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第三章 材料的原子结构和原子间的结合键

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2020山东理工大学硕士考试大纲之机械学院918材料科学基础

2020山东理工大学硕士考试大纲之机械学院918材料科学基础
五、固态扩散
扩散第一和第二定律，两个扩散方程在实际中的运用，扩散的驱动力，扩散机制，扩散的热力学解释，扩散距离与时间的关系，晶体缺陷在扩散中的作用，绘制，二元相图的分类，匀晶、共晶和包晶相图的特点，杠杆定律及其在两相平衡共存时相对组成的计算，复杂相图分析，相图的热力学解释，铁碳平衡相图，平衡相图在材料加工工艺和力学性能预测方面的作用等。
机械工程学院硕士研究生招生考试
考试大纲
科目代码：918科目名称：材料科学基础A
考试范围：
一、材料的结构
原子结构，原子间的结合键，原子的排列方式，晶体结构，典型金属晶体结构，晶体中晶向和晶面的表达，原子的堆垛方式，致密度以及晶体中的间隙位置等；
二、各种相及性能特点
合金的概念，固溶体和中间相的概念，固溶体的分类，影响固溶度的因素，固溶体的性能特点，中间相的分类，各种中间相的结构及性能特点等；
三、晶体缺陷
晶体缺陷的分类，点缺陷与材料行为的关系，点缺陷的平衡浓度概念及其热力学解释，位错的分类及其几何模型，柏氏回路和柏氏矢量的概念，位错与塑性变形的关系，位错的易动性，位错的运动方式；位错的线张力和弹性性质，位错反应，实际晶体中的常见位错类型，层错等。
四、金属的塑性变形，回复和再结晶
塑性变形的基本方式，滑移的分类及概念，施密特定律，滑移与孪生之间的关系，金属冷变形后组织和性能变化，变形金属加热后回复、再结晶和晶粒长大各个阶段的组织和性能特点，回复和再结晶机制，回复和再结晶的热力学和动力学条件，热加工的特点，晶粒长大驱动力及长大机制等。
七、合金的凝固与相变
纯金属凝固（结晶）的特点，结晶的过程，结晶的条件，均匀形核和非均匀形核，形核功和临界形核尺寸，晶体长大方式；固溶体凝固的特点，凝固过程溶质分布方程，成分过冷的概念；凝固理论的应用：单晶和非晶的制备方法，合金的提纯工艺等。

原子结构和晶体结构

原子结构和晶体结构
Lan Yu
角量子数ｌ
azimuthal quantum number
the quantum number for orbital angular momentum
l＝0, １，２，３，４…（n-1） s, p, d, f, g....
磁量子数 m
magnetic quantum number the orbital magnetic moment
The periodic table
IA
碱金属
碱土金属 过渡元素
0
1 H IIA 2 Li Be
主族金属
非金属
稀有气体
轻稀土金属 重稀土金属 贵金属
IIIA
IVA
VA
VIA
VII A
He
B C N O F Ne
3 Na Mg IIB IVB VB
VIB
VIIB VIIB
IB
IIB Al Si P S Cl Ar
n= 1 2 3 4 电子层符号 K L M N
2 8 18 32 各层最多容纳2n2个电子
(2). 能量最低原理
处于基态的多电子原子，在不违背Pauli不相容原理的情 况下，核外电子总是优先占据能量最低的轨道，然后依次进 入能级较高的轨道，使整个原子体系处于最低的能量状态。
(3). 洪特规则 电子在同一亚层能量相同的等价轨道上排布时，总是尽 可能分占不同的轨道，并且自旋方向相同。
3.2 Interatomic bonding
原子间的结合键
结合键: 原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小, 决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。
结合力/键起源于原子核和电子间的静电交互作用/库仑力 外层电子/价电子围绕各原子核的分布。

第一部分 材料结构的基本知识

第一部分 材料结构的基本知识

第一部分材料引言材料的结构分四个层次：原子结构、原子结合键、材料中原子的排列、晶体材料的显微组织。

1.1 原子结构(atomic structure)◆物质的组成：物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体。

