材料科学基础1第二章.ppt

第二章 固体材料的结构固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构原子之间的 作用力——结合键与晶体结构密切相关通过研究固体材料的 结构可以最直接、最有效地确定结合键的类型和特征研究方法：X光、电子、中子衍射——最重要、应用最多固体材料主要包括：金属、合金、非金属、离子晶体、陶瓷利用扫描隧道显微镜已可以直接观察晶体表面的原子排列情况§2-1 §2-1 结合键结合键结合键——原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小结合键决定了物质的物理、化学、力学性质一切原子之间的结合力都起源于原子核与电子间的静电交 互作用（库仑力）不同的结合键代表了实现8电子层结构（稳定电子结构）的不同方式一、离子键典型的金属与典型的非金属元素就是通过离子键而化合的从而形成离子化合物或离子晶体典型的例子：NaCl特点： 离子键的结合能最 大，非方向键离子晶体 配位数高，不能发生塑性 变形，属于脆性晶体低 温不导电，高温（熔融） 离子导电Li Cl结合能：8.63eV/mol， NaCl结合能：7.94eV/mol，熔点：801°CKCl结合能：7.20eV/mol， RbCl结合能：6.90eV/mol， MgO结合能：10.36eV/mol，熔点：2800°C结合能的大小反映在熔 点的高低：结合能越大， 熔点越高。

二、共价键同族元素的原子形成分子或晶体就是共价键方式结合如：H2，O2，F2，金刚石，SiC等特点：结合能大，空间方向键H:H O::O F::FJava动画金刚石的共价键示意图SiC的共价键示意图极性共价键非极性共价键金刚石的结合能：7.37eV/mol，熔点：>3350C Si ：4.68eV/mol，熔点：1410C Ge ： 3.87eV/mol，熔点：837C Sn ：3.14eV/mol，熔点：232C三、金属键价电子（自由电子）形成电 子气，象万能胶一样将金属正 离子粘（吸引）在一起特点：无方向性，无饱和性 ， 结合力很强金属晶体发生塑性变形时，不会破坏金属键因此，金属具有 良好的延展性（塑性）这是金 属被广泛使用的重要原因自由电子使金属具有良好的导电性、导热性Hg: 结合能: 0.69eV/mol，熔点： - 39C Al: 结合能: 3.34eV/mol，熔点： 660C Fe: 结合能: 4.20eV/mol，熔点：1538C W: 结合能: 8.80eV/mol，熔点：3410C金属键的结合能与金属的熔点：金属键的结合能越大，金属的熔点越高。

四、分子键又称为范德瓦尔斯（Van de Waals）键特点：分子键最弱极性分子之间存在库仑力，有些非极性分 子靠近时会诱导极性，使分子之间有结合力如：N2, O2, CO, Cl2, Br2, I2等正因为分子键的存在，才会出现常温为气体，低温为液体或 固体的现象 Ar：结合能：0.078eV/mol， 熔点：-189C，沸点：-186 C Cl2: 结合能：0.321eV/mol， 熔点：-101C，沸点：-34 C五、氢键含有氢的分子都是通过极性共价键结合，极性分 子之间结合成晶体时，通 过氢键结合例如：H2O，HF，NH3等清华教材，P.63 表2-3 各种结合键的比较NH3：结合能：0.36 eV/mol，熔点：-78C H2O: 结合能：0.52 eV/mol，熔点：-0C需要指出的是，实际晶体不一定只有一种键，至少分子键就普遍存在，但在有某种主键的情况下，其他键可以忽略§2-2 §2-2 金属原子间的结合能金属原子间的结合能一、原子作用模型固态金属相邻二个原子之 间存在两种相互作用：a) 相互吸引——自由电子吸 引金属正离子，长程力；b) 相互排斥——金属正离子 之间的相互排斥，短程力。

