第二章 材料学纲要(1).ppt

1、本章阐述了材料结构和组成的普遍原理。 该原理是认识和研究各种材料在结构和性能方面表现出的个性和共性的基础。 第二章材料学纲要(基础)、2-1-1物质的组成、状态和材料结构2-1-2物质的原子结构2-1-3原子间相互作用和键2-1-4多原子体系中的电子的相互作用和稳定性2-1-5固体中的原子有序2-1-6固体中的原子无序2-6 2-1材料的成分和组织结构、2-1-5固体中的原子无序2-1-2材料的成分和组织结构状态和材料结构、物质、物体、场、等离子体状态、塑性状态、气体、液体、固体、重力场、电磁场、核力场、其他场合，表2-1-1地球大气的成分、表2-1-2海水的大致成分、表2-1-3地壳的大致成

2、分、2、材料结构的意思、材料的内部结构是化学成分和外界条件的例如，碳含量为0.25%以下的低碳钢，通常具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度低、碳含量在0.6-1.4%范围的高碳钢，由于强度和硬度高、塑性和韧性差，因此材料成分、结构和性能的关系，以及(a )静止铸锭型铸造(b )某种材料结构、宏观组织结构、微观组织结构、原子或分子排列结构、原子中的电子结构、宏观组织结构是指人类能够用肉眼或放大镜观察到的晶粒或相的集合状态。 纯金属与静止的金属型铸造(a )冷却后，得到铸块，将其切断磨光，再用一定的酸溶液进行蚀刻，可以显示出如图(b )所示的宏观组织结构。浇包、金属液体、锭、细粒区、柱状晶区、纯铁的

3、显微组织(4%硝酸醇蚀刻，250 )、显微组织结构是用光学显微镜和电子显微镜观察的晶粒或相的集合状态，其尺度约为10-，金属内部的晶界示意图，上图是工业纯铁的显微组织，图中的各晶粒间的界面叫做晶界。 由两个以上晶粒组成的材料称为多晶体材料。 实际上在显微镜下看到的晶粒只是其截面。 比微观组织结构更细的层次是原子(或分子)排列结构。 对晶体而言，其原子排列结构称为晶体结构，尺寸约为10-10m。 原子中的电子结构是指原子中的电子分布规律。 该结构的尺度更小，约为10-13m。 很多原子聚合为固体时，必须考虑很多原子的电子之间的相互作用，对材料的物理性能有重要的影响。 因此，电子结构应该分为孤立原

4、子的电子结构和固体中的原子聚合物的电子结构两部分来研究。 固体材料都是由一种或多种元素的原子结合而成的。 元素以单原子状态孤立存在时，称为该元素的自由原子。 关于原子构造现在有很多的假说模型，其中最有名的是玻尔模型，可以认为这个模型在原子中心有原子核，包围着在核外快速运动的电子。 如右图所示，原子结构模型，2-1-2物质的原子结构(自学)，1，量子力学的几个基本概念，(1)微粒子的波粒两象性1905年爱因斯坦(A. Einstein )提出了光子理论，(2)海森堡测定不正确原理海森堡(heiin ) 同时确定位置和动量原则上是不可能的，建议如果对一个量进行何种程度的准确测量，对另一个量的测量精

5、度就会相应地降低。 (3)薛定谔方程式由于电子具有波动性，谈某一瞬间的正确位置是没有意义的。我们只能讨论电子出现在某个位置的概率(可能性)。 这是因为电子可能出现在各个位置，但出现在不同位置的概率不同。 因此，人们常常使用连续分布的“电子云”代替轨道表示各个电子出现在各地的概率，电子云密度最高的地方是电子出现的概率最高的地方。 2、原子核结构、自由原子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子集团组成，在某些条件下原子核仅由质子和中子组成。 质子的质量约为1.67310-27kg，中子为1.67510-27kg，质子和中子的质量约为电子的1800倍。 电子的质量为9.1110-30kg，原子的半径约为

