材料概论

1、第一章 材料概論,Outline,一、原子結構 二、原子鍵結 三、原子排列 四、結晶組織 五、材料的穩態結構與介穩態結構,材料性質,材料的內部結構決定材料的性能 材料的內部結構可分四個層次: 原子結構 鍵結 原子的排列（晶體和非晶體） 顯微組織 從這四個方面能深層次討論材料結構對性能的影響。,原子結構,原子的電子排列 薛丁格方程電子在核外運動狀態的變化規律，電子運動的軌道是由四個量子數所確定。 主量子數 n確定電子離核遠近和能級的高低。 次量子數 l能量水準不同的的亞殼層。s, p, d, f 磁量子數m確定軌道的空間取向。 自旋量子數ms每個狀態下存在自旋方向相反的兩個電子。 服從二個基本原理 包立不相容原理；最低能量原理,元素性質的週期性,週期表的構成以及各族元素的共性所作的分析中不難得出各個元素所表現的行為或性質一定會呈現同樣的週期件變化，因為原子架構從根本上決定了原于間的結合鍵，從而影響元素的性質。實驗數據已證實了這一點。不論是決定化學性質的電負性，還是元素的物理性質(熔點、線膨脹系數)及幾素晶體的原子半徑都符合週期性變化規律。,元素性質的週期性,分子中的原子對于成鍵電子吸引能

2、力相對大小的量度。,電負性,電負性表征原子吸收電子能力。,增,减,原子鍵結,原子鍵結,分子間的結合力可根據強弱分成一次鍵離子鍵、共價鍵、金屬鍵 倚賴與電子的轉移或共享二次鍵凡得瓦耳斯鍵和氫鍵 倚賴于原子之間的偶極吸引力,離子鍵,當電負性較小的活潑金屬元素的原子與電負性較大的活潑非金屬元素的原子相互接近時，金屬原子失去最外層電子形成帶正電荷的陽離子；而非金屬原子得到電子形成帶負電荷的陰離子。陽、陰離子之間除了靜電相互吸引外，還存在電子與電子、原子核與原子核之間的相互排斥作用。當陽、陰離子接近到一定距離時，吸引作用和排斥作用達到了平衡，系統的能量降到最低，陽、陰離子之間就形成了穩定的化學鍵。這種陽、陰離子間透過靜電作用所形成的化學鍵稱為離子鍵。,離子鍵,定義正負離子間的靜電吸引力叫做離子鍵。 特點離子鍵既沒有方向性也沒有飽和性。,NaCl 晶體,共價鍵,共享電子對,共價鍵的本質是由於原子相互接近時軌道重疊（即波函數疊加），原子間透過共用自旋相反的電子對使能量降低而成鍵。 共價鍵的主要特點是具有飽和性和方向性。,共價鍵的本質和特點,共價鍵的鍵型, 鍵( 成鍵軌道）頭碰頭, 鍵，肩並肩,金屬鍵

3、,金屬鍵沒有方向性，正離子之間改變相對位置並不會破壞電子與正離子間的結合力因而金屬具有良好的塑性。,同樣，金屬正離子被另一種金屬的正離子取代時也不會破壞結合鍵，這種金屬之間的溶解(稱固溶)能力也是金屬的重要特性。此外，金屬導電性、導熱性以及金屬晶體中原子的密集排列等都直接起因于金屬鍵結合。,金屬離子沈浸在自由電子的海洋中,凡德瓦鍵,凡德瓦鍵力示意圖 a)理論的電子雲分佈b)原子偶極矩的產生 c) 原子(或分子)間的范德瓦耳斯鍵結合,二次鍵原子間的偶極吸引,凡德瓦鍵, 凡德瓦鍵只是原子間的偶極吸引力，鍵力遠低于一次鍵。穩定性較差。然而它仍是材料結合鍵的重要組成部分，依靠它大部分氣體才能聚合成液態，固態。,氫鍵,氫鍵的本質與范德瓦耳斯鍵一樣，也是靠原子(或分子、原子團)的偶極吸引力結合起來的只是氫鍵中氫原子起了關鍵作用，氫原子很特殊，只有一個電子，當氫原子與一個電負性很強的原子(或原子團)X結合成分子時，氫原子的一個電子轉移至該原子殼層上；分子的氫離子側實質上是一個裸露的質子對另一個電負性較大的原子Y表現出較強的吸引力，這樣，氫原子便在兩個電負性很強的原子(或原子團)之間形成一個橋樑，把兩

