材料科学基础第一章材料结构的基本知识

1、贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY第一章第一章 材料结构的基本知识材料结构的基本知识THE ELEMENTARY KNOWLEDGEOF STRUCTURE OF MATERIALS原子结构原子结构原子结合键原子结合键原子排列方式原子排列方式晶体材料的组织晶体材料的组织材料的稳态结构与亚稳态结构材料的稳态结构与亚稳态结构贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENC

2、E OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY概概 述述 不同的材料具有不同的性能，同一材料经不同的材料具有不同的性能，同一材料经不同加工工艺后也会有不同的性能，这些都归不同加工工艺后也会有不同的性能，这些都归结于内部的结构不同。结于内部的结构不同。 结构结构大致可分为四个层次：原子结构、原大致可分为四个层次：原子结构、原子结合键、材料中原子的排列以及晶体材料的子结合键、材料中原子的排列以及晶体材料的显微组织。显微组织。贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMA

3、L UNIVERSITY第一节第一节 原子结构原子结构THE ATOMIC STRUCTURE原子的电子排列原子的电子排列元素周期表及性能的周期性变化元素周期表及性能的周期性变化贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY一、原子的电子排列一、原子的电子排列 1. 1. 原子的核式结构原子的核式结构p 原子由原子核及核外电子构成原子由原子核及核外电子构成p 原子核：体积小，质量大，带正电原子核：体积小，质量大，带正电p 电子：质量可忽略，在一定轨道绕核旋

4、转，电子：质量可忽略，在一定轨道绕核旋转， 带负电带负电贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 电子分布电子分布1）四个量子数）四个量子数p 主量子数主量子数 n ：电子能级的壳层序数：电子能级的壳层序数 n = 1,2,37p 次量子数次量子数 l ：确定每一壳层的亚壳层数目：确定每一壳层的亚壳层数目 l = 0,1,2,3p 磁量子数磁量子数 m ：确定每一亚壳层中空间取向：确定每一亚壳层中空间取向 不同的轨道数目不同的轨道数目 m

5、 = 0,1,2,3 p 自旋量子数自旋量子数 ms ：确定每一轨道中能容纳的：确定每一轨道中能容纳的 电子数目电子数目 ms =+1/2, -1/2贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY主量子数主量子数壳层序号壳层序号次量子数次量子数亚壳层序数亚壳层序数磁量子数规定磁量子数规定的状态数目的状态数目考虑自旋量子考虑自旋量子数的状态数目数的状态数目各壳层各壳层总电子数总电子数1 11s1s1 12 22(=22(=21 12 2 ) )2 22s2s

6、2p2p1 13 32 26 68(=28(=22 22 2 ) )3 33s3s3p3p3d3d1 13 35 52 26 6101018(=218(=23 32 2 ) )4 44s4s4p4p4d4d4f4f1 13 35 57 72 26 61010141432(=232(=24 42 2 ) )贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY2）电子填充次序三原则）电子填充次序三原则（1）泡利不相容原理：一个原子中不可能存在）泡利不相容原理：一个原

7、子中不可能存在 有四个量子数完全相同的两个电子有四个量子数完全相同的两个电子（2）能量最低原理：电子总是优先占据能量低）能量最低原理：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的轨道，使系统处于最低的能量状态（3）洪特规则：电子在能量简并的轨道中，要）洪特规则：电子在能量简并的轨道中，要 分占各轨道，且保持自旋方向相同分占各轨道，且保持自旋方向相同贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY3）能级的重叠）能级的重叠 相邻主壳层的能量范围有

8、重叠相邻主壳层的能量范围有重叠贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY例题例题 写出写出Na（11）、）、Ca（20）、）、Cu（29）、）、Cr（24）的电子分布）的电子分布解：解：Na：1s22s22p63s1Ca：1s22s22p63s23p64s2Cu：1s22s22p63s23p63d104s1Cr：1s22s22p63s23p63d54s1贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MA

