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材料结构的基本知识材料结构的基本知识本讲稿第一页，共三十七页 不同的材料具有不同的性能，同一不同的材料具有不同的性能，同一材料经过加工也会有不同的性能，这些材料经过加工也会有不同的性能，这些都归结与内部的结构不同。都归结与内部的结构不同。结构结构大致可分为四个层次：原子结构、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原子结合键、材料中原子的排列以及晶体材料的显微组织。材料的显微组织。概概 述述本讲稿第二页，共三十七页第一节第一节 原子结构原子结构一、原子的电子排列一、原子的电子排列可看成是原子核及分布在核周围可看成是原子核及分布在核周围的电子组成。的电子组成。原子原子原子核原子核中子和质子组成，核的体积很中子和质子组成，核的体积很小，集中了原子的绝大部分质量。小，集中了原子的绝大部分质量。本讲稿第三页，共三十七页电子电子绕着原子核在一定的轨道上旋绕着原子核在一定的轨道上旋转质量虽可忽略，但电子的分部却转质量虽可忽略，但电子的分部却是原子结构中最重要的问题，它不是原子结构中最重要的问题，它不仅决定单个原子的行为，也对工程仅决定单个原子的行为，也对工程材料内部原子的结合及某些性能起材料内部原子的结合及某些性能起着决定性作用。着决定性作用。本讲稿第四页，共三十七页电子运动的轨道：电子运动的轨道：由四个量子数决定，分别是主量子数、由四个量子数决定，分别是主量子数、次量子数、磁量子数及自旋量子数。次量子数、磁量子数及自旋量子数。主量子数主量子数决定电子离核远近和能量高低决定电子离核远近和能量高低的主要参数。的主要参数。次量子数次量子数量子轨道并不一定总是球形的，量子轨道并不一定总是球形的，次量子数反映了轨道的形状，各轨道在原子核次量子数反映了轨道的形状，各轨道在原子核周围的角度分布不同。它也影响轨道的能级，周围的角度分布不同。它也影响轨道的能级，按按s、p、d、f依次升高。依次升高。本讲稿第五页，共三十七页磁量子数磁量子数确定了轨道的空间取向，确定了轨道的空间取向，以以m表示。没有外磁场时，处于同一亚表示。没有外磁场时，处于同一亚壳层而空间取向不同的电子具有相同的壳层而空间取向不同的电子具有相同的能量，但在外加磁场下，不同空间取向能量，但在外加磁场下，不同空间取向轨道的能量会略有所差别。轨道的能量会略有所差别。自旋量子数自旋量子数ms=+1/2，1/2，表示在每，表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。电子。本讲稿第六页，共三十七页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状亚壳层状态态磁量子数磁量子数规第的状规第的状态数目态数目考虑自旋考虑自旋量子数后量子数后的状态数目的状态数目各壳层各壳层总电子数总电子数12341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f113135135722626102610142（=212）8（=222）18（=232）32（=242）本讲稿第七页，共三十七页 原子核外电子的分部与四个量子数有原子核外电子的分部与四个量子数有关，且服从下述两个基本原理：关，且服从下述两个基本原理：（1）泡利不相容原理泡利不相容原理 一个原子中不可一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。能存在有四个量子数完全相同的两个电子。（2）最低能量原理最低能量原理 电子总是优先占据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能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。态。本讲稿第八页，共三十七页二、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原子周期律原子周期律早在早在1869年，俄国化学家年，俄国化学家已发现了元素性质是按原子相对质量的增已发现了元素性质是按原子相对质量的增加而程周期性的变化。这正是由于原子核加而程周期性的变化。这正是由于原子核外电子的排列是随原子序数的增加呈周期外电子的排列是随原子序数的增加呈周期性变化。性变化。族族周期表上竖的各列。同一族元素周期表上竖的各列。同一族元素具有相同的外壳层电子数，同一族元素具有相同的外壳层电子数，同一族元素具有非常相似的化学性能。