材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日

不同的材料具有不同的性能，同一材料經(jīng)過加工也會(huì)有不同的性能，這些都?xì)w結(jié)與內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同。

結(jié)構(gòu)大致可分為四個(gè)層次：原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)合鍵、材料中原子的排列以及晶體材料的顯微組織。概述第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)一、原子的電子排列——可看成是原子核及分布在核周圍的電子組成。原子原子核——中子和質(zhì)子組成，核的體積很小，集中了原子的絕大部分質(zhì)量。第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日電子——繞著原子核在一定的軌道上旋轉(zhuǎn)質(zhì)量雖可忽略，但電子的分部卻是原子結(jié)構(gòu)中最重要的問題，它不僅決定單個(gè)原子的行為，也對(duì)工程材料內(nèi)部原子的結(jié)合及某些性能起著決定性作用。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日電子運(yùn)動(dòng)的軌道：由四個(gè)量子數(shù)決定，分別是主量子數(shù)、次量子數(shù)、磁量子數(shù)及自旋量子數(shù)。主量子數(shù)——決定電子離核遠(yuǎn)近和能量高低的主要參數(shù)。次量子數(shù)——量子軌道并不一定總是球形的，次量子數(shù)反映了軌道的形狀，各軌道在原子核周圍的角度分布不同。它也影響軌道的能級(jí)，按s、p、d、f依次升高。第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日磁量子數(shù)——確定了軌道的空間取向，以m表示。沒有外磁場(chǎng)時(shí)，處于同一亞殼層而空間取向不同的電子具有相同的能量，但在外加磁場(chǎng)下，不同空間取向軌道的能量會(huì)略有所差別。自旋量子數(shù)——ms=+1/2，–1/2，表示在每個(gè)狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個(gè)電子。第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日主量子數(shù)殼層序號(hào)次量子數(shù)亞殼層狀態(tài)磁量子數(shù)規(guī)第的狀態(tài)數(shù)目考慮自旋量子數(shù)后的狀態(tài)數(shù)目各殼層總電子數(shù)12341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f113135135722626102610142（=2×12）8（=2×22）18（=2×32）32（=2×42）第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日

原子核外電子的分部與四個(gè)量子數(shù)有關(guān)，且服從下述兩個(gè)基本原理：（1）泡利不相容原理一個(gè)原子中不可能存在有四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子。（2）最低能量原理電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日二、元素周期表及性能的周期性變化原子周期律——早在1869年，俄國(guó)化學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了元素性質(zhì)是按原子相對(duì)質(zhì)量的增加而程周期性的變化。這正是由于原子核外電子的排列是隨原子序數(shù)的增加呈周期性變化。族——周期表上豎的各列。同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)，同一族元素具有非常相似的化學(xué)性能。第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日總結(jié)各個(gè)元素所表現(xiàn)的行為或性質(zhì)一定會(huì)呈現(xiàn)同樣的周期性變化，因?yàn)樵咏Y(jié)構(gòu)從根本上決定了原子間的結(jié)合鍵，從而影響元素的性質(zhì)。第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)原子結(jié)合鍵鍵的形成——在凝聚狀態(tài)下，原子間距離十分接近，便產(chǎn)生了原子間的作用力，使原子結(jié)合在一起，就形成了鍵。鍵分為一次鍵和二次鍵：一次鍵——結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵。二次鍵——結(jié)合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日一、一次鍵離子鍵——當(dāng)兩類原子結(jié)合時(shí)，金屬原子的外層電子很可能轉(zhuǎn)移到非金屬原子外殼層上，使兩者都得到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，從而降低體系的能量，此時(shí)金屬原子和非金屬原子分別形成正離子和負(fù)離子，正負(fù)離子間相互吸引，使原子結(jié)合在一起，這就是離子鍵。（如NaCl）第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日共價(jià)鍵——價(jià)電子數(shù)為4或5個(gè)的ⅣA、ⅤA族元素，離子化比較困難，在這種情況下，相鄰原子間可以共同組成一個(gè)新的電子軌道，由兩個(gè)原子中各有一個(gè)電子共用，利用共享電子對(duì)來達(dá)到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)。這就是共價(jià)鍵。金屬鍵——金屬原子很容易失去外殼層電子而具有穩(wěn)定的電子殼層，形成帶正電的陽離子，由正離子和自由電子之間第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日的相互吸引而結(jié)合起來的稱金屬鍵。二、二次鍵1、范德瓦耳斯鍵當(dāng)原子和分子相互靠近時(shí)，一個(gè)原子的偶極矩將會(huì)影響另一個(gè)原子的電子分布，電子密度在靠近第一個(gè)原子的正電荷處更高些，這樣使兩個(gè)原子相互靜電吸引，體系就處于較低的能量狀態(tài)。第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日極化分子間的作用力正電中心負(fù)電中心原子核電子云a)原子核電子云+–b)c)a)理論的電子云分布b)原子偶極矩的產(chǎn)生c)原子（或分子）間的范德瓦耳斯鍵結(jié)合第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2、氫鍵氫鍵的本質(zhì)與范德瓦耳斯鍵一樣，只是氫原子起了關(guān)鍵作用。氫原子只有一個(gè)電子，當(dāng)氫原子與一個(gè)電負(fù)性很強(qiáng)的原子X結(jié)合成分子時(shí)，氫原子的一個(gè)電子轉(zhuǎn)移至該原子殼層上；分子的氫離子側(cè)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)裸露的質(zhì)子，對(duì)另個(gè)電負(fù)性較大的原子Y表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸引力，這樣，氫原子便在兩個(gè)電第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日負(fù)性很強(qiáng)的原子之間形成一個(gè)橋梁，把兩者結(jié)合起來，形成氫鍵。所以氫鍵可表達(dá)為：

