第1章材料結(jié)構(gòu)的基本知識

1、2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY1第一章第一章 材料結(jié)構(gòu)的基本知識材料結(jié)構(gòu)的基本知識 原子結(jié)合鍵原子結(jié)合鍵 原子排列原子排列 顯微組織顯微組織2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY2 凝聚態(tài)凝聚態(tài)通常把材料的液態(tài)和固態(tài)稱為通常把材料的液態(tài)和固態(tài)稱為 凝聚態(tài)凝聚態(tài) 原子結(jié)合鍵原子結(jié)合鍵 一次鍵一次鍵結(jié)合力較強，包括離子鍵、結(jié)合力較強，包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵。共價鍵和金屬鍵。 二次鍵二次鍵結(jié)合力較弱，包括范德瓦結(jié)合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。耳斯鍵和氫鍵。 第二節(jié)第二節(jié) 原子結(jié)合鍵原子結(jié)合鍵2022-4-14DALIAN

2、 JIAOTONG UNIVERSITY3一、一次鍵一、一次鍵l 依靠外殼層電子轉(zhuǎn)移或共享以形成穩(wěn)定的依靠外殼層電子轉(zhuǎn)移或共享以形成穩(wěn)定的電子殼層，從而使原子間相互結(jié)合。電子殼層，從而使原子間相互結(jié)合。2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY41離子鍵離子鍵 IA、A族金屬與族金屬與A、A族的非金屬原子結(jié)合時，族的非金屬原子結(jié)合時，由于得失電子，金屬和非由于得失電子，金屬和非金屬原子分別形成正離子金屬原子分別形成正離子與負離子，正、負離子間與負離子，正、負離子間相互吸引，使原子結(jié)合在相互吸引，使原子結(jié)合在一起，這就是一起，這就是離子鍵離子鍵。 MgO、Mg2Si、

3、CuO、CrO2、MoF2等也是離子鍵等也是離子鍵結(jié)合為主的。結(jié)合為主的。圖圖1-3 NaCl的離子結(jié)合鍵示意圖的離子結(jié)合鍵示意圖2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY52共價鍵共價鍵 共價鍵共價鍵利用共享價電子利用共享價電子對來達到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)對來達到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu) 價電子數(shù)為價電子數(shù)為4或或5個的個的IVA、VA族元素，相鄰原子間共同族元素，相鄰原子間共同組成一個新的電子軌道，由組成一個新的電子軌道，由兩個原子中各有一個電子共兩個原子中各有一個電子共用。用。 特點：共價結(jié)合時由于電子特點：共價結(jié)合時由于電子對之間的強烈排斥力，使共對之間的強烈排斥力，使共價

4、鍵具有明顯的飽和性和方價鍵具有明顯的飽和性和方向性，不允許改變原子間的向性，不允許改變原子間的相對位置，所以材料不具塑相對位置，所以材料不具塑性且比較堅硬，像金剛石就性且比較堅硬，像金剛石就是世界上最堅硬的物質(zhì)之一。是世界上最堅硬的物質(zhì)之一。圖圖l-4 金剛石的共價結(jié)合及其金剛石的共價結(jié)合及其方向性方向性2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY63金屬鍵金屬鍵 金屬鍵金屬鍵原子間通過正離子原子間通過正離子與自由電子之間的相互吸引與自由電子之間的相互吸引而形成的結(jié)合。而形成的結(jié)合。 特點：特點： 1. 金屬鍵沒有方向性，因而金屬鍵沒有方向性，因而金屬具有良好的塑性。

5、金屬具有良好的塑性。 2. 金屬正離子被另一種金屬金屬正離子被另一種金屬的正離子取代時也不會破壞的正離子取代時也不會破壞結(jié)合鍵，這種金屬之間的溶結(jié)合鍵，這種金屬之間的溶解解 (稱固溶稱固溶) 能力也是金屬的能力也是金屬的重要特性。重要特性。 3. 金屬導電性、導熱性以及金屬導電性、導熱性以及金屬晶體中原子的密集排列金屬晶體中原子的密集排列等，都直接起因于金屬鍵結(jié)等，都直接起因于金屬鍵結(jié)合。合。 圖圖1-5 金屬鍵結(jié)合示意圖金屬鍵結(jié)合示意圖2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY7二、二次鍵二、二次鍵 二次鍵二次鍵不是依靠電子的轉(zhuǎn)移或共享，而是借不是依靠電子的轉(zhuǎn)移或

