材料科学基础1章（材料的结构）课件

第一章材料的结构 1 1材料的结合方式1 1 1化学键组成物质整体的质点 原子 分子 离子 间的相互作用力叫化学键 1 共价键由共用价电子对产生的结合键叫共价键 组成共价键的元素原子形成分子或晶体时 以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合 共价键具有方向性 共价键的结合力很大 所以共价晶体强度高 硬度高 脆性大 熔点高 沸点高和挥发性低 共价键材料具有良好的绝缘性 共价键材料 金刚石 硅 SiC Si3N4 BN等化合物 2 离子键当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时 前者失去最外层价电子变成带正电荷的正离子 后者获得电子变成带负电荷的满壳层负离子 正离子和负离子由静电引力相互吸引 同时当它们十分接近时发生排斥 引力和斥力相等即形成稳定的离子键 离子键没有方向性 离子键无饱和性 离子键的结合力很大 离子晶体的硬度高 熔点高 脆性大 导电性差 热膨胀系统小 离子键中很难产生可以自由运动的电子 所以离子晶体都是良好的绝缘体 在离子键结合中 由于离子的外层电子比较牢固地被束缚 可见光的能量一般不足以使其受激发 因而不吸收可见光 所以典型的离子晶体是无色透明的 4 范特瓦尔键惰性气体元素在低温下可结合成固体 甲烷分子在固态也能相互结合成为晶体 在它们的结合过程中没有电子的得失 共有或公有化 价电子的分布几乎不变 原子或分子之间是分子键 范特瓦尔斯力很弱 因此由分子键结合的固体材料熔点低 硬度也很低 范特瓦尔斯力很弱 由其键结合的固体材料因无自由电子 材料有良好的绝缘性 金属材料 金属键陶瓷材料 共价键 离子键高分子材料 共价键 分子键 氢键 1 1 2工程材料的键性 1 金属材料主要以金属键结合 其强韧性好 塑性变形能力强 导电 导热性好 具有良好的工艺性能 为主要的工程材料 2 高分子材料以分子键和共价键结合 耐蚀性 绝缘性好 密度小 加工成型性好 强度不高 硬度较低 耐热性较差 3 陶瓷材料以离子键 共价键结合 熔点高 硬度高 耐高温 耐磨损 脆性大 难以加工 4 复合材料根据其组元材料具有复合的结合键 也具有复合的性能 1 2晶体学基础1 2 1晶体与非晶体晶体 物质的质点 原子 分子或离子 在三维空间呈规则的周期性排列 非晶体 物质的质点在整体上是无规则堆积 晶体与非晶体区别 a 是否具有周期性 对称性 b 是否有确定的熔点 c 是否各向异性 1 2 2空间点阵将晶体抽象为规则排列与空间的无数几何点 这些点代表原子 分子或离子 的中心 这些点的空间排列称为空间点阵 晶体中能够代表原子排列特征的最基本的结构单元方能作为晶胞 布拉菲点阵 7个晶系 14种空间点阵 1 2 3晶向指数和晶面指数1 晶向指数的标定晶向 在晶格中 任意两原子之间的连线所指的方向 晶向指数 用密勒指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定 确定方法 设置坐标 求投影坐标 化最小整数 uvw 2 晶面指数的标定晶面 在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面 晶面指数 用密勒指数对晶格中某一晶面进行标定 确定方法 设置坐标 求截距 取倒数 化整数 hkl 立方晶体中常用晶面指数 110 112 111 001 3 晶面族与晶向族在晶体中 有些晶面原子排列情况相同 面间距也相等 只是空间位向不同 属于同一晶面族用 hkl 表示 原子排列情况相同 只是空间位向不同的所有晶向 属于同一晶向族用表示 crystalaxes facediagonal bodydiagonal apicestooppositeface centers 4 六方系晶面及晶向指数标定六方系晶面晶向的标定中 