材料科学基础1第二章ppt课件.ppt

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1、第二章固体材料的结构固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构。原子之间的作用力——结合键与晶体结构密切相关。通过研究固体材料的结构可以最直接、最有效地确定结合键的类型和特征。研究方法：X光、电子、中子衍射——最重要、应用最多固体材料主要包括：金属、合金、非金属、离子晶体、陶瓷利用扫描隧道显微镜已可以直接观察晶体表面的原子排列情况§2-1结合键结合键——原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的物理、化学、力学性质。一切原子之间的结合力都起源于原子核与电子间的静电交互作用（库仑力）

2、。不同的结合键代表了实现8电子层结构（稳定电子结构）的不同方式。一、离子键典型的金属与典型的非金属元素就是通过离子键而化合的。从而形成离子化合物或离子晶体。典型的例子：NaCl特点：离子键的结合能最大，非方向键。离子晶体配位数高，不能发生塑性变形，属于脆性晶体。低温不导电，高温（熔融）离子导电。LiCl结合能：8.63eV/mol，NaCl结合能：7.94eV/mol，熔点：801°CKCl结合能：7.20eV/mol，RbCl结合能：6.90eV/mol，MgO结合能：10.36eV/mol，熔

3、点：2800°C结合能的大小反映在熔点的高低：结合能越大，熔点越高。二、共价键同族元素的原子形成分子或晶体就是共价键方式结合。如：H2，O2，F2，金刚石，SiC等特点：结合能大，空间方向键。H:HO::OF::FJava动画金刚石的共价键示意图SiC的共价键示意图极性共价键非极性共价键金刚石的结合能：7.37eV/mol，熔点：>3350CSi：4.68eV/mol，熔点：1410CGe：3.87eV/mol，熔点：837CSn：3.14eV/mol，熔点：232C三、金属键价电子（自由

4、电子）形成电子气，象万能胶一样将金属正离子粘（吸引）在一起。特点：无方向性，无饱和性，结合力很强。金属晶体发生塑性变形时，不会破坏金属键。因此，金属具有良好的延展性（塑性）。这是金属被广泛使用的重要原因。自由电子使金属具有良好的导电性、导热性。Hg:结合能:0.69eV/mol，熔点：-39CAl:结合能:3.34eV/mol，熔点：660CFe:结合能:4.20eV/mol，熔点：1538CW:结合能:8.80eV/mol，熔点：3410C金属键的结合能与金属的熔点：金属键的结合能越大，

5、金属的熔点越高。四、分子键又称为范德瓦尔斯（VandeWaals）键特点：分子键最弱。极性分子之间存在库仑力，有些非极性分子靠近时会诱导极性，使分子之间有结合力。如：N2,O2,CO,Cl2,Br2,I2等正因为分子键的存在，才会出现常温为气体，低温为液体或固体的现象。Ar：结合能：0.078eV/mol，熔点：-189C，沸点：-186CCl2:结合能：0.321eV/mol，熔点：-101C，沸点：-34C五、氢键含有氢的分子都是通过极性共价键结合，极性分子之间结合成晶体时，通过氢键结

6、合。例如：H2O，HF，NH3等清华教材，P.63表2-3各种结合键的比较NH3：结合能：0.36eV/mol，熔点：-78CH2O:结合能：0.52eV/mol，熔点：-0C需要指出的是，实际晶体不一定只有一种键，至少分子键就普遍存在，但在有某种主键的情况下，其他键可以忽略。§2-2金属原子间的结合能一、原子作用模型固态金属相邻二个原子之间存在两种相互作用：a)相互吸引——自由电子吸引金属正离子，长程力；b)相互排斥——金属正离子之间的相互排斥，短程力。平衡时这二个力相互抵消，原子受力为0，

7、原子处于能量最低状态。此时原子间的距离为r0。三原子作用模型三原子作用模型考虑了B原子同时受到两侧A、C原子的共同作用。此时，B原子处于一个对称的势能谷中，能量更低了。能谷的深浅反映出了原子结合的强弱。能谷越深，则结合能越大，金属键越强。固态金属中的周期势场实际金属晶体中的原子不只受一个或二个原子的作用，而是在周围的空间有许多相邻的原子，因此每一个原子都处于周围原子共同形成的能谷中。二、激活能由于势垒的阻碍作用，相邻的原子不会合并一处，也很难迁移。但是，在足够高的温度下，固态金属中的原子可以改变位

8、置（发生迁移）。条件是，原子必须获得足够高的能量Q（激活能）,才能够越过势垒，跳入相邻的能谷中。原子结合越牢固，势垒则越高，激活能越大，原子越不容易跃迁换位。§2-3合金相结构基本概念合金——由两种或两种以上的金属或金属非金属元素通过化学键结合而组成的具有金属特性的材料。组元、元——组成合金的元素。相——具有相同的成分或连续变化、结构和性能的区域。组织——合金发生转变（反应）的结果，可以包含若干个不同的相，一般只有一到二个相。合金成分表示法：(1)重量（质量）百分数A-B