第二章晶体结构

1、精选课件主主 讲：郭洪民讲：郭洪民电电 话：话M)/3969611(O)邮邮 箱：箱：hmguo_办公室：办公室：材材A342Office hour：星期二下午星期二下午金属学金属学Metallography2011年年9月月2012年年1月月精选课件主要内容主要内容21 化学键的再研究化学键的再研究22 典型金属的晶体结构典型金属的晶体结构23 合金相的晶体结构合金相的晶体结构第二章第二章 晶体结构晶体结构(Crystal structure) 精选课件结构组织原子结构原子结构原子的空间原子的空间排列排列 显微组织显微组织 2-1 化学键的再研究化学键的再研究精选课

2、件晶粒的大小、合金相的种类、数量和分布等参数 。 原子结构原子结构原子的空原子的空间排列间排列 显微组织显微组织 结构组织精选课件原子结构原子结构原子的空原子的空间排列间排列 显微组织显微组织 原子核外电子的排布方式显著影响材料的电、磁、光和热性能，还影响到原子彼此结合的方式，从而决定材料的类型 结构组织精选课件晶态和非晶态。晶体结构显著影响材料的力学性能。 原子结构原子结构原子的空原子的空间排列间排列 显微组织显微组织 结构组织精选课件当原子靠近到一定程度时，当原子靠近到一定程度时，原子间会产生较强的作用力。原子间会产生较强的作用力。结合力结合力1、一次键和二次键、一次键和二次键外层外层电子

3、电子作用作用形式形式稳定的八电子排布结构稳定的八电子排布结构 接受或释放额外电子接受或释放额外电子 共有电子共有电子 精选课件共有价电子电子云键无方向性和饱和性性能特点：性能特点： 良好的导电性及导热性；良好的导电性及导热性； 正的电阻温度系数；正的电阻温度系数； 良好的强度及塑性；良好的强度及塑性； 特有的金属光泽。特有的金属光泽。金属键离子键共价键一次键精选课件金属键离子键共价键得失价电子得失价电子正负离子正负离子 高熔点、高硬度、低高熔点、高硬度、低塑塑良好的电绝缘体等良好的电绝缘体等一次键精选课件金属键离子键共价键共有电子对键有饱和性 高熔点、高硬度、低塑性电绝缘体等一次键精选课件范德

4、瓦尔键 二次键形成：形成：一个分子的正电荷部位一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为分引而结合在一起称为分子键。子键。 特性：特性：分子晶体因其结合键能分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性硬度也低。但其绝缘性良好。良好。精选课件问题：金属原子为什么趋于规则排列？问题：金属原子为什么趋于规则排列？金属单质金属单质精选课件结合力与结合能结合力与结合能以双原子模型为例（以双原子模型为例（NaCl）吸引力：正离子与负离子（电子云）间静电引力，吸引力：正离子与负离子（电子云）间

5、静电引力， 长程力长程力排斥力：正离子间，电子间的作用力，排斥力：正离子间，电子间的作用力， 短程力短程力结合力结合力吸引力排斥力吸引力排斥力;结合能结合能吸引能排斥能吸引能排斥能2、键能曲线、键能曲线精选课件式中：式中：Zi为化合价；为化合价；q为一个电子的电荷；为一个电子的电荷；e0 为真空介电常数；为真空介电常数；x为为离子间的距离。离子间的距离。 K和和m都是常数，都是常数，m2（常（常见的实验值为见的实验值为m=12）202214xqZZFa引力引力mrxKF斥力斥力离子间的平衡距离离子间的平衡距离0420221mraxKxqZZFF精选课件结结合合力力与与结结合合能能x0就是原子就

6、是原子之间中心到之间中心到中心的平均中心的平均距离，因此距离，因此也叫做键长。也叫做键长。 精选课件原子间的键能曲线原子间的键能曲线精选课件n如果以如果以x时势能为零处作为能量的零点，时势能为零处作为能量的零点，在吸引力作用下，两个原子逐渐移近，引力愈在吸引力作用下，两个原子逐渐移近，引力愈来愈强，系统对外界做功，为负值来愈强，系统对外界做功，为负值xqZZdxFUxaa02214nxarxCdxFUraUUU精选课件n对应对应U-x曲线上的最小值是两个原子间的平衡距离。曲线上的最小值是两个原子间的平衡距离。n当当xx0时，吸力大于斥力；时，吸力大于斥力；n当当xx0时，吸力小于斥力；时，吸力

7、小于斥力；n在在x=x0处，吸力和斥力平衡。处，吸力和斥力平衡。n可见要将原子相互间拉开或压缩可见要将原子相互间拉开或压缩 都需要做功，都会引起能量的升高。都需要做功，都会引起能量的升高。nU称为原子间的称为原子间的结合能结合能或或键能键能，它相当于把原子完全，它相当于把原子完全拆散所需要的功。拆散所需要的功。n由于它在能量曲线上总处于最低点，所以也称原子由于它在能量曲线上总处于最低点，所以也称原子间的间的能阱能阱或或势阱势阱。n阱越深即位能越低，表示结合能越大。阱越深即位能越低，表示结合能越大。精选课件2、键的类型对材料性能的影响、键的类型对材料性能的影响 不同金属不同金属 作用力曲线、作用

