第1章材料结构的基本知识ppt课件.ppt

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1、第一章材料结构的基本知识第一节　原子结构第二节　原子结合键第三节　原子排列方式第四节　晶体材料的组织第五节　材料的稳态结构与亚稳态结构不同的材料具有不同的性能，同一材料经不同加工工艺后也会有不同的性能。这些都与材料中原子的排列方式，即其内部结构密切相关。因此，研究固态结构，即原子排列和分布规律，深入理解结构的形成以及结构与成分、加工工艺之间关系，是了解掌握材料性能的基础，只有这样，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。一、原子的结构与结合键1、显著影响材料的电、磁、光和热性能；2、决定材料的类型。二、原子的空间排列作用：显著影响材料的力学性能。三

2、、显微组织作用：显著影响材料的力学性能。第一节原子结构（电子的排列方式）原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。电子的分布不仅决定了原子的行为，也对工程材料内部原子的结合以及材料的某些性能起着决定性的作用。原子间的作用力是由原子的外层电子排布结构造成的。除惰性元素外，其它元素的外层轨道必须通过以下两种方式来达到电子排布的相对稳定结构：(1)接受或释放额外电子，形成具有净负电荷或正电荷的离子。(2)共有电子。原子间的键合力较强。元素周期表把所有元素按相对原子质量及电子分布方式排列成的表称元素周期表(图1-2)周期表上竖的各列称为族，同一族元

3、素具有相同的外壳层电子数，周期表两侧的各族IA、ⅡA、ⅢA…ⅦA分别对应于外壳层价电子数为1、2、3…7的情况，所以同一族元素具有非常相似的化学性能。周期表从根本上揭示了自然界物质的内在联系，反映了物质世界的统一性和规律性。表中水平行排称为周期，共七个周期。而原子结构从根本上决定了原子间的结合键，从而影响元素的性质。一、结合力与结合能图1-3原子间结合力a)原子间吸引力、排斥力、合力b)原子间作用位能与原子间距的关系固体原子固体原子吸引力排斥力库伦定律吸引力和排斥力均随原子间距的增大而减小，但两者减小的情况不同；排斥力更具有短程力的性质，即当距离很远时，

4、排斥力很小，只有当原子间接近至电子轨道互相重叠时，排斥力才明显增大，并超过了吸引力。第二节　原子结合键根据物理学，力(F)和能量(E)之间的转换关系：在作用力等于零的平衡距离下能量应该达到最低值，表明在该距离下体系处于稳定状态。当两个原子无限远时，原子间不发生作用，作用能可视为零。当距离在吸引力作用下靠近时，体系的位能逐渐下降，到达平衡距离时，位能最低；当原子距离进一步接近，就必须克服反向排斥力，使作用能重新升高。平衡距离下的作用能定义为原子的结合能E0。二、原子间主键及特性在凝聚态下，原子间距离十分接近便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，或者说形

5、成了键。材料的许多性能在很大程度上取决于原子结合键。根据结合力的强弱可把结合键分成两大类：次键（或二次键）——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。原子间主键（或一次键）一、离子键1、定义由于正、负离子间的库仑引力而形成。氯化钠是典型的离子键结合，钠原子将其3s态电子转移至氯原子的3d态上，这样两者都达到稳定的电子结构，正的钠离子与负的氯离子相互吸引，稳定地结合在一起(图1-4)当IA、IIA族金属和ⅦA、ⅥA族的非金属原子结合时，金属原子的外层电子很可能转移至非金属原子外壳层上、使两者都得到稳定的电子结构，从而

6、降低了体系的能量；此时金属原子和非金属原子分别形成正离子与负离子，正、负离子间相互吸引，使原子结合在一起，这就是离子键。©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™2、特点1）正负离子相间排列，正负电荷数相等；2）键能最高，结合力很大；3）性能：硬度高、强度大；热膨胀系数小，在常温下的导电性很差；脆性较大。3、典型材料：陶瓷材料。二、共价键1、定义是由于相邻原子共用其外部价电子，形成稳定的电子满壳层结构而形成。价电子数为4或5个的ⅣA、ⅤA族元素，离子化比较困难，例如ⅣA族的碳有四个价电子，借失去这些电子而达到稳

7、态结构所需的能量很高，因此不易实现离子键结合。在这种情况下，相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，出两个原子中各有一个电子共用，利用共享电子对来达到稳定的电子结构。2、共价键性能结合力很大，硬度高、强度大、熔点高，延展性和导电性都很差，具有很好的绝缘性能。3、典型材料：金刚石、陶瓷和聚合物材料。图1-5金刚石的共价结合及其方向性a)正四面体b)共价键的方向性三、金属键1、定义贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生静电作用而结合的方式。2、性能它没有饱和性和方向性；良好的导电性、导热性、正的电阻温度系数；具有良好的塑性。3、典型材料：各种

8、金属。四、范德瓦尔键1、定义一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