第一章 材料结构的基本知识
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1 X A X B 2 4
] 100%
XA、XB分别为化合物A、B的电负性值。
例题:计算化合物(1)MgO;(2)GaAs中离子键结 合的比例。
离子结合键 % [1 e
1 X A XB 4
2
] 100 %
解:(1)MgO
XMg=1.31; XO=3.44
2 1 (1.313.44 ) 4
2) 外界条件
亚稳态结构常温下可以稳定长 期存在,当原子有足够活动能 力时,可以转变为稳态结构。
温度、压力、冷却速度等通过改变热力学条件和动力学条 件而间接地影响内部结构的转变。
第一章 材料结构的基本知识
材料的性能 内部结构
原子结构
原子键合
原子排列
显微组织
第一节
原子结构
世界上的一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集 而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。 分子:能单独存在且保持物质化学特性的一种微粒。
原子:是元素能够存在的最小单位,是化学变化 中的最小微粒。
原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电 的电子构成的。
共价键 金属键
范德瓦耳斯键 氢键
一次键: 通过外层轨道电子的转移或共享,在相邻原子间形成的强键。
二次键:
在原子和分子间,由诱导或永久电偶极子相互作用产生的一种副键。
离子键
定义:正、负离子间通过静电吸引,使原子结合 在一起,这就是离子键。 特点:以离子而不是以原子为结合单元,要求 正负离子相间排列,且无方向性,无饱和性。
离子结合比例 [1 e 68%
] 100%
(2)GaAs
XGa=1.81; XAs=2.18
2 1 (1.81 2.18 ) 4
离子结合比例 [1 e 4%
] 100%
结合键的本质及原子间距
力学角度:
原子间的结合源于原子间的吸引力和排斥力。
r0—原子的平均距离。
例题 计算Na+、 Cl-离子对的结合能,假设离子半径 分别为r Na+=0.095nm; r Cl-=0.181nm.
结合键与性能
1. 物理性能
a.熔点
共价键、离子键较高;金属键次之;二次键最低
b.密度 金属键最高, 共价键、离子键次之,二次键最低 c.导电、导热性 金属键有;非金属键没有 2. 力学性能 a. 弹性模量E
能量角度
前提是物理学中力(F)和能量(E)之间存在如下关系:
dE dx E 0 Fdx F
原子结合能E0:平衡距离下两原子间的作用能,等于将 两个原子完全分开所需作的功。 E0 ,原子结合稳定 。 离子键、共价键E0最大; 金属键E0次之,其中过渡族元素E0相对较大;
氢键E0稍高; 范德瓦耳斯键E0最小。
同周期元素:左
核电荷数↑,原子半径↓ 电离能↑,失电子能力↓,得电子能力↑
右
金属性↓,非金属性↑
同主族元素:上
电子层数↑,原子半径↑ 电离能↓,失电子能力↑,得电子能力↓
下
金属性↑,非金属性↓
第二节
原子结合键
结合键:不同的离子、原子或分子相互结合在一起的 作用力。 离子键
一次键 结合键 二次键 混合键
1.实质:是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进 行。 结构转变的推动力
2.描述方法:自由能 等温等容:亥姆霍兹自由能A=U-TS
等温等压:吉布斯自由能G=H-TS
3.热力学第二定律 ΔAT,V,<0, ΔGT,P,<0, 过程自发进行 过程自发进行
ΔA、 ΔG的绝对值越大,自发转变过程越容易进行。
E
物理意义:材料发生单位弹性变形所需的应力。E越大,应变越 不易进行,应变越小。
影响弹性模量的主要因素:结合键能。
结合键能越大,E越大。
b.强度
结合键
,强度
。
c.塑性
金属键较好,共价键、离子键次之。
第三节
一、晶体与非晶体
原子排列方式
固体材料根据原子(原子团、分子)的排列方式分为两 大类:晶体与非晶体。
范德瓦耳斯键
定义:借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用将原 来具有稳定原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
特点:键能较低,稳定性差。
氢键
定义:靠原子的偶极吸引力,由氢原子同时与两个 负性很大而原子半径很小的原子相结合而产生的键合。 特点:介于化学键与物理键之间,具有饱和性。
存在于HF、H2O、 NH3中,在高分子 中占重要地位
元素周期表
周期表的分析
7个横行为周期,同一周期的原子核外的电子壳层数 相同,按原子序数递增的顺序从左至右排列。 18个纵行为族,共16个族,7个主族、7个副族、1个 Ⅷ族、1个零族。同一族原子最外层的电子数相同, 按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。
a. 周期序数=电子壳层数;
b. 主族序数=最外层电子数; c. 零族元素最外层电子数为8.
