第1章材料结构的基本知识

1、2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY1第一章第一章 材料结构的基本知识材料结构的基本知识 原子结合键原子结合键 原子排列原子排列 显微组织显微组织2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY2 凝聚态凝聚态通常把材料的液态和固态称为通常把材料的液态和固态称为 凝聚态凝聚态 原子结合键原子结合键 一次键一次键结合力较强，包括离子键、结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。共价键和金属键。 二次键二次键结合力较弱，包括范德瓦结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。耳斯键和氢键。 第二节第二节 原子结合键原子结合键2021-11-25DAL

2、IAN JIAOTONG UNIVERSITY3一、一次键一、一次键l 依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合。电子壳层，从而使原子间相互结合。2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY41离子键离子键 IA、A族金属与族金属与A、A族的非金属原子结合时，族的非金属原子结合时，由于得失电子，金属和非由于得失电子，金属和非金属原子分别形成正离子金属原子分别形成正离子与负离子，正、负离子间与负离子，正、负离子间相互吸引，使原子结合在相互吸引，使原子结合在一起，这就是一起，这就是离子键离子键。 MgO、Mg

3、2Si、CuO、CrO2、MoF2等也是离子键等也是离子键结合为主的。结合为主的。图图1-3 NaCl的离子结合键示意图的离子结合键示意图2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY52共价键共价键 共价键共价键利用共享价电子利用共享价电子对来达到稳定的电子结构对来达到稳定的电子结构 价电子数为价电子数为4或或5个的个的IVA、VA族元素，相邻原子间共同族元素，相邻原子间共同组成一个新的电子轨道，由组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共两个原子中各有一个电子共用。用。 特点：共价结合时由于电子特点：共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共对之间的强烈排斥

4、力，使共价键具有明显的饱和性和方价键具有明显的饱和性和方向性，不允许改变原子间的向性，不允许改变原子间的相对位置，所以材料不具塑相对位置，所以材料不具塑性且比较坚硬，像金刚石就性且比较坚硬，像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。是世界上最坚硬的物质之一。图图l-4 金刚石的共价结合及其金刚石的共价结合及其方向性方向性2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY63金属键金属键 金属键金属键原子间通过正离子原子间通过正离子与自由电子之间的相互吸引与自由电子之间的相互吸引而形成的结合。而形成的结合。 特点：特点： 1. 金属键没有方向性，因而金属键没有方向性，因而金属具有

5、良好的塑性。金属具有良好的塑性。 2. 金属正离子被另一种金属金属正离子被另一种金属的正离子取代时也不会破坏的正离子取代时也不会破坏结合键，这种金属之间的溶结合键，这种金属之间的溶解解 (称固溶称固溶) 能力也是金属的能力也是金属的重要特性。重要特性。 3. 金属导电性、导热性以及金属导电性、导热性以及金属晶体中原子的密集排列金属晶体中原子的密集排列等，都直接起因于金属键结等，都直接起因于金属键结合。合。 图图1-5 金属键结合示意图金属键结合示意图2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY7二、二次键二、二次键 二次键二次键不是依靠电子的转移或共享，而是借不是依

6、靠电子的转移或共享，而是借原子之间的偶极吸引力结合而成。原子之间的偶极吸引力结合而成。 形成条件：形成条件： 原子或分子本身已具有稳定的电子结构，如原子或分子本身已具有稳定的电子结构，如惰性气体及惰性气体及CH4、CO2、H2或或H2O等分子，分子等分子，分子内部靠共价键结合使单个分子的电子结构十分稳内部靠共价键结合使单个分子的电子结构十分稳定，分子内部具有很强的内聚力。定，分子内部具有很强的内聚力。 众多的气体分子仍然可凝聚成液体或固体。众多的气体分子仍然可凝聚成液体或固体。2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY81范德瓦耳斯键范德瓦耳斯键图图l-6 范德瓦

