材料学基础 课件（西北工业大学） 1.晶体学基础及材料结构

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1、第一章晶体学基础及材料结构1.1绪言1.2工程材料中的原子结合方式1.3原子的规则排列——晶体1.4典型的晶体结构及几何特征1.1绪言不同的材料不同的性能内部结构不同不同加工工艺同一材料不同的性能原子结构原子结合键结构材料中粒子的排列材料的显微组织Structure,Processing&Properties(d)60030µm500(c)(Fe-0.4wt%C)400(b)(a)4µm30030µmHardness(BHN)20030µm1000.010.11101001000CoolingRate(oC/s)

2、¾Propertiesdependonstructure(hardnessvsstructureofsteel)¾Processingcanchangestructure(structurevscoolingrateofsteel)Aluminumoxidemaybetransparent,translucent,oropaquedependingonthematerialstructure.Polycrystal:Polycrystal:Singlecrystalhighporositylowporosity1

3、.2工程材料中的原子结合方式1.2.1原子结构质子原子核（10-中子原子15m）（10-核外电子10m）SchematicrepresentationoftheBohratom.°原子的电子结构主量子数n轨道角量子数li描述原子中一个电子的空间位置和能量磁量子数mi自旋角量子数si能量最低原理核外电子的排布规律三原则Pauli不相容原理Hund规则电子能量水平随主量子数和次量子数的变化l=0l=1l=2l=3l=4l=5(s)(p)(d)(f)(g)(h)n=1(K)2n=2(L)26n=3(M)2610n=4(

4、N)261014n=5(O)26101418n=6(P)2610141822SodiumThecompletesetofquantumnumbersforeachofthe11electronsinsodium1s22s22p63s1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°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，

5、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。121314C，C，C666元素有两种存在状态：游离态和化合态（FreeState&CombinedForm)。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。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）核电荷↑原子半径↓同周期元左右,金属性↓非金属性

6、↑电离能↑失电子能力↓得电子能力↑素：最外层电子数相同,电子层数↑原子半径↑同主族元上下,金属性↑非金属性↓电离能↓失电子能力↑得电子能力↓素：PeriodicTableofElements1.2.2原子间的键合结合质点（原子、离子或分子）间的作用力。这些键：键提供了固体的强度和有关电与热的性质。离子键化学键共价键（一次键）金属键结合键分子键（VanderWaals物理键Bond）（二次键）氢键°离子键与离子晶体结合方式：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；晶体特性：硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。Schem

7、aticrepresentationofionicbondinginsodiumchloride(NaCl).°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；晶体特性：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。Schematicrepresentationofcovalentbondinginamoleculeofmethane°金属键与金属晶体金属键：依靠正离子与构成电子气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

8、性：导电性、导热性、延展性好，熔点较高（如金属）。°分子键与分子晶体结合方式：：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。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°氢键氢键：是一种特殊的分子间作用力。它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