非晶体特点: a. 原子排列无序 b. 具有各向同性 c. 没有固定的熔点 d. 凝固过程是液体的简单 冷却,无体积突变。
多数高分子材料及玻璃等原子或分子结构较 复杂的材料为非晶体,其中玻璃是典型。
晶体与非晶体的冷却过程
二、原子排列的研究方法
方法 X射线衍射分析法
电子束衍射分析法
1. X射线衍射原理
将晶体看作天然的三维光栅,利用光的衍射原理。
布拉格定律
SQ QT 2PQsin n
2d sin n
只要满足布拉格方程便可以发生原子衍射,从原子衍射 图中,根据衍射峰的形状及强度就可以判断原子的特征。
晶体与非晶体衍射峰 的差别: 晶体:有明显的、尖 锐的峰值。 非晶体:峰值不明显。
综上所述:
所谓组织是指材料中两个相(或多相)的体积分数为 多少,各个相的尺寸、形状及分布特征如何。
第五节
材料的稳态结构及亚稳态结构
稳态结构:材料处于能量最低时的结构—平衡态结构。 非稳态结构:材料处于能量较高时的结构—亚稳态结构。
材料处于什么样的结构是由结构形成的热力学条件及动 力学条件决定的。 一、热力学条件
晶体:原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则排列。 非晶体:原子的排列是无序的,即不存在长程的周期排列。
晶体的特点:
a. 原子排列有序
b. 具有各向异性 c. 有固定的熔点 d. 有结构的变化, 凝固过程分形核 和生长两阶段, 有体积突变。
晶体的结晶过程
金属与合金,大部分陶瓷(氧化物、碳化物、 氮化物)以及少数高分子材料为晶体。
次量子数 l i
li
:表示电子在同一量子壳层内所处的能级(也称亚 壳层)。
l i =0、1、2… n-1,可用小写的英文字母s、
p、d、f、g表示。
例:当n=2时,有两个次量数
l 2 0和l 2 。 1
在同一量子壳层里,亚层电子的能量按s、p、d、 f、g次序递增。
磁量子数m
m :表示每个次量子数的能级数或轨道数。 m =0、± 1、± 2、± 3… ,总数为 2li 1 。
2) 两种相晶粒尺寸相差较大
a. 尺寸较小的相以球状、点状、片状或针状弥散分布于另一相 基体中。
弥散相硬度高,使合金的强度提高,但使塑性和韧 性下降——弥散强化。
b. 第二相分布于基体相的晶界上。
非连续分布:对合金性能影响不大 连续分布,呈网状:
第二相很脆,材料表现脆性 第二相熔点低,材料出现“热脆 性”
二、元素周期表及性能周期性变化
概念
1. 元素:具有相同的核电荷数(质子数)的同一类 原子,共116种。 2. 元素的原子序数:等于原子核中的质子数或核外 电子数。每种元素百度文库与一定的原子序数相对应。
3. 元素周期律:元素的外层电子结构随着原子序数 递增而呈周期性变化的规律。 4. 元素周期表:所有元素按相对原子质量及电子分 布方式排列成的表。
例:当 li 2时,m= 0、± 1、± 2,总数为5。
m确定了轨道的空间取向,s、p、d、f各轨道 依次有1、3、5、7种空间取向。 同一亚壳层中,没有外加磁场时,空间取向不同的 电子具有相同的能量;有外加磁场时,空间取向不 同的电子能量有差别。
自旋量子数ms
m s:反映了电子不用的自旋方向。 1 1 m s=+ 2 ,- 2 ,表示每个状态下存在两个自旋方 向相反的点子。
钠原子电子排列为: 1s22s22p63s1。
钙原子电子排列为:1s22s22p63s23p64s2。
根据量子力学,各个壳层的s态和p态中电子的充满 程度对该壳层的能量水平起着重要的作用。
若壳层的s态和p态被填满,则壳层的能量最低, 电子极为稳定,这样的元素称为惰性元素。 若最外壳层上的s态和p态未被填满,则电子的 能量较高,性质活泼,这些电子称为价电子。
二、动力学条件
1.实质:转变进行时的反应速度。
结构转变的阻力 2. 阿累尼乌斯(Arhennius)方程
V A exp Q RT
激活能Q : 自发转变过程中,原子始态 能量与激活态能量的差值。
3. 转变过程影响因素
1) 阻力
a.阻力较小,热力学条件起主要作用,得到稳态结构。 b.阻力较大,动力学条件起支配作用,得到亚稳态结构。