X–H——Y三、混合鍵實(shí)際材料中單一結(jié)合鍵并不多，大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往是各種鍵的混合。例如：（1）ⅣA族的Si、Ge、Sn元素的結(jié)合第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日是共價(jià)鍵與金屬鍵的混合。（2）陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵與共價(jià)鍵混合的情況。四、結(jié)合鍵的本質(zhì)與原子間距固體原子中存在兩種力：吸引力和排斥力。它們隨原子間距的增大而減小。當(dāng)距離很遠(yuǎn)時(shí)，排斥力很小，只有當(dāng)原子間接近至電子軌道互相重第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日疊時(shí)斥力才明顯增大，并超過了吸引力。在某一距離下引力和斥力相等，這一距離r0相當(dāng)于原子的平衡距離，稱原子間距。力（F）核能量（E）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

F=E=∫Fdχ

dEdχ∞0第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日五、結(jié)合鍵與性能1、物理性能（1）熔點(diǎn)的高低代表了材料穩(wěn)定性的程度。共價(jià)鍵、離子鍵化合物的熔點(diǎn)很高這是陶瓷材料比金屬材料具有更高熱穩(wěn)定性的根本原因。二次鍵結(jié)合的材料熔點(diǎn)一定偏低，如聚合物等。（2）材料的密度與結(jié)合鍵類型有關(guān)。金屬有高的密度，陶瓷材料的密度很低。第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日聚合物由于其是二次鍵結(jié)合密度最低。（3）金屬鍵使金屬材料具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而由非金屬鍵結(jié)合色陶瓷、聚合物均在固態(tài)下不導(dǎo)電。2、力學(xué)性能結(jié)合鍵是影響彈性模量的主要因素。結(jié)合鍵能越大，彈性模量越大，材料的強(qiáng)度越大。第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)原子排列方式一、晶體與非晶體晶體中原子的排列是有序的，即原子按某種特定方式在三維空間內(nèi)呈周期性規(guī)則重復(fù)排列。而非晶體內(nèi)部原子的排列是無序的。這種排列上的差異造成性能上的不同：各向異性——晶體由于其空間不同方向上的原子排列不同，沿著不同方向上所第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日測(cè)得的性能數(shù)據(jù)亦不同這種性質(zhì)稱晶體的各向異性。各向同性——非晶體在各個(gè)方向上的原子排列可視為相同，沿任何方向測(cè)得的性能是一致的，表現(xiàn)為各向同性。從液態(tài)到非晶態(tài)固體是一個(gè)漸變過程，既無確定的熔點(diǎn)，又無體積的突變。這說明非晶態(tài)轉(zhuǎn)變只不過是液態(tài)的簡(jiǎn)單冷卻過程，隨溫度的下降，液態(tài)的粘度第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日越來越高，當(dāng)其流動(dòng)性完全消失時(shí)則稱固相。液體向晶體的轉(zhuǎn)變還具有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這一原子重排過程是通過在液體中不斷形成有序排列的小晶核及晶核的逐漸生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的。