◆原子结构：原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。

一、原子的电子排列原子是由原子核及其核外电子构成的，电子绕着原子核在一定的轨道上旋转。

电子运动的轨道由四个量子数(quantum number)决定的：主量子数n（电子层）、轨道量子数l（电子亚壳层）、磁量子数m（轨道数）、自旋角动量量子数ms（自旋方向）。

核外电子的分布与四个量子数有关，且服从两个基本原理：(1)Pauli不相容原理(Pauli principle) ：一个原子中不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。

(1)能量最低原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低能量状态。

二、元素周期表及性能的周期性变化1.2 原子间的结合键(binding bond)按结合力大小分为一次键和二次键两类。

一次键（化学键或主价键）：金属键、离子键、共价键二次键（物理键或次价键）：范德华键、氢键一、一次键（化学键、主价键）1.金属键(metallic bond)特点：电子共有化,没有方向性和饱和性。

特性：(1)良好的导电、导热性；(1)正的电阻温度系数；(3)不透明，具有金属光泽；(4)具有较高的强度和良好的塑性；(5)金属之间的溶解性(固溶能力)。

2.离子键(ionic bond)特点：结合力较强；硬度、熔点高；绝缘；有饱和性而没有方向性。

3.共价键(covalent bond)特点：(1)结合极为牢固(1)有明显的方向性、饱和性(3)结构稳定(4)熔点高(5)硬而脆二、二次键（物理键、次价键）靠原子之间的偶极吸引力结合而成1.范德华键特点：(1)没有方向性、饱和性(1)键力低于一次键。

材料的原子结构和原子间的结合键

材料的原子结构和原子间的结合键

第二节 原子间作用力和结合能
学习目标：
1.掌握原子的聚集态分类； 2.了解原子间作用力和结合能。
原子的聚集态
一、原子的聚集态：
除了在某些特殊条件下之外，元素难得以原子态 存在，基本上均以分子或液态及固态存在，后二者统 称为凝聚态。 根据结合键的不同状态，可把凝聚态分成五大类： 液体、液晶、橡胶态、玻璃态和晶态。
金属键
三、金属键
正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部 离子结合起来，这种结合力就叫做金属键。由金属键 结合起来的晶体为金属晶体。 由于存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性， 自由电子能吸收光波能量，产生跃迁，从而表现出有 金属光泽、不透明。 另外，金属键无所谓的饱和性和方向性。
分子健（范德瓦尔斯力）
材料科学与工程导论
2019/2/5
第三章
材料的原子结构和原子间 的结合键
2019/2/5
材料的原子结构和原子间的结合键
内容简介：
本章主要讲述了各种材料的原子结构 和原子特性，并介绍了原子间结合键 种类及材料的分类。Fra bibliotek本章重点：
3.1 材料结构和原子特性； 3.3 原子间的结合键；
2019/2/5
概述
原子特性——量子力学基本概念 (二)量子力学几个基本概念 1．微观粒子的波粒两象性 2．海森堡测不准原理
原子特征—核外电子
（三）核外电子
电子在原子中的运动状态是由主量子数、 角量子数、磁量子数和自旋量子数，对应着一 个特定的波函数ψ。在多电子的原子中，电子 的分布必须遵守泡利不相容原理、能量最低原 理和最多轨道原理（洪特规则）。
第四节 原子间结合键与材料类型及性质 学习目标：
1.了解原子间结合键与材料类型的关系； 2.了解原子间结合键与材料性质的关系。