7、耳斯键力示意图范德瓦耳斯键力示意图a) 理论的电子云分布理论的电子云分布 b) 原子偶极矩的产生原子偶极矩的产生 c) 原子原子(或分子或分子)间的范德瓦间的范德瓦耳斯键结合耳斯键结合2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY92氢键氢键 氢键氢键本质与范德瓦耳斯本质与范德瓦耳斯键一样，是靠原子键一样，是靠原子 (或分子或分子)的偶极吸引力结合的，只是的偶极吸引力结合的，只是氢键中氢原子起了关键作用，氢键中氢原子起了关键作用，结合力比范德瓦耳斯键强。结合力比范德瓦耳斯键强。 形成过程：形成过程： 氢原子在两个电负性很强的氢原子在两个电负性很强的原子原子(或原子团或

8、原子团)之间形成一之间形成一个桥梁，把两者结合起来，个桥梁，把两者结合起来，成为氢键。所以氢键可以表成为氢键。所以氢键可以表达为：达为： X-HY X-H 离子键结合离子键结合 (X-H)Y 氢键结合氢键结合图图l-7 冰中水分子的排列及氢键冰中水分子的排列及氢键的作用的作用2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY10三、混合键三、混合键 实际材料中单一结合键的情况并不是实际材料中单一结合键的情况并不是很多，大部分材料的内部原子结合键往往很多，大部分材料的内部原子结合键往往是是各种键的混合各种键的混合。2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIV

9、ERSITY11离子键结合的相对值离子键结合的相对值 陶瓷化合物陶瓷化合物离子键与共价键混合离子键与共价键混合 金属离子金属离子/非金属离子非金属离子非纯粹离子化非纯粹离子化合物合物 离子键的比例离子键的比例组成元素的电负性差组成元素的电负性差越大，离子键比例越高。越大，离子键比例越高。2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY12计算公式计算公式由由A、B元素所组成的化合物中元素所组成的化合物中 离子键结合离子键结合() 1 100XA、XB分别为元素分别为元素A、B的电负性的电负性 2)(41BAXXe2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNI

10、VERSITY132021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY14四、结合键的本质及原子间距四、结合键的本质及原子间距双原子模型：双原子模型：r0原子平衡距原子平衡距离离(原子间距原子间距)。 吸引力吸引力=排斥力排斥力图图1-8 原子间结合力原子间结合力a) 原子间吸引力、排斥力、合力原子间吸引力、排斥力、合力 b) 原子间作用位能与原子间距的关系原子间作用位能与原子间距的关系2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY15原子的结合能原子的结合能E0原子的结合能（结合键能）原子的结合能（结合键能）把两个原子完全把两个原子完全分开所作的

11、功。结合能越大，原子结合越稳定。分开所作的功。结合能越大，原子结合越稳定。结合能：测定固体的蒸发热。结合能：测定固体的蒸发热。2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY16例题例题 例题例题 计算计算Na+、Cl- 离子对的结合能离子对的结合能E0，假设离子半径分别为：假设离子半径分别为：r Na+ = 0.095 nm；rCl- 0.181nm。 2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY17结合键类型及键能对材料性能的影响结合键类型及键能对材料性能的影响1物理性能物理性能 熔点熔点 共价键、离子键化合物熔点高，金属的熔点相对较低。

12、共价键、离子键化合物熔点高，金属的熔点相对较低。 金属中过渡族金属有较高的熔点，特别是难熔金属金属中过渡族金属有较高的熔点，特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点等熔点更高，起因于内壳层电子未充满，使结合键中有一定比例的共价键所致。更高，起因于内壳层电子未充满，使结合键中有一定比例的共价键所致。 二次键结合材料，熔点偏。二次键结合材料，熔点偏。 密度密度 金属键的密度高：原子质量大，金属键的结合方式没有方向性，金属原金属键的密度高：原子质量大，金属键的结合方式没有方向性，金属原子子 趋于密集排列，趋于密集排列， 共价结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；共价结合时，相邻原子的个数要受到共价