e =1.6022× 10-19C m质子≈ 1.67 × 10-24g m电子≈ 9.11× 10-28g
一、电子排布
描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子 数表示。 主量子数 次量子数
磁量子数
自旋量子数
主量子数n
n: 确定电子离核远近和能量高低的主要参数。
n=1、2、3、4… ,可用大写的英文字母K、L、M、 N表示。
第四节
晶体材料的组织
材料的组织:各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分
布等特征。 一、组织的显示与观察
显微组织:用金相或电子显微镜观察 宏观组织:用肉眼观察。
二、单相组织
1.定义:具有单一相的组织为单相组织,即所有晶粒 的化学组成相同,晶体结构也相同。 2.类型 纯组元:纯Fe、纯Al、纯Al2O3等。
亚壳层: 容纳电子数: s 2 p 6 d 10 f 14
电子状态图
核外电子的排布规律
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。 最低能量原理:电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。
确定电子能量水平的主要因素是主量子数和次量子数。 例题
试根据核外电子排布的 规律,写出钠(Na) 原子及钙(Ca)原子 的电子排列方式。
二次键性质:熔点地,硬度差,热膨胀系数高,绝缘性 良好。
混合键
类型:
a. 金属键—共价键 b. 金属键—离子键 c. 离子键—共价键
Ⅳ族的Si、Ge、Sn元素 过渡族元素 陶瓷 d. 两种类型键独立存在 石墨
鲍林公式:用来确定化合物AB中离子键结合的相对值。
离子结合键 % [1 e
性质:熔点高、质硬脆、导电能力差。
金属键
定义:金属原子最外层电子数很少,即价电子极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子,形成电子云。金属 中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。
特点:电子共有化,既无饱和性又无方向性,形成低 能量密堆结构。
性质:良好导电、导 热性能,延展性好。
单相固溶体
晶粒尺寸 晶粒形状
等轴晶 柱状晶
3.描述参数
三、多相组织
1. 定义:具有良种或两种以上的组织,每个相具有不 同的成分和晶体结构。 2.典型的两种合金组织
1) 两种相晶粒尺寸相当,均呈等轴状,交替分布。
合金力学性能取决于两个 相组成物的相对含量及各 自的性能。
如:材料的强度
11 22
多数盐类、碱类 和金属氧化物
性质:熔点和硬度均较高,脆性大,热膨胀系数小。
共价键
定义:原子之间以共用电子对的形式形成稳定结构, 这种由共用电子对所产生的结合键成为共价键。 特点:有饱和性(8-N)、方向性(s电子除外), 配位数较小 。
亚金属(C、Si、Sn、 Ge), 聚合物和无机非金属材料
] 100%
XA、XB分别为化合物A、B的电负性值。
例题:计算化合物(1)MgO;(2)GaAs中离子键结 合的比例。
离子结合键 % [1 e
1 X A XB 4
2
] 100 %
解:(1)MgO
XMg=1.31; XO=3.44
2 1 (1.313.44 ) 4
2) 外界条件
亚稳态结构常温下可以稳定长 期存在,当原子有足够活动能 力时,可以转变为稳态结构。
温度、压力、冷却速度等通过改变热力学条件和动力学条 件而间接地影响内部结构的转变。
第一章 材料结构的基本知识
材料的性能 内部结构
原子结构
原子键合
原子排列
显微组织
第一节
原子结构
世界上的一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集 而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。 分子:能单独存在且保持物质化学特性的一种微粒。