具有非常相似的化学性能。本讲稿第九页，共三十七页总结总结 各个元素所表现的行为或性质一定会各个元素所表现的行为或性质一定会呈现同样的周期性变化，因为原子结构从呈现同样的周期性变化，因为原子结构从根本上决定了原子间的结合键，从而影响根本上决定了原子间的结合键，从而影响元素的性质。元素的性质。本讲稿第十页，共三十七页第二节第二节 原子结合键原子结合键键的形成键的形成在凝聚状态下，原子间距离十在凝聚状态下，原子间距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子分接近，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。键分为一次键和二次键：键分为一次键和二次键：一次键一次键结合力较强，包括离子键、共结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。价键和金属键。二次键二次键结合力较弱，包括范德瓦耳斯结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。键和氢键。本讲稿第十一页，共三十七页一、一次键一、一次键离子键离子键当两类原子结合时，金属原子当两类原子结合时，金属原子的外层电子很可能转移到非金属原子外壳的外层电子很可能转移到非金属原子外壳层上，使两者都得到稳定的电子结构，从层上，使两者都得到稳定的电子结构，从而降低体系的能量，此时金属原子和非金而降低体系的能量，此时金属原子和非金属原子分别形成正离子和负离子，正负离属原子分别形成正离子和负离子，正负离子间相互吸引，使原子结合在一起，这就子间相互吸引，使原子结合在一起，这就是离子键。（是离子键。（如如NaCl）本讲稿第十二页，共三十七页本讲稿第十三页，共三十七页共价键共价键价电子数为价电子数为4或或5个的个的A、A族元素，离子化比较困难，在这种情族元素，离子化比较困难，在这种情况下，相邻原子间可以共同组成一个新的况下，相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用，利用共享电子对来达到稳定的电子结用，利用共享电子对来达到稳定的电子结构。这就是共价键。构。这就是共价键。金属键金属键金属原子很容易失去外壳层电金属原子很容易失去外壳层电子而具有稳定的电子壳层，形成带正电的子而具有稳定的电子壳层，形成带正电的阳离子，由正离子和自由电子之间阳离子，由正离子和自由电子之间本讲稿第十四页，共三十七页的相互吸引而结合起来的称金属键。的相互吸引而结合起来的称金属键。二、二次键二、二次键1、范德瓦耳斯键、范德瓦耳斯键 当原子和分子相互靠近时，一个原子的当原子和分子相互靠近时，一个原子的偶极矩将会影响另一个原子的电子分布，电偶极矩将会影响另一个原子的电子分布，电子密度在靠近第一个原子的正电荷处更高些，子密度在靠近第一个原子的正电荷处更高些，这样使两个原子相互静电吸引，体系就处于这样使两个原子相互静电吸引，体系就处于较低的能量状态。较低的能量状态。本讲稿第十五页，共三十七页极化分子极化分子间的作用力间的作用力正电中心正电中心负电负电中心中心原子核原子核电子云电子云a)原子核原子核电子云电子云+b)c)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（或分子）原子（或分子）间的范德瓦耳斯键结合间的范德瓦耳斯键结合本讲稿第十六页，共三十七页2 2、氢键、氢键 氢键的本质与范德瓦耳斯键一样，氢键的本质与范德瓦耳斯键一样，只是氢原子起了关键作用。氢原子只有只是氢原子起了关键作用。氢原子只有一个电子，当氢原子与一个电负性很强一个电子，当氢原子与一个电负性很强的原子的原子X结合成分子时，氢原子的一个结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上；分子的氢离电子转移至该原子壳层上；分子的氢离子侧实质上是一个裸露的质子，对另个子侧实质上是一个裸露的质子，对另个电负性较大的原子电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力，表现出较强的吸引力，这样，氢原子便在两个电这样，氢原子便在两个电本讲稿第十七页，共三十七页负性很强的原子之间形成一个桥梁，把两负性很强的原子之间形成一个桥梁，把两者结合起来，形成者结合起来，形成氢键氢键。所以氢键可表达。