1、材料科学基础第一章原子的结构与键合第一章原子的结构与键合决定材料性质最为本质的内在因素：.组成材料各元素的原子结构；,原子间的相互作用，相互结合 ;I原子或分子在空间的排列及运动规律，原子集合体的形貌特征物质是由原子组成-材料科学中，最为关心原子的电子结构原子的电子结构 一原子间键合本质决定材料分类：金属 陶瓷 高分子材料性能：物 化 力学1.金属键(metallic bond) 自由电子 金属正离子间特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。可以解释金属的一些特征，如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光泽，正的 电阻温度系数。2.离子键(ionic bond) 金属正离子
2、 非金属负离子之间特点：以离子为结合单位， 结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素， 有较高的配位数，无方向性。可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。3.共价键(covalent bond) 两个或多个原子间共用电子对特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向性，配位数较小、各键间都有确定方位。可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。4.氢键(hydroge n bond)5.范德华力(Van Der Waals force)金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键陶
3、瓷化合物中出现离子键和金属键的混合一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键 1 原子结构 (Atomic Structure )1.1、物质的组成(Substanee Construction)分子(Molecule):单独存在且能保存物质化学特性dH2O=0.2nm M(H2)为 2 M(protein)为百万原子(Atom): 化学变化中最小微粒近代科学实验证明：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。原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为 10-15m数量级。然而，原子的
4、质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子的质量大致为 1.67X10-24g,而电子的质量约为9.11X10- g,仅为质子的1/1836。描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数( qua ntum nu mbers) 表示(1)主量子数n：它规定了核外电子离核的远近和能量的高低。 n取正整数1，2，3，4等。n值越大，表示电子离原子核越远，能量越高。反之 n越小，则电子离核越近，能量越低。这也相当于把核外电子分为不同的电子层， 凡n相同的电子属于同一层。 习惯用K,L,M,N,O,P来代表n=1 , 2,3,4, 5, 6的电子层。(2) 轨道角动量量子数li描述的是电子在原子核
5、外出现的几率密度随空间角度的变化，即决定原子轨道或电子云的形状。li可取小于n的正整数，即0, 1，2， ，n-1,如n=4，l可以是0, 1，2，3,相应的符号是 s,p,d,f当n相同时，li越大，电子的能量越高。因此，常把 n相同，li不同的状态称为电子亚层，一个电子层可以分为几个亚层。(3)磁量子数Mi规定电子运动状态在空间伸展的取向。 m的数值可取0，1 ，翌，1对某个运动状态可有 2i+1个伸展方向。s轨道的1=0,所以只有一种取向，它是球对称的。P轨道i=1,m=-1,0,+1,所以有三种取向，用px,py,和pz表示。(4) 自旋角动量量子数 si电子除绕原子核运动外，它本身还
6、做自旋运动。电子自旋运动有顺时针和逆时针两个方向，分别用 si=+1/2和si =-1/2表示，也常用1和xl符号表示自旋方向相反的电子。小结：四个量子数规定了核外电子的运动状态，每个电子都可以用上述的四个量子数的一套数据来描述其运动状态 (对应着一个波函数)，同一原子中没有四个量子数完全相同的电子。换句话说，在同一原子中的各个电子，它 们的运动状态不可能完全相同，即四个量子数中至少有一个量子数是不同的。四个量子数的意义：电子运动状态量子数意义作用轨道运动状态主量子数 n轨道”半径大小决定电子层”角量子数li轨道”形状决定电子亚层”磁量子数 Mi轨道”的取向决定电子轨道”自旋运动状态自旋量子数