原子:是元素能够存在的最小单位,是化学变化 中的最小微粒。
原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电 的电子构成的。
共价键 金属键
范德瓦耳斯键 氢键
一次键: 通过外层轨道电子的转移或共享,在相邻原子间形成的强键。
二次键:
在原子和分子间,由诱导或永久电偶极子相互作用产生的一种副键。
离子键
定义:正、负离子间通过静电吸引,使原子结合 在一起,这就是离子键。 特点:以离子而不是以原子为结合单元,要求 正负离子相间排列,且无方向性,无饱和性。
离子结合比例 [1 e 68%
] 100%
(2)GaAs
XGa=1.81; XAs=2.18
2 1 (1.81 2.18 ) 4
离子结合比例 [1 e 4%
] 100%
结合键的本质及原子间距
力学角度:
原子间的结合源于原子间的吸引力和排斥力。
r0—原子的平均距离。
例题 计算Na+、 Cl-离子对的结合能,假设离子半径 分别为r Na+=0.095nm; r Cl-=0.181nm.
结合键与性能
1. 物理性能
a.熔点
共价键、离子键较高;金属键次之;二次键最低
b.密度 金属键最高, 共价键、离子键次之,二次键最低 c.导电、导热性 金属键有;非金属键没有 2. 力学性能 a. 弹性模量E
能量角度
前提是物理学中力(F)和能量(E)之间存在如下关系:
dE dx E 0 Fdx F
原子结合能E0:平衡距离下两原子间的作用能,等于将 两个原子完全分开所需作的功。 E0 ,原子结合稳定 。 离子键、共价键E0最大; 金属键E0次之,其中过渡族元素E0相对较大;
氢键E0稍高; 范德瓦耳斯键E0最小。
同周期元素:左
核电荷数↑,原子半径↓ 电离能↑,失电子能力↓,得电子能力↑
右
金属性↓,非金属性↑
同主族元素:上
电子层数↑,原子半径↑ 电离能↓,失电子能力↑,得电子能力↓
下
金属性↑,非金属性↓
第二节
原子结合键
结合键:不同的离子、原子或分子相互结合在一起的 作用力。 离子键
一次键 结合键 二次键 混合键
1.实质:是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进 行。 结构转变的推动力
2.描述方法:自由能 等温等容:亥姆霍兹自由能A=U-TS
等温等压:吉布斯自由能G=H-TS
3.热力学第二定律 ΔAT,V,<0, ΔGT,P,<0, 过程自发进行 过程自发进行
ΔA、 ΔG的绝对值越大,自发转变过程越容易进行。
E
物理意义:材料发生单位弹性变形所需的应力。E越大,应变越 不易进行,应变越小。
影响弹性模量的主要因素:结合键能。
结合键能越大,E越大。
b.强度
结合键
,强度
。
c.塑性
金属键较好,共价键、离子键次之。
第三节
一、晶体与非晶体
原子排列方式
固体材料根据原子(原子团、分子)的排列方式分为两 大类:晶体与非晶体。
范德瓦耳斯键
定义:借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用将原 来具有稳定原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
特点:键能较低,稳定性差。
氢键
定义:靠原子的偶极吸引力,由氢原子同时与两个 负性很大而原子半径很小的原子相结合而产生的键合。 特点:介于化学键与物理键之间,具有饱和性。
存在于HF、H2O、 NH3中,在高分子 中占重要地位
元素周期表
周期表的分析
7个横行为周期,同一周期的原子核外的电子壳层数 相同,按原子序数递增的顺序从左至右排列。 18个纵行为族,共16个族,7个主族、7个副族、1个 Ⅷ族、1个零族。同一族原子最外层的电子数相同, 按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。
a. 周期序数=电子壳层数;
b. 主族序数=最外层电子数; c. 零族元素最外层电子数为8.