第三章 原子结构与结合键

第三章 原子结构与结合键
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一、原子结构的量子理论
表3-1 各电子壳层及亚壳层的电子状态
第二节 结合键的类型 一、金属键
二、离子键
三、共价键 四、分子键 五、氢键 六、混合键
四、分子键
图3-3 聚氯乙烯内部结合键
五、氢键
图3-������ 4 冰中水分子排列与氢键a)每一个氧原子以氢键与其他水分子中的两个氢原子相连接 b)冰的六方对称性
一、 结合键的本质
图3-������
6 原子间结合力性质的模拟
二、结合键的性质与材料性能 1.力学性能 结合键类型对材料的弹性模量影响较为明显。
2.物理性能 材料的密度与结合键的类型也有关。
六、混合键
表3-2 元素的电负性
六、混合键
表3-3 某些陶瓷化合物中混合键的相对比例
第三节 材料的结合键与性能 一、 结合键的本质
二、结合键的性质与材料性能
第三节 材料的结合键与性能
图3-5 原子间作用力与位能 a)作用力 b)位能与原子间距的关系
一、 结合键的本质
表3-������ 4 不同材料的键能和熔点
第三章 原子结构与结合键 第一节 原 子 结 构
第二节 结合键的类型
第三节 材料的结合键与性能
第一节 原 子 结 构 一、原子结构的量子理论
二、元素周期表
一、原子结构的量子理论 (1)泡利不相容原理 一个原子轨道最多只能容纳2个电子，且
两个电子自旋方向必须相反。
(2)能量最低原理 在不违背泡利不相容原理的条件下，电子优 先占据能量较低的原子轨道，使整个原子体系能量最低。 (3)洪德定则 在能级相等的轨道上，电子尽可能分占不同的轨 道，且电子自旋平行。

材料科学基础-简答

材料科学基础-简答

第二部分简答题第一章原子结构1、原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？【11年真题】答：（1）金属键：基本特点是电子的共有化，无饱和性、无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构。

当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使得金属具有良好的延展性，又由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电性和导热性能。

（2）离子键：正负离子相互吸引，结合牢固，无方向性、无饱和性。

因此，七熔点和硬度均较高。

离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此他们都是良好的电绝缘体。

（3）共价键：有方向性和饱和性。

共价键的结合极为牢固，故共价键晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。

共价结合的材料一般是绝缘体，其导电能力较差。

（4）范德瓦尔斯力：范德瓦尔斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。

它没有方向性和饱和性，其结合不如化学键牢固。

（5）氢键：氢键是一种极性分子键，氢键具有方向性和饱和性，其键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。

2、陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能。

【模拟题一】答：陶瓷材料中主要的结合键是离子键和共价键。

由于离子键和共价键很强，故陶瓷的抗压强度很高、硬度很高。

因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好、耐高温、化学稳定性高。

第二章固体结构1、为什么密排六方结构不能称为一种空间点阵？【11年真题】答：空间点阵中每个阵点应该具有完全相同的周围环境。

密排六方晶体结构位于晶胞内的原子具有不同的周围环境。

如将晶胞角上的一个原子与相应的晶胞之内的一个原子共同组成一个阵点，这样得出的密排六方结构应属于简单六方点阵。

2、为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固溶体则不能？【模拟题一】答：因为形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变，从而使体系能量升高。

材料科学基础材料结构的基本知识

材料科学基础材料结构的基本知识
材料科学基础材料结构的基本知识
负性很强的原子之间形成一个桥梁，把 两者结合起来，形成氢键。所以氢键可 表达为：
X–H——Y 三、混合键
实际材料中单一结合键并不多，大 部分材料的内部原子结合键往往是各种 键的混合。例如： （1）ⅣA族的Si、Ge、Sn元素的结合
材料科学基础材料结构的基本知识
是共价键与金属键的混合。 （2）陶瓷化合物中出现离子键与共价键 混合的情况。
四、结合键的本质与原子间距
固体原子中存在两种力：吸引力 和排斥力。它们随原子间距的增大而 减小。当距离很远时，排斥力很小， 只有当原子间接近至电子轨道互相重
材料科学基础材料结构的基本知识
叠时斥力才明显增大，并超过了吸引力。
在某一距离下引力和斥力相等，这一距
离r0相当于原子的平衡距离，称原子间距。 力（F）核能量（E）之间的转换关
键的形成——在凝聚状态下，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，就形成了键。 键分为一次键和二次键： 一次键——结合力较强，包括离子键、 共价键和金属键。 二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳 斯键和氢键。
材料科学基础材料结构的基本知识
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
原子核外电子的分部与四个量子数 有关，且服从下述两个基本原理： （1）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。 （2）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。