7、 si电子自旋方向决定轨道电子数核外电子的排布(electron configuration)规律(1)能量最低原理：多电子原子处在基态时，核外电子的分布在不违反泡利原理的前提下，总是尽先分布在能量 较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。(2)Pauli不相容原理：在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。每一个轨道内最多只能容纳两 个自旋方向相反的电子。(3) Hund规则：原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时, 将尽可能单独分布在不同的轨道， 而且自旋方向相同(或 称自旋平行)。元素周期表(periodic Table of the Elements)具有相同核电荷数的同一类原
8、子为一种元素。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了 那个元素的原子结构和一定的性质。探 2 原子间的键合 (Bonding type with other atom)金属键(Metallic bonding )化学键(Chemical bonding ) 离子键(Ionic bonding ) 主价键primary interatomic bonds共价键(covalent bonding )物理键(physical bonding), 次价键(Secondary bond ing)，亦称 Van der Waals bonding氢
9、键(Hydrogen - bondin g)介于化学键和范德华力之间一、 金属键(Metallic bon di ng )典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子( vale nee electron )极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子(Free electron)，形成电子云(electron cloud )金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好二、 离子键(Io nic bon di ng)(多数盐类、碱类和金属氧化物)特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方
10、向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体三、 共价键(covale nt bonding)亚金属(C、Si、Sn、Ge)，聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成极性(Po I ar bond Mg):共用电子天侷于某成健廉子 非极性肆(Nonpolar bond i ng):位于斤成锻嫌子中间特点：饱和性 配位数较小，方向性(s电子除外)性质：熔点高、质硬脆、导电能力差四、 范德华力(Van der waals bon di ng)近邻原子相互作用t电荷位移t偶极子(dipoles )电偶极矩的感应作用 范德华力包括：静电力(electrost
11、atic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质五、 氢键(Hydrogen bonding )极性分子键，存在于 HF、H20、NH3中，在高分子中占重要地位，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有 (共价键结合)，裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引 一一氢桥介于化学键与物理键之间，具有饱和性 3 高分子链(High polymer Chain)由于高分子材料的相对分子质量可高达几十万甚至上百万，所包含的结构单元可能不止一种，每一种结构单元 又具有不同构型，而且结构单元之间可能有不同键接方式与序列，