6、共享，而是借原子之間的偶極吸引力結(jié)合而成。原子之間的偶極吸引力結(jié)合而成。 形成條件：形成條件： 原子或分子本身已具有穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，如原子或分子本身已具有穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，如惰性氣體及惰性氣體及CH4、CO2、H2或或H2O等分子，分子等分子，分子內(nèi)部靠共價鍵結(jié)合使單個分子的電子結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)內(nèi)部靠共價鍵結(jié)合使單個分子的電子結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，分子內(nèi)部具有很強的內(nèi)聚力。定，分子內(nèi)部具有很強的內(nèi)聚力。 眾多的氣體分子仍然可凝聚成液體或固體。眾多的氣體分子仍然可凝聚成液體或固體。2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY81范德瓦耳斯鍵范德瓦耳斯鍵圖圖l-6 范德瓦耳斯鍵力示意圖范

7、德瓦耳斯鍵力示意圖a) 理論的電子云分布理論的電子云分布 b) 原子偶極矩的產(chǎn)生原子偶極矩的產(chǎn)生 c) 原子原子(或分子或分子)間的范德瓦間的范德瓦耳斯鍵結(jié)合耳斯鍵結(jié)合2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY92氫鍵氫鍵 氫鍵氫鍵本質(zhì)與范德瓦耳斯本質(zhì)與范德瓦耳斯鍵一樣，是靠原子鍵一樣，是靠原子 (或分子或分子)的偶極吸引力結(jié)合的，只是的偶極吸引力結(jié)合的，只是氫鍵中氫原子起了關鍵作用，氫鍵中氫原子起了關鍵作用，結(jié)合力比范德瓦耳斯鍵強。結(jié)合力比范德瓦耳斯鍵強。 形成過程：形成過程： 氫原子在兩個電負性很強的氫原子在兩個電負性很強的原子原子(或原子團或原子團)之間形成一

8、之間形成一個橋梁，把兩者結(jié)合起來，個橋梁，把兩者結(jié)合起來，成為氫鍵。所以氫鍵可以表成為氫鍵。所以氫鍵可以表達為：達為： X-HY X-H 離子鍵結(jié)合離子鍵結(jié)合 (X-H)Y 氫鍵結(jié)合氫鍵結(jié)合圖圖l-7 冰中水分子的排列及氫鍵冰中水分子的排列及氫鍵的作用的作用2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY10三、混合鍵三、混合鍵 實際材料中單一結(jié)合鍵的情況并不是實際材料中單一結(jié)合鍵的情況并不是很多，大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往很多，大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往是是各種鍵的混合各種鍵的混合。2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY11離子鍵

9、結(jié)合的相對值離子鍵結(jié)合的相對值 陶瓷化合物陶瓷化合物離子鍵與共價鍵混合離子鍵與共價鍵混合 金屬離子金屬離子/非金屬離子非金屬離子非純粹離子化非純粹離子化合物合物 離子鍵的比例離子鍵的比例組成元素的電負性差組成元素的電負性差越大，離子鍵比例越高。越大，離子鍵比例越高。2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY12計算公式計算公式由由A、B元素所組成的化合物中元素所組成的化合物中 離子鍵結(jié)合離子鍵結(jié)合() 1 100XA、XB分別為元素分別為元素A、B的電負性的電負性 2)(41BAXXe2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY132022

