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1、材料科学全册配套完整课件材料科学全册配套完整课件2/2/20222第一章第一章 材料结构的基本知识材料结构的基本知识（一）（一）3材料结构材料性能四层次原子结构原子结合键原子的排列显微组织4思考思考 1、什么是价电子？、什么是价电子？ 2、K与与Cu相比，谁更活泼？为什么？相比，谁更活泼？为什么？ 3、金属是否均是由金属键构成的？、金属是否均是由金属键构成的？W为什么具有为什么具有高熔点？高熔点？ 4、一般情况下，金属、陶瓷、聚合物相比，谁、一般情况下，金属、陶瓷、聚合物相比，谁的密度更高？的密度更高？ 5、什么是弹性模量？、什么是弹性模量？5一、原子结构一、原子结构1、原子的电子排列、原子的

2、电子排列- -2 27 7- -2 27 7- -3 31 1（p pr ro ot to on n）（n ne eu ut tr ro on n）质质子子：正正电电荷荷m m1 1. .6 67 72 26 6 1 10 0k kg g原原子子核核（n nu uc cl le eu us s) )：位位于于原原子子中中心心、带带正正电电中中子子：电电中中性性m m1 1. .6 67 74 48 8 1 10 0k kg g电电子子（e el le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋转转，带带负负电电，按按能能量量高高低低排排列列，如如电电子子云云（e el le ec

3、 ct tr ro on n c cl lo ou ud d） m m9 9. .1 10 09 95 5 1 10 0 k kg g，约约为为质质子子的的1 1/ /1 18 83 36 66波函数和原子轨道波函数和原子轨道 1926 1926年，年，SchrSchrdingerdinger（薛定谔）根据德布罗伊（薛定谔）根据德布罗伊 物质波的观点将电子的粒子性代入波动方程。物质波的观点将电子的粒子性代入波动方程。 )(2cosEtxphA是描述波动的函数，称为波函数，可用来表示任何是描述波动的函数，称为波函数，可用来表示任何微观粒子的行为。微观粒子的行为。7 波函数是三维空间x、y、z的函

4、数，其二阶偏微分方程就是有名的薛定谔方程 电子的波函数电子的波函数 对原子核外电子运动的描述具有十分重对原子核外电子运动的描述具有十分重要意义：要意义： 波函数不同，其能量不同波函数不同，其能量不同。 每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为原子轨道。原子轨道。 相当于给出了电子运动的相当于给出了电子运动的“轨道轨道”。0)VE(hm8zyx22222222 8四个量子数四个量子数 (1) 主量子数主量子数（2）角量子数）角量子数 （3）磁量子数）磁量子数（4）自旋量子数）自旋量子数n，电子层；，电子层；l，同一壳层上的电子依据能量水平不

5、同分的，同一壳层上的电子依据能量水平不同分的亚壳层（亚壳层（spdf)，反映了轨道的形状；，反映了轨道的形状；m，确定轨道的空间取向；，确定轨道的空间取向；ms，每个状态下可以存在自旋方向相反的，每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子；两个电子；9(1)主量子数主量子数 n主量子数主量子数 n 表示电子层，其值越大，轨道距表示电子层，其值越大，轨道距核越远，能量越高。核越远，能量越高。电子层符号电子层符号 K L M N O P Q 主量子数主量子数 n 1 2 3 4 5 6 7 10 （2）角量子数）角量子数 l 角量子数角量子数 l 又叫副量子数，表示电子亚层。它确定又叫副量子数，表示

6、电子亚层。它确定着电子轨道的着电子轨道的能级和形状能级和形状。 在在n n确定后，同一壳层上的电子依据角量子数确定后，同一壳层上的电子依据角量子数l l再分成再分成若干个能级大小不同的亚壳层：若干个能级大小不同的亚壳层：l= 0l= 0、1 1、2 2、3 3、4 4、55。这些亚壳层可用小写字母这些亚壳层可用小写字母 s s、p p、d d、f f 表示；表示；s s、p p、d d、f f 是根据四个亚壳层的光谱线特征得到的，是根据四个亚壳层的光谱线特征得到的， 即即 sharp (sharp (敏锐的敏锐的) )、principal(principal(主要的主要的), diffuse(

