材料科学与人类文明第4章课件.ppt
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- 材料科学 人类文明 课件
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1、材料科学与人类文明材料科学与人类文明 第四章第四章 材料结构基础材料结构基础l 原子、离子和分子l 金属键、离子键和共价键l 晶体结构:晶胞l 晶体缺陷:点缺陷,线缺陷,面缺陷l 合金的基本相:固溶体和中间相l 普通陶瓷的显微组织l 高分子材料结构主要内容主要内容材料的结构层次材料的结构层次宏观结构微观结构原子尺度亚原子尺度材料的尺度材料的尺度1 =10-10 m1 nm=10-9 m1 m=10-6 m1 mm=10-3 m材料的尺度材料的尺度材料的尺度材料的尺度物质由原子构成 原子(atom)=质子(proton)+中子(nucleus)+电子(electron)带电量质子:+1.610-
2、19 库仑 电子:-1.610-19 库仑 中子:0质 量质子:1.6710-27 Kg 中子:1.6710-27 Kg 电子:9.1110-31 Kg原子的质量集中在原子核,核外电子的质量可忽略不计原子半径约10-10 m(0.1 nm)。其中,原子核半径 10-14 m原子的构成原子的构成Rutherfords model 原子核电子绕原子核高速运动发射光子能量:mnEEh玻尔原子模型、原子结构玻尔原子模型、原子结构核外电子的排列元素周期表1s11s21s22s11s22s22p63s1电子在原子核外作绕核运动、自旋运动运动轨道的能级不连续元素周期表元素周期表电负性:表征原子获得电子的能力
3、电负性增加电负性降低决定材料性能的内因l成 分材料是由哪些物质(原子)构成的?l化 学 键构成材料的原子如何结合在一起?l晶体结构构成材料的原子是如何排列的?化学键化学键最外层的电子所处的能级最高,最不稳定,称为价电子化学键主要取决于价电子决定性能的外因l 温度l 压力离子键和共价键的混合结构,离子键比例与阴、阳离子的电负性密切相关*Increasing covalent bonding化学键与材料热膨胀系数化学键与材料热膨胀系数化学键与材料熔点化学键与材料熔点化学键化学键与化学键密切相关的性能与化学键密切相关的性能 密度密度 导电性导电性 导热性导热性 热膨胀热膨胀 硬度硬度 由于价电子结构
4、的不同,原子间的结合方式(化学键)也不同 有离子键、共价键、金属键、分子键(范德华力和氢键)化学键种类化学键种类2Cl+ClCl一个原子的正、负电荷中心可能不重合,形成偶极子。小偶极子之间的相互作用力称范德华力价电子被电负性大的元素原子吸引,正、负离子平衡,形成离子键原子共用价电子对,形成共价键价电子(自由电子)为全体原子共有,在晶格间形成电子气正离子和电子气间具有静电吸引,使离子结合起来l 离子键:结合力大,无方向性 离子晶体硬度高、强度高、脆性大、绝缘 例:NaCl、Al2O3、CaF2l 共价键:结合力大、饱和性、方向性 共价键晶体熔点高、强度高、脆性大 例:金刚石、BN、SiC、Si3
5、N4l 金属键:无方向性、价电子自由运动 金属具有良好的导电、导热性、塑性变形能力l 分子键:由分子键形成的物质熔点低、硬度低、绝缘化学键的特点化学键的特点化学键的结合强度化学键的结合强度化学键类型化学键类型键能键能 kJ/mol主要健离子键600-1500共价键100-800金属键70-850次要键共价键10-50氢键10-50各种材料中可能存在的化学键各种材料中可能存在的化学键化学键类型化学键类型离子键离子键共价键共价键金属键金属键分子键分子键金属XX一些陶瓷XX高分子XX晶体:原子在三维空间呈周期性规则排列,有规则外形,有一定熔点,各向异性 例:食盐、蔗糖非晶体:原子排列不规则,外形不规
6、则,无熔点,各向同性 例:萘雪花六种形貌实际晶体SEM照片晶体和非晶体晶体和非晶体在大多数固态金属內部,原子在三维空间整齐规律地排列(晶体)可将原子位置画成三维空间立体格子形式,称为晶格 构成晶格的最小立体格子单位称晶胞金属的主要晶体结格有三种:n 面心立方(Face-centered cubic,FCC)n 体心立方(Body-centered cubic,BCC)n 密排六方(Hexagonal close-packed,HCP)金属晶体结构金属晶体结构金属晶体结构参数结构结构晶胞原子数晶胞原子数配位数配位数原子填充因子原子填充因子BCC280.68FCC4120.74HCP6120.74
7、举例:Cr、Mo、W、VBCC结构结构晶胞原子数1+81/8=2晶胞常数3/4Ra 68.0)3/4()34(2)34(23333RRaR原子填充率APF(晶胞中被原子填充的体积百分率)举例:Al、Cu、-Fe、Ag、AuFCC结构结构晶胞原子数61/2+81/8=4晶胞常数2/4Ra 74.0)2/4()34(4)34(43333RRaR原子填充率APF(晶胞中被原子填充的体积百分率)举例:Cd、Ti、Be、Mg、Zn、ZrHCP结构结构晶胞原子数3+121/6+2 1/2=6晶胞常数Raac2,633.13/8/74.02633.1)2(436)34(6436)34(62323RRRcaR
8、原子填充率APF(晶胞中被原子填充的体积百分率)一种元素的固体的不同晶体结构形态,称为同素异构体例,C有4种同素异构体:石墨、金刚石、富勒烯、纳米管同素异构体同素异构体实际晶体并不完整,含有许多缺陷晶体缺陷晶体缺陷“Crystals are like people,it is the defects in them which tend to make them interesting!”-Colin Humphreys产生原因:热运动;射线辐射;快速淬火点缺陷使周围晶格发生畸变,提高晶体内能,降低导电率,提高强度空位置换原子自间隙原子杂质间隙原子l点缺陷产生原因:点缺陷坍塌;应力作用下的塑性
9、变形位错越多,运动越困难,强度、硬度越高,脆性越大刃型位错螺型位错位错是在1维尺度上产生的尺寸很大的缺陷,由晶体中原子平面的错动引起l线缺陷透射电镜照片晶界晶粒之间的界面光学显微镜照片l面缺陷,包括晶界、亚晶界、相界面、表面等p孔洞(Pores)影响力学、光学、热学性能p裂纹(Cracks)影响力学性能p夹杂(Inclusions)影响力学、光学、电学性能l体缺陷,三维缺陷,包括:晶体缺陷晶体缺陷缺陷对材料的性能有很重要的影响!缺陷与材料性能缺陷与材料性能合金的基本相合金的基本相合金(Alloy)以一种金属为基础,加入其它(非)金属,所形成的有金属特性的材料组元(Constituent)组成合
10、金的最基本的、独立的物质 可是金属元素、非金属元素、或稳定的化合物相(Phase)成分、结构相同,性能均一,有界面与其它部分隔开的、独立的、均匀的组成部分合金基本相:固溶体、中间相组织(Microstructure)合金结构的微观形貌。可是单相的,也可是多相的Al-Si二元合金组元:Al、Si 相:Al(Si)、Si组织:Al(Si)、Si45号钢 Fe-C二元合金组元:Fe、C 相:间隙固溶体Fe(C)、渗碳体Fe3C组织:铁素体(F)、珠光体(P)面心立方中的八面体间隙能容纳的最大球半径=0.414R体心立方中的八面体间隙能容纳的最大球半径=0.154R晶格中的间隙晶格中的间隙BCC铁中的
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