6、10-10m级。 原子核很小，半径在10-14m以下。 一个质子具有正电荷e=1.672 10-19C。 该值与电子电荷相等，但符号相反。 3、原子核外电子；(1)电子的分布和运动；(2)原子中的电子的稳定性，在自然界中，单原子往往不能存在，通常原子结合成集团，构成物质和材料。 同种原子构成元素，异种原子构成化合物。 在自然界中纯元素的物质很少，更多的是化合物，人们把握了各种原子相互结合的规律后，就可以合成无限对人类有用的物质，从自然界的千万种化合物中提取有用的元素。2-1-3原子间的相互作用和键、1、基本键(化学键)、氯化钠、硅、铜等一部分物质具有高熔点，表示固体且具有强键，这3种材料主要属

7、于化学键的例子离子键(NaCl键)的这3种键中(1)离子键、离子键是从原子核放出的最外层的电子变化为带正电荷的原子(正离子)，接受它放出的电子通过带负电荷的原子(负离子)相互间的吸引作用(库仑引力)形成的键。 随着正离子和负离子相互充分接近，离子的电子云相互排斥，吸引和排斥作用相等形成稳定的离子键，离子键没有方向性和饱和性。 典型的金属元素和非金属元素通过离子键化合。NaCl的离子键、NaCl结晶中的离子排列、正负离子相互吸引达到静力平衡，因此Na离子与cl离子配位，形成立方体结构(参照上图)。 通过离子键结合的物质在溶液中解离成离子。 离子键的形成与中性原子容易形成离子，离子形成结晶时的沉积

8、方式有关。 在离子化合物的生成过程中晶格能的变化很大。 两个原子共享最外层的电子键。 为了实现共享电子云的最大重叠，该耦合具有饱和性和方向性。 周期表中同族非金属元素的原子通过共价键形成分子或晶体。 共价键的结合力也来自静电引力。 参与共价键的两个原子各有一个轨道上的电子，自旋方向相反，两个原子的吸附力保持在均衡位置时稳定。 (2)共价键、共价键可以产生于同种原子，也可以产生于异种原子，例如，H2、O2、N2等分子、水(H2O )、氟化氢(HF )、煤气氨(NH3 )、极性：共价键不是对称地分布于两个原子之间，而是接近某个原子(相对于电子。 非极性：共价电子在两个原子之间对称分布时，氢原子的共

9、价键、同种原子共价键结构示意图、异种原子共价键结构示意图、共价键的强度随原子中参与键的电子数的增多而增强，因此双键比单键强，三键比双键强，该外键键键强度由共价键组成的化合物，不能离子化的一般是非电解质。 例如O2、N2、CH4、C2H5OH等。 但是，有些极性共价键被赋予离子而离子化，例如HCl在存在水时解离为H3O和Cl-。 金属原子的外层价电子数比较少(通常s、p价电子数比4少)，但由于金属晶体结构的配位数高(比6高)，因此金属晶体中的各原子通过电子移动或共享电子，无法达到八电子层的稳定结构。 金属晶体的结合力是价电子集团(也称为自由电子气体)和金属正离子之间的静电引力，是将自由电子气体形

10、象地比作“粘结剂”，使金属正离子牢固地结合，金属结合是通过游离电子以库仑引力使原子结合的结合。 (3)在金属键、金属键模型、某些化合物中存在现有的离子键和共价键，即介于离子键和共价键之间的混合键。 从之前的讨论可知，原子间结合的本质是由核外价电子行为决定的。 形成共价键的2种元素的电负性相等或接近，形成离子键的2种元素的电负性的差异大。 (4)混合键、表2-3-1元素的电负性、物理键有范德华键、氢键等。 物理结合的作用力也是库仑引力，但在这些结合过程中不存在电子交换，电子在其原子或分子中的分布受外界条件的影响分布变得不均匀，引起原子或分子的极性结合。 物理键的大小直接影响物质的许多物理化学性质

11、，如熔点、沸点、溶解度、表面吸附等。 2、派生键(物理键)、范德华键也称为分子键，是电中性原子或分子间的非化学键长距离作用力。 所有惰性气体原子在低温下通过风扇力与结晶结合。 这种风扇力使分子与分子结晶结合(分子键的名称从这里开始)。 下图显示了卤素晶体的结构。 范德瓦尔斯力根据其原因和特性分为三个部分：取向力、感应力和色散力；(1)范德瓦尔斯键、碘晶体结构、氢键是一种特殊的物理键，远远强于范德瓦尔斯键或永久偶极键，但弱于化学键。 在HF、H2O、NH3等中，分子内全部通过极性共价键结合(参照上述关于共价键的讨论)，分子间通过氢键结合。 (2)氢键，H2O分子中的氢键模型，各种键性的比较，a，