7、), diffuse(漫散漫散的的), fundamental(), fundamental(基本的基本的) )。 n n相同但内壳层的轨道不同，电子的能级也不同，能量相同但内壳层的轨道不同，电子的能级也不同，能量水平是随水平是随s s，p p，d d，f f 依次升高。依次升高。 11 角量子数角量子数 l 的值为：的值为：0 n1【一个一个n值可以有值可以有n个个l值值】如：主量子数：如：主量子数： 1 2 3 4 角量子数角量子数 ： 0 1 2 3 轨道符号：轨道符号： s p d f 轨道形状：轨道形状： 球形球形 哑铃形哑铃形 花瓣形花瓣形 同样，同样，l 的值越大，轨道距核越远，

8、能量越高的值越大，轨道距核越远，能量越高l=0l=1l=212（3）磁量子数 m 磁量子数 m 确定着轨道的数目和空间取向 对应于每个l下的磁量子总数（轨道数）为： m = 2(l)+1一个m代表一个轨道（m在-l+l之间取整数） 如：角量子数如：角量子数 0 1 2 3 轨道符号轨道符号 s p d f 轨道数目轨道数目 1 3 5 7 m 不影响轨道能级，在没有外加磁场的情况下，处于不影响轨道能级，在没有外加磁场的情况下，处于同一亚壳层的电子具有相同的能量。同一亚壳层的电子具有相同的能量。 在磁场作用下，电子绕核运动既具有能量，还具有角在磁场作用下，电子绕核运动既具有能量，还具有角动量动量

9、P P。P P不仅在数值上不能任意取值，而且相对于磁场不仅在数值上不能任意取值，而且相对于磁场方向的取向也不是任意的且是量子化的方向的取向也不是任意的且是量子化的磁量子数磁量子数 （0）（）（-1，0，+1）（）（-2，-1，0，+1，+2）13 s、p、d电子云的角度分布图14（4 4）自旋量子数）自旋量子数 m ms s 自旋量子数自旋量子数 m ms s并不是求解薛定谔方程得出的，并不是求解薛定谔方程得出的，它是人们研究氢光谱的精细结构时，证实了每个轨道它是人们研究氢光谱的精细结构时，证实了每个轨道上存在着上存在着自旋相反的两个电子自旋相反的两个电子，为了表达这两个电子，为了表达这两个电

10、子的区别，引出的第四个量子数。它只有的区别，引出的第四个量子数。它只有1/21/2、1/21/2两个取值。表示为两个取值。表示为、。原子核外电子的状态由这四个量子数确定原子核外电子的状态由这四个量子数确定15电子分布情况电子分布情况原则：1）泡利不相容原理）泡利不相容原理2）电子总是优先占据能量低的轨道）电子总是优先占据能量低的轨道角量子数和自旋量子数主量子数和次量子数电子能量分布情况电子能量分布情况电子能量随主量子数n的增加而升高；同一壳层的能量按s、p、d、f次序依次升高相邻壳层的能量范围有重叠现象；3) 洪特规则：同一亚壳层的能量等价的轨道上，电子总是尽洪特规则：同一亚壳层的能量等价的轨

11、道上，电子总是尽可能地分别占据不同的轨道，且自旋方向相同。可能地分别占据不同的轨道，且自旋方向相同。16 主量子数为主量子数为n n的壳层中最多能容纳的电子数为的壳层中最多能容纳的电子数为2n22n217sspspdspdspdspdspdfff1234567主量子数n能量水平：1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-相邻壳层的能量范围有重叠现象。相邻壳层的能量范围有重叠现象。182、元素周期表元素周期表（periodic Table of the Elements)元素（元素（Element）：）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共具有相同核电荷的同一类原子总称，共

12、116种，核电荷数种，核电荷数是划分元素的依据是划分元素的依据同位素（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（元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form)7个横行（个横行（Horizontal rows)周期（周期（period）按原子序数（按原子序数（Atomic Number)递递增的顺序从左至右排列增的顺序从左至右排列18个纵行（个纵行（column）16族（族（Group），），7个主族、个主族、7个副族、个副族、1个个族、族、