非晶体特点: a. 原子排列无序 b. 具有各向同性 c. 没有固定的熔点 d. 凝固过程是液体的简单 冷却,无体积突变。
多数高分子材料及玻璃等原子或分子结构较 复杂的材料为非晶体,其中玻璃是典型。
晶体与非晶体的冷却过程
二、原子排列的研究方法
方法 X射线衍射分析法
电子束衍射分析法
1. X射线衍射原理
将晶体看作天然的三维光栅,利用光的衍射原理。
布拉格定律
SQ QT 2PQsin n
2d sin n
只要满足布拉格方程便可以发生原子衍射,从原子衍射 图中,根据衍射峰的形状及强度就可以判断原子的特征。
晶体与非晶体衍射峰 的差别: 晶体:有明显的、尖 锐的峰值。 非晶体:峰值不明显。
综上所述:
所谓组织是指材料中两个相(或多相)的体积分数为 多少,各个相的尺寸、形状及分布特征如何。
第五节
材料的稳态结构及亚稳态结构
稳态结构:材料处于能量最低时的结构—平衡态结构。 非稳态结构:材料处于能量较高时的结构—亚稳态结构。
材料处于什么样的结构是由结构形成的热力学条件及动 力学条件决定的。 一、热力学条件
晶体:原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则排列。 非晶体:原子的排列是无序的,即不存在长程的周期排列。
晶体的特点:
a. 原子排列有序
b. 具有各向异性 c. 有固定的熔点 d. 有结构的变化, 凝固过程分形核 和生长两阶段, 有体积突变。
晶体的结晶过程
金属与合金,大部分陶瓷(氧化物、碳化物、 氮化物)以及少数高分子材料为晶体。
次量子数 l i
li
:表示电子在同一量子壳层内所处的能级(也称亚 壳层)。
l i =0、1、2… n-1,可用小写的英文字母s、
p、d、f、g表示。
例:当n=2时,有两个次量数
l 2 0和l 2 。 1
在同一量子壳层里,亚层电子的能量按s、p、d、 f、g次序递增。
磁量子数m
m :表示每个次量子数的能级数或轨道数。 m =0、± 1、± 2、± 3… ,总数为 2li 1 。
2) 两种相晶粒尺寸相差较大
a. 尺寸较小的相以球状、点状、片状或针状弥散分布于另一相 基体中。
弥散相硬度高,使合金的强度提高,但使塑性和韧 性下降——弥散强化。
b. 第二相分布于基体相的晶界上。
非连续分布:对合金性能影响不大 连续分布,呈网状:
第二相很脆,材料表现脆性 第二相熔点低,材料出现“热脆 性”
二、元素周期表及性能周期性变化
概念
1. 元素:具有相同的核电荷数(质子数)的同一类 原子,共116种。 2. 元素的原子序数:等于原子核中的质子数或核外 电子数。每种元素百度文库与一定的原子序数相对应。
3. 元素周期律:元素的外层电子结构随着原子序数 递增而呈周期性变化的规律。 4. 元素周期表:所有元素按相对原子质量及电子分 布方式排列成的表。
例:当 li 2时,m= 0、± 1、± 2,总数为5。
m确定了轨道的空间取向,s、p、d、f各轨道 依次有1、3、5、7种空间取向。 同一亚壳层中,没有外加磁场时,空间取向不同的 电子具有相同的能量;有外加磁场时,空间取向不 同的电子能量有差别。
自旋量子数ms
m s:反映了电子不用的自旋方向。 1 1 m s=+ 2 ,- 2 ,表示每个状态下存在两个自旋方 向相反的点子。
钠原子电子排列为: 1s22s22p63s1。
钙原子电子排列为:1s22s22p63s23p64s2。
根据量子力学,各个壳层的s态和p态中电子的充满 程度对该壳层的能量水平起着重要的作用。