原子间的结合键

原子间的结合键
第二节 结合键
原子间的结合力称为结合键，它主要 表现为原子间吸引力与排斥力的合力结 果。根据不同的原子结合结合方式，结 合键可分为以下几类：

金属键（Metallic bonding）
化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding） 主价键primary interatomic bonds
物理键（physical
共价键（covalent bonding） bonding),次价键(Secondary bonding)，亦称Van
der
Waals
bonding


氢键（Hydrogen - bonding) 介于化学键和范德华力之间
1：离子键
大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离 子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以 离子而不是以原子为结合单元。
极性键(Polar bonding):共用电子对偏于某成键原子 非极性键（Nonpolar bonding): 位于两成键原子中间
3：金属键
金属中的自由电子和金属正离子相互作用
所构成键合称为金属键。金属键的基本特点是 电子的共有化。既无饱和性又无方向性，因而 每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于 形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改 变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破 坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于 自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电 和导热性能。
一般离子晶体中正负离子静电引力较强， 结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外， 在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此， 它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融 状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运 动，即呈现离子导电性
2： 共价键

材料科学基础名词解释

材料科学基础名词解释

原子结构与结合键 + 材料的结构1、第一电离能气态原子失去一个电子成为气态一价正离子所需要的最低能量称为第一电离能。

2、第二电离能气态A+再失去一个电子成为气态二价正离子所需要的最低能量称为第二电离能。

3、结合键原子间的结合力，主要表现为原子间的吸引力和排斥力的合力结果。

4、离子键通过两个或多个原子失去或获得电子而成为离子后形成，本质上可以归结为静电吸引作用，主要存在于晶体化合物中。

5、共价键由两个或多个电负性相差不大的原子共用电子对所形成的化学键，有方向性、饱和性。

6、金属键金属正离子和自由电子之间的相互作用所构成的结合力，无方向性、饱和性7、范德华键由瞬间偶极矩和诱导偶极矩产生的分子间引力所构成的物理键，属于分子间作用力，无方向性和饱和性。

8、氢键已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另一分子中电负性很强的原子之间的作用力，具有方向性和饱和性。

9、晶体指内部质点(原子、分子或离子)在三维空间按周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。

10、晶胞能充分反映晶体的晶体结构特征的最小体积单位（平行六面体）。

11、阵胞在三维方向上两两平行且相等的六面体，是空间点阵中的体积单元。

12、晶格原子在晶体中排列规律的空间格架。

13、空间点阵由一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为一个空间点阵。

空间点阵四要素：阵点、阵列、阵面、阵胞)14、晶族依据晶体中高次轴（n>2）的数目，将晶体分为低级（无高次轴），中级（一个高次轴）和高级（多于一个高次轴）晶族。

15、空间群晶体结构中所有对称要素的组合所构成的对称群，晶体微观结构中共存在230种空间群。

16、晶面/晶向在晶体内部构造中，由物质质点所组成的平面/穿过物质质点所组成的直线方向。

17、晶带所有相交于某一直线或平行于此直线的所有晶面的组合(此直线称为晶带轴)。

18、晶面间距一组平行晶面中，最近邻的两个晶面间距称为晶面间距。

晶面间距越大，晶面上原子排列的密度越大，反之越小。

(完整版)材料科学基础笔记

(完整版)材料科学基础笔记

第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1原子结构2原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。

如氧化物陶瓷。

（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。

如高分子材料。

（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。

如金属。

金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。

（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。

分子晶体：熔点低，硬度低。

如高分子材料。

氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。

如复合材料。

3结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。

（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。

4原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。

长程有序，各向异性。

（2）非晶体：――――――――――不规则排列。

长程无序，各向同性。

第二节原子的规则排列一晶体学基础1空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。

图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14 种。

其中：空间点阵中的点－阵点。

它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。

描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。

空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。

（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。

特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。

2晶胞图1－6 （1）――－：构成空间点阵的最基本单元。

（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。

（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c 及其夹角α,β,γ 表示。

(完整)材料科学基础-名词解释

(完整)材料科学基础-名词解释

材料科学基础名词解释(上海交大第二版）第一章原子结构结合键结合键分为化学键和物理键两大类,化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德华力。

化学键是指晶体内相邻原子（或离子）间强烈的相互作用.金属键金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。