10、-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY14四、結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距四、結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距雙原子模型：雙原子模型：r0原子平衡距原子平衡距離離(原子間距原子間距)。 吸引力吸引力=排斥力排斥力圖圖1-8 原子間結(jié)合力原子間結(jié)合力a) 原子間吸引力、排斥力、合力原子間吸引力、排斥力、合力 b) 原子間作用位能與原子間距的關系原子間作用位能與原子間距的關系2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY15原子的結(jié)合能原子的結(jié)合能E0原子的結(jié)合能（結(jié)合鍵能）原子的結(jié)合能（結(jié)合鍵能）把兩個原子完全把兩個原子完全分開所作的功。結(jié)合能越大，原子結(jié)合越穩(wěn)定

11、。分開所作的功。結(jié)合能越大，原子結(jié)合越穩(wěn)定。結(jié)合能：測定固體的蒸發(fā)熱。結(jié)合能：測定固體的蒸發(fā)熱。2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY16例題例題 例題例題 計算計算Na+、Cl- 離子對的結(jié)合能離子對的結(jié)合能E0，假設離子半徑分別為：假設離子半徑分別為：r Na+ = 0.095 nm；rCl- 0.181nm。 2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY17結(jié)合鍵類型及鍵能對材料性能的影響結(jié)合鍵類型及鍵能對材料性能的影響1物理性能物理性能 熔點熔點 共價鍵、離子鍵化合物熔點高，金屬的熔點相對較低。共價鍵、離子鍵化合物熔點高，金屬的

12、熔點相對較低。 金屬中過渡族金屬有較高的熔點，特別是難熔金屬金屬中過渡族金屬有較高的熔點，特別是難熔金屬W、Mo、Ta等熔點等熔點更高，起因于內(nèi)殼層電子未充滿，使結(jié)合鍵中有一定比例的共價鍵所致。更高，起因于內(nèi)殼層電子未充滿，使結(jié)合鍵中有一定比例的共價鍵所致。 二次鍵結(jié)合材料，熔點偏。二次鍵結(jié)合材料，熔點偏。 密度密度 金屬鍵的密度高：原子質(zhì)量大，金屬鍵的結(jié)合方式?jīng)]有方向性，金屬原金屬鍵的密度高：原子質(zhì)量大，金屬鍵的結(jié)合方式?jīng)]有方向性，金屬原子子 趨于密集排列，趨于密集排列， 共價結(jié)合時，相鄰原子的個數(shù)要受到共價鍵數(shù)目的限制；共價結(jié)合時，相鄰原子的個數(shù)要受到共價鍵數(shù)目的限制； 離子鍵結(jié)合時，則要

13、滿足正、負離子間電荷平衡的要求，不如金屬密度離子鍵結(jié)合時，則要滿足正、負離子間電荷平衡的要求，不如金屬密度高。高。 二次鍵結(jié)合，分子鏈堆垛不緊密，組成原子的質(zhì)量較小二次鍵結(jié)合，分子鏈堆垛不緊密，組成原子的質(zhì)量較小(C、H、O)，密，密度最低。度最低。 導電性和導熱性導電性和導熱性 金屬鍵具有良好的導電性和導熱性金屬鍵具有良好的導電性和導熱性 ，而由非金屬鍵結(jié)合的陶瓷、聚合物，而由非金屬鍵結(jié)合的陶瓷、聚合物均在固態(tài)下不導電。均在固態(tài)下不導電。2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY182力學性能力學性能結(jié)合鍵能與彈性模量結(jié)合鍵能與彈性模量 共價與離子鍵共價與離子鍵彈

14、性模量高（金剛石：彈性模量高（金剛石：1000 GPa，碳，碳 化物、氧化物、氮化物：化物、氧化物、氮化物：250600 GPa）。）。 金屬鍵金屬鍵彈性模量較低，常用金屬材料的彈性模量約彈性模量較低，常用金屬材料的彈性模量約 70350 GPa。 二次鍵二次鍵聚合物彈性模量低，僅為聚合物彈性模量低，僅為0.73.5GPa。結(jié)合鍵能與強度結(jié)合鍵能與強度 結(jié)合鍵能高，強度高結(jié)合鍵能高，強度高結(jié)合鍵與塑性結(jié)合鍵與塑性 金屬鍵：塑性高；金屬鍵：塑性高； 離子鍵、共價鍵：塑性差。離子鍵、共價鍵：塑性差。2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY19第三節(jié)第三節(jié) 原子排列方式

