材料组成、结构与性能

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金属合金
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。
轿车用镁合金轮毂 直升机变速箱壳体
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Zhangjie SM全ST镁C合UG金B 手机、笔记本电脑等3C产14 品
2.1.2.2 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
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？
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（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。
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2.1.1.1 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。
单质 相 固溶体
化合物
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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）
多晶材料的微观结构一般包括： 晶相、非晶相（玻璃）和
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Zhangjie SMST CU气GB 相（气孔）
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（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
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
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璃、陶Zh瓷angj（ie 指SMS它T 们CU当GB中的长分子链）等。 16
2.2 材料的结构 2.2.1 材料中的化学键合
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。
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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
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2.1.2.1 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
Fe
Cr
Mn
有色金属
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
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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。
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粒子
间 距 动能/势能 排列特点
气态
大
液态
较小
非晶态
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
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物质的状态
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。
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共价键晶体的特征：
高熔点、高强度、高硬度；（3－5对，如金刚石晶体结构) 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）
第二章 材料的组成、结构与性能
学习要求
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
小结
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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
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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。
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。
体系相图。
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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。
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。
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（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”。
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20态19/9/1
多相组织
图2-54
相和组织的比较
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（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
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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）
② 改变机体的物理和化学性能（Si溶入α－Fe中，可提高
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
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源自文库
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2.1.2 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
固态 或
小
凝聚态 晶态
≥
彼此独立
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
短程有序
≤
长程有序
本课程主要讨论对象——固态物质
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2.1 材料的组成
2.1.1 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
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金属键的特征：
无饱和性； 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。
金属键晶体的特征：（如：Fe）
高导电； (2-10 ) 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）
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）。
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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。
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、
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材料的组织（Structure结构）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。
分类（按尺度划分）：
材料的结构
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）
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（2）离子键和离子晶体
典型离子键通式：
MX （二元离子晶体)
如：NaCl
M—金属元素 X—非金属元素
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。
磁导率、增大比电阻。含2％－4％Si的硅钢片是一种应
2019/9/1用广泛的软磁材料Zh）angjie SMST CUGB
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2.1.1.3 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）
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2.1.1.4 复合体
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。
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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。
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（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13.6 ev，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。