9、TERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 3. 3. 原子的活泼程度原子的活泼程度主要取决于外壳层（主要取决于外壳层（S层和层和P层）填满与否层）填满与否例如，例如， He：1s2 Ne：2s22p6 Rn：6s24f145d106p6贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY二、元素周期表及性能的周期性变化二、元素周期表及性能的周期性变化贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF

10、CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY1.周期对应于电子主壳层周期对应于电子主壳层2.同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的 化学性质化学性质3.过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性4.B族和族和B族的内壳层填满族的内壳层填满，A族和族和A族族 内壳层未满，故内壳层未满，故B族和族和 B族不如族不如 A族和族和 A族活泼族活泼 例如，例如，Cu：3p63d104s1 K：3p64s1贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院

11、SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY5.电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增 强，同族自上而下逐渐减弱强，同族自上而下逐渐减弱贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY第二节第二节 原子结合键原子结合键THE ATOMIC BOND一次键一次键二次键二次键混合键混合键结合键的本质及原子间距结合键的本质及原子间

12、距结合键与性能结合键与性能贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY键的形成键的形成在凝聚态下，原子间距离十分接近，在凝聚态下，原子间距离十分接近， 便产生了原子间的作用力，使原子便产生了原子间的作用力，使原子 结合在一起，就形成了键。结合在一起，就形成了键。一次键一次键 通过电子的转移或共享使原子结合的通过电子的转移或共享使原子结合的 结合键。包括离子键、共价键、金属结合键。包括离子键、共价键、金属 键，结合力较强。键，结合力较强。二次键二次键 通过

13、偶极吸引力使原子结合的结合键。通过偶极吸引力使原子结合的结合键。 包括氢键、范德瓦尔斯键，结合力较包括氢键、范德瓦尔斯键，结合力较 弱。弱。贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY一、一次键一、一次键 1. 1. 离子键离子键 通过正负离子间相互作用力使原通过正负离子间相互作用力使原 子结合的结合键。子结合的结合键。例如，例如，NaCl、MgO对于对于 NaCl: Na: 1s22s22p63s1 Cl: 1s22s22p63s23p5 Na原子失去

14、一个外层电子，变成正离原子失去一个外层电子，变成正离子，带正电子，带正电 Cl原子得到一个外层电子，变成负离原子得到一个外层电子，变成负离子，带负电子，带负电贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITYNaCl结构结构贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCH

15、OOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 共价键共价键 通过共用电子对使原子结合的结通过共用电子对使原子结合的结 合键。例如，金刚石合键。例如，金刚石贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY金刚石结构金刚石结构贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GU

16、IZHOU NORMAL UNIVERSITY1）具有方向性和结构稳定性，金刚石）具有方向性和结构稳定性，金刚石109.52）8-N 定律定律 一个原子周围的共用电子对的一个原子周围的共用电子对的 数目，其中，数目，其中，N为原子的价电为原子的价电 子数子数 A族，族，4 4个共用电子对，空间网络状结构个共用电子对，空间网络状结构A族，族，3 3个共用电子对，空间层状结构个共用电子对，空间层状结构A族，族，2 2个共用电子对，空间链状结构个共用电子对，空间链状结构贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE O

17、F GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 3. 3. 金属键金属键 通过正离子与自由电子之间相互通过正离子与自由电子之间相互 吸引力使原子结合的结合键吸引力使原子结合的结合键 价电子脱离原子价电子脱离原子成为成为“电子气电子气”，正，正离子整齐的排列在离子整齐的排列在“电子气电子气”的海洋中的海洋中 金属具有高的密金属具有高的密度，良好的塑性，导度，良好的塑性，导电，导热，固态溶解电，导热，固态溶解贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSIT

18、Y二、二次键二、二次键 1. 1. 范德瓦尔斯键范德瓦尔斯键 具有稳定电子结构的原子或具有稳定电子结构的原子或 分子通过电偶极矩相互吸引分子通过电偶极矩相互吸引 而结合的结合键。如石蜡而结合的结合键。如石蜡贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 氢键氢键 含氢的分子具有极性，与另一个具有含氢的分子具有极性，与另一个具有 较强电负性的原子通过氢离子而结合较强电负性的原子通过氢离子而结合 的结合键。如冰的结合键。如冰 X-HY贵州师范大学化

19、学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY三、混合键三、混合键 1. 1. 一次键混合一次键混合大部分材料内部的结合键往往是混合键大部分材料内部的结合键往往是混合键1）共价键与金属键混合）共价键与金属键混合共价键共价键+金属键金属键如如A族中，族中，C Si Ge Sn Pb共价键共价键金属键金属键再如，过渡金属，有时会出现少量共价键再如，过渡金属，有时会出现少量共价键贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND M

20、ATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY2）金属键与离子键混合）金属键与离子键混合 如金属间化合物中如金属间化合物中3）共价键与离子键混合）共价键与离子键混合 如陶瓷化合物中如陶瓷化合物中 AB化合物中离子键结合的相对值：化合物中离子键结合的相对值：离子键结合（离子键结合（%）=2141100%ABXXe式中，式中，XA、XB分别为化合物组成元素分别为化合物组成元素A、B的电负性数值的电负性数值贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU N

21、ORMAL UNIVERSITY例题例题 计算化合物（计算化合物（1 1）MgOMgO、（、（2 2）GaAsGaAs中离子键中离子键结合的比例结合的比例解：解：（1 1）MgOMgO 查电负性表得查电负性表得X XMgMg=1.31=1.31，X XO O=3.44=3.44 代入公式得代入公式得 离子键结合比例离子键结合比例=68%=68%（2 2）GaAsGaAs 查电负性表得查电负性表得X XGaGa=1.81=1.81，X XAsAs=2.18=2.18 代入公式得代入公式得 离子键结合比例离子键结合比例=4%=4%贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF

22、CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY由表可见，由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所原子间的电负性差越大，所形成的形成的 AB 化合物中离子键结合的比例越高化合物中离子键结合的比例越高贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 一次键与二次键混合一次键与二次键混合例如，例如，石墨：片层中为共价键，片层间为范德瓦尔斯键石墨：片层中为共价键，片层间为范德瓦尔斯键

23、高分子：分子链中为共价键，链链之间为二次键高分子：分子链中为共价键，链链之间为二次键贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY四、结合键的本质及原子间距四、结合键的本质及原子间距 1. 1. 结合键的本质结合键的本质 结合键强弱反映原子或分子结合键强弱反映原子或分子 间结合时互作用能降低程度间结合时互作用能降低程度 离子键、共价键最强，金属键次之，氢键离子键、共价键最强，金属键次之，氢键再次之，范德瓦尔斯键最弱。再次之，范德瓦尔斯键最弱。贵州师范大学化

24、学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 原子间的互作原子间的互作 用力及结合能用力及结合能贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY1）原子间的互作用力）原子间的互作用力 吸引力，正离子与周围电子，长程力吸引力，正离子与周围电子，长程力排斥力，正离子间及电子间，短程力排斥力，正离子间及电子间，短程力 原子的平

25、衡距离原子的平衡距离r0 两原子间的引力两原子间的引力与斥力平衡时的间距。与斥力平衡时的间距。2）原子的结合能）原子的结合能 0EFdr dEFdr 原子的结合能原子的结合能E0 原子间距为原子间距为r0时的时的互作用能，是互作用能的极小值。互作用能，是互作用能的极小值。贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY3）原子结合能的实验测定及理论计算）原子结合能的实验测定及理论计算 （1）实验测定原理）实验测定原理 测定固体的蒸发热测定固体的蒸发热 （2）