离子键阴阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫作离子键共价键由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。

范德华力是借助临近原子的相互作用而形成的稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。

氢键氢与电负性大的原子(氟、氧、氮等）共价结合形成的键叫氢键.近程结构高分子重复单元的化学结构和立体结构合称为高分子的近程结构。

它是构成高分子聚合物最底层、最基本的结构。

又称为高分子的一级结构远程结构由若干个重复单元组成的大分子的长度和形状称为高分子的远程结构第二章固体结构1、晶体：原子在空间中呈有规则的周期性重复排列的固体物质.晶体熔化时具固定的熔点,具有各向异性。

2、非晶体:原子是无规则排列的固体物质。

熔化时没有固定熔点，存在一个软化温度范围，为各向同性.3、晶体结构：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。

4、空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。

5、阵点:把实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体，并将其中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。

6、晶胞：为了说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取出一个具有代表性的单基本元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元,称为晶胞。

7、晶系：根据六个点阵参数间的相互关系,将全部空间点阵归属于7中类型，即7个晶系,分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。

13、晶带轴：所有平行或相交于某一晶向直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。

属于此晶带的晶面称为共带面.14、晶面间距:晶面间的距离.18、点群:点群是指一个晶体中所有点对称元素的集合。

第三章 原子结构与结合键

第三章 原子结构与结合键

工程材料原理
2. 物理性能
密度：金属密度高（金属键）； 密度：金属密度高（金属键）； 离子键、共价键化合物密度低，如陶瓷密度小； 离子键、共价键化合物密度低，如陶瓷密度小； 熔点：离子键、共价键化合物熔点较高， 熔点：离子键、共价键化合物熔点较高， 金属相对较低（金属中过度族金属熔点较高如W,Mo）， 金属相对较低（金属中过度族金属熔点较高如 ）， 高聚物熔点偏低； 高聚物熔点偏低； 导电性和导热性： 导电性和导热性： 金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性， 金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性， 非金属键结合的陶瓷固态下一般是点、热的不良导体， 非金属键结合的陶瓷固态下一般是点、热的不良导体， 作为绝缘体和绝热体。 作为绝缘体和绝热体。
工程材料原理
4. 当两原子无限远时，原子间不发生作用，相互能量视为零， 当两原子无限远时，原子间不发生作用，相互能量视为零， 当原子在引力下互相靠近时，体系作用能量逐渐下降， 当原子在引力下互相靠近时，体系作用能量逐渐下降，到 达平衡距离时作用能量最低，当原子进一步靠近， 达平衡距离时作用能量最低，当原子进一步靠近，必须克 服反向排斥力，使作用能量重新升高。 服反向排斥力，使作用能量重新升高。 •通常把平衡距离下的原子间的相互作用能量定义为原子 通常把平衡距离下的原子间的相互作用能量定义为原子 的结合能E 的结合能 0。 •结合能的大小相当于把两个原子完全分开所做的功，其 结合能的大小相当于把两个原子完全分开所做的功， 结合能的大小相当于把两个原子完全分开所做的功 数据是利用测定固体蒸发热而得到的，又称结合键能。 数据是利用测定固体蒸发热而得到的，又称结合键能。
工程材料原理
固 态 冰
液 态 水
工程材料原理
六. 混合键

第三章材料的原子结构和原子间的结合键说课讲解

第三章材料的原子结构和原子间的结合键说课讲解

图 金属键、金属的导电性和金属的变形
（3）金属键型晶体的特征 良好的延展性 良好的导电性 具有正的电阻温度系数 导热性好 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光 的能量 ）
4.范德瓦尔键 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷， 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微 弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也 叫分子键。 范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。 比化学键的键能少1～2个数量级。
1.共价键 （1）共价键的定义 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产 生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。 （2）共价键的特点 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠， 形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。 共价键具有方向性、饱和性。 金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。
4.晶体与非晶体的区别 a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复 排列 b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存 在一个软化温度范围 c.晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各 向同性，称“伪各向同性”）
5.晶体与非晶体的相互转化 玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃 通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得 到非晶态 获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法 ）
思考题
常见的金属基本上都是晶 体,但为什么不显示各向异 性?
多晶中各个晶粒往往取向 不同，所以多个晶粒集合 在一起在任一方向上都显 示不出某一个晶向的特性 来。
§3.2.2 空间点阵
1.基本概念 （1）空间点阵：为了便于研究晶体中原子(分子或离子) 的排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质 性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。 这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可以是彼此等同 的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的 空间排列称为空间点阵。 可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点 有一群原子（原子集团）。

材料科学基础复习.