15、原子排列方式 一、晶體與非晶體一、晶體與非晶體 晶體晶體內(nèi)部原子內(nèi)部原子按某種特定方式在按某種特定方式在三維空間內(nèi)呈周期三維空間內(nèi)呈周期性規(guī)則重復排列性規(guī)則重復排列（原子有序排列）（原子有序排列） 非晶體非晶體內(nèi)部原內(nèi)部原子的排列是無序的，子的排列是無序的，不存在長程的周期不存在長程的周期排列排列 圖圖l-10 二氧化硅結(jié)構(gòu)示意圖二氧化硅結(jié)構(gòu)示意圖a) 晶態(tài)晶態(tài) b) 非晶態(tài)非晶態(tài)2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY20原子排列方式不同所導致的性能差異原子排列方式不同所導致的性能差異 晶體晶體各向異性：晶體由于其空間不同各向異性：晶體由于其空間不同方向上的原子

16、排列特征方向上的原子排列特征 （原子間距及周圍（原子間距及周圍環(huán)境）不同，因而沿著不同方向所測得的環(huán)境）不同，因而沿著不同方向所測得的性能數(shù)據(jù)亦不同性能數(shù)據(jù)亦不同 （如導電性、熱導率、彈（如導電性、熱導率、彈性模量、強度及外表面化學性質(zhì)等）性模量、強度及外表面化學性質(zhì)等） ； 非晶體非晶體各向同性：非晶體在各方向上各向同性：非晶體在各方向上的原子排列可視為相同，因此沿任何方向的原子排列可視為相同，因此沿任何方向測得的性能是一致的。測得的性能是一致的。2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY21圖圖l-11 從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w及非晶體的比體積變化從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w及非晶

17、體的比體積變化2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY22 單晶體單晶體 多晶體多晶體 晶粒晶粒 晶界晶界圖圖1-12 結(jié)晶過程示意圖及相應的多晶體組織結(jié)晶過程示意圖及相應的多晶體組織2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY23二、原子排列的研究方法二、原子排列的研究方法 布拉格定律布拉格定律 波長為波長為 的的X射線以入射線以入射角射角 照射到一組間隔照射到一組間隔為為d的原子面的原子面AA 、BB ，在對稱的反射角在對稱的反射角 位置上，位置上，X射線在各個原子面的光射線在各個原子面的光程差應等于程差應等于 (SQ + QT)，當

18、光程差等于波長的整當光程差等于波長的整數(shù)倍數(shù)倍n 時，這些射線就時，這些射線就可彼此增強：可彼此增強：SQ十十QT 2PQsin n 即即 2dsin n 圖圖1-13 X射線在原子面射線在原子面AA和和BB上的衍射上的衍射2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY24圖圖1-14 X射線衍射分析示意及衍射分布圖射線衍射分析示意及衍射分布圖a) X射線衍射分析示意圖射線衍射分析示意圖 b) SiO2晶體及非晶體的衍射分布圖晶體及非晶體的衍射分布圖2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY25第四節(jié)第四節(jié) 晶體材料的組織晶體材料的組織 實際

19、晶體材料大都是實際晶體材料大都是多晶體多晶體，由很多晶粒所，由很多晶粒所組成。組成。 材料的組織材料的組織各種晶粒的組合特征，即各各種晶粒的組合特征，即各種晶粒的相對量、尺寸大小、形狀及分布等種晶粒的相對量、尺寸大小、形狀及分布等特征。特征。 晶體的組織比原子結(jié)合鍵及原子排列方式更晶體的組織比原子結(jié)合鍵及原子排列方式更易隨成分及加工工藝而變化，是一個影響材易隨成分及加工工藝而變化，是一個影響材料性能的料性能的極為敏感而重要的結(jié)構(gòu)因素極為敏感而重要的結(jié)構(gòu)因素。2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY26一、組織的顯示與觀察一、組織的顯示與觀察圖圖1-15 利用顯微鏡