所以氢键可表达为：为：XHY三、混合键三、混合键 实际材料中单一结合键并不多，大部实际材料中单一结合键并不多，大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。例如：混合。例如：（1）A族的族的Si、Ge、Sn元素的结合元素的结合本讲稿第十八页，共三十七页是共价键与金属键的混合。是共价键与金属键的混合。（2）陶瓷化合物中出现离子键与共价键陶瓷化合物中出现离子键与共价键混合的情况。混合的情况。四、结合键的本质与原子间距四、结合键的本质与原子间距 固体原子中存在两种力：固体原子中存在两种力：吸引力和排吸引力和排斥力斥力。它们随原子间距的增大而减小。它们随原子间距的增大而减小。当距离很远时，排斥力很小，只有当原当距离很远时，排斥力很小，只有当原子间接近至电子轨道互相重子间接近至电子轨道互相重本讲稿第十九页，共三十七页叠时斥力才明显增大，并超过了吸引力。叠时斥力才明显增大，并超过了吸引力。在某一距离下引力和斥力相等，这一距离在某一距离下引力和斥力相等，这一距离r0相当于原子的平衡距离，称原子间距。相当于原子的平衡距离，称原子间距。力（力（F）核能量（）核能量（E）之间的转换关系：）之间的转换关系：F=E=Fd dEd0本讲稿第二十页，共三十七页本讲稿第二十一页，共三十七页五、结合键与性能五、结合键与性能1、物理性能、物理性能（1）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。熔点的高低代表了材料稳定性的程度。共价键、离子键化合物的熔点很高这是陶瓷共价键、离子键化合物的熔点很高这是陶瓷材料比金属材料具有更高热稳定性的根本原材料比金属材料具有更高热稳定性的根本原因。二次键结合的材料熔点一定偏低，如聚因。二次键结合的材料熔点一定偏低，如聚合物等。合物等。（2）材料的密度与结合键类型有关。金材料的密度与结合键类型有关。金属有高的密度，陶瓷材料的密度很低。属有高的密度，陶瓷材料的密度很低。本讲稿第二十二页，共三十七页聚合物由于其是二次键结合密度最低。聚合物由于其是二次键结合密度最低。（3）金属键使金属材料具有良好的导电性金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性，而由非金属键结合色陶瓷、聚合和导热性，而由非金属键结合色陶瓷、聚合物均在固态下不导电。物均在固态下不导电。2、力学性能、力学性能 结合键是影响弹性模量的主要因素。结结合键是影响弹性模量的主要因素。结合键能越大，弹性模量越大，材料的强度越合键能越大，弹性模量越大，材料的强度越大。大。本讲稿第二十三页，共三十七页第三节第三节 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 晶体中原子的排列是有序的，即原子晶体中原子的排列是有序的，即原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则重复排列。而非晶体内部原子的排列是则重复排列。而非晶体内部原子的排列是无序的。这种排列上的差异造成性能上的无序的。这种排列上的差异造成性能上的不同：不同：各向异性各向异性晶体由于其空间不同方向上的晶体由于其空间不同方向上的原子排列不同，沿着不同方向上所原子排列不同，沿着不同方向上所本讲稿第二十四页，共三十七页测得的性能数据亦不同这种性质称晶体的各测得的性能数据亦不同这种性质称晶体的各向异性。向异性。各向同性各向同性非晶体在各个方向上的原子非晶体在各个方向上的原子排列可视为相同，沿任何方向测得的性能排列可视为相同，沿任何方向测得的性能是一致的，表现为各向同性。是一致的，表现为各向同性。从液态到非晶态固体是一个渐变过从液态到非晶态固体是一个渐变过程，既无确定的熔点，又无体积的突变。程，既无确定的熔点，又无体积的突变。这说明非晶态转变只不过是液态的简单冷这说明非晶态转变只不过是液态的简单冷却过程，随温度的下降，液态的粘度却过程，随温度的下降，液态的粘度本讲稿第二十五页，共三十七页越来越高，当其流动性完全消失时则越来越高，当其流动性完全消失时则称固相。称固相。液体向晶体的转变还具有结构转变，液体向晶体的转变还具有结构转变，这一原子重排过程是通过在液体中不断这一原子重排过程是通过在液体中不断形成有序排列的小晶核及晶核的逐渐生形成有序排列的小晶核及晶核的逐渐生长实现的。长实现的。本讲稿第二十六页，共三十七页第四节第四节 晶体材料的组织晶体材料的组织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、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。