13、1个零个零族（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。排列。121314121314666666C C ，C ，C，C ，C原子序数核电荷数原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数周期序数电子壳层数主族序数最主族序数最 外外 层层 电电 子子 数数 零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8（氦为（氦为2） 价电子数价电子数（Valence electron） 电离核核电电荷荷 ，原原子子半半径径 能能 ，失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 最最外外层层电电子子数数相相同同，电电子子层层数数

14、 ，原原子子半半径径 电电离离能能 ，失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 同同周周期期元元素素：左左右右，金金属属性性 ，非非金金属属性性 同同主主族族元元素素：上上下下，金金属属性性 ，非非金金属属性性 19201）价电子：指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成）价电子：指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子化学键的电子 。价电子直接参与原子间的结合，对材料的。价电子直接参与原子间的结合，对材料的物理、化学等性能有很大的影响。物理、化学等性能有很大的影响。2）原子价：）原子价：原子价原子价(valence)(valence)是指一种原子和其他原子之间是指一种原子和其

15、他原子之间化合的能力。这是由电子排列最外层的化合的能力。这是由电子排列最外层的s s态、态、p p态能级中的态能级中的电子数所决定。电子数所决定。213）过渡元素）过渡元素 周期表中部的周期表中部的B-BB-B对应着内壳层电子逐渐填充的对应着内壳层电子逐渐填充的过程，内壳层未填满的元素称为过渡元素。过程，内壳层未填满的元素称为过渡元素。特点：外层电子状态没有改变，都只有特点：外层电子状态没有改变，都只有1-21-2个价电子，具个价电子，具有典型的金属性。有典型的金属性。4）电负性）电负性衡量原子吸引电子能力的参数衡量原子吸引电子能力的参数特点：电负性越强，吸引电子能力越强，数值越大；特点：电负

16、性越强，吸引电子能力越强，数值越大； 在同一周期内，自左至右电负性逐渐增大；在同一族内自上至下在同一周期内，自左至右电负性逐渐增大；在同一族内自上至下电负性数据逐渐减小。电负性数据逐渐减小。 解释IB与IA元素的活泼性？2324二、原子结合键二、原子结合键键一次键离子键共价键金属键化学键、主价键二次键范德瓦耳斯键氢键物理键、次价键介于物理键和化学键之间依靠外壳层依靠外壳层电子转移或电子转移或共享以形成共享以形成稳定的电子稳定的电子壳层使原子壳层使原子结合起来结合起来原子或分子本身已具有稳定的电子结构，原子或分子本身已具有稳定的电子结构，不能依靠电子转移或共享来结合而只能不能依靠电子转移或共享来

17、结合而只能借助原子之间的偶极吸引力结合借助原子之间的偶极吸引力结合1、键的种类、键的种类（根据结合力强弱）25 1 1）离子键）离子键（Ionic bonding)Ionic bonding) 多数盐类、碱类和金属氧化物多数盐类、碱类和金属氧化物l以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体良好电绝缘体静静电电键键引引力力 离离子子 实质：实质： 金属原子金属原子 带正电的正离子（带正电的正离子（CationCation） 非金属原子非

18、金属原子 带负电的负离子（带负电的负离子（anionanion） e 典型代表：典型代表：特点：特点：MgO, Mg2Si, CuO26l2）共价键（covalent bonding）l 亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料l实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 键电对键键两键间极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非极性（Nonpolar bonding): 位于成原子中非极性（Nonpolar bonding): 位于成原子中l饱和性饱和性 配位数较小配位数较小 ，方，方向性（向性

19、（s s电子除外）电子除外）l性质：熔点高、质硬脆、导电性质：熔点高、质硬脆、导电能力差能力差特点：特点：273 3）金属键（）金属键（Metallic bondingMetallic bonding）l典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子valence electronvalence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（子（Free electronFree electron），），形成电子云形成电子云（electron cloudelectron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间