材料科学基础复习.

积
第三章 典型金属晶体结构
基本参数
点阵常数
fcc
2 R a 4
bcc
3 R a 4
1/ 8 8 1 2
hcp
R 1 a 2
晶胞内原子数 1 / 8 8 1 / 2 6 4 配位数 致密度 最近原子间距
12 0.74 8
1 / 6 12 1 / 2 2 3 6
材料科学基础复习
2019/4/14
第一章 原子结构与键合
◆ 原子的电子结构 核外电子排布规律：能量最低原理、泡利（ Pauli ）不 相容原理、洪德（ Hund ）法则。 要求： 熟悉且能写出一般 元素的核外电子排布式。如C、O、N、Na、Mg、Al等。 ◆ 原子间的键合
物理键：范德华力、氢键
主要依靠原子间的偶极吸引力结合 化学键：金属键、离子键、共价键（极性和非极性）
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2019/4/14
第四章 晶体缺陷
例：
b1 a[100]
a b 2 [101] 2
b1 a
a b2 2
1 0 0 a
1
2
2
2
2
0
2
1
2

2 a 2
a b 2 [101] 2
b1 a[100]
第四章 晶体缺陷

根据位错理论的提出背景，当位错受到力的作用时，会 发生运动。

扩散的热力学理论
第五章 固体材料中的扩散
诱发原因：
1）弹性应力场的作用：应力梯度抵消了浓度梯度。 2）电场、磁场的作用：电场、磁场对带电粒子的运动产生影响。
3）晶界内吸附作用：溶质原子向晶界偏聚。
4）调 幅 分 解：典型的化学位梯度与浓度梯度方向相反。

材料科学基础--材料结构的基本知识

材料科学基础--材料结构的基本知识
热力学第二定律对这种自发过程 的叙述为：只有那些使体系自由能A减 小的过程才能自发进行，可表示为：
等温等容 ΔA T、V<0 自发过程 等温等压 ΔG T、P<0 自发过程 两种自由能的表达式为：
A=U–TS G=H–TS
U——内能 H——焓 S——熵 T——热力学温度 反应速率ν与热力学温度T之间满足：
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列
原子 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。
原子核 ——中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。
电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
二、元素周期表及性能的周期性变化
原子周期律——早在1869年，俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。
过渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、 ⅤA族元素，离子化比较困难，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，由两个原子中各有一个 电子共用，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层，形成带正 电的阳离子，由正离子和自由电子之间

材料科学基础 第三章

材料科学基础 第三章

第三章 金属与陶瓷的结构一、学习目的材料的结构问题需分层次认识，第一层次是原子核外电子的排布即电子组态和电子构型；第二层次是原子与原子之间的排列位置与相互作用即晶体结构；第三层次是晶相、玻璃相的分布、大小、形状等即显微结构。

固态物质按照原子间（或分子）的聚集状态可以分为晶体和非晶体，在金属与陶瓷中，这两种状态都存在，并且以晶体为主。

在掌握了原子结构与化学键基础上，学习晶体结构基础知识，掌握固体中原子与原子之间的排列关系，对认识和理解材料性能至关重要。

二、本章主要内容在结晶性固体中，材料的许多性能依赖于内部原子的排列，因此，必须掌握晶体特征和描述方法。

本章从微观层次出发，介绍了金属、陶瓷材料的结构特点，介绍了结晶学的基础知识。

主要内容包括：1、 晶体和晶胞晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性。

晶胞：是从晶体结构中取出的能够反映晶体周期性和对程性的重复单元。

2、 金属的晶体结构金属原子之间靠金属键结合形成的晶体为金属晶体。

金属晶体的三种类型和特征为：面心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，六个面中心各有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，每个面中心原子为2个晶胞所共有。