8、能曲线的曲率、势阱深度不同作用力曲线、作用能曲线的曲率、势阱深度不同碱金属钠、钾、锂等，曲线在碱金属钠、钾、锂等，曲线在E点附近较平缓，势阱小，说明点附近较平缓，势阱小，说明原子间作用力弱或结合能小。铜、银、金等则正相反，说明原子间作用力弱或结合能小。铜、银、金等则正相反，说明结合力强、结合能大。结合力强、结合能大。n前一类金属原子在平衡时，它的内电子层实际上并没有相前一类金属原子在平衡时，它的内电子层实际上并没有相接触，或者说，正离子间还有相当大的间隔，原子易压缩，接触，或者说，正离子间还有相当大的间隔，原子易压缩，刚度小，刚度小，称之为开放型金属；称之为开放型金属；n后一类金属则不然，原子

9、处于平衡时，其内电子层已有相后一类金属则不然，原子处于平衡时，其内电子层已有相当的重叠，原子很不易压缩，刚度大，当的重叠，原子很不易压缩，刚度大，称为封闭型金属。称为封闭型金属。n封闭型金属往往比开放型金属的弹性模量大，热膨胀系数封闭型金属往往比开放型金属的弹性模量大，热膨胀系数小，熔点高，比热大，强度也高。小，熔点高，比热大，强度也高。精选课件键能、键长键能、键长nU可以解释为将相距无限远的两个离子或可以解释为将相距无限远的两个离子或原子集合在一起时系统所作的功，或等原子集合在一起时系统所作的功，或等同于将原子完全地相互分开所需向系统同于将原子完全地相互分开所需向系统提供的能量。因此，在提供

10、的能量。因此，在x0处处U（x）的大）的大小，即小，即能量势阱的深度，就是键的固有能量势阱的深度，就是键的固有强度，即键能的度量强度，即键能的度量，n平衡间距平衡间距x0对应于键长对应于键长 从键从键-能曲线上能够直接获取一些重要能曲线上能够直接获取一些重要的宏观材料性能，特别是可以估算键能、的宏观材料性能，特别是可以估算键能、平均键长、弹性模量和热膨胀系数等。平均键长、弹性模量和热膨胀系数等。精选课件弹性模量弹性模量 E En考虑原子系统对外载荷的响考虑原子系统对外载荷的响应。键应。键-力曲线在平衡位置附力曲线在平衡位置附近时近似于直线，在近时近似于直线，在x0处曲处曲线的斜率线的斜率:xF

11、 /就是将原子从其平衡位置移开时所需力的度量。就是将原子从其平衡位置移开时所需力的度量。数学上，在数学上，在x0附近，位移附近，位移dx与力成正比与力成正比:aExF式中，式中， 是几何因子，是几何因子，E E为为材料特性，称为杨氏模量材料特性，称为杨氏模量或称弹性模量或称弹性模量精选课件ExU22键键-能曲线在能曲线在x0处的曲率也正比于弹性模处的曲率也正比于弹性模量量:值得注意的是，曲率半径越小，刚度越高，值得注意的是，曲率半径越小，刚度越高，这种关系的物理解释为这种关系的物理解释为:能量势阱的两壁能量势阱的两壁越陡，将原子从平衡位置移动所需的能量越陡，将原子从平衡位置移动所需的能量越大越

12、大精选课件（a） 虚线穿过等能量线段的中点，表明平均间距随能量（温度）增加而增大虚线穿过等能量线段的中点，表明平均间距随能量（温度）增加而增大（b） 两种材料的键能曲线，比较它们不同的线膨胀系数两种材料的键能曲线，比较它们不同的线膨胀系数键能曲线与线膨胀系数的关系键能曲线与线膨胀系数的关系线膨胀系数线膨胀系数ath是与键是与键-能曲线密切相关的能曲线密切相关的另一个宏观特性。随着温另一个宏观特性。随着温度的升高，原子获得能量，度的升高，原子获得能量，能够能够“移升移升”到能量势阱到能量势阱的侧壁。的侧壁。精选课件n图图a表明在相应于能量表明在相应于能量E*的温度下，有两个相同的温度下，有两个相同E*的的x值。如果假定原子在这两个位置之间振动，值。如果假定原子在这两个位置之间振动，那么，那么，中间点就表示平均间距中间点就表示平均间距。n画出一系列等能量线段，连接其中点，我们看到画出一系列等能量线段，连接其中点，我们看到平均原子间距随温度升高而增大平均原子间距随温度升高而增大。n在一定的温度范围内，可以用线性方程表示这种在一定的温度范围内，可以用线性方程表示这种关系：关系：)(000TTxxxthe式中，式中，xe为温度为温度T时的平衡间距，时的平衡间距