若壳层的s态和p态被填满,则壳层的能量最低, 电子极为稳定,这样的元素称为惰性元素。 若最外壳层上的s态和p态未被填满,则电子的 能量较高,性质活泼,这些电子称为价电子。
二、动力学条件
1.实质:转变进行时的反应速度。
结构转变的阻力 2. 阿累尼乌斯(Arhennius)方程
V A exp Q RT
激活能Q : 自发转变过程中,原子始态 能量与激活态能量的差值。
3. 转变过程影响因素
1) 阻力
a.阻力较小,热力学条件起主要作用,得到稳态结构。 b.阻力较大,动力学条件起支配作用,得到亚稳态结构。
e =1.6022× 10-19C m质子≈ 1.67 × 10-24g m电子≈ 9.11× 10-28g
一、电子排布
描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子 数表示。 主量子数 次量子数
磁量子数
自旋量子数
主量子数n
n: 确定电子离核远近和能量高低的主要参数。
n=1、2、3、4… ,可用大写的英文字母K、L、M、 N表示。
第四节
晶体材料的组织
材料的组织:各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分
布等特征。 一、组织的显示与观察
显微组织:用金相或电子显微镜观察 宏观组织:用肉眼观察。
二、单相组织
1.定义:具有单一相的组织为单相组织,即所有晶粒 的化学组成相同,晶体结构也相同。 2.类型 纯组元:纯Fe、纯Al、纯Al2O3等。
亚壳层: 容纳电子数: s 2 p 6 d 10 f 14
电子状态图
核外电子的排布规律
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。 最低能量原理:电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。
确定电子能量水平的主要因素是主量子数和次量子数。 例题
试根据核外电子排布的 规律,写出钠(Na) 原子及钙(Ca)原子 的电子排列方式。
二次键性质:熔点地,硬度差,热膨胀系数高,绝缘性 良好。
混合键
类型:
a. 金属键—共价键 b. 金属键—离子键 c. 离子键—共价键
Ⅳ族的Si、Ge、Sn元素 过渡族元素 陶瓷 d. 两种类型键独立存在 石墨
鲍林公式:用来确定化合物AB中离子键结合的相对值。
离子结合键 % [1 e
性质:熔点高、质硬脆、导电能力差。
金属键
定义:金属原子最外层电子数很少,即价电子极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子,形成电子云。金属 中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。
特点:电子共有化,既无饱和性又无方向性,形成低 能量密堆结构。
性质:良好导电、导 热性能,延展性好。
单相固溶体
晶粒尺寸 晶粒形状
等轴晶 柱状晶
3.描述参数
三、多相组织
1. 定义:具有良种或两种以上的组织,每个相具有不 同的成分和晶体结构。 2.典型的两种合金组织
1) 两种相晶粒尺寸相当,均呈等轴状,交替分布。
合金力学性能取决于两个 相组成物的相对含量及各 自的性能。
如:材料的强度
11 22
多数盐类、碱类 和金属氧化物
性质:熔点和硬度均较高,脆性大,热膨胀系数小。
共价键
定义:原子之间以共用电子对的形式形成稳定结构, 这种由共用电子对所产生的结合键成为共价键。 特点:有饱和性(8-N)、方向性(s电子除外), 配位数较小 。
亚金属(C、Si、Sn、 Ge), 聚合物和无机非金属材料