第一章材料的结构.ppt

,（1）共价键,第1章材料的结构,1.材料的结合方式,化学键：组成物质整体的质点(原子、分子或离子)间相互作用力叫化学键。由于质点相互作用时，其吸引和排斥情况的不同，形成了不同类型的化学健，主要有共价健、离子键和金属键。,原子间不产生电子转移，通过共用电子对产生的力在于IVA,VA,VIA族中大多数元素或电负性相差不大的原子间，如金刚石、单晶硅、SiC等外力作用下，原子一发生位移，共价键被破坏=脆性材料高温、高压才能破坏共价键，产生运动电子=良好的绝缘材料,（2）离子键,大部分盐类、碱类和金属氧化物在固态下是不能导电的熔融时可以导电。这类化合物为离子化合物。当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。,特点：无方向性和饱和性大部分盐类、碱类、金属氧化物以离子键结合离子键很强，故有较高熔点，固体下不导电，熔融时才导电离子间发生相对位移，电平衡破坏，离子键破坏=脆性材料,（3）金属键,金属原子的结构特点：外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，其外层的价电子脱离原子成为自由电子为整个金属所共有，它们在整个金属内部运动，形成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键。特点：金属键无方向性和饱和性原子位移，金属键保持=好的延展性自由电子=好的导电性温度升高，离子振动加剧，阻碍电子运动=正的电阻温度系数离子、电子均能传热=好的导热性自由电子吸收可见光跃迁到高能级=不透明电子回到低能级，辐射电磁波=金属光泽,（4）范德瓦尔斯键（分子键）许多物质其分子具有永久极性。分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔键也叫分子键。特点：键能低熔点低聚合物中链内是共价键，链间是范德瓦尔斯键,工程材料的键性,范德瓦尔斯键,金属键,金属键,金属材料的结合主要是金属键，陶瓷材料的结合键主要是离子键与共价键。高分子材料的链状分子间的结合是范德瓦尔键，而链内是共价键。,2.晶体学基础,（1）晶体与非晶体原子排列可分为三个等级，即无序排列，短程有序和长程有序。晶体：物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质。非晶体在整体上是无序的。区别：晶体与非晶体中原子排列方式不同，导致性能上出现较大差异。晶体具有一定的熔点，非晶体则没有。晶体的某些物理性能和力学性能在不同的方向上具有不同的数值成为各项异性。,（2）空间点阵,便于研究晶体中原于、分子或离子的排列情况，近似地将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同叫做阵点。这种点的空间排列称为空间点阵，简称点阵，从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。,晶胞选取应满足下列条件：晶胞几何形状充分反映点阵对称性。平行六面体内相等的棱和角数目最多。当棱间呈直角时，直角数目应最多。满足上述条件，晶胞体积应最小。晶胞的尺寸和形状可用点阵参数来描述，它包括晶胞的各边长度和各边之间的夹角。,7个晶系，14种空间点阵（布拉菲点阵）,相同的空间点阵无限多的晶体结构如：Cu,NaCl,CaF2具有不同的晶格结构，但都属于面心立方点阵,（3）晶向指数与晶面指数,晶向指数：描述原子在空间的排列方向晶面指数：描述原子构成的平面方向晶体结构分析时常常涉及到晶体中某些原子在空间排列的方向（晶向）；和某些原子构成的空间平面(晶面)为区分不同的晶向和晶面，需采用一个统一的标号来标定它们，这种标号叫晶向指数与晶面指数。,晶向指数的标定方法：某阵点为原点，以晶轴建立右旋坐标系，取点阵常数为三坐标轴单位长度,定出欲求晶向的两点坐标。