12、故高分子的结构相当复杂。高分子结构包括高分子键结构和聚集态结构两方面。 键结构又分近程结构和远程结构。近程结构属于化学结构,又称一次结构，是指大分子链中原子的类型和排列，结构单元的键接顺序、支化、交联以及取代基在空间的排布规 律等。远程结构又称二次结构，是指高分子的大小与形态，键的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。第二章 固体结构概述：物质按聚集状态分类：气态、液态和固态按原子或分子排列规律性分：晶体( crystal)和非晶体(non crystal)晶体与非晶体的区别：1原子规排：晶体中原子(分子或离子)在三维空间呈周期性重复排列， 而非晶体的原子无规则排列的。2熔点：晶体具有固定的熔
13、点，非晶体无固定的熔点，液固转变是在一定温度范围内进行。3性能：晶体具有各向异性(an isotropy)，非晶体为各向同性。绝大部分陶瓷、少数高分子材料、金属及合金是晶体；多数高分子材料、玻璃及结构复杂材料是非晶体。2.1晶体学基础2.1.1空间点阵与晶胞阵点:将理想晶体中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点。点阵(lattice)：晶体中描述质点规则排列的空间格架(即阵列)称为空间点阵，简称点阵。空间格子(space lattice):用平行直线将所有阵点连接所形成的三维几何格架称为空间格子。晶胞(cell)：从晶格中选取一个能完全反映晶格特征的基本单元作为点阵的组成单元，这种
14、最小的几何单元 称晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成空间点阵晶胞大小和形状表示方法 - 晶胞大小和形状表示方法为：晶胞的棱边长度a、b、c(称为点阵常数、晶格常数 (lattice con sta nts/parameters);棱边的夹角为a、丫(称为晶轴间夹角)。 选取晶胞的原则：1、 应反映出点阵的高度对称性2、 棱和角相等的数目最多3、 棱边夹角为直角时，直角数目最多4、 晶胞体积最小 空间点阵类型-根据6个参数间相关系可将全部空间点阵归为七大类，十四种(称为布拉菲点阵) 。晶系和点阵类型如表2.2(P.21)所示(十四种空间格子) 晶体结构和空间点阵的区别：空间点阵(space la
15、ttice):质点排列的几何学抽象只有14种类型晶体结构(crystal structure):实际质点的排列是无限的七大晶系和十四种空间格子 -七大晶系：1.三斜晶系 (tricli nic system) : a 丰 bca3*Y* 90 2.单斜晶系(monoclinic system ) : a 丰 b 专 ca =丫 =90 *33.正交(斜方)晶系 (orthogo nal system ) : a 丰 b 专 ca = 3 = y = 90 4.四 (正)方晶系(tetragonal system )： a=b 工,c a =3 = y =905.立方晶系 (cubic syst
16、em ): a=b=c, a =3 = y =90 6六方晶系(hexagonal system )： a=b * ,c a =3 =90。丫 =120 7.菱形晶系 (rhombohedral system) : a=b=c, a =3 = y* 90 十四种空间格子：2.1.2晶向指数和晶面指数晶面(crystal plane) 晶体结构一系列原子所构成的平面。晶向(crystal directions ) 通过晶体中任意两个原子中心连成直线来表示晶体结构的空间的各个方向。晶向指数(indices of directions)和晶面指数(indices of crystal - plane
17、)是分别表示晶向和晶面的符号，国际上用M iller 指数(M iller in dices )来统一标定。1.立方晶系中晶向指数 -确定立方晶系(cubic crystal systems)晶向指数uvw 的步骤如下：(1)设坐标一以晶胞的某一阵点为原点建立坐标系。(2)求坐标-过原点作一直线 0P，使其平行于待定晶向。(3)化整数一将3个坐标值化为最小整数 u, v, w。(4)列括号-uvw，若晶向上一坐标值为负值则在指数上加一负号。晶向指数还有如下规律：(1)某一晶向指数代表一组在空间相互平行且方向一致的所有晶向。(2)若晶向所指的方向相反，则晶向数字相同符号相反。(3)有些晶向在空间
18、位向不同，但晶向原子排列相同，这些晶向可归为一个晶向族 (crystal directio n group),用uvw表示。如111晶向族包括111、T11、1T1、11T、TT1、1TT、T1T、TTT ; 100晶 向族包括100、010、001、T00、0T0、00T。(4)同一晶向族中晶向上原子排列因对称关系而等同。晶族 (crystal group)2立方晶系中晶面指数 -确定立方晶系(cubic crystal systems)晶面指数(hkl )的步骤如下 ：(1)设坐标：原点设在待求晶面以外。(2)求截距：求晶面在三个轴上的截距。(3)取倒数(4) 化整数：h、k、l(5) 加