平衡时这二个力相互抵消 ，原子受力为0，原子处于能量最低状态此时原子间 的距离为r0三原子作用模型三原子作用模型考虑了 B原子同时受到两侧A、C原子的共同作用此时， B原子处于一个对称的势能谷中，能量更低了能谷的深浅反映出了原子结合的强弱能谷越深 ，则结合能越大，金属键 越强固态金属中的周期势场实际金属晶体中的原子不只受一个或二个原子的作用，而是在周围的空间有许多相邻的原子，因此每一个原子都处于周围 原子共同形成的能谷中二、激活能由于势垒的阻碍作用，相邻的原子不会合并一处，也很难迁移但是，在足够高的温度下，固态金属中的原子可以改 变位置（发生迁移）条件是，原子必须获得足够高的能量 Q（激活能）,才能够越过势垒，跳入相邻的能谷中原子结合越牢固，势垒则越高，激活能越大，原子越不容 易跃迁换位§2-3 §2-3 合金相结构合金相结构基本概念合金——由两种或两种以上的金属或金属非金属元素通过化学键结合而组成的具有金属特性的材料 组元、元——组成合金的元素 相——具有相同的成分或连续变化、结构和性能的区域 组织——合金发生转变（反应）的结果，可以包含若干个不同的相，一般只有一到二个相。

合金成分表示法：(1) 重量（质量）百分数A-B二元合金为例mB——元素B的重量(质量) mA——元素A的重量(质量)(2)原子(mol)百分数nB——元素B的原子数 nA——元素A的原子数 m——合金中某元素的质量(g) M——某元素的原子(mol质量)量(g) NA——阿伏加得罗常数6.02×1023(3)互换关系Cai——i元素的原子分数 Cwi——i元素的质量分数 Mi——i元素的mol质量(g)固溶体合金中的相分为：固溶体，化合物两大类金属晶体(溶剂)中溶入了其它元素(溶质)后，就称为固溶体一、固溶体的分类：按溶解度分为：有限固溶体，无限固溶体按溶质原子在溶剂中的位置分为：置换固溶体，间隙固溶体按溶质原子在溶剂中的分布规律分为：有序固溶体，无序固溶体二、影响置换固溶体溶解度的因素1.晶体结构因素类型相同，溶解度大当原子半径相近时，甚至可以无限互溶如Cu-Ni合金2.原子尺寸因素溶剂、溶质原子尺寸差别越小，溶解度越大3.电负性因素溶剂、溶质原子的电负性相差越大，化学亲和力越大，溶解度越小因为容易形成化合物4.电子浓度因素电子浓度——合金中价电子数与原子数之比A, B——分别为溶剂、溶质原子的原子价 CaB ——溶质的原子百分数溶质的原子价越高，溶解度CaB越低 。

固溶体的电子浓度有极限值，对于FCC的溶剂约为1.4三、影响间隙固溶体溶解度的因素1、溶质原子尺寸因素由于间隙固溶体的溶质原子存在于溶剂晶体的间隙中， 所以只有几种小原子(r 9 9~400 3000 1730 Mo Mo2C MoC2895 2960 29606~7 7~9 7~8350 1480 - Ta TaC TaN3300 4150 33606 8~9 8300 1550 - V VC1993 30236.5 >9- 2010Nb NbC Nb2N2770 3770 23006 9 -300 2050 -一些金属及其间隙相的熔点和硬度２、间隙化合物特点：结构复杂，熔点很高，硬度很高常见类型：Fe3C, Cr7C3, Cr23C6, Fe3W3C, Fe4W2C(M6C)型Fe3C——称为渗碳体，晶体结构复杂是钢铁材料 中重要的硬化相熔点：1227˚C Cw= 6.67%C 硬度:HB800［说明］间隙相和间隙化合物都可以看作以化合物为基的固溶体，其成分可以在一定范围内变化，结构不变如：合金渗碳体：(Fe,Mn)3C, (Fe,Cr)3CMn, Cr置换了 部分Fe原子§2-4 §2-4 离子化合物离子化合物NaCl型结构（岩盐结构）一、AB型离子化合物Cl-离子FCC点阵的结点，Na+离子位于八面体间隙的中心。

