第1章 原子结构与键合 材料科学基础.ppt

1、材料科学基础,材料科学与工程学院 （2010.秋）,2,胡赓祥.材料科学基础上海交通大学出版社 俞文海，晶体学，中国科大出版社 胡赓祥，钱苗根.金属学，上海科技出版社 徐祖耀，李鹏兴.材料科学导论，上海科技出版社 石德珂，沈莲.材料科学基础西安交通大学出版社,材料科学基础,授课教师：张卫华 学 院：材料科学与工程学院,3,科技创造未来，材料改变世界,天然材料,火,物理、化学学科形成 改性材料,提取、改制材料,创制材料,材料是能为人类经济地、用于制造有用物品的物质,真空技术， 物理、化学学科发展,4,材料科学技术的发展趋势,从均质材料向复合材料发展 高性能结构材料的研究

2、与开发 功能材料、功能转换材料的研究开发a 生物材料和生物相容性材料 材料组织结构的向小尺度方向发展,新材料时代：以人造为特征，不是在自然界中存在的；是根据我们对材料的物理和化学性能、性质的了解，为了特定的需要设计和制备的。,5,材料科学研究材料的化学成分、加工过程、组织、结构变化与性能之间关系及其变化规律的一门学科。 材料是原子的特定聚集状态，原子结构中的电子结构直接决定了原子键合本身，不同形式的原子键合，决定了原子不同的聚集行为。原子聚集行为、空间的排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征等决定了材料的特性，决定最终使用性能。 研究材料微观原子键合、聚集行为，晶体结构特点，以及不完整晶体的缺

3、陷类型及其规律特性（位错），指出改善和发展材料的途径。 介绍材料科学领域的成形、热处理过程的 主要概念、结论和规律。 材料制备 （成分、状态） 成分、结构 特性 应用 理论、原理和微观机制,课程的性质：材料物理与化学专业的专业基础课。,6,本课程研究的环节,应用,微观金相组织,相、成分、界面,原子排列,点阵、晶体结构,7,第一章 原子的结构与键合 原子间结合键对材料性能的影响 用金属键的特征解释金属材料的性能： 正的电阻温度系数；良好的延展性 良好的导电、导热性； 第二章 固体结构： 晶面指数、晶向指数、晶面间距， 三种典型晶体 结构的特征（包括：晶胞形状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位

4、数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密排面（滑移面）和最密排方向的指数与个数，滑移系数等）。 相、组织、固溶体的分类 第三章 晶体缺陷： 缺陷的平衡浓度公式 位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征， 位错源、位错的增殖（F-R源、双交滑移机制等）和运动、交割 关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一般了解 晶界的特性（大、小角度晶界）、孪晶界、相界的类型,知识体系构成,8,第4章 固体原子及分子的运动 扩散方程的应用，如：渗碳等； 固态金属扩散的条件及影响扩散的因素 ； 第5章 材料的形变和再结晶 位错理论在解释各类塑性变形等问题的应用。 为何理论临界应力实际测量的值。 各种强化机理（

5、如：固溶强化、细晶（晶界）强化、弥散强化、形变强化（加工硬化）等） 再结晶温度及影响因素 回复、再结晶、晶粒长大和二次再结晶的驱动力 结晶、重结晶、再结晶和二次再结晶的区别 去应力退火与再结晶退火工艺的制定与应用 冷、热加工处理后对材料组织结构和性能的影响,知识体系构成,9,第6章 单组元相图及纯晶体的凝固 均匀形核与非均匀形核。 界面的生长形态与L/S前沿的温度梯度关系 变质处理和细化晶粒； 第7章 二元系相图及其合金的凝固 利用相律来判断相图的正确与否。 进行二元合金平衡组织的分析。 杠杆定律计算：相组成物与组织组成物的百分含量。 合金结晶过程。 固溶体与金属化合物的性能特点。 第8章 三

6、元相图 三元相图基础 典型三元相图分析,知识体系构成,10,评分标准： 到课率（0.1)、作业（0.1)、实验（0.1)、闭卷考试（0.7 ） 考试范围： 作业习题的范围和难度 课堂纪律： 不得扰乱他人听讲和学习 不得扰乱授课气氛 不接受请假 允许自学 教、学态度： 课堂教学不只进行知识体系传授的快餐，也是教学进度的规划 充分利用课堂教学时间，选择高效率的学习方式 材料科学的“四书五经”，经典中的经典，标志性课程 硬性接受渐进体会理解课堂灌输,课程要求：,11,物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。 其中分子由原子或离子组成，是保持物质化学性质的最小单位，原