19、括号：(hkl )，如果所求晶面在晶轴上截距为负数则在指数上加一负号。晶面指数还有如下规律：(1)某一晶面指数代表了在原点同一侧的一组想互平行且无限大的晶面。(2)若晶面指数相同，但正负符号相反，则两晶面是以原点为对称中心， 且相互平行的晶面。女口 (110)和(TT0)互相平行。(3)凡晶面间距和晶面上原子分布完全相同， 只是空间取向不同的晶面， 可归为同一晶面族(crystal plane group )，用hkl表示。如100包括(100)、(010)、(001 )、(T00 )、(0T0 )、( 00T)。(4) 在立方结构中若晶面指数和晶向指数的指数和符号相同，则该晶向与晶面必定是互
20、相垂直。如： 111丄 (111)、110丄(110)、100丄(100)。3六方晶系的晶向和晶面指数 -确定步骤和立方晶系一样，但一般在标定六方结构的晶向指数时选择四个坐标轴： a1、a2、a3、c其中a1、a2、a3处于同一底面上，且它们之间夹角为 120 、C轴垂直于底面。则有：晶面指数(hkil)其中i=- (h+k)晶向指数uvtw其中t=- (u+v)4晶带晶带(zone):所有平行或相交于同一直线的晶面成一个晶带。晶带定理(zone law):同一晶带上晶带轴uvw和晶带面(hkl)之间存在以下关系：hu+kv+lw=0通过晶带定理可以求晶向指数或晶面指数。a)两不平行的晶面(h
21、1k1l1 )和(h2k2l2 )的晶带轴uvw为2.4式(P22)。b)二晶向所决定(u1v1w1 )和(u2v2w2 )的晶面为 2.5式(P22)。5.晶面间距晶面间距一一晶面指数为(hkl )的晶面相邻两个晶面之间距离，用 dhkl表示。低指数的晶面面间距较大， 高指数的则较小。面间距越大，该面上原子排列愈密集，否则越疏。晶面间距可根据一些几何关系(如图 2.16)求得公式2.7 (P23)式中h、k、l为晶面指数(hkl) ，a、b、c为点阵常数，a、B、丫为晶面法线方向与晶轴夹角。在2.7式中只要求出 cos2 a + cos2 3 + cos2 丫之值，即可求 dhkl。正交晶帝
22、正交晶系晶面间距的计算公式为 2.8式（P24）立方晶系中a=b=c，其晶面间距的计算公式为 2.9式（P24）六方晶系晶面间距的计算公式为 2.10式（P24）上述晶面间距的计算公式只适应简单晶胞。复杂晶胞由于中心型原子的存在而使晶面层数增加，应根据具体 情况对上述计算公式进行修正。两点阵平面（hlklll）和 （h2k2l2）法线之间夹角B：正宁直弔立片氐不AS BB 酉2.1.3晶体的对称性（本部分了解）1、 对称元（要）素 （symmety elements）。晶体的对称性（symmety）晶体中存在着或可分割成若干相同部分，这些部分借助于假想的点、线、 面而重复排列。假想的点、线、面
23、称为对称元（要）素 （symmety eleme nts）。1） .宏观对称元素回转对称轴对称面对称中心回转一反演轴2） .微观对称元素滑动面螺旋轴2.32 种点群（space group、point group）参考表 2.4 （ P26）2.1.4极射投影（本部分了解） 本节的基本要求一、 需掌握的概念和术语：1.晶体与非晶体的区别2.空间点阵、晶格、晶胞、晶系（七个） ，布拉菲点阵（14种）3.晶面指数、晶向指数、晶面间距4求晶面间距d （ hkl ）、晶面夹角、掌握晶带定理二、 几个常用的公式1.指数相同的晶向和晶面必然垂直。如 111丄（111）2.当一晶向uvw位于或平行某一晶面（
24、hkl）时，贝U必然满足：h u+k v+l w=03.晶面间距：d(hkl)的求法22金属的晶体结构金属在固态下一般都是晶体。决定晶体结构的内在因素是原子，离子，分子间键合的类型及键的强弱。金属 晶体是以金属键结合，其晶体结构比较简单 ，常见的有：心立方结构 A1 或 fcc(face centered cubic)立方晶系 (AI,Cu,Ni, 丫 -Fe,Au,Ag)体心立方结构 A2 或 bcc (body-centered cubic)立方晶系 (Cr,V,Mo, a -Fe,Nb,W, 3 -Ti) 密排六方结构 A3 或 hcp(hexagonalclose-packed)六方晶
25、系 (Mg,Zn,Re, a -Ti)2.2.1三种典型金属晶体结构对晶胞的描述包括一下几个方面：晶胞中原子的排列方式(原子所处的位置)点阵参数(晶格常数和晶轴间夹角)晶胞中原子数原子半径 R(原子的半径)(和点阵常数关系)配位数(coordinative number)和致密度密排方向和密排面晶体结构中的间隙 (大小和数量)原子的堆垛方式配位数(CN):是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数面心立方结构(12)体心立方结构(8) (8+6)(见课本P.38表2.7表注)密排六方结构(12) ( 6+6)(见课本P.38表2.7表注)致密度(K):是指晶体结构中原子体积占总体积的百分