晶胞的原子数为4。

晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为：2a =晶胞中原子堆积系数（晶胞中原子体积与晶胞体积的比值）APF=0.74. 体心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，晶胞的中心有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，所以，体心立方晶胞中的原子数为2。

晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为：a =晶胞中原子堆积系数APF=0.68.密排六方晶体：由两个简单六方晶胞穿插而成。

形状为八面体，上下两个面为六角形，六个侧面为长方形。

密排六方的晶胞参数有两个，a 为正六边形的边长，c 为上下底面的间距（晶胞高度）。

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第二节 原子间作用力和结合能
学习目标：
1.掌握原子的聚集态分类； 2.了解原子间作用力和结合能。
原子的聚集态
一、原子的聚集态：
除了在某些特殊条件下之外，元素难得以原子态 存在，基本上均以分子或液态及固态存在，后二者统 称为凝聚态。 根据结合键的不同状态，可把凝聚态分成五大类： 液体、液晶、橡胶态、玻璃态和晶态。
学习目标：
1. 了解材料结构的基本涵义； 2. 理解原子结构、量子力学的基本概念。
2013-10-12
材料结构和原子特性 材料结构的涵义：
材料结构是指组成材料的原子（或离子、分子）相 互结合的方式或构成的形式（这些形式称为结构要素 ）以及结构要素按一定次序的组合、排列及相互间的 各种联系。
材料结构包括以下内容：
材料科学与工程导论
2013-10-12
材 第三章 料 导 材料的原子结构和原子间的结合键 论 基 础
2013-10-12
材料的原子结构和原子间的结合键
内容简介：
本章主要讲述了各种材料的原子结构和原 子特性，并介绍了原子间结合键种类及材 料的分类。
本章重点：
3.1 材料结构和原子特性； 3.3 原子间的结合键；
原子间结合键与材料性质
二、原子间结合键与材料性质 (一)原子间结合键与材料的弹性模量 金属材料弹性模量的主要由晶体中原子的本 性，晶格类型以及晶格常数等因素决定。 在无机非金属材料中，金刚石具有极高的弹 性量 ；硅酸盐材料一般也具有较高的弹性模量 ，原因在于硅酸盐材料的结合键主要是共价键 和离子键，故键合力大。 有机高分子材料的弹性模量很低，且在相当 大的范围内变化，这与其结合键的性质有关。
四、分子健（范德瓦尔斯力） 范德瓦尔斯键有3个来源：①偶极间的静 电力（葛生力） ②诱导力（德拜力） ③色散 力（伦敦力）
晶体几种不同结合键中，离子键结合能最 高，共价键其次，金属键第三，而范德瓦尔键 最弱。
氢键 五、氢键： 在含氢的物质中，特别是含氢的聚合物中， 经常可以见到由氢离子所引起的键。一般一个 中性氢原子只和一个另外的原子形成共价键。 但是在一定的条件下，一个氢原子可以同时与 两个电子亲合能大的，半径较小的原子（F、O 、N等）相结合，这种结合力叫氢键。 氢键结合起来的晶体为氢键晶体。水、冰 中都有氢键，化工材料硼酸就是典型的氢键晶 体。
第四节 原子间结合键与材料类型及性质 学习目标：
1.了解原子间结合键与材料类型的关系； 2.了解原子间结合键与材料性质的关系。
原子间结合键与材料类型
一、原子间结合键与材料类型 工程上主要根据固体中的结合键的特点或 本性将材料分为以下四类： （1）金属材料 （2）高分子材料 （3）陶瓷材料 （4）复合材料
聚集态原子间作用力和结合能
二、聚集态原子间作用力和结合能
图3-1 势能及作用力与原子间距离的关系
聚集态原子间作用力和结合能 从图3-1可看到，当原子间距 r 很大时， 原子之间的作用力很小；当原子离开得更远时 （无限距离），相互间作用力趋近于零，位能 也是如此。当原子间距离 r 较小时，存在着很 大的吸引力，势必把原子拉在一起，当原子更 接近即 r = r0 时，终于达到原子间吸引力与 排斥力相平衡，换言之，力的和等于零，此时 原子对的位能为最小值，该能量代表了原子间 的键能，该位置是原子最稳定的构型，该间距 称为平衡间距。