26、理论计算（自学）理论计算（自学P24例题）例题） 贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY五、结合键与性能五、结合键与性能 1. 1. 对物理性能的影响对物理性能的影响1）熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料）熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料 的最低的最低2）密度：金属键的最高，共价键、离子键的较）密度：金属键的最高，共价键、离子键的较 低，高分子材料的最低低，高分子材料的最低3）导电导热性：金属键最好，共价键、离子键）导电导热性：金属键最好

27、，共价键、离子键 最差最差贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 对力学性能的影响对力学性能的影响1）强度：结合键强，则强度也高，但还受组织）强度：结合键强，则强度也高，但还受组织 的影响的影响2）塑性：金属键最好，共价键、离子键最低）塑性：金属键最好，共价键、离子键最低3）弹性模量：共价键、离子键最高，金属键次）弹性模量：共价键、离子键最高，金属键次 之，二次键最低之，二次键最低E贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCH

28、OOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY第三节第三节 原子排列方式原子排列方式THE ARRANGEMENT MODE OF ATOMS晶体与非晶体晶体与非晶体原子排列的研究方法原子排列的研究方法贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体 1. 1. 晶体晶体原子（原子团或分子）在空间有规则的原子（原子团或分子）在空间有规则的周期

29、性重复排列的固体周期性重复排列的固体 一般情况下，金属、大多数陶瓷、少数一般情况下，金属、大多数陶瓷、少数高分子材料为晶体高分子材料为晶体贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY二氧化硅结构示意图二氧化硅结构示意图 a）晶体）晶体 b）非晶体）非晶体贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 结晶

30、过程结晶过程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晶核形成晶核形成晶核长大晶核长大贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 3. 3. 晶体与非晶体性能的主要差别晶体与非晶体性能的主要差别晶体：有确定熔点晶体：有确定熔点 单晶体各向异性单晶体各向异性 多晶体各向同性多晶体各向同性非晶体：无确定熔点非晶体：无确定熔点 各向同性各向同性贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND

31、 MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY二、原子排列的研究方法二、原子排列的研究方法 1. 1. 晶体的晶体的X X射线衍射方程射线衍射方程 布拉格方程布拉格方程2 sindn贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. X 2. X射线衍射分析及其结果射线衍射分析及其结果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贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF

32、CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY第四节第四节 晶体材料的组织晶体材料的组织THE STRUCTURE OF CRYSTALMATERIALS组织的显示与观察组织的显示与观察单相组织单相组织多相组织多相组织贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY一、组织的显示与观察一、组织的显示与观察材料的组织材料的组织指各种晶粒的组合特征，即指各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量

33、、尺寸大小、形状及分布各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等特征。等特征。宏观组织宏观组织粗大的组织用肉眼即能观察到粗大的组织用肉眼即能观察到显微组织显微组织用金相显微镜或电子显微镜观用金相显微镜或电子显微镜观 察到的组织察到的组织贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY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，即所有晶粒具有单一相的组织，即所有晶粒 的组成相同，晶粒结构也相同的组成相同，晶粒结构也相同固溶体固溶体 指溶质原子溶入溶

34、剂晶格中而仍指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍 保持溶剂类型的合金相保持溶剂类型的合金相描述单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。描述单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。（1）晶粒尺寸：细化晶粒可提高材料强度，）晶粒尺寸：细化晶粒可提高材料强度， 改善材料塑性和韧性改善材料塑性和韧性（2）晶粒形状：取决于各个核心的生长条件）晶粒形状：取决于各个核心的生长条件贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY等轴晶：等轴晶：若每个核心在各个方向上的生长条件若每个核心在各个方向上的生长条件 接近，最终得到的晶粒在空间三维方接近，最终得到的晶粒在空间三维方 向上尺度相当。向上尺度相当。柱状晶：柱状晶：若在特定条件下，空间某一个方向的若在特定条件下，空间某一个方向的 生长条件明显优于其他二维方向，最生长条件明显优于其他二维方向，最 终得到拉长的晶粒形状。终得到拉长的晶粒形状。贵州师范大学化学与材料科学学院化学与材料科学学院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY三、多相组织三、多相组