F）、硅（Si）等结合构成。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB17元素周期表及电负性所有的材料都是由元素周期表上的元素所组成的。每种元素的原子都是由原子核及核外运动的电子所组成，电子在原子内部占据着不连续的能级。元素周期表揭示了每种元素的原子其电子在核外运动所采取的排列方式或状态的规律。因此，我们不仅在化学中用归纳和预测元素的化学行为，而且在材料科学中我们也将应用周期表来分析凝聚态材料的形成及性能。2.2.1材料中的化学键合2.2材料的结构2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB18当自由原子凝聚而成固体时，邻近原子间将发生化学交互作用。有些原子易于失去电子，有些原子易于得到电子，为了科学地比较各种元素的原子得失电子的难易程度，引入了元素电负性的概念:用它来表征一种元素的原子对外层电子的吸引能力，原子的电负性越大吸引电子的能力越强。元素的电负性值：①同一周期元素自左至右电负性逐步增加，②同一族元素，自上而下价电子距原子核距离越来越远，因此库仑作用减弱，电负性减小。③过渡族元素的电负性比较接近。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB19由于不同元素的原子得失电子的能力不同，所以不同原子组成凝聚态固体时，原子间相互作用使电子重新分布，在原子间形成了化学键，正是这些化学键使原子结合成固体。根据电子的分布、键形成的物理起源和所涉及的键力的性质，可将化学键分成五种类型。化学建：由电子运动使原子聚集的结合力，是固体中的主要结合键。类型：金属键、离子键、共价键、分子键和氢键不同材料的本质区别？2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB20（1）金属键和金属键晶体元素周期表中，金属占了大约２／３。由于金属原子的价电子的第一电离能较非金属元素小得多，价电子脱离原子核的束缚不需很多能量。当金属原子聚集起来形成金属晶体时，外层的价电子脱离原来的原子，失去了价电子的原子形成离子占据晶体的阵点，并不停地振动，而脱离了原子的价电子为整个晶体所公有，在离子之间运动，形成了近似均匀分布的电子气。金属键：这种不属于哪一个原子的公有化电子与离子之间的库仑相互作用称为金属键（图2-9）。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB21金属键的特征：无饱和性；金属键晶体的特征：（如：Fe）高导电；(2-10)无方向性（自由电子－运动＋共有）；原子排列都尽可能的紧密，原子配位数高、高密度；金属键比较弱。强度有高低、良好的塑性、良好的延展性；（图2-11）熔点有高低、导热性好；高反射率，不透明（外层电子易被可见光能量激发）2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB22典型离子键通式：MX（二元离子晶体)M—金属元素X—非金属元素（2）离子键和离子晶体如：NaCl碱金属Na易于失去外层电子形成钠离子Na+卤族元素Cl氯易接受钠原子所失去的电子形成氯离子Cl-。离子键：正负离子间的静电库仑吸引作用。离子晶体：在这种正负离子之间的静电库仑吸引作用下形成的晶体。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB23离子键的特征：具饱和性;无方向性的、或方向性不明显;（但要求正负离子相间排列）晶格呈最紧密堆积，配位数高、中等密度;结合力很强。离子晶体的特征：硬度高；强度大；熔点高、膨胀系数小；导电性很差，但熔体为导体。电荷的迁移是以整个离子运动方式；光学性能随各构成离子性质而不同，多为无色或浅色透明的。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB24（3）共价键和共价键晶体共价键:当不是离子而是原子作为结合成分子的基元时，把原子结合形成分子的键称为共价键（或原子键）。或：一对为二个不同原子核所共有的自璇相反配对的电子结构称为共价键，此时，电子为二个原子所“共有”。共价键特征：饱和性；方向性；（三对P电子运动空间成“棒槌状”，具有方向性。）低配位数、低密度；共价键的结合相当强；如：每个硅原子通过四个共价键与4个邻近原子结。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB25高熔点、高强度、高硬度；（3－5对，如金刚石晶体结构)共价键晶体的特征：高熔点、除链状高分子类材料外，大多数是脆性；光学性能良好，高折射率；导电性差（绝缘体）。（外层电子都用于成键）202.204.109.74/resource/data/0802/N/bjx2_08.swf2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB26（4）氢键氢原子虽属第一族元素，但与其他第一族元素不同，它的电离能特别大，达13.6ev，难以形成离子键。当氢原子与其他原子（如F、O、N等）结合时，电子更倾向于集中在非氢原子一端，使氢核暴露在外，并可以通过库仑相互作用与电负性较大的另一个原子结合。由于氢核体积很小，若再有第三个负离子再要与该氢核结合，就会受到已与氢结合的两个负离子的排斥作用,故氢原子只和二个电负性较强的原子结合,形成一强一弱的两个键，称为氢键。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB27具有方向性；氢键特征：具有饱和性；比范德华键强得多，比离子键、共价键小得多。在高分子材料（尼龙）中特别重要；冰（有一定的形状）、磷酸二氢钾及某些蛋白质分子是靠氢键结合的。2020/6/22ZhangjieSMSTCUGB28（