20、构成键合称为金属键金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键l特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构密堆结构l性质：良好导电、导热性能，延展性好性质：良好导电、导热性能，延展性好28 4）范德华力（Van der waals bonding) 电应邻电华偶极矩的感作用偶极矩的感作用近原子相互作用荷位移近原子相互作用荷位移偶极子(dipoles）范德力偶极子(dipoles）范德力l静电力静电力( (electrostatic)electrostatic)、诱导力诱导力( (induction)induction)和色散

21、力和色散力( (dispersive force)dispersive force)l属物理键属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质，如气体的聚合，塑料、石蜡将大分子链结合变材料性质，如气体的聚合，塑料、石蜡将大分子链结合为固体。为固体。 包括：包括：极性分子之间、极性分子与非极性分子之间、非极性分子之间29l5 5）氢键）氢键（Hydrogen bondingHydrogen bonding） 极性分子键极性分子键 存在于存在于HFHF、H H2 2O O、NHNH3 3中中 ，在高分子中占，在高分子中占重要地位，氢原子中唯一

22、的电子被其它原子所共有（共价键重要地位，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引氢桥氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性介于化学键与物理键之间，具有饱和性 本质上与范德瓦耳斯键一样，也是靠原本质上与范德瓦耳斯键一样，也是靠原子的偶极吸引力结合起来的，只是氢原子子的偶极吸引力结合起来的，只是氢原子起了关键作用！起了关键作用！ 在带有-COOH、-OH、-NH2原子团的高分子聚合物中常出现氢键，将长链分子结合起来； 在生物分子中如：DNA也起重要的作用可表示为：X-HY306）混合键）混合键 实际材料中单

23、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是各种键的混合！ （1） 共价-金属混合键， （2）金属-共价混合键， （3）金属-离子混合键，如：IVA族元素Si、Ge、Sn、Pb电负性逐渐下降，失去电子的倾向逐渐增大，所以这几类元素的结合就是共价键与金属键的混合，到Pb时已成完全的金属键。过渡金属出现的金属键和共价键混合键，可解释高熔点；如：W、Mo金属间化合物之间可形成金属键与离子键的混合键，可解释此类化合物的脆性；如：CuGe31陶瓷化合物中混合键（离子陶瓷化合物中混合键（离子-共价）情况共价）情况离子键的比例取决于组成元素的电负性差%100e1 %2)(41BAXX）离子键结

24、合（XA、XB分别为分别为A、B的电负性数值的电负性数值（记忆次公式） （4）离子）离子-共价混合键共价混合键例如，MgO从表22中查得 XMg 1.31， XO3.44，代入(2-12)式， 求得化合物中离子键比例为6832（5）另类混合键：一次键）另类混合键：一次键+二次键二次键如：气体分子凝聚体； 聚合物； 石墨混合键的意义：混合键的意义：使得材料的性能可在很广的范围内调节！ 线性高分子材料的大分子链是共价键结合方式，但大分子链之间是线性高分子材料的大分子链是共价键结合方式，但大分子链之间是范德华键或氢键的结合方式。范德华键或氢键的结合方式。 现代复合材料是由二种或二种以上不同的材料经特

25、殊的成型加工复现代复合材料是由二种或二种以上不同的材料经特殊的成型加工复合而成，其内部结合键是混合键。合而成，其内部结合键是混合键。 正是复合材料的结合方式是混合键，键合比例又随材料的组成和正是复合材料的结合方式是混合键，键合比例又随材料的组成和种类而变化，故复合材料的性能丰富又多样。种类而变化，故复合材料的性能丰富又多样。 332、结合键的本质、结合键的本质原子间距r原子间距r排斥力吸引力合力r0E000吸引排斥吸引排斥作用力F作用位能E原子间距：吸引力、排斥力相等时原子之间的距离固体原子之间总存在两种力：吸引力和排斥力，且与距离关系密切作用位能与原子之间的距离和作用力有关系 平衡距离下的作