一、组织的显示与观察一、组织的显示与观察宏观组织宏观组织粗大的组织用肉眼即能观察粗大的组织用肉眼即能观察到。到。显微组织显微组织用金相显微镜或电子显微镜用金相显微镜或电子显微镜观察到的组织。观察到的组织。本讲稿第二十七页，共三十七页二、单相组织二、单相组织具有单一相的组织，即所具有单一相的组织，即所有晶粒的组成相同，晶粒结构有晶粒的组成相同，晶粒结构也相同。也相同。溶液中各处的成分与结构溶液中各处的成分与结构相同，是单一的相，在固体状相同，是单一的相，在固体状态时称为固溶体。态时称为固溶体。单相组织单相组织固溶体固溶体本讲稿第二十八页，共三十七页 描述单相组织特征的主要有晶粒尺描述单相组织特征的主要有晶粒尺寸与形状。寸与形状。（1）晶粒尺寸对材料性能有重要影响，）晶粒尺寸对材料性能有重要影响，细化晶粒可提高材料的强度，还改善材料细化晶粒可提高材料的强度，还改善材料的塑性和韧性。的塑性和韧性。（2）晶粒的形状取决于各个核心的生长条）晶粒的形状取决于各个核心的生长条件。件。等轴晶等轴晶：若每个核心在各个方向上的生：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长条件接近，最终得到的晶粒在空本讲稿第二十九页，共三十七页间三维方向上尺度相当。间三维方向上尺度相当。柱状晶柱状晶：若在特定的条件下，空间某一：若在特定的条件下，空间某一方向的生长条件明显优于其它二维方向，方向的生长条件明显优于其它二维方向，最终得到拉长的晶粒形状。（最终得到拉长的晶粒形状。（图图1-16）三、多相组织三、多相组织 （图图1-17）是两相合金的一种）是两相合金的一种典型组织，两个相的晶粒尺度相当，典型组织，两个相的晶粒尺度相当，本讲稿第三十页，共三十七页本讲稿第三十一页，共三十七页两种晶粒各自成为等轴状，两者均匀的交两种晶粒各自成为等轴状，两者均匀的交替分布，此时合金的力学性能取决于两个替分布，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，材料的强度能。以强度为例，材料的强度应等于：应等于：=11+221、2为两个相的强度值；为两个相的强度值；1、2为两个相的体积分数为两个相的体积分数。本讲稿第三十二页，共三十七页弥散强化弥散强化组织中两个相的晶粒尺度组织中两个相的晶粒尺度相差甚远，尺寸较细的相以球状、点状、相差甚远，尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相片状或针状等形态弥散地分布于另一相的基体内（的基体内（图图1-17b）。大幅度地提高）。大幅度地提高材料的强度。材料的强度。第二相在基体相的晶界上分布是第二相在基体相的晶界上分布是一种常见的组织特征（一种常见的组织特征（图图1-17c）。）。本讲稿第三十三页，共三十七页第五节第五节 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同一材料在不同条件下可以同一材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低得到不同的结构，其中能量最低的结构称稳态结构。的结构称稳态结构。稳态结构稳态结构亚稳态结构亚稳态结构能量相对较高的结构能量相对较高的结构则称亚稳态结构则称亚稳态结构本讲稿第三十四页，共三十七页 结构转变的热力学条件：结构形成结构转变的热力学条件：结构形成时必须沿着能量降低的方向进行。时必须沿着能量降低的方向进行。热力学第二定律对这种自发过程的叙热力学第二定律对这种自发过程的叙述为：只有那些使体系自由能述为：只有那些使体系自由能A减小的过减小的过程才能自发进行，可表示为：程才能自发进行，可表示为：等温等容等温等容 A T、V0 自发过程自发过程 等温等压等温等压 G T、P0 自发过程自发过程两种自由能的表达式为：两种自由能的表达式为：A=UTS G=HTS本讲稿第三十五页，共三十七页U内能内能 H焓焓 S熵熵 T热力学温度热力学温度反应速率反应速率与热力学温度与热力学温度T之间满足：之间满足：=Aexp （图（图1-18）R气体常数；气体常数；Q过程的激活能过程的激活能QRT本讲稿第三十六页，共三十七页图图1-18 激活能的激活能的 物理意义物理意义图图1-19 反应速率反应速率随激活能减小呈随激活能减小呈指数关系上升指数关系上升终态终态O能能量量始态始态激活激活能能状态（位置）状态（位置）O反反应应速速度度温度温度T扩散激活能扩散激活能Q本讲稿第三十七页，共三十七页