13、键数目的限制； 离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，不如金属密度离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，不如金属密度高。高。 二次键结合，分子链堆垛不紧密，组成原子的质量较小二次键结合，分子链堆垛不紧密，组成原子的质量较小(C、H、O)，密，密度最低。度最低。 导电性和导热性导电性和导热性 金属键具有良好的导电性和导热性金属键具有良好的导电性和导热性 ，而由非金属键结合的陶瓷、聚合物，而由非金属键结合的陶瓷、聚合物均在固态下不导电。均在固态下不导电。2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY182力学性能力学性能结合键能与弹性模量结合键能与

14、弹性模量 共价与离子键共价与离子键弹性模量高（金刚石：弹性模量高（金刚石：1000 GPa，碳，碳 化物、氧化物、氮化物：化物、氧化物、氮化物：250600 GPa）。）。 金属键金属键弹性模量较低，常用金属材料的弹性模量约弹性模量较低，常用金属材料的弹性模量约 70350 GPa。 二次键二次键聚合物弹性模量低，仅为聚合物弹性模量低，仅为0.73.5GPa。结合键能与强度结合键能与强度 结合键能高，强度高结合键能高，强度高结合键与塑性结合键与塑性 金属键：塑性高；金属键：塑性高； 离子键、共价键：塑性差。离子键、共价键：塑性差。2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVER

15、SITY19第三节第三节 原子排列方式原子排列方式 一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体 晶体晶体内部原子内部原子按某种特定方式在按某种特定方式在三维空间内呈周期三维空间内呈周期性规则重复排列性规则重复排列（原子有序排列）（原子有序排列） 非晶体非晶体内部原内部原子的排列是无序的，子的排列是无序的，不存在长程的周期不存在长程的周期排列排列 图图l-10 二氧化硅结构示意图二氧化硅结构示意图a) 晶态晶态 b) 非晶态非晶态2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY20原子排列方式不同所导致的性能差异原子排列方式不同所导致的性能差异 晶体晶体各向异性：晶体由于其空间不同

16、各向异性：晶体由于其空间不同方向上的原子排列特征方向上的原子排列特征 （原子间距及周围（原子间距及周围环境）不同，因而沿着不同方向所测得的环境）不同，因而沿着不同方向所测得的性能数据亦不同性能数据亦不同 （如导电性、热导率、弹（如导电性、热导率、弹性模量、强度及外表面化学性质等）性模量、强度及外表面化学性质等） ； 非晶体非晶体各向同性：非晶体在各方向上各向同性：非晶体在各方向上的原子排列可视为相同，因此沿任何方向的原子排列可视为相同，因此沿任何方向测得的性能是一致的。测得的性能是一致的。2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY21图图l-11 从液态转变为晶体

17、及非晶体的比体积变化从液态转变为晶体及非晶体的比体积变化2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY22 单晶体单晶体 多晶体多晶体 晶粒晶粒 晶界晶界图图1-12 结晶过程示意图及相应的多晶体组织结晶过程示意图及相应的多晶体组织2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY23二、原子排列的研究方法二、原子排列的研究方法 布拉格定律布拉格定律 波长为波长为 的的X射线以入射线以入射角射角 照射到一组间隔照射到一组间隔为为d的原子面的原子面AA 、BB ，在对称的反射角在对称的反射角 位置上，位置上，X射线在各个原子面的光射线在各个原子面的

18、光程差应等于程差应等于 (SQ + QT)，当光程差等于波长的整当光程差等于波长的整数倍数倍n 时，这些射线就时，这些射线就可彼此增强：可彼此增强：SQ十十QT 2PQsin n 即即 2dsin n 图图1-13 X射线在原子面射线在原子面AA和和BB上的衍射上的衍射2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY24图图1-14 X射线衍射分析示意及衍射分布图射线衍射分析示意及衍射分布图a) X射线衍射分析示意图射线衍射分析示意图 b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图晶体及非晶体的衍射分布图2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY2