第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)晶體材料的組織材料的組織——指各種晶粒的組合特征，即各種晶粒的相對(duì)量、尺寸大小、形狀及分布等特征。一、組織的顯示與觀察宏觀組織——粗大的組織用肉眼即能觀察到。顯微組織——用金相顯微鏡或電子顯微鏡觀察到的組織。第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日二、單相組織——具有單一相的組織，即所有晶粒的組成相同，晶粒結(jié)構(gòu)也相同。——溶液中各處的成分與結(jié)構(gòu)相同，是單一的相，在固體狀態(tài)時(shí)稱為固溶體。單相組織固溶體第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日描述單相組織特征的主要有晶粒尺寸與形狀。（1）晶粒尺寸對(duì)材料性能有重要影響，細(xì)化晶?？商岣卟牧系膹?qiáng)度，還改善材料的塑性和韌性。（2）晶粒的形狀取決于各個(gè)核心的生長(zhǎng)條件。等軸晶：若每個(gè)核心在各個(gè)方向上的生長(zhǎng)條件接近，最終得到的晶粒在空第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日間三維方向上尺度相當(dāng)。柱狀晶：若在特定的條件下，空間某一方向的生長(zhǎng)條件明顯優(yōu)于其它二維方向，最終得到拉長(zhǎng)的晶粒形狀。（圖1-16）三、多相組織

（圖1-17）是兩相合金的一種典型組織，兩個(gè)相的晶粒尺度相當(dāng)，第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日兩種晶粒各自成為等軸狀，兩者均勻的交替分布，此時(shí)合金的力學(xué)性能取決于兩個(gè)相或兩種組織組成物的相對(duì)量及各自的性能。以強(qiáng)度為例，材料的強(qiáng)度σ應(yīng)等于：σ=σ1φ1+σ2φ2σ1、σ2為兩個(gè)相的強(qiáng)度值；φ1、φ2為兩個(gè)相的體積分?jǐn)?shù)。第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日彌散強(qiáng)化——組織中兩個(gè)相的晶粒尺度相差甚遠(yuǎn)，尺寸較細(xì)的相以球狀、點(diǎn)狀、片狀或針狀等形態(tài)彌散地分布于另一相的基體內(nèi)（圖1-17b）。大幅度地提高材料的強(qiáng)度。

第二相在基體相的晶界上分布是一種常見的組織特征（圖1-17c）。第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日第五節(jié)材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)——同一材料在不同條件下可以得到不同的結(jié)構(gòu)，其中能量最低的結(jié)構(gòu)稱穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)——能量相對(duì)較高的結(jié)構(gòu)則稱亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)第三十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件：結(jié)構(gòu)形成時(shí)必須沿著能量降低的方向進(jìn)行。熱力學(xué)第二定律對(duì)這種自發(fā)過程的敘述為：只有那些使體系自由能A減小的過程才能自發(fā)進(jìn)行，可表示為：等溫等容ΔAT、V<0

自發(fā)過程等溫等壓ΔGT、P<0

自發(fā)過程兩種自由能的表達(dá)式為：

A=U–TSG=H–TS第三十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日U——內(nèi)能H——焓S——熵T——熱力學(xué)溫度反應(yīng)速率ν