共价键 二、共价键：
由共用价电子对产生的化学键叫做共价键。由共价 键形成的晶体为共价晶体。共价晶体中的粒子为中性 原子，所以也叫做原子晶体。具有代表性的共价晶体 为金刚石。 共价键的结合力很大，所以共价晶体具有强度高、 硬度大、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低等性质 ，结构也比较稳定。由于相邻原子所共有的电子不能 自由运动，共价晶体的导电能力较差。
原子间结合键与材料性质
（二）原子间结合键与材料其它性能 材料的密度由原子量、原子半径和配位数控 制。 强度受双原子模型的合力曲线的影响 电导率与原子键的性质密切相关。
思考题 思考题
1．材料结构的具体涵义是什么？他们与性能的关系如何？
2.从原子外层电子相互作用角度，说明各种结合键的具体特征。 3．说明三大类材料的键性及与其性质的关系。
原子特性——量子力学基本概念 (二)量子力学几个基本概念 1．微观粒子的波粒两象性 2．海森堡测不准原理
原子特征—核外电子（三）核电子电子在原子中的运动状态是由主量子数、 角量子数、磁量子数和自旋量子数，对应着一 个特定的波函数ψ。在多电子的原子中，电子 的分布必须遵守泡利不相容原理、能量最低原 理和最多轨道原理（洪特规则）。
金属键
三、金属键
正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部 离子结合起来，这种结合力就叫做金属键。由金属键 结合起来的晶体为金属晶体。 由于存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性， 自由电子能吸收光波能量，产生跃迁，从而表现出有 金属光泽、不透明。 另外，金属键无所谓的饱和性和方向性。
分子健（范德瓦尔斯力）
1.组成材料原子（或离子、分子）的构造 2.组成材料原子（或离子、分子）间的结合 3.组成材料原子（或离子、分子）的排列 4.材料结构内存在的缺陷
材料结构从宏观到微观，即按研究的层次， 大致可分为宏观组织结构、显微组织结构、原 子或分子排列结构、原子中的电子结构等。
原子特性 ——原子结构 二、原子特性 （一）原子结构 在结构上，原子核是由带正电荷的粒子即质 子和不带电荷的粒子即中子组成。质子数也即 原子序数（Z），决定了元素的本性。核内质 子和中子的总数决定了原于量。每个原子的原 子核周围有电子围绕。 原子的轨道电子或电子云，能被电力、磁力 和机械力所改变或干忧。这种改变和和干扰对 工程材料的性能，如导电性、导热性、磁性和 抗腐蚀性等产生很大的影响。
第三节 原子间的结合键
学习目标：
1.掌握结合键的概念； 2.了解各种结合键
原子间的结合键 原子之间的结合力，也称结合键．它主要 表现为原子间吸引力和排斥力的合力结果。 结合键可大致分为两类：化学键和物理键 或称一次键和二次键。化学键（一次键）通常 指离子键、共价键和金属键，而物理键（二次 键）则是范德瓦尔斯键和氢键．
2013-10-12
概述
在外界条件固定时，材料的性能取决于材 料内部的构造，即组成材料的原子种类和含量 （称为成分）以及它们的排列方式和空间分布 （称为组织结构）。我们研究材料结构与性能 之间的关系，首先必须弄清楚组成材料的原子 结构以及相互之间的结合特点。
2013-10-12
第一节 材料结构和原子特性
原子间的结合键
离子键
氢键
共价键
原子间的结合键
分子键
金属键
离子键 一、离子键：
正离子和负离子由于静电引力相互吸引，当它们充 分接近时会产生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的 离子键。离子键要求正负离子相间排列，而且要使异 号离子之间的引力最大，同号离子之间的斥力最小。 离子键的结合力比较大，所以离子晶体的硬度高， 强度大，热膨胀系数小，但脆性大。例如MgO、 Al2O3和钢中的某些非金属夹杂等 。