末坐标减初坐标化成互质整数，以uvw表示，负号在数字上方，一个晶向指数代表一组相互平行的晶向晶向指数完全反号，晶向相互平行,晶向指数和标定,？?,2.晶面指数和标定,建立如前所述的参考坐标系，但原点应位于待定晶面之外，以避免出现零截距。找出待定晶面在三轴的截距，如果该晶面与某轴平行，则截距为无穷大。取截距的倒数，将其化为一组互质的整数，加圆括号得到晶面指数(hkl)说明：1.晶面指数完全反号，晶面相互平行;2.对立方晶系，具有相同指数的晶向与晶面垂直，如010(010),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。晶向族用uvw表示，代表原子排列相同，空间位向不同的所有晶相。,3晶面族与晶向族,在立方晶系中：,由于六方系独特的对称性，为它采用了一套专用的密勒-布拉菲指数。坐标系使用了四轴，四轴制中，晶面指数的标定同前，采用四抽坐标，晶面用（hkil)表示，晶向指数用uvtw表示，其中t=-(u+v)。原子排列相同的晶面及晶向为同一晶向族和晶向族。,4六方系晶面及晶向指数标定,晶面族表示六个侧面,hkil前面3个指数只有两个独立，i=-(h+k);,标定较麻烦；以a1,a2,C三轴定晶向指数UVW，再转换成uvtw。,晶向标定,5.晶带相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带，此直线称晶带轴。立方系某晶面（hkl）以uvw为晶带轴必有hu+kv+lw=0；（为什么？）两个不平行的晶面（h1k1l1）,（h2k2l2）的晶带轴uvw可如下求得：,6.晶面间距,对于不同的晶面族hkl其晶面间距也不同。,注意：体心立方、面心立方等要考虑晶面层的增加；体心立方(001)面之间还有一同类晶面，晶面间距为简单晶胞晶面间距d100的一半,低晶面指数的间距较大,材料晶胞参数分析实例,1.具有六方晶系b-Zn4Sb3X-射线衍射（XRD）分析,扫描速度：10/分钟；步长0.001管电压：40KV，管电流20mA,（样品准备，XRD）,FullProf-Suites数据分析,将原始数据考入记事本，保持为.dat格式（Zn4Sb3.dat）；打开Full-suite软件,3.File下拉选择打开衍射图,4.选择要打开的数据格式,（4）选择之前保存好的Zn4sb3.dat文件打开,（5）寻峰,（6）选择晶系及入射波长,13材料的晶体结构金属键具有无方向性特点，金属大多趋于紧密，高对称性的简单排列。共价键与离子键材料为适应键、离子尺寸差别和价引起的种种限制，往往具有较复杂的结构。,1.3.1典型金属的晶体结构,大多数金属具有比较简单的，高对称性的晶体结构（体心、面心、密排六方）体心立方：-Fe,-Ti,Cr,W,Mo,V,Nb-体心立方(图118),-Fe,Al,Cu,Ni,Au-面心立方,-Ti,Be,Zn,Mg-密排六方,1.晶胞中原子数2.原子半径,体心立方面心立方密排六方,3.配为数与致密度配位数与致密度用于定量描述原子的紧密程度配位数：任一原子最近邻且等距的原子数致密度K：晶胞中原子所占的体积分数K=nv/V体心立方：体心原子配位数8致密度面心立方：配位数12致密度密排六方：配位数12c/a1.633致密度0.74,4.晶体中原子的堆垛方式,面心立方与密排六方虽然晶体结构不同，但配位数与致密度却相同，为搞清其原因，必须研究晶体中原子的堆垛方式。,密排六方：AB,体心立方：ABC,5.晶体结构中的间隙,由原子排列的刚球模型可看出球与球之间存在许多间隙，分析间隙的数量、大小及位置对了解材料的相结构、扩散、相变等问题都是很重要的。如：面心立方八面体间隙比体心立方中间隙半径较大的四方体间隙半径还大，因此面心立方结构的gFe的溶碳量大大超过体心立方结构的。密排六方的间隙类型与面心立方相同，同类间隙的形状完全相同，仅位置不同，在原子半径相同的条件下这两种结构同类间隙的大小完全相同。