材料科学基础 第一章 固体材料结构的基本知识

1.1绪言不同的材料不同加工工艺内部结构不同不同的性能不同的性能内部结构原子结构原子结合键材料中粒子的排列材料的显微组织同一材料第一章固体材料结构的基本知识(d)30mm(c)4mm(b)30mm(a)30mmCoolingRate(oC/s)1002003004005006000.010.11101001000Hardness(BHN)(Fe-0.4wt%C)Propertiesdependonstructure(hardnessvsstructureofsteel)

Processingcanchangestructure(structurevscoolingrateofsteel)Structure,Processing&PropertiesSinglecrystalPolycrystal:lowporosityPolycrystal:highporosity1.2工程材料中的原子结合方式1.2.1原子结构核外电子质子中子原子（10-10m）原子核（10-15m）SchematicrepresentationoftheBohratom.（1）原子的电子结构描述原子中一个电子的空间位置和能量主量子数n轨道角量子数li磁量子数mi自旋角量子数si核外电子的排布规律三原则能量最低原理Pauli不相容原理Hund规则n=1(K)n=2(L)n=3(M)n=4(N)n=5(O)n=6(P)l=0(s)l=1(p)l=2(d)l=3(f)l=4(g)l=5(h)2222226666610101010141414181822C：1s22s22p2O：1s22s22p4Thecompletesetofquantumnumbersforeachofthe11electronsinsodium1s22s22p63s1SodiumThismicrograph,whichrepresentsthesurfaceofagoldspecimen,wastakenwithasophisticatedatomicforcemicroscope(AFM).Individualatomsforthis(111)crystallographicsurfaceplaneareresolved.Alsonotethedimensionalscale(inthenanometerrange)belowthemicrograph.高分辨率电镜（HighResolutionElectronMicroscopy,HREM）直接观察晶体中原子的规则排列。硅表面原子排列碳表面原子排列0246810mm用AFM机械刻蚀原理刻写的亚微米尺寸的唐诗在Si(111)面上形成的“中国”字样。(111)，最邻近硅原子间的距离为0.4nm。（2）元素周期表（periodicTableoftheElements）元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分元素的依据。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。元素的两种存在状态：游离态和化合态（FreeState&CombinedForm)。原子序数＝核电荷数周期序数＝电子壳层数主族序数＝最外层电子数零族元素最外层电子数为8（氦为2）同周期元素：同主族元素：金属性↓,非金属性↑金属性↑,非金属性↓左右,核电荷↑原子半径↓

电离能↑失电子能力↓得电子能力↑

上下,最外层电子数相同,电子层数↑原子半径↑

电离能↓失电子能力↑得电子能力↓

18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族（InertGases），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。PeriodicTableofElements1.2.2原子间的键合结合键：结合键化学键（一次键）primarybond物理键（二次键）secondarybond离子键（ionic

bond）共价键（covalenbond）金属键（metallic

bond）分子键（VanderWaalsBond）氢键（hydrogenbond）质点（原子、离子或分子）间的作用力。这些键提供了固体的强度和有关电与热的性质。结合方式：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性。（1）离子键与离子晶体晶体特性：硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。Schematicrepresentationofionicbondinginsodiumchloride(NaCl).（2）共价键与原子晶体结合方式：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性。Schematicrepresentationofcovalentbondinginamoleculeofmethane晶体特性：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。（3）金属键与金属晶体金属键：依靠正离子与构成电子云的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。结合方式：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性。晶体特性：导电性、导热性、延展性好，熔点较高（如金属）。Schematicillustrationofmetallicbonding结合方式：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。晶体特性：熔点低，硬度低。如高分子材料。（4）分子键与分子晶体vanderWaals力示意图a）理论电子云b)偶极矩产生c）原子（或分子）间vanderWaals（5）氢键Schematicrepresentationofhydrogenbondinginwaterandhydrogenfluoride（5）氢键Schematicrepresentationofhydrogenbondinginwaterandhydrogenfluoride氢键：是一种特殊的分子间作用力。是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（Ｏ，Ｆ，Ｎ等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力。具有饱和性和方向性。Bindingenergiesforthefourbondingmechanisms晶体：固定的熔点（meltingpoint）各向异性（anisotropy）性能上两大特点内部质点（原子、离子或分子）在三维空间呈周期性重复排列的固体。（6）混合键大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。

1.3原子的排列方式

1.3.1基本概念单晶体:质点按同一取