26、比。如以一个晶胞来计算，则致密度就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比值，即 K=n v /V体心：0.68 面心： 0.74 六方：0.74三种典型金属晶格密排面的堆垛方式1.面心立方结构(特征)晶胞中原子排列：在立方体的八个顶角和六个面的面心各有一个原子。点阵参数:a=b=c; a =3 = y =90o晶胞中原子数：n=8 X 1/8 + 6X 1/2=4个原子半径 R :原子半径-两个相互接触的原子中心距离一半配位数与致密度：配位数 CN=12 致密度：k=0.74间隙有两种：四面体间隙和八面体间隙，如图 2.32八面体间隙（有八面的空隙）位于晶胞体中心和每个棱边的中点，由 6个面心原子所围
27、成，大小rB=0.414R，rB为间隙半径，R为原子半径，间隙数量为 4个。四面体间隙（有四面的 interstice）由一个顶点原子和三个面心原子围成，其大小： rB=0.225R，间隙数量为8个。堆垛方式：ABCABC或ACBACB的顺序堆垛 具有面心结构金属：丫 Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag等。2体心立方晶格（特征）原子排列：晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个原子点阵参数:a=b=c, a = 3 = y =90o晶胞中原子数:n=8 X 1/8 +仁2个原子半径：L 34R 3a,R a4配位数和致密度：配位数： CN=8 致密度：k=0.68间隙：也是两种，为八面体和四面体间隙，如
28、图 2.33八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共 6个原围成，即数量为 6。大小为 rB=0.154R（在 100）或 rB=0.633R（在110）。四面体间隙由两个体心原子和两个顶角原子所围成大小 rB=0.291R,有12个。堆垛方式：ABABAB的顺序堆垛bcc 结构金属：a Fe、3 Fe、Cr、Mo、W、V 等3密排六方晶格（特征）原子排列：正六棱柱体12个顶角和上下底中心各有一个原子，正六棱柱体中心有三个原子点阵参数:a1=a2=a3丰c,a =3 =90o，丫 =120o晶胞中原子数：n=12 X 1/6 + 2X 1/2+ 3
29、=6个原子半径:2R=a R=a/2配位数和致密度 配位数： CN=12 致密度：K=0.74间隙：较为复杂，如图2.34八面体间隙rB=0.414R 有6个四面体间隙rB=0.225R 有12个堆垛方式：ABABAB顺序堆垛hcp结构金属有:Mg、Zn、Be、Cd等2.2.2多晶型性多晶型性指某些金属在不同温度和压力下具有不同的晶体结构。多晶型性转变指金属在外部条件 （如T和P）改变时，其内部从一种晶体结构向另一种晶体结构的转变 ，又称同素异构（同素异性）转变例如纯铁：1394 C 912 CFe （bcc） Fe（ fcc） Fe（bcc）2.2.3晶体的各向异性各向异性：由于在不同方向上
30、的原子排列的紧密程度不同使晶体在不同方向上的物理、 化学和力学性能不同。而一般整个晶体不显示各向异性，称为伪等向性。晶粒：组成晶体的结晶颗粒。多晶体：凡由两颗以上晶粒组成的晶体一般金属都是多晶体。 。本节的基本要求 需掌握如下的概念和术语：各向同性与各向异性；同素异构转变(重结晶)三种典型晶体结构的特征(包括：晶胞形状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位数、致密度、各类间 隙尺寸与个数，最密排面(滑移面)和最密排方向的指数与个数，滑移系数目等) 。多晶体与单晶体、晶粒、晶界2.3合金相结构概述1.合金 (alloy)-两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。组元-组成合金的基本单元。(如一元、二元、三元合金 )。组元可以是金属和非金属 ，也可以是化合物2.组织(structure)-材料中的直观形貌，可以用肉眼观察到，也可以借助于放大镜、显微镜观察到的微观形貌。分为：宏观组织：肉眼或是30倍放大镜所呈现的形貌；显微组织 ：显微镜观察而呈现的形貌。3.相(phase)-合金中具有同一聚集状态，同一化学成分、同一晶体结构和性质并以