19、5第四节第四节 晶体材料的组织晶体材料的组织 实际晶体材料大都是实际晶体材料大都是多晶体多晶体，由很多晶粒所，由很多晶粒所组成。组成。 材料的组织材料的组织各种晶粒的组合特征，即各各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等特征。特征。 晶体的组织比原子结合键及原子排列方式更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，是一个影响材易随成分及加工工艺而变化，是一个影响材料性能的料性能的极为敏感而重要的结构因素极为敏感而重要的结构因素。2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY26一、组织的显

20、示与观察一、组织的显示与观察图图1-15 利用显微镜观察材料的组织利用显微镜观察材料的组织 图图l-16 单相组织的两种晶粒形状单相组织的两种晶粒形状 a) 等轴晶等轴晶 b) 柱状晶柱状晶2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY27二、单相组织二、单相组织 单相组织单相组织具有单一相的组织，即所有晶具有单一相的组织，即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。粒的化学组成相同，晶体结构也相同。 固溶体固溶体固态溶体，能够溶解其它合金元固态溶体，能够溶解其它合金元素。如素。如 -Fe。 等轴晶等轴晶晶粒在空间三维方向上尺寸相当晶粒在空间三维方向上尺寸相当 柱状晶柱

21、状晶晶粒在空间某一个方向的尺寸明晶粒在空间某一个方向的尺寸明显大于其它二维方向。显大于其它二维方向。 树枝状晶树枝状晶晶粒的空间形状类似于树枝形晶粒的空间形状类似于树枝形状。状。2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY28三、多相组织三、多相组织 多相组织多相组织由两个或两个以上相组成的由两个或两个以上相组成的材料，每个相具有不同的成分和晶体结构。材料，每个相具有不同的成分和晶体结构。 多相组织的基本组织形态多相组织的基本组织形态图图l-17 两相组织的基本组织形态两相组织的基本组织形态a等轴状等轴状 b球状、点状、片状或针状球状、点状、片状或针状 c. 晶界上

22、分布晶界上分布2021-11-25DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY29图图l-17a：两个相（或两种组织单元）的晶粒尺度相当，两种晶粒各自成：两个相（或两种组织单元）的晶粒尺度相当，两种晶粒各自成为等轴状，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或为等轴状，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或两种组织组成物的相对量及各自的性能，以强度为例，材料的强度两种组织组成物的相对量及各自的性能，以强度为例，材料的强度 应应等于：等于： = 图图l-17 b：弥散强化弥散强化 如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著地提如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著

23、地提高材料的强度，与此同时，塑性与韧性必将下降。增加弥散相的相对量，高材料的强度，与此同时，塑性与韧性必将下降。增加弥散相的相对量，或者在相对量不变的情况下细化弥散相尺寸（即增加弥散相的个数），或者在相对量不变的情况下细化弥散相尺寸（即增加弥散相的个数），都会大幅度地提高材料的强度。材料工作者常采取各种措施（如合金化、都会大幅度地提高材料的强度。材料工作者常采取各种措施（如合金化、热处理等），沿着这一思路改变组织，从而提高材料的强度水平，这种热处理等），沿着这一思路改变组织，从而提高材料的强度水平，这种强化方法称为弥散强化。强化方法称为弥散强化。图图1-17c： 第第 二相非连续地分布于晶界：它对性能的影响并不大；二相非连续地分布于晶界：它对性能的影响并不大； 第二相连续分布于晶界并呈网状：第二相连续分布于晶界并呈网状： 当第二相很脆时当第二相很脆时材料将完全表现为脆性；材料将完全表现为脆性； 第二相的熔点低于材料的热变形温度，则热变形时将由于晶界第二相的熔点低于材料的热变形温度，则热变形时将由于晶界熔化，使晶粒失去联系，导致熔化，使晶粒失去联系，导致“热脆性