26、用能定义为原子的结合能，即把两个原子完全分开所需要作的功！34 结合键的本质结合键的本质就是原子的结合能相当于把两个原子完全就是原子的结合能相当于把两个原子完全分开所作的功的大小。结合能越大，原子结合愈稳定。分开所作的功的大小。结合能越大，原子结合愈稳定。 结合能大小可以通过测定固体的蒸发热而得到结合能大小可以通过测定固体的蒸发热而得到共价键和离子键的共价键和离子键的键能最大，金属键键能最大，金属键次之，物理键的氢次之，物理键的氢键很小，范德华键键很小，范德华键最小。最小。 35结合能计算公式结合能计算公式202214aezzF吸引1nanbF排斥1202214nanbaezzF合0FdxEn

27、abaezzE02214合+（z1、z2为原子的电子得失数； e为电荷量； a是离子对间距； n为波恩指数，一般取7-9）363、结合键与性能、结合键与性能1）物理性能）物理性能熔点熔点密度密度原子量有关化学键金属键，金属键，离子键、共价键，离子键、共价键，二次键使分子链堆垛不紧密二次键使分子链堆垛不紧密导热、导电性导热、导电性共价化合物、离子化合物、过度金属、二次键共价化合物、离子化合物、过度金属、二次键结合的材料？结合的材料？原子趋向密堆原子趋向密堆原子排列不致密原子排列不致密372）力学性能）力学性能弹性模量金刚石弹性模量最大1000GP陶瓷金属材料聚合物强度，一般说结合键能高的，强度也

28、高塑性金属键，良好离子键、共价键则困难一些E应力应力-应变曲线上弹性应变曲线上弹性变形段的斜率；拉伸变变形段的斜率；拉伸变形时称为杨氏模量形时称为杨氏模量2022-2-238第一章第一章 材料结构的基本知识材料结构的基本知识（二）（二）2022-2-239思考题思考题 6、金属、陶瓷、玻璃怎么区分？请找一个、金属、陶瓷、玻璃怎么区分？请找一个共同点将高分子材料归类到上述材料中；共同点将高分子材料归类到上述材料中； 7、金属板材在冷轧、冷拔过程中组织会发、金属板材在冷轧、冷拔过程中组织会发生什么变化？生什么变化？ 8、金属为什么要进行热处理？原理在于？、金属为什么要进行热处理？原理在于？ 9、金

29、属液体在极高冷却速度下会发生什么？、金属液体在极高冷却速度下会发生什么？2022-2-240三、原子排列方式三、原子排列方式1、晶体与非晶体、晶体与非晶体原子（或原子团、分子）排列方式不同可获得不同的固态单原子：如金属材料；单原子：如金属材料；多原子：如陶瓷材料；多原子：如陶瓷材料；分子：如高分子材料。分子：如高分子材料。 2022-2-241晶体crystal：原子周期排列非晶体amorphous ：原子排列无序原子的排列方式C60分子结构玻璃结构原子或分子无规则排列，无周期性无对称性 2022-2-242性质性质1 1）各向同性；）各向同性；2 2）黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己）

30、黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状的为液体；形状的为固体，不能保持自己形状的为液体；3 3）随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间）随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。没有明显的温度界限。对非晶体来说：2022-2-2431）各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而）各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异其表现的性能也有差异2）固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升）固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一高到某一特定特定值，排列方式的解体，原子成无规则值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，

31、这时大多呈现不能保持自己形状的液体。堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体。3）规则外形：）规则外形： 理想环境中生长的晶体应为凸多边形。理想环境中生长的晶体应为凸多边形。 4）对）对 称称 性：性： 晶体的理想外形和晶体内部结构都具有晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。特定的对称性。 对晶体来说：对晶体来说：2022-2-244晶体晶体垂直垂直C平行平行C晶体晶体垂直垂直C平行平行CAl2O38.39.3SiO2(石英石英) 1493Al2O32SiO24.55.7NaAlSi3O8413TiO26.88.3C(石墨石墨)127ZrSiO46.88.3Mg(OH)2114.5C