,IVA,VA,VIA族，配位数8-N，N是族数配位数小=致密度低IVA族：Si,Ge,Sn,C，配位数4，金刚石结构，四面体构成面心立方点阵，每个晶胞8个原子VA族：As,Sb,Bi，配位数3，菱形层状结构，层内共价键，层间金属键，具有金属与非金属特性。VIA族：Se,Te，配位数2，螺旋分布的链状结构，链内共价键，链间范德瓦耳斯键。,132共价晶体的晶体结构,1.3.3离子晶体的晶体结构正、负离子电子云球对称分布离子半径随价态、配位数改变晶体结构电中性，离子尺寸不同=离子半径比的大小决定配位数，影响晶体结构一般离子半径较大的负离子堆成骨架，正离子按自身的大小居于负离子的间隙中，其配位数由半径比决定,134合金相结构纯金属的强度较低，所以工业广泛应用的是合金。合金是两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法组合而成，并具有金属特性的物质，如黄铜是铜锌合金，钢、铸铁是铁碳合金。,组元：组成合金最基本的独立物质。组元间由于物理的和化学的相互作用，可形成各种“相”。相：合金中具有同一聚集状态，成分和性能均一，并以界面互相分开的组成部分。单相台金：由一种相组成的合金。如含锌30Wc的CuZn台金是单相合金。而含锌40Wc时则是两相合金，除生成了固溶体外，还形成了金属间化合物。,固溶体固溶体：溶质分子完全溶于固态溶剂中，并保持溶剂元素晶格类型的合金相。固溶强化：通常把形成固溶体使强度，硬度升高的现象叫固溶强化。置换固溶体：溶质原子在结点。间隙固溶体：溶质原子在间隙。无限固溶体：溶质与溶剂以任何比例互溶，固溶度达到100%。有限固溶体：溶质与溶剂不能以任何比例互溶。有序固溶体：若溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值时。,(1)置换固溶体,(a)组元的晶体结构类型溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大，反之较小。(b)原子尺寸因素溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差(rArB)rA不超过14-15有利于大量固溶，反之固溶度非常有限。(c)电负性因素两元素的电负性相差越大，化学亲和力越强，所生成的化合物也越稳定。(d)电子浓度因素电子浓度定义为合金中价电子数目与原子数目的比值。,溶质的价越高，固溶度越小,（2）间隙固溶体一些原子半径小于0.1nm的非金属元素如H，O，N，C，B原子半径小于0.1nm的非金属元素(如H,O,N,C,B等)处于溶剂晶格结构的某些间隙位置特点：间隙半径较小，非金属原子的溶入，将使晶胞胀大，造成点阵畸变，溶解度受限制。如：C的原子半径为0.077nm，面心立方的-Fe在1148C的八面体间隙半径为0.0535nm，造成严重畸变，溶解度9%at；体心立方的-Fe的间隙更小，C的溶解度为0.095%at固溶体的微观不均匀性固溶体的溶质原子分布无序分布、偏聚分布、短程有序分布。对于某些合金，当其成分接近一定原子比时，较高温度时为短程有序，缓冷到某一温度以下，会转变为完全有序状态称为有序固溶体，这一转变过程称为固溶体的有序化。固溶体又称超结构或超点阵。,(1)正常价化合物金属与周期表一些元素形成的化合物为正常价化合物，符合化学上的原子价规律，所以正常价化合物包括从离子键，共价键过渡到金属键为主的一系列化合物。正常价化合物一般具有较高硬度和脆性，在合金中弥散分布在基体上，常可起弥散强化作用。(2)电子化合物贵金属Cu、Ag、Au与Zn，Al，Sn所形成的合金:在它们中，随成分变化所形成的一系列中间相具行共同规律即晶体结构决定于电子浓度，称为休姆罗塞里定律。决定电子化合物结构的主要因素是电子浓度，但并非唯一因素其他因素，特别是尺寸因素仍起一定作用。电子化合物的结合键为金属键，熔点一般较高，硬度高，脆性大，是具有金属中的重要强化相。(3)间隙相与间隙化合物过渡族金属可与H，B，C，N等原子半径甚小的非金属元素形成化合物。化合物具有简单