第一章 材料结构的基本知识

1. 第一章 材料结构的基本知识

2. 材料的性能 内部结构 原子结构 显微组织 原子键合 原子排列

3. 第一节 原子结构 世界上的一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。 • 分子：能单独存在且保持物质化学特性的一种微粒。 • 原子：是元素能够存在的最小单位，是化学变化 中的最小微粒。

4. e =1.6022× 10-19C m质子≈1.67× 10-24g m电子≈9.11× 10-28g 一、电子排布 原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的。

5. 描述原子中电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。描述原子中电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。 主量子数 次量子数 磁量子数 自旋量子数

6. 主量子数n n: 确定电子离核远近和能量高低的主要参数。 n=1、2、3、4… ，可用大写的英文字母Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ表示。

7. ：表示电子在同一量子壳层内所处的能级（也称亚　壳层）。：表示电子在同一量子壳层内所处的能级（也称亚　壳层）。 ＝０、１、２… ｎ－１，可用小写的英文字母ｓ、ｐ、ｄ、ｆ、ｇ表示。 例：当ｎ＝２时，有两个次量数　　　　　　 次量子数 在同一量子壳层里，亚层电子的能量按ｓ、ｐ、ｄ、ｆ、ｇ次序递增。

8. m＝０、±１、±２、±3… ± li，总数为　　　。 例：当 li ＝２时，ｍ＝ ０、± １、± ２，总数为５。 磁量子数ｍ m ：表示每个次量子数的能级数或轨道数。 m确定了轨道的空间取向，ｓ、ｐ、ｄ、ｆ各轨道依次有１、３、５、７种空间取向。 同一亚壳层中，没有外加磁场时，空间取向不同的电子具有相同的能量；有外加磁场时，空间取向不同的电子能量有差别。

9. mｓ＝＋　，－　，表示每个状态下存在两个自旋方mｓ＝＋　，－　，表示每个状态下存在两个自旋方 　向相反的电子。　 自旋量子数ｍｓ mｓ：反映了电子不同的自旋方向。 亚壳层：　　　　ｓ　　ｐ　　ｄ　　ｆ 容纳电子数：　　 2610 14

10. 电子状态图 各壳层电子总数：2n2

11. 核外电子的排布规律 　泡利不相容原理：一个原子中不可能存在有四个　　量子数完全相同的两个电子。 • 　最低能量原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。 • Hund（洪特）规则：在同一亚层中的各个能级中电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。

12. 例题 试根据核外电子排布的规律，写出钠（Na）原子及钙（Ca）原子的电子排列方式。 确定电子能量水平的主要因素是主量子数和次量子数。 钠原子电子排列为： 1s２2s２2p６3s１ 钙原子电子排列为：1s２2s２2p６3s23p64s2

13. 根据量子力学，各个壳层的ｓ态和ｐ态中电子的充满程度对该壳层的能量水平起着重要的作用。根据量子力学，各个壳层的ｓ态和ｐ态中电子的充满程度对该壳层的能量水平起着重要的作用。 • 　若壳层的ｓ态和ｐ态被填满，则壳层的能量最低，电子极为稳定，这样的元素称为惰性元素。 • 　若最外壳层上的ｓ态和ｐ态未被填满，则电子的　　能量较高，性质活泼，这些电子称为价电子。

14. 二、元素周期表及性能周期性变化 概念 • 元素：具有相同的核电荷数（质子数）的同一类原子，共118种。 • 元素的原子序数：等于原子核中的质子数或核外电子数。每种元素均与一定的原子序数相对应。 • 元素周期律：元素的外层电子结构随着原子序数递增而呈周期性变化的规律。 • 元素周期表：所有元素按相对原子质量及电子分布方式排列成的表。

15. The periodic table

16. 7个横行为周期，同一周期的原子核外的电子壳层数相同，按原子序数递增的顺序从左至右排列。7个横行为周期，同一周期的原子核外的电子壳层数相同，按原子序数递增的顺序从左至右排列。 18个纵行为族，共16个族，7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族。同一族原子最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。 周期表的分析 • 周期序数＝电子壳层数； • 主族序数＝最外层电子数； • 零族元素最外层电子数为8．