32、aCO3-625各向异性晶体的热膨胀系数各向异性晶体的热膨胀系数 例：例： 晶体的各向异性膨胀晶体的各向异性膨胀各层间的结合力不同引起热膨胀不同。各层间的结合力不同引起热膨胀不同。2022-2-245多晶体（多晶体（polycrystal)由单晶态颗粒组成的晶体材料！单晶区晶界( boundary）：位置在多晶材料中单晶邻接区域特点：原子处于过渡位置，或者说存在原子的错配情况晶粒（grain)：小的单晶体单晶(single crystal)：2022-2-2462022-2-2472022-2-2482、原子排列的研究方法、原子排列的研究方法原子尺寸极小，光学和电子显微镜难以观察到材料内部的原

33、子排列。但是但是，晶体中原子在三维空间有规律的排列，相当于一个天然的三维光栅！寻找短波长射线通过衍射方法来实现X射线短波长为0.1nm-0.4nm,与原子距离相当2022-2-249布拉格方程的导出：布拉格方程的导出：根据图示，干涉加强的条件是：式中：n为整数，称为反射级数； 为入射线或反射线与反射面的夹角，称为掠射角，由于它等于入射线与衍射线夹角的一半，故又称为半衍射角，把2 称为衍射角。 反射面法线ndSin22022-2-250X射线图谱203040506070800100200300400500SnO2 ordered pore(321)(202)(301)(200)(211)(101

34、)(110)I（a.u.)2 晶体中很多不同方位的原子面只要满足这一条件均可发生衍射，根据得到的衍射分布图可分析晶体中原子排列的特征(排列方式、原子面间距等）。2022-2-251四、晶体材料的组织四、晶体材料的组织材料的组织材料的组织是指各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布特征。特点：易随成分及加工工艺而变化， 材料性能受其影响非常敏感！2022-2-2521、组织的显示与观察、组织的显示与观察观察手段：观察手段： 显微观察样品制备基本步骤：显微观察样品制备基本步骤：磨光磨光抛光抛光化学侵蚀化学侵蚀在晶界处形成沟槽增强反光粗大的组织（宏观组织）用肉眼即可； 显微组织利

35、用金相显微镜或电子显微镜观察！晶体材料的组织晶体材料的组织2022-2-253对不透明固体样品来说晶体材料的组织晶体材料的组织2022-2-254偏光显微镜下的岩石样品晶体材料的组织晶体材料的组织2022-2-255晶体材料的组织晶体材料的组织2022-2-2562、单相组织、单相组织固溶体？描述方法：晶粒尺寸、形状单相组织与性能的关系：等轴晶，各个方向上的生长条件接近柱状晶，某一个方向生长快于其它（晶粒形状会随压力加工工艺改变!）纯组元？晶粒尺寸对性能影响？形状晶体材料的组织晶体材料的组织2022-2-257定向凝固技术生长柱状晶晶体材料的组织晶体材料的组织2022-2-2583、多相组织、

36、多相组织晶体材料的组织晶体材料的组织2022-2-259晶粒尺寸相当时，颗粒尺寸相差很大，第二相位于基体相的晶界上，断续分布，则影响不大连续分布，则产生不利影响情形材料的力学性能取决于两个相或两种组成物的相对量及各自的性能！则小颗粒成为一种弥散相，可提高材料的强度；晶体材料的组织晶体材料的组织2022-2-260五、材料的稳态结构与亚稳态结构五、材料的稳态结构与亚稳态结构稳态结构或平衡态结构：稳态结构或平衡态结构：亚稳态结构： 材料形成何种结构必须综合考虑能量最低的结构能量最低的结构,体系自由能最低的平衡状态体系自由能最低的平衡状态能量相对较高的结构,体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡体

37、系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，对材料其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，对材料亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值。结构形成时的结构形成时的

38、热力学条件热力学条件和和动力学动力学条件！条件！2022-2-261热力学条件（预言了过程的可能性）热力学条件（预言了过程的可能性） 结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，也就是结构转变必须存在一个推动力，推动过程自发进行！材料生长自发进行的热力学条件：等温等容：AT，V0；等温等压：GT，P0(A=U-TS；G=H-TS）稳态结构与亚稳态结构稳态结构与亚稳态结构2022-2-262动力学条件（过程的反应速度）动力学条件（过程的反应速度）实际是考虑阻力的问题！阿伦尼乌斯方程表征反应速度：RTQAvexp（Q为过程的激活能；R为气体常数）激活能Q为过程的阻力，激活能低，阻力小，过程易于实现温度T

