材料科学基础第二讲-材料的结构
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Transmission Laue In the transmission Laue method, the film is placed behind the crystal to record beams which are transmitted through the crystal. One side of the cone of Laue reflections is defined by the transmitted beam. The film intersects the cone, with the diffraction spots generally lying on an ellipse.
K:反应速度 T:热力学温度 R:气体常数
Eα: 过程的激活能
大部分材料内部原子结合键往往是各种键的混合。 例如:IV A 族C、Si、Ge、Sn、Pb 过渡族元素(如W、Mo等高熔点金属)的原子结合中也 会出现少量的共价键,这正是过渡金属具有高熔点的原因。 金属间化合物有离子化的倾向,往往很脆。 陶瓷中是离子键和共价键的混合键。电负性相差越大,则 离子键比例越高。 聚合物和许多有机材料的长链分子内部是共价键,链与链 之间则为范德瓦尔斯力或氢键结合。 石墨的片层上为共价键结合,而片层间为范德瓦尔斯力。
当氢原子与一个电负性很 强的原子(或原子团)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,对另一 个电负性值较大的原子Y 表现出较强的吸引力。 氢原子在两个电负性很强 的原子(或原子团)之间 形成一个桥梁,把两者结 合起来。
混合键
离子键
金属原子的外层电子 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 子和负离子,正负离 子间相互吸引形成的 化学键。
共价键
相邻原子间共同组 成一个新的电子轨 道,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。 共价键由于电子对 之间的强烈排斥力, 使共价键具有明显 的方向性。
衍射:波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所 发生的传播方向改变的现象 。
Back-reflection Laue In the back-reflection method, the film is placed between the x-ray source and the crystal. The beams which are diffracted in a backward direction are recorded. One side of the cone of Laue reflections is defined by the transmitted beam. The film intersects the cone, with the diffraction spots generally lying on an hyperbola.
R0 :相当于原子的平衡间距,原子既不会自
动靠近,也不会自动离开。任何对平衡位置的 偏离,都立刻会受到一个力的作用,促使其回 到平衡位置。
R1:当把B原子由平衡位置拉至R1位置时,
两个原子的引力达到最大值,这个最大合力就 对应着金属的理论抗拉强度。
当原子移至平衡位置距离时,其结合能达到最低 值,此时原子的势能最低,最稳定。任何的偏离, 都会增加原子的势能,从而使原子处于不稳定状 态,原子有恢复到平衡距离的倾向,Q称为原子 间的结合能或键能。键能高的金属具有较高的熔 点和较小的线膨胀系数。 在R0附近,结合力与距离接近直线关系,该 段的斜率越大,将原子从平衡位置移开所需 的力越大,金属的弹性模量越大。
第二节 原子结合键
在凝聚态下,原子间距离十分接近,产生了原子 间的作用力,使原子结合在一起,即形成了键。 一次键:结合力较强,包括离子键、共价键和金 属键。依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的 电子壳层。 二次键:结合力较弱,包括范德瓦尔斯键和氢键。 依靠原子之间的偶极吸引力结合而成。
结合键的本质及原子间距
不论是何种类型的结合键, 固体原子间总存在两种力: 吸引力,来自异类电荷间的 静电吸引;排斥力,来自同 种电荷之间。 根据库仑定律,吸引力和排 斥力均随原子间距的增大而 减小。 排斥力具有短程力的性质, 即当距离很远时,排斥力很 小,只有当原子间距接近电 子轨道相重叠时,排斥力才 明显增大,并超过吸引力。
第三节 原子的排列方式
晶体和非晶体
晶体是各向异性,而非晶体各 向同性。 晶体有确定的熔点,并发生体 积的突变,而非晶体既无确定 的熔点又无体积的突变。 SiO2结构示意图
原子排列的研究方法
晶体的结构
晶体:原子在三维空间作有规律的周期性排列的物质
晶体结构的证明
René-Just Haüy, 伦琴(Wilhelm Conrad Röntgen)德 法国地质学家 (1743-1822) 国物理学家(18451923)
布喇格(William 劳埃( Max von Lawrence Bragg) Laue)德国物理学 家,(1879-1960) 澳大利亚物理学 家(1890-1971)
衍射现象
其含义是:只有照射到相邻两晶面的光程差是X射线波长 的整数倍时才产生衍射。上式表明,当晶面与X射线之间 满足上述几何关系时,X射线的衍射强度将相互加强。该 方程是晶体衍射的理论基础
多相组织
两相组织的一些基本组织形态
材料的稳态结构与亚稳态结构
同一种材料在不同的条件下可以得到不同 的结构,其中能量最低的结构称为稳态结 构或平衡态结构,而能量相对较高的结构 则称为亚稳态结构。 材料最终的结构必须考虑结构形成的热力 学条件及动力学条件。
实验表明:材料准备及加工过程中的冶金反应或结构转变,它 们的反应速度大多可用化学反应动力学的Arhennius方程表示:
第四节 晶体材料的显微组织
所谓材料的组织就是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。 晶体的组织比原子结合键及原子排列方式 更易随成分及加工工艺而变化,是一个影 响材料性能的极为敏感而重要的结构因素。
组织的显示与观察
利用显微镜观察材料的组织
单相组织的两种晶粒形状
范德瓦尔斯键
由于各种原因导致原子的 负电荷中心与正电荷(原 子核)中心并不一定重叠, 这种分布产生一个偶极矩。 当原子或分子相互靠近时, 一个原子的偶极矩会影响 另一个原子内电子的分布, 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,体系处于较低的能量 状态。
氢键
材料科学基础
第二讲 材料的结构
材料的结构
第一节 原子结构 第二节 原子结合键 第三节 材料中原子的排列 第四节 晶体材料的显微组织
材料结构是组成材料的组元在有限长度范 围排列的定量描述。
第一节 原子结构
电子的分布是原子结构中最重要的问题。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的作用。 电子的轨道由四个量子数所确定,主量子数、次量子 数、磁量子数以及自旋量子数。 原子核外电子的分布与四个量子数有关,且服从泡利 不相容原理和最低能量原理
金属键
当大量的金属原子聚集在一起时, 全部或大部分将它们的价电子贡献 出来,为其整个原子集体所公有, 称之为电子云或电子气。这些价电 子或自由电子,已不再只围绕自己 的原子核转动,而是与所有的价电 子一起在所有原子核周围按量子力 学规律运动着。 贡献出价电子的原子,则变为正离 子,沉浸在电子云中,它们依靠运 动于期间的公有化的自由电子的静 电作用而结合起来,这种结合方式 叫金属键,它没有饱和性和方向性。
双原子作用模型
结合能
结合能的大小相当于把两个原子完全分开所需作 的功,结合能越大,则原子结合越稳定。 结合能是利用测定固体的蒸发热而得到的,又称 结Βιβλιοθήκη Baidu键能。
结合键与性能
熔点与键能有较好的对应关 系。 材料的密度与结合键类型有 关。金属的密度较高,陶瓷 的密度较低,聚合物最低。 导热导电性与结合键的类型 有关。金属导电好,陶瓷和 聚合物导电不好。 弹性模量高,结合键能越大。 金属塑性好,陶瓷塑性差。