4、者結合起來，成為氫鍵。所以氫鍵可以表達為 X-HY氫與X原子(或原子團)為離子鍵結合，與Y之間為氫鍵結合，透過氫鍵將X、Y結合起來。X、Y可以相同或不同。,混合鍵,材料內部原子結合鍵往往是各種鍵的混合。 金屬間化合物金屬鍵與離子鍵混合鍵 陶瓷化合物離子鍵與共價鍵混合,結合鍵的本質及原子間距,結合鍵的本質及原子間距 結合性從能量和力的角度描述結合鍵的本質結合鍵能大小 離子鍵、共價鍵 金屬鍵 氫鍵 凡德瓦鍵,結合鍵與性能（一般情況）,結合鍵與性能（一般情況） 物理性能,熔點的高低代表了材料穩定性的程度。熔點與鍵能值有較好的對應關係。,結合鍵與性質（一般情況）,原子排列分式,材料存在四種原子或離子排列模式 （1）無序 （2）短程排列有序（3）長程排列有序（4）液晶,多原子氣體 無序,非晶材料 僅有短程有序,液晶 在小範圍中長程 和短程有序,晶體材料 長程和短程有序,單晶,多晶,晶體原子排列有序各向異性 非晶體原子排列無序，是不存在長程的週期，排列各向同性 區別 造成性能上的不同 從液態轉變行為上不同,晶體同非晶體的液態轉變行為,晶體具有確定的熔點，相變時體積突變，架構也改變。 非晶體無確定的

5、熔點，無體積突變，原子排列只是保留了液相的特點。,液體,過冷液體,玻璃體,結晶,晶體,Tm,Tg,比體積,溫 度,結晶過程,由一個晶核生長而成的晶體稱為單晶體。 實際晶體材料都是由很多晶粒組成多晶體。 結晶過程 a、從液態晶態過程是一個原子重排過程，是透過在液體中不斷形成有序排列的小晶核（形核）以及晶核的逐漸生長（生長）二個過程實現的。 b、結晶時內部形成許多晶核，各自長大直到相互接觸為止，在鄰接區域原子處于過渡位置，或者說存在著原子的錯配情況，這個區域稱為晶界，這些小晶體稱為晶粒。,a. 形核,b長大,C 繼續長大，相互接觸,d,原子排列的研究方法,採用X射線或電子束來進行研究，其原理就是光學中的干涉和衍射 主要公式布拉格定律 2dsinn X射線衍射分析示意及衍射分佈圖。 區分其衍射峰的基本特徵銳利峰和饅頭峰,SiO2晶體及非晶體的衍射分佈圖,晶體材料組織,材料的組織就是各種晶粒的組合特徵，即各種晶粒的相對量、尺寸大小、形狀及分佈等特徵。 組織的顯示與觀察 單相組織 多相組織,組織的顯示與觀察,a、顯微組織或金相組織用金相顯微鏡或電子顯微鏡才能觀察內部的組織。 b、組織的顯示對試樣

6、磨光和拋光，以獲得平整而光滑的表面，然後經化學浸蝕，將晶界顯示出來，形成溝槽。 c、組織的觀察光線進入溝槽不能反射到顯微鏡而呈組織圖。,單相組織,單相組織具有單一相的組織，即所有晶粒的化學組成相同，晶體架構也相同。 注意區別于單晶體 描述單相組織特徵的主要有晶粒尺寸及形狀 a、晶粒尺寸對材料性能有重要影響 細化晶粒明顯提升材料的強度（細化強化），還可改善材料的塑性和韌性。 b、晶粒的形狀取決于各個晶核的生長條件 等軸晶材料的各方向性能接近 柱狀晶材料方向性能優越，定向的固技術。 c、晶粒的形狀也會隨壓力加工工藝而變化（鍛造）。,多相組織,多相組織的定義 晶體材料具有兩個相以上，各個相具有不同的成分和 晶體架構。 多相合金組織的含義及組織與性能之間的關係,多相合金組織的含義及組織與性能之間的關係,兩個上的晶粒尺度相當合金的力學性能取決于兩個相或兩種組織組成物的相對量及各自的性能。 組織中兩相的晶粒尺度相差甚遠，其中尺寸較細的相以球狀、點狀、片狀或針狀等形態彌散地分佈于另一個晶粒的基體內。 彌散強化提升材料的強度水準 第二相在基體相的晶界上分佈 這是一種常見的組織特徵。 第二相連續分佈 第二相非連續分佈,材料的穩態結構與介穩態架構,穩態架構能量最低的結構平衡態結構 介穩態結構能量相對較高的結構 材料結構的形成由其熱力學條件及動力學條件共同決定,材料結構的形成由其熱力學條件及動力學條件共同決定 熱力學條件沿能量降低的方向進行，即存在一個推展力只預言了過程的可能性。 Gibss 自由能 G =HTSG= H TS G0,熱力學與動力學條件的支配作用,熱力學分析了推展力，動力學分析了阻力，材料最終的架構取決于何者起支配作用。 材料總是趨向于轉變為穩態，但當到達穩態的阻力很大時，亞穩態也可長期存在。,始態,穩態與亞穩態轉變的熱力學和動力學條件,穩態,亞穩態,Q2,Q1,

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