7、子是化学反应的最小单位 原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。 1 原子的结构,第一章 原子的结构与键合,原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15m数量级。 原子的质量恰主要集中在原子核内。每个质子和中子的质量大致为1.67X10-24g，而电子的质量约为9.1110-28g，仅为质子的1/1836。,材料科学中，人们主要关心其电子结构。,12,2 原子的电子结构,电子能量水平随主量子数n和次量子数l变化,其空间位置和能量相关,1).主量子数n1、2、3、4（K、L、M、N）决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。 2

8、).轨道角量子数li0(n-1),(s,p,d,f,g)给出电子在同一量子壳层内所处的能级。（亚层）3).磁量子数mi-li+li,给出每个轨道角动量量子数的轨道数或能级数。(能级)4).自旋角量子数si=1/2, 反映电子不同的自旋方向。（电子数）,13,Na原子外层电子排布1s22s22p63s1,1).主量子数n1、2、3、4（K、L、M、N）电子所处的量子壳层。（壳层）2).轨道角量子数li0（n-1）（s,p,d,f,g）同一量子壳层内所处的能级。（亚层）3).磁量子数mi-li+li 能级数或轨道数。（能级）4).自旋角量子数si=1/2,反映电子不同的自旋方向。（电子数）,原子中

9、多个电子 的排布规律： 1、电子优先占据 能量最低的壳层。 2、电子运动状态 不能完全相同2n2。 3、li能级中电子排 布尽可能分散，自旋方向相同， 全充满、半充满、全空时稳定,14,11 Protons 12 Neutrons,The electronic structure of the atom,1s22s22p63s1,Sodium,15,Fe|原子序数26： 理想排布：1s22s22p63s23p6 3d8 实际排布：1s22s22p63s23p6 3d64s2 产生磁性特性,（能量最低原则使然）,16,元素(Element)：具有相同核电荷的同一类原子总称，共发现116种， 核电

10、荷数是划分元素的依据。 同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子。 元素有两种存在状态 游离态和化合态（Free State&Combined Form)。 18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个族、1个零族（Inert Gases）：最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列族。电子壳层数相同，按核电荷数递增的顺序从左而右排列周期 原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数 主族序数最外层电子数 零族元素最外层电子数为8（氦为2）,元素周期表(periodic Table of the Elements),17,元素周期表

11、(periodic Table of the Elements),18,1.2 原子间的键合化学键,一、 金属键 金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。库仑静电力结合。 金属键的基本特点是电子的共有化。 结合键无方向性、无饱和性。 原子排列趋于低能量的密堆积结构。 导电、导热、塑性好,19,1.2 原子间的键合化学键,二、离子键 大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。 金属原子失去外层价电子成为正离子，非金属原子得到价电子成为负离子，依靠库仑静电力结合。,正负离子相间排列，静电力最大对外显电中性，原子排列取决

12、于离子电荷及其离子半径（几何因素），趋于配位数最高。,20,1.2 原子间的键合化学键,二、离子键 离子键无方向性、无饱和性。 一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。其熔点和硬度均较高。 另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。,21,1.2 原子间的键合化学键,三、共价键 两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对形成的化学键合。 核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。除s轨道的电子云是球形对称，相互重叠时无方向性外，其余的p、d、f轨

13、道的电子云在空间都具有一定的伸展方向，成键时都有方向性。 基本特点： 1 原子键合 2 结合键有方向性、有饱和性。 3 原子排列取决于成键类型，配位数小。 共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、 聚合物和无机非金属材料中有重要地位。 共价键结合极为牢固，共价晶体具有结构 稳定、熔点高、质硬脆等特点。 共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。,22,范德华力： 属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能少12个数量级。不同的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德华力不同是一个重要因素。,1.2 原子间的键合物理键,电荷位移形成偶极子库仑静电力结合。 静电力（极性分子团）、 诱导力

14、（极性分子团非极性分子）、 色散力（非极性分子的电子运动瞬时极性）,23,范德华力远远小于化学键力（1），但高分子链中的原子高达106 108，导致表现出的总作用力大于化学键。高分子往往没有气态。 分子间的范德华力不同导致高分子聚合物有不同的性能。,1.2 原子间的键合物理键 范德华力,24,氢键：是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（，等）相结合而产生的具有比一般次价键（范德华力）大的键力，有饱和性和方向性。 氢键在高分子材料中特别重要。影响到高分子的特殊的晶体结构和性能（如纤维素、尼龙、蛋白质等）,1.2 原子间的键合氢键,25,原子能量与原子间距的关系A,26,不同键合之间的键能比较及其熔化温度见P6表1.1,27,1.2.5 结合键与性能,1.物理性能 熔点的高低代表了材料稳定性程度。共价键、离子键化合物的Tm较高。 密度与结合键有关。多数金属有高的密度，原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集排列 导热、导电性 2.力学性能 弹性模量与结合能有较好的对应关系。 强度 塑性,28,物质是由原子组成的，在材料科学中，一般人们最关心的是原子结构中的电子结构。 原子中的一个电子的空间位置和能量可用