17. 金属性↓，非金属性↑ 电子层数↑，原子半径↑ 上 下 同主族元素： 核电荷数↑，原子半径↓ 同周期元素： 左 右 电离能↓，失电子能力↑，得电子能力↓ 金属性↑，非金属性↓ 电离能↑，失电子能力↓，得电子能力↑

18. 结合键：不同的离子、原子或分子相互结合在一起的　　　　 作用力。 离子键 一次键 共价键 金属键 结合键 范德瓦耳斯键 二次键 氢键 混合键 • 一次键: 通过外层轨道电子的转移或共享，在相邻原子间形成的强键。 • 二次键: 在原子和分子间，由诱导或永久电偶极子相互作用产生的一种副键。 第二节　原子结合键

19. 离子键 • 定义：正、负离子间通过静电吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。 • 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，且无方向性，无饱和性。 多数盐类、碱类和金属氧化物 • 性质：熔点和硬度均较高，脆性大，导电、导热性差

20. 共价键 • 定义：原子之间以共用电子对的形式形成稳定结构，这种由共用电子对所产生的结合键称为共价键。 • 特点：有饱和性（8-N）、方向性（s电子除外），配位数较小 。 亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料 • 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差。

21. 金属键 • 定义：金属中自由电子与正离子之间相互吸引而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。

22. 范德瓦耳斯键 • 定义：借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用将原来具有稳定原子结构的原子或分子结合为一体的键合。 • 特点：键能较低，稳定性差。

23. 氢键 • 定义：靠原子的偶极吸引力，由氢原子同时与两个电负性很大的原子相结合而产生的键合。 • 特点：介于化学键与物理键之间，具有饱和性。 存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位 二次键性质：熔点低，硬度差，热膨胀系数高，绝缘性良好。

24. 混合键 • 类型： a.金属键—共价键 Ⅳ族的Si、Ge、Sn元素 过渡族元素 b.金属键—离子键 金属间化合物（CuGe） c.离子键—共价键 陶瓷 d.两种类型键独立存在 石墨

25. 价键四面体

26. 离子结合键 离子键比例的确定 • 鲍林公式：用来确定化合物AB中离子键结合 的相对值。 XA、XB分别为化合物A、B的电负性值。

27. 解：（1）MgO XMg=1.31; XO=3.44 离子结合比例 （2）GaAs XGa=1.81; XAs=2.18 离子结合键 离子结合比例 例题：计算化合物（1）MgO；（2）GaAs中离子键结 合的比例。

28. 力学角度： 原子间的结合源于原子间的吸引力和排斥力。 结合键的本质及原子间距 r0—原子的平均距离。

29. 能量角度 前提是物理学中力（F）和能量（E）之间存在如下关系：

30. 原子结合能E0：平衡距离下两原子间的作用能，等于将 两个原子完全分开所需作的功。 E0 ，原子结合稳定 。 离子键、共价键E0最大； 金属键E0次之，其中过渡族元素E0相对较大； 氢键E0稍高； 范德瓦耳斯键E0最小。

31. a.熔点共价键、离子键较高；金属键次之；二次键最低a.熔点共价键、离子键较高；金属键次之；二次键最低 b.密度金属键最高， 共价键、离子键次之，二次键最低 c.导电、导热性 金属键有；非金属键没有 a. 弹性模量E 结合键与性能 1. 物理性能 2. 力学性能 物理意义：材料发生单位弹性变形所需的应力。E越大，应变越 不易进行，应变越小。

32. 影响弹性模量的主要因素：结合键能。 结合键能越大，E越大。 b.强度结合键 ，强度 。 共价键最高 金属键次之 二次键最低 c.塑性金属键较好，共价键、离子键次之。