39、的影响稳态结构与亚稳态结构稳态结构与亚稳态结构2022-2-263 热力学条件与动力学条件共同作用热力学条件与动力学条件共同作用，决定了材料结构是稳态还是亚稳态！至于最终是什么状态则要考虑何者起到支配作用。至于最终是什么状态则要考虑何者起到支配作用。热力学推动起支配作用则最终得到稳态结构热力学推动起支配作用则最终得到稳态结构动力学推动起支配作用则最终得到亚稳态动力学推动起支配作用则最终得到亚稳态Q1Q2稳态亚稳态始态亚稳态亚稳态稳态？稳态？稳态结构与亚稳态结构稳态结构与亚稳态结构2022-2-264非平衡的亚稳态大致有以下几种类型：非平衡的亚稳态大致有以下几种类型： （1 1）细晶组织）细晶组

40、织 当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态。状态。 （2 2）高密度晶体缺陷的存在）高密度晶体缺陷的存在 晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降，故体系自由能增高。构排列的规则性下降，故体系自由能增高。 （3 3）形成过饱和固溶体）形成过饱和固溶体 即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解 。 （4 4）发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相）发生非平衡转变

41、，生成具有与原先不同结构的亚稳新相 例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相（5 5）由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高）由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高 。稳态结构与亚稳态结构稳态结构与亚稳态结构2022-2-265总之，材料有四种层次的结构，其特点是：总之，材料有四种层次的结构，其特点是： 原子结构（一级结构）决定原子的结合方式，并决定原子结构（一级结构）决定原子的结合方式，并决定其化学性质和物理性质。其化学性质和物理性质。 原子键合（二级结构）决定结合力大小，并影响其物原子键合（二级

42、结构）决定结合力大小，并影响其物理和力学性能。理和力学性能。 原子排列（三级结构）决定材料的形态，影响其物理原子排列（三级结构）决定材料的形态，影响其物理和力学性能，并与加工工艺有关。和力学性能，并与加工工艺有关。 显微组织（四级结构）影响材料力学性能如强度、塑显微组织（四级结构）影响材料力学性能如强度、塑性等，主要由加工工艺来决定。性等，主要由加工工艺来决定。 因此，要理解材料的结构与性能的相互关系，必须透因此，要理解材料的结构与性能的相互关系，必须透彻地理解材料内部固有的四种基本结构。彻地理解材料内部固有的四种基本结构。 2022-2-266第二章第二章 材料中的晶体结构（一）材料中的晶体

43、结构（一）2022-2-267晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体 排列方式排列方式金属晶体金属晶体离子晶体离子晶体共价晶体共价晶体分子晶体分子晶体2022-2-2682022-2-269思考：思考：1、晶体材料有何应用？、晶体材料有何应用？2、如何研究一个晶体？、如何研究一个晶体？2022-2-270一、晶体学基础（一、晶体学基础（Crystallography） 1、空间点阵和晶胞（、空间点阵和晶胞（Space Lattice and Unite Cell)1） 空间点阵的概念空间点阵的概念 将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点

44、，则代表晶体中原子、原将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，则代表晶体中原子、原子团或分子分布规律（周期性）的几何点的集合子团或分子分布规律（周期性）的几何点的集合空间点阵（空间点阵（space lattice），其中的几何点一般叫作阵点或结点，其中的几何点一般叫作阵点或结点 （lattice point），），2022-2-2712）晶格（）晶格（crystal lattice) 人为的人为的用一系列相互平行的直线将空间点阵连接起来用一系列相互平行的直线将空间点阵连接起来形成的空间格架。形成的空间格架。2022-2-2723）晶胞（）晶胞（Unite cells） 构成晶格的具有代表性的最基本