12、原子间斥力和引力通常是离子键，明确了材料中的引力和斥力的平衡。 b .结合能c、原子半径和离子半径b、原子的空间排列和排列数、(4)原子间距离和空间排列、(a )原子间距离是引力和斥力相等的距离。 (b)o-x为原子间距离时势能最低。离子键的配位数。 (a )在各镁离子(Mg2)周围最多6个氧离子(O2- )； (b )位于o 2之间的Si4的配位数仅为4，其离子尺寸比小于0.414，分子和结晶分别由几个(至少两个)或多个原子组成，因此我们面临着由许多原子核和电子组成的复杂体系问题。 分析这些问题的基本出发点仍然是薛定谔方程，加上泡利不相容原理。2原子间的势能曲线、2-1-4多原子系中的电子的

13、相互作用和稳定性(自学)、1、混合轨道和分子轨道理论、原子在合成分子化的过程中，为了使电子云最大限度地重叠，有利于增大所形成的化学键强度，降低系能量的倾向(1)混合轨道理论、碳原子的sp3混合轨道等高线图、轨道重合时的对称性条件(a )对称性匹配(b )对称性不匹配、(2)分子轨道理论、绝对零度时、电子对能级的填充从最低能级开始被称为费米能级Ep，由此可知费米能级是绝对零度中的热平衡时，电子气中的电子处于能量e状态的概率能够用费米能级来描述。 2、费米能级、自由电子气的费米面是通过分析氢分子得到的，两个原子接近形成分子后，孤立原子的各能级分裂成键能级Es和反键能级Ea两个能级。 这两个能级相对

14、于原子能级E0的差(E0Es )和(EaE0)依赖于两原子间的距离。 相似的分析方法表明，当3个、4个或n个原子远距离接近形成分子或原子集团时，各不退化的原子水平相应地分裂成3个、4个或n个能级，最高和最低能级对原子水平的差仅取决于原子间的距离这样，原子数越多，邻接能级之间的距离越小(能级变得密集)。 3、固体中的能带、锂分子的能级和固体锂的能带、(a )重叠的能带、(c )分离的能带、外层和内层电子的能量分布和原子间距离的关系、三种半导体的能带和能隙、1 晶体是均匀各向异性的结构稳定性固体。 大多数金属、大多数陶瓷和一些聚合物在凝固时结晶。 金属晶体、离子晶体、共价键晶体、分子晶体(键合型分

15、)、2-1-5固体中的原子有序、固体材料的键合键四面体、分子键、层状结构、离子键(NaCl )、金属键(NaCl )一些典型的晶粒和晶型、(a):石英SiO2 (c):方解石CaCO3(b ) 典型的金属晶格(II )、典型的金属晶格(III )、离子键和离子晶体(氯化钠)、离子键没有方向性和饱和性，离子晶体的沉积形态主要取决于正负离子的电荷数和正负离子的相对大小停止！ Diamond(West Africa，20.09ct )，共价键具有严格的方向性和饱和性，共价键晶体中原子的空间配置没有达到密集度，停止！ (金刚石)、温度和压力等外界条件不同，物质处于不同的状态，石墨结构、金刚石结构、C60结构、C60 band each other、分子晶体在分子间通过范德沃尔斯键和氢键等物理相互作用形成晶体结构。 范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性，分子结晶有密集堆积的倾向。 硅、锗、锡等元素也可以构成共有晶体。 属于共价键晶体的是SiC、Si3N4、BN等化合物。 空间格子(晶格):晶体的内部结构可以抽象为使得多个相同的集点在空间上周期性地无限分布，其中几何点代表基本体的相同位置，点总体上被称为空间格子。 根据格子的性质有直线格子、平面格子、空间格子。 晶体单元：根据晶体内部结构的周期性，划分大小和形状完全相同的平行六面体，表示晶体结构的基本重复