Java动画1、CsCl型结构（AB）Cl-离子占据BCC晶胞的 顶角位置，Cs+离子则位于体心也可以看作二个简单 立方点阵穿插而成的超结构 2、立方ZnS型结构（闪锌矿）ZnS具有二种结构：立方型和六方型，前者称为闪锌矿 ，或α –ZnS；后者称为纤锌矿，或β-ZnS闪锌矿结构示意图：较大的S2-离子占据FCC晶 胞的结点，Zn离子占据四个不相邻的四面体间隙纤锌矿结构示意图：陶杰编教材，P.74，图2－80 清华教材, P.106, 图2-54S2-离子占据HCP的结点， Zn2+离子则位于间隙四面体中心位置也可以看作由两 个密排六方点阵叠加而成Java动画Java动画二、AB2型离子化合物CaF2（萤石）型结构Ca2+离子占据FCC结点，F-离子占据所有四面体间隙陶杰编教材，P.76，图2-82 清华教材，P.107，图2-55三、A2B3型离子化合物典型：Al2O3（刚玉）陶杰编教材，P.78，图2-87 清华教材，P.109，图2-58§2-§2-5 5 硅酸盐结构简介硅酸盐结构简介硅酸盐——丰富、廉价的陶瓷材料应用最多的：水泥重要的硅酸盐矿物：长石、高岭土、滑石、橄榄石等。

按化学成分分为：正硅酸盐，即 的盐偏硅酸盐，即 的盐硅酸盐结构的基本特点： 基本结构：［SiO4］四面体，Si原子位于O四面体的间隙中［SiO4］四面体相互链接形式方石英（SiO2）的晶体结构： Si4+排成金刚石结构，O2-桥接２ 个Si4+ Si4+同样在［SiO4］四 面体的中心环状连结一、含孤立有限的硅氧团［SiO4］的硅酸盐硅氧四面体中，每一个氧都为-1价因而，单个硅氧团为-4价所以，它能够与其它正离子键合而使化合价达到饱和，从 而形成孤立的硅氧四面体构成的稳定结构这种化合物的分子式为：2M+2O·SiO2 (或M+4[SiO4])2M2+O·SiO2 (或M2+2[SiO4])M4+O·SiO2 (或M4+ [SiO4])Mn+代表金属正离子，如：Mg2+, Ca2+, Fe2+, Be2+, Zn2+, Mn4+, Zr4+此类硅酸盐： 镁橄榄石(Mg2SiO4) 锆英石(ZrSiO4)二、链状［SiO4］的硅酸盐硅氧四面体通过共顶连结而形成的一维结构链状硅酸盐矿物： 硅灰石 Ca3[Si3O9]硅线石 Al[AlSiO5]红柱石 Al2[O/SiO4] (正交晶系) 蓝晶石 Al2[O/SiO4] (三斜晶系)莫莱石 Al[Al1.4Si0.6O4.8]三、层状［SiO4］的硅酸盐层状硅酸盐：高岭土 Al2[(OH)4/Si2O5]叶蜡石 Al2[(OH)2/Si4O10]蒙脱石 Al2[(OH)2/Si4O10]·nH2O滑石 Mg3[(OH)2/Si4O10]白云母 KAl2[(OH)2/AlSi3O10]蛭石 四、骨架状［SiO4］的硅酸盐骨架状硅酸盐也称为网络状硅酸盐，它是硅氧四面体在空间组成的三维网络结构。

硅石(SiO2)就是典型的骨架状硅酸盐硅石又叫石英，它有三种同质异构体：石英870°C鳞石英1470°C方石英熔融石英玻璃（无定型，即非晶态 ）具有极低的膨胀系数方石英的结构本章结束。