33. 第三节 原子排列方式 如果不考虑材料的结构缺陷，质点的排列可分为三个等级:无序、短程有序和长程有序。

34. 一、晶体与非晶体 固体材料根据原子（原子团、分子）的排列方式分为两大类：晶体与非晶体。 晶体：原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则排列。 非晶体：原子的排列是无序的，即不存在长程的周期排列。

35. 晶体的特点： • 原子排列有序 • 具有各向异性 • 有固定的熔点 • 有结构的变化，凝固过程分形核和生长两阶段，有体积突变。

36. 晶体的结晶过程 金属与合金，大部分陶瓷（氧化物、碳化物、氮化物）以及少数高分子材料为晶体。

37. 非晶体特点： • 原子排列无序 • 具有各向同性 • 没有固定的熔点 • 凝固过程是液体的简单冷却，无体积突变。 多数高分子材料及玻璃等原子或分子结构较复杂的材料为非晶体，其中玻璃是典型。

38. 晶体与非晶体的冷却过程

39. X射线衍射分析法 电子束衍射分析法 方法 二、原子排列的研究方法 布拉格定律

40. 晶体与非晶体衍射峰的差别： 晶体：有明显的、尖锐的峰值。 非晶体：峰值不明显。 只要满足布拉格方程便可以发生原子衍射，从原子衍射图中，根据衍射峰的形状及强度就可以判断原子的特征。

41. 第四节 晶体材料的组织 材料的组织：各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分 布等特征。 一、组织的显示与观察 宏观组织：用肉眼观察 显微组织：用金相或电子显微镜观察。

42. 纯组元：纯Fe、纯Al、纯Al2O3等。 2.类型 单相固溶体 晶粒尺寸 3.描述参数 等轴晶 晶粒形状 柱状晶 二、单相组织 1.定义：具有单一相的组织为单相组织，即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。

43. 三、多相组织 1.定义：具有两种或两种以上相的组织，每个相具有不同的成分和晶体结构。 2.典型的两种合金组织 两种相晶粒尺寸相当，均呈等轴状，交替分布。 合金力学性能取决于两个相组成物的相对含量及各自的性能。 如：材料的强度

44. 两种相晶粒尺寸相差较大 a.尺寸较小的相以球状、点状、片状或针状弥散分布于另一相基体中。

45. 非连续分布：对合金性能影响不大 第二相很脆，材料表现脆性 连续分布，呈网状: 第二相熔点低，材料出现“热脆性” 综上所述： 所谓组织是指材料中两个相（或多相）的体积分数为多少，各个相的尺寸、形状及分布特征如何。 b.第二相分布于基体相的晶界上。

46. 第五节　材料的稳态结构及亚稳态结构 稳态结构：材料处于能量最低时的结构—平衡态结构 非稳态结构：材料处于能量较高时的结构—亚稳态结构 材料处于什么样的结构是由结构形成的热力学条件及动力学条件决定的。

47. 等温等容：亥姆霍兹自由能Ａ＝Ｕ－ＴＳ 等温等压：吉布斯自由能Ｇ＝Ｈ－ＴＳ ΔＡＴ，Ｖ，<０，过程自发进行 ΔＧＴ，Ｐ，<０，过程自发进行 结构转变的推动力 一、热力学条件 • 1.实质：是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行。 • 2.描述方法：自由能 • 3.热力学第二定律 ΔＡ、 ΔＧ的绝对值越大，自发转变过程越容易进行。

48. 自发转变过程中，原子始态 能量与激活态能量的差值。 结构转变的阻力 二、动力学条件 • 1.实质：转变进行时的反应速度。 • 2.阿累尼乌斯（Arhennius）方程 激活能Q：

49. 三、转变过程影响因素 1.阻力 a.阻力较小，热力学条件起主要作用，得到稳态结构。 b.阻力较大，动力学条件起支配作用，得到亚稳态结构。 亚稳态结构常温下可以长期稳定存在，当原子有足够活动能力时，可以转变为稳态结构。 2.外界条件 温度、压力、冷却速度等通过改变热力学条件和动力学条件而间接地影响内部结构的转变。