20、觀察材料的組織利用顯微鏡觀察材料的組織 圖圖l-16 單相組織的兩種晶粒形狀單相組織的兩種晶粒形狀 a) 等軸晶等軸晶 b) 柱狀晶柱狀晶2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY27二、單相組織二、單相組織 單相組織單相組織具有單一相的組織，即所有晶具有單一相的組織，即所有晶粒的化學組成相同，晶體結(jié)構(gòu)也相同。粒的化學組成相同，晶體結(jié)構(gòu)也相同。 固溶體固溶體固態(tài)溶體，能夠溶解其它合金元固態(tài)溶體，能夠溶解其它合金元素。如素。如 -Fe。 等軸晶等軸晶晶粒在空間三維方向上尺寸相當晶粒在空間三維方向上尺寸相當 柱狀晶柱狀晶晶粒在空間某一個方向的尺寸明晶粒在空間某一個方向的

21、尺寸明顯大于其它二維方向。顯大于其它二維方向。 樹枝狀晶樹枝狀晶晶粒的空間形狀類似于樹枝形晶粒的空間形狀類似于樹枝形狀。狀。2022-4-14DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY28三、多相組織三、多相組織 多相組織多相組織由兩個或兩個以上相組成的由兩個或兩個以上相組成的材料，每個相具有不同的成分和晶體結(jié)構(gòu)。材料，每個相具有不同的成分和晶體結(jié)構(gòu)。 多相組織的基本組織形態(tài)多相組織的基本組織形態(tài)圖圖l-17 兩相組織的基本組織形態(tài)兩相組織的基本組織形態(tài)a等軸狀等軸狀 b球狀、點狀、片狀或針狀球狀、點狀、片狀或針狀 c. 晶界上分布晶界上分布2022-4-14DALIAN JIAOT

22、ONG UNIVERSITY29圖圖l-17a：兩個相（或兩種組織單元）的晶粒尺度相當，兩種晶粒各自成：兩個相（或兩種組織單元）的晶粒尺度相當，兩種晶粒各自成為等軸狀，兩者均勻地交替分布，此時合金的力學性能取決于兩個相或為等軸狀，兩者均勻地交替分布，此時合金的力學性能取決于兩個相或兩種組織組成物的相對量及各自的性能，以強度為例，材料的強度兩種組織組成物的相對量及各自的性能，以強度為例，材料的強度 應應等于：等于： = 圖圖l-17 b：彌散強化彌散強化 如果彌散相的硬度明顯高于基體相，則將顯著地提如果彌散相的硬度明顯高于基體相，則將顯著地提高材料的強度，與此同時，塑性與韌性必將下降。增加彌散相

23、的相對量，高材料的強度，與此同時，塑性與韌性必將下降。增加彌散相的相對量，或者在相對量不變的情況下細化彌散相尺寸（即增加彌散相的個數(shù)），或者在相對量不變的情況下細化彌散相尺寸（即增加彌散相的個數(shù)），都會大幅度地提高材料的強度。材料工作者常采取各種措施（如合金化、都會大幅度地提高材料的強度。材料工作者常采取各種措施（如合金化、熱處理等），沿著這一思路改變組織，從而提高材料的強度水平，這種熱處理等），沿著這一思路改變組織，從而提高材料的強度水平，這種強化方法稱為彌散強化。強化方法稱為彌散強化。圖圖1-17c： 第第 二相非連續(xù)地分布于晶界：它對性能的影響并不大；二相非連續(xù)地分布于晶界：它對性能的影響并不大； 第二相連續(xù)分布于晶界并呈網(wǎng)狀：第二相連續(xù)分布于晶界并呈網(wǎng)狀： 當?shù)诙嗪艽鄷r當?shù)诙嗪艽鄷r材料將完全表現(xiàn)為脆性；材料將完全表現(xiàn)為脆性； 第二相的熔點低于材料的熱變形溫度，則熱變形時將由于晶界第二相的熔點低于材料的熱變形溫度，則熱變形時將由于晶界熔化，使晶粒失去聯(lián)系，導致熔化，使晶粒失去聯(lián)系，導致“熱