45、单元（最小平行六面体）small repeat entities选取晶胞的原则：选取晶胞的原则： 晶格与晶胞晶格与晶胞关系？关系？1)充分反应空间点阵的对称性；充分反应空间点阵的对称性；2）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；3）晶胞体积要最小。）晶胞体积要最小。2022-2-273简单晶胞简单晶胞 只在平行六面体的八个角顶上有阵点，而每个角顶上的只在平行六面体的八个角顶上有阵点，而每个角顶上的阵点又分属于八个简单晶胞阵点又分属于八个简单晶胞简单晶胞只含有一个阵点？复合晶胞复合晶胞 除在平行六面体的八个角顶上有阵点外，在其体心、面除

46、在平行六面体的八个角顶上有阵点外，在其体心、面心或底心等位置上也有阵点心或底心等位置上也有阵点2022-2-274晶胞描述晶胞描述lattice parameterlattice parametera,b,ca,b,c棱边长（点阵常数）棱边长（点阵常数）描述晶胞描述晶胞, , 晶轴间的夹角, , 晶轴间的夹角uvwuvw阵点 r= ua+vb+ wc阵点 r= ua+vb+ wc或用点阵矢量a,b,c或用点阵矢量a,b,c可用矢量表示点阵中任一阵点的位置可用矢量表示点阵中任一阵点的位置晶体分类晶体分类?2022-2-2752、晶系和布拉菲点阵、晶系和布拉菲点阵（ Crystal System

47、and Bravais Lattice） 根据晶胞的点阵常数根据晶胞的点阵常数a, b, c是否相等，以及是否相等，以及、是否相等及它们是否相等及它们是否成直角将所有晶体分为是否成直角将所有晶体分为七个晶系七个晶系。不涉及晶胞中原子的具体排列情况！不涉及晶胞中原子的具体排列情况！1）晶系）晶系2）布拉菲点阵）布拉菲点阵 考虑晶胞中原子的排列情况，遵循考虑晶胞中原子的排列情况，遵循“每个阵点的周围环境相同每个阵点的周围环境相同”的原则。的原则。所有晶体中的空间点阵只有所有晶体中的空间点阵只有14种！种！2022-2-276 七个晶系，七个晶系，1414个布拉菲点阵个布拉菲点阵晶系布拉菲点阵晶系布

48、拉菲点阵三斜abc ，单斜abc， =90正交（斜方）abc，=90 简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交六方a1=a2a3c，=90 ， =120菱方（三角、三方）a=b=c, =90 四方（正方）a=bc, =90 立方a=b=c， =90 简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方2022-2-277简单三斜三斜晶系（三斜晶系（ Triclinic）abc ，2022-2-278底心单斜简单单斜单斜晶系（单斜晶系（ Monoclinic）abc， =902022-2-279底心正交简单正交面心正交体心正交正交晶系（正交晶系（Orthorhombic）ab

49、c，=902022-2-280简单六方六方晶系（六方晶系（Hexagonal）a1=a2a3c，=90 ， =1202022-2-281简单菱方菱方晶系菱方晶系（ Rhombohedral）a=bc, = 902022-2-282简单四方体心四方四方晶系（四方晶系（ Tetragonal）a=bc, =902022-2-283简单立方体心立方面心立方立方晶系（立方晶系（Cubic）a=b=c， =902022-2-284为什么不是为什么不是28种而是只有种而是只有14种布拉菲格子？种布拉菲格子？ 对14种布拉菲格子的理解：在反映对称的前提下在反映对称的前提下仅有14种空间点阵不少于14种点阵不

50、多于14种点阵14种点阵里面不可能找到一种连接阵点的方式，能将它连接成另一种点阵的晶胞14种点阵决不会重复！在某种晶胞的底心、面心、或体心放置结点而形成“新”的点阵，那么这个新的点阵必然包含在14种点阵之中！7大晶系里面并不是每一个都包含简单、体心、底心、面心共28种，而是只有14种！2022-2-285例如：体心单斜例如：体心单斜ABCDEFGH底心单斜思考：为什么没有底心六方？没有底心正方？2022-2-2863、晶向指数和晶面指数、晶向指数和晶面指数1）晶向（）晶向（ Orientation）空间点阵中各阵点列的方向，代表着晶体中原子排列的方向。空间点阵中各阵点列的方向，代表着晶体中原子