坐标系使用四轴 C轴垂直于底面 a1 a2 a3轴在底面上 其夹角为120o 晶面标定为 hkil 四个指数中前三个指数只有两个是独立的 它们有如下关系 i h k 晶向指数用 uvtw 表示 其中前三个指数只有两个是独立的 它们有如下关系 t u v 采用三轴坐标系时 C轴垂直于地面 a1 a2轴在底面上 其夹角为120o三轴制晶向指数为 UVW 与 uvtw 关系为 5 晶带相交与某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带 此直线称为晶带轴 立方晶系某晶面 hkl 以 uvw 为晶带轴时必有 hu kv lw 0两个不平行的晶面 h1k1l1 h2k2l2 的晶带轴 uvw 可如下求得 u k1l2 k2l1v l1h2 l2h1w h1k2 h2k1 6 晶面间距不同的晶面族 hkl 其晶面间距也不同 低指数晶面的面间距较大 高指数晶面的面间距较小 正交晶系 立方晶系 六方晶系 晶面 h1k1l1 和 h2k2l2 晶面间的夹角 其计算公式如下 例如 100 和 110 晶面间的夹角为45度 100 和 001 晶面间的夹角为90度 1 2 4晶体的极射赤面投影1 参考球与极射赤面投影2 标准投影图以晶体的某个晶面平行于投影面 作出全部主要晶面的极射投影图称为标准投影图 一般选择一些重要的低指数晶面作投影面 如立方系 001等作相应的标准投影图 体心立方晶胞 面心立方晶胞 密排六方晶胞 1 3材料的晶体结构1 3 1典型金属的晶体结构 1 晶胞中原子数体心立方 2面心立方 4密排六方 62 原子半径体心立方 面心立方 密排六方 a 2 3 配位数与致密度配位数 晶体结构中 与任一原子最近邻并且等距离的原子数 体心立方 8面心立方 12密排六方 12 致密度 晶胞中原子所占的体积分数 K nv V体心立方 68 Fe Ti W Mo Nb Ta K Na V Zr Cr 面心立方 74 Fe Cu Au Pt Ag Pb Ni 密排六方 74 Ti Mg Zn Be Co Zr Cd 面心立方结构中原子的堆垛方式 4 晶体中原子的堆垛方式面心立方结构ABCABCABC 密排六方结构ABABAB 密排六方结构中原子的堆垛方式 5 晶体结构中的间隙体心立方结构 体心立方四面体间隙 体心立方八面体间隙 面心立方结构间隙 面心立方四面体间隙 面心立方八面体间隙 HCP 密排六方四面体间隙 密排六方结构间隙 密排六方八面体间隙 密排六方结构间隙 Si的配位数是8 4 4 1 3 2共价晶体的晶体结构共价晶体的配位数是8 N 族数 CsCl结构NaCl结构 1 3 3离子体的晶体结构 ZnS结构CaF2结构 ZnS ZnO结构 1 3 4合金的相结构合金 由两种或两种以上金属元素 或金属与非金属元素经熔炼 烧结或其他方法组合而成 并具有金属特性的物质 相 合金中具有同一聚集状态 成分和性能均一 并以界面相互分开的组成部分 1 固溶体 1 置换固溶体影响固溶体溶解度的因素 a 组元的晶体结构类型 b 原子尺寸因素 c 电负性因素 d 电子浓度因素 2 间隙固溶体H B C N等原子半径很小的非金属元素 由于原子半径小 处于溶剂晶格结构中的某些间隙位置 形成间隙固溶体 3 固溶体的微观不均匀性固溶体的溶质原子分布为无序分布 偏聚分布 短程有序分布 2 中间相两组元组成的合金中 成分在两组元最大溶解度之间的合金将会出现新相 这种相叫做中间相 中间相可以是化合物 也可以是以化合物为基的固溶体 1 正常价化合物符合化合的原子价规律的化合物叫做正常价化合物 2 电子化合物 表1 6 晶体结构决定于电子浓度的化合物叫做电子化合物 3 间隙相与间隙化合物 a 间隙相 表1 7 过渡族金属可与H B C N等原子半径很小的非金属元素形成化合物 当金属与非金属的原子半径比小于0 59时 化合物具有简单的晶体结构