第4章：材料的原子结构和原子间结合键.ppt

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1、材料的原子结构和原子间结合键第4章第4章材料的原子结构和原子间结合键4.1材料的结构与结构层次4.2孤立原子的特性4.3原子间结合力和结合能4.4原子间的结合键—一次键4.5原子间的结合键—二次键4.6原子间结合键与材料性质(一)4.7原子间结合键与材料性质（二）第4章材料的原子结构和原子间结合键已知：材料的结构决定着材料的性能→→为此：必须研究了解————材料的结构、成分、制备与加工工艺、外界条件等→这些因素：会改变材料的结构→最终：改变材料的性能。4.1材料的结构与结构层次低碳钢板（≤0.2%C），良好塑、韧性且强度低。可冲压成型，焊接成型等。高碳钢（0

2、.6%～1.2%），强度高、硬度高、塑性低→汽车板簧，加工工具等。原因：Wc不同，内部组织结构的构成可以很不相同，导致其性能的明显不同。例1：0.77%C共析碳钢，退火态15HRC,软;淬火态62HRC，很硬。原因：不同工艺过程，材料内部结构类型变化了，导致其性能的巨大差异。例2：外界（使用）环境影响。钢材高温下强度明显下降而低温下会变脆、韧性下降。原因：高温下原子活性↑↑,且发生蠕变等现象→材料软化；低温下原子活动性会大大削弱，对材料塑性变形负责的结构即位错变得难以运动的缘故。（1）材料的结构与性能例3：材料的4个结构层次（可类比建筑物等）1.宏观层次：宏

3、观组织结构肉眼或低倍（1～20倍），尺度10-3m。例：冰（窗）花，铸锭（粗大）2.显微层次：显微组织结构光镜（80～800×，μm），电镜（数千～数万倍），尺度10-7～10-4m。例：铸锭经压力加工的组织，钢材热处理组织（变细）。图4-1图4-2图4-3材料结构的内涵丰富，是分层次的。光学显微镜电子显微镜3.原子、分子层次：晶体结构与缺陷（原子或分子排列），X线衍射等。尺度10-10m（10-1nm）。例：钢材室温下原子排列为体心立方，高温为面心立方；铜、铝为面心立方。4.电子层次：主要为外层电子结构(电子的运动状态与分布规律)，尺度10-13m(10-

4、4nm)。要考虑电子能量，电子间互作用及运动状态的改变，从而形成各种结合键，使得孤立原子（结合成）→聚集态材料。X射线衍射仪(a)ZnS粉体；(b)ZnS/导电聚合物纤维复合材料2θ为26.4°的衍射峰与对应着石墨(002)晶面2θ为28.47°、47.58°、56.22°的衍射峰，分别对应着ZnS的(111),(220),(311)晶面由小布拉格测得的绿宝石晶体结构—由此而制作的绣花蕾丝布拉格太太参加1951年国际结晶学联合会年会所着的绿宝石晶体结构裙子水合硅酸钙是一种自然结晶矿物，也可由人工制成。图为水合硅酸钙晶体结构图和由之而制作的花布裙子和羊毛挂毯的

5、图案。4.2孤立原子的特性自由原子由电子及其所围绕的原子核组成。电子、质子和中子都是基本粒子。4.2.1原子结构4.2.2量子力学的几个基本概念①波粒二象性：如光（光子），实物粒子（电子等），有E=hυ；P=h/λ左边体现粒子性，右边波动性（几率波）。②测不准原理：p（或v）与x不能同时确定，宏观物体可用经典力学中牛顿第二定律描述。但对于微观粒子——微观粒子用波函数（x，t）描述遵循薛定谔方程求解可得E、ψ、n、m、l。n、l、m即量子数，微观粒子出现的几率∝

6、ψ

7、2。①②ψ1.周期表上元素的周期性规律是反映了元素（孤立原子）核外电子排布（运动状态，即按量子

8、数排布）周期性规律的直接结果。2.周期表与材料性质的关连：同一族元素性质相似；同一周期元素性质的渐变。4.2.3核外电子●核外电子的运动状态由n，l，ml，ms四个量子数确定。主量子数：1，2，3…..角量子数：0，1，2……(n-l)磁量子数：0，±1，±2……±(n-l)自旋量子数：1/2，-1/2因此——泡利不相容原理：原子中每个电子必须有独自一组四个量子数，一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；能量最低原则：电子总是按能量最低的状态分布。洪特规则(最多轨道原理)：简并轨道(相同能量的轨道)，分占轨道最多，自旋方向相同。多电子原子中，电子分布的

9、原则3.周期表与材料类型①金属（元素）：周期表左、中侧（80多种），非金属（元素）：位于周期表右侧（少数），过渡处：为半（类）金属（元素）。②陶瓷：为金属/非金属化合物（如Al2O3、CaO等），或性质相差不大的非金属/类金属元素构成（SiC、硅酸盐）以及周期表中间位置的单质（C、Si等）。③高分子材料：周期表右上方的非金属元素之间形成大分子（C基，Si基）。4.周期表与材料设计及其发展新材料例1.同类元素可在合金中适当取代，如硫、硒、碲提高切削加工性。例2.W、Mo及Cr（较差）提高钢的高温性能和刀具的红硬性。4.3原子间结合力和结合能(Bindingfo

10、rceandenergy)4.3.1原子聚集态特点孤