《材料结构与性能》PPT课件.ppt

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1、第二章材料的结构和性能在外界条件固定时，材料的性能取决于材料内部的构造。这种构造便是组成材料的原子种类和分量，以及它们的排列方式和空间分布。习惯上将前者叫做成分，后者叫做组织结构，而我们把这两者统称为结构。物质通常具有三种存在形态：气态、液态、固态，而在使用状态下的材料通常都是固态。(材料在固态下结合方式及结构特点)第一节材料的结合方式在所有的固体中，原子靠键结合在一起。键使固体具有强度和相应的电学和热学性能。例如，强的键导致高熔点、高弹性模量、较短的原子间距和较低的热膨胀系数。一、结合键1.离子键2.共价键共价键是一种强吸引力的

2、结合键。当两个相同原子或性质相近的原子接近时，价电子不会转移，原子间借共用电子对所产生的力而结合，形成共价键。共价键使原子间有很强的吸引力，这一点在金刚石中很明显，金刚石是自然界中最硬的材料，而且它完全是由碳原子组成。每个碳原子有四个价电子，这些价电子与邻近原子共用，形成完全由价电子对结合而成的三维点阵。这些三维点阵使金刚石具有很高的硬度和熔点。3.金属键金属是由金属键结合而成的，它具有同非金属完全不同的特性。金属原子的外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，这些外层原子就脱离原子，成为自由电子，为整个金属所共有，自由电子在金

3、属内部运动，形成电子气。这种由自由电子与金属正离子之间的结合方式称为金属键4．分子键    分子键又叫范德华键，是最弱的一种结合键。它是靠原子各自内部电子分布不均匀产生较弱的静电引力，称为范德华力，由这种分子力结合起来的键叫做分子键。5．氢键    另一种范德华力实际上是极性分子的一种特殊情况。C－H、O－H或N－H键端部暴露的质子是没有电子屏蔽的，所以，这个正电荷可以吸引相邻分子的价电子，于是形成了一种库仑型的键，称为氢键，氢键是所有范德瓦尔斯键中最强的。氢键最典型的例子是水，一个水分子中氢质子吸引相邻分子中氧的孤对电子，氢

4、键使水成为所有低分子量物质中沸点最高的物质。二、结合键对材料性能的影响1．金属材料    金属材料的结合键主要是金属键。1）金属具有良好的导电性；2）金属的导热性好；3）正的电阻温度系数；4）具有良好的变形能力；另外，自由电子可以吸收光的能量，因而金属不透明；而所吸收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射，使金属具有光泽。2．陶瓷材料陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。简单说来，陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性，所以陶

5、瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。3．高分子材料具有很好的力学性能。高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德瓦尔斯键。尽管范德瓦尔斯键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能。三、晶体与非晶体1．晶体    晶体的特点是1）结构有序；2）物理性质表现为各向异性；3）有固定的熔点。2．非晶体    非晶体的结构是原子无序排列，这一点与液体的结构很相似，所以非晶体往往被称为过冷液体。典

6、型的非晶体材料是玻璃，所以非晶体也被称为玻璃体。虽然非晶体在整体上是无序的，但在很小的范围内观察，还是有一定的规律性，所以在结构上称之为短程有序。非晶体材料的特点是1）结构无序；2）物理性质表现为各向同性；3）没有固定熔点；4）导热率和热膨胀性小；5）塑性形变大；6）组成的范围变化大。3．晶体和非晶体的转化比如，金属液体在高速冷却条件下可以得到非晶态金属，即所谓的金属玻璃；而玻璃经过适当处理，也可形成晶态玻璃。有些物质可以看成是有序和无序的中间状态，如塑料、液晶、准晶态等。非晶体结构是短程有序，即在很小的尺寸范围内存在着有序性，而

7、晶体内部也有缺陷，在很小的尺寸范围内也存在着无序性。所以两者之间也有共同特点。而物质在不同条件下，既可形成晶体结构，也可形成非晶体结构。第二节金属及合金的结构一、晶体的基本概念晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。晶体结构不同，其性能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格。图1简单立方晶体（a）晶体结构（b）晶格（c）晶胞为了描述晶格中原子排列的紧密程度，通常采用配位数和致密度（K）来表示。配位数是指晶格中与任一原子处于

8、相等距离并相距最近的原子数目；致密度是指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积（V）的比值。二、常见纯金属的晶格类型常见的晶格类型有以下三种：1.体心立方晶格体心立方晶格的晶胞如图2-4所示。它的形状是一个立方体，其晶格