6材料内部结构的四个层次以及原子间结合键类型

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材料的结构

图布拉菲点阵
图简单三斜
图体心立方
思考题
体心单斜点阵是不是一个新的点阵？
体心单斜点阵晶胞为ABCD-EFHG。可以连成底心单斜点阵，其晶胞为JABD-KEFG
。
提示：空间点阵虽然只可能有14种，但晶体结构则是无限多的。
图结构相似的不同点阵
图几种晶体结构的点阵分析 (a) γ-Fe (b) NaCl (c) CaF2 (d) ZnS
最强
金属键自由电子气与正离子实之间的库仑引力
分子键原子间瞬时电偶极矩的感应作用
较强
无方向性键、配位数高、塑性较好、有光泽、好的导热、导电性
无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘
最弱
思考题
为什么金属具有良好的塑性,而共价晶体一般硬而且脆?
图金属的变形
图共价键的断裂
§1.1.2 工程材料的键性
相之间的夹角。
2.晶面指数的标定 ①建立坐标系: 坐标原点的选取要便于
确定截距。
②求待定晶面在坐标系中的截距x、y、 z。 ③将截距求倒数1/x, 1/y, 1/z，并化为最小正整数h、k、l，放入( )中。则(h k l)
• 离子键是没有方向性和饱和性的。
• 只要空间允许，一个阳离子周围都尽可能多地排列阴离子。 • 在NaCl晶体中，一个Na+周围等距离的只有 6个Cl-，是因为阴阳离子半径比例关系。 • 同样是碱金属的 Cs+ ，半径更大，因此一个Cs+周围等距离的Cl-就可以有8个。 • 至于说方向性，因为阴阳离子可以看做一个刚性小球，与带异种电荷的离子在任何方向上都有静电作用。 • 而不像共价键那样，必须按照一定的方向成键。 ‘ • 至于说晶体内部的离子的排列方式确定，还是与半径比有关， • 阴阳离子尽可能紧密排列，又受制于半径的大小比例，因此相互之间的位置都是确定，不能随意排列 • 如CsCl中，8个Cl-形成正方体，Cs+填充其间的空隙，体对角线上的 Cl-和中心的Cs+是相切的

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。

材料结构的基本知识

磁量子数考虑自旋各壳层规第的状量子数后总电子数的状态数目态数目 1 2 2（=2×12） 1 2 8（=2×22） 3 6 1 3 5 1 3 5 7 2 6 10 2 6 10 14
3
3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
18（=2×32）
4
32（=2×42）
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：
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
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。
的相互吸引而结合起来的称金属键。
二、二次键
1、范德瓦耳斯键当原子和分子相互靠近时，一个原子的偶极矩将会影响另一个原子的电子分布，电子密度在靠近第一个原子的正电荷处更高些，这样使两个原子相互静电吸引，体系就处于较低的能量状态。
正电中心电子云
原子核 a) 原子核电子云
负电中心
极化分子间的作用力
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稳定的电子结构。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

材料四要素

氯化钠晶体
氯化钠内部质点排列
扫描隧道显微镜所探测到的石墨层面的碳原子排列
材料结构的分类：
晶体结构
原子排列短程有序，无周期。
非晶态固体的性能是各向同性的
非晶体
晶体
原子排列长程有序，有周期
准晶体
原子排列长程有序，无周期。
材料结构的分类：
晶体周期性
晶体结构
布喇菲(Bravais) 空间点阵学说：理想晶体的内部结构是组成晶体的原子、分子或原子团等在三维空间中有规则地周期性重复排列，这种周期性排列是晶体最基本的特点，也是研究晶体各种物理性质的重要基础。 ◎ 布喇菲点阵组成晶体的原子、离子、分子或原子团统称为晶体的基本结构单元，简称基元。为了简单明了地认识晶体的几何规则性，我们可以把晶体中的基元用处在那个位置的几何点来代替，这样就得到了一个晶体基元周期性排列的点的集合，它就称为“晶格”（或点阵），这些点被称为格点。因此，可以说晶体的结构是由组成晶体的基元加上空间点阵来决定的。
弹性：反映晶格中原子在外力作用下自平衡位臵产生可逆位移的力学性能之一。塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。
强度：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破坏的最大能力。刚度：材料力学中的弹性模量。它的物理意义是指材料产生单位弹性的相对变形所需的应力。外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程吸收能量的能力。硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。
巨磁阻效应:是指磁性材料的交变阻抗随外磁场显著变化的效应。
电致发光：在电场的作用下电子在发光层内高速运
动，激活发光材料原子使其发生能级跃迁而发光。
材料的化学性质
材料的腐蚀:材料受环境介质的化学、电化学作用而

材料的结合方式

1 4 9 15 22 30 39 47 55 63 70 76 82 86 89 92
4. 分子键
原子或分子之间是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。
范特瓦尔斯力很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。
范特瓦尔斯力很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。
3. 高分子材料
大分子内的原子之间由很强的共价键结合，而大分子与大分子之间的结合力为较弱的范特瓦尔斯力。
三、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。
金属的结构
晶态
非晶态
第二节材料的结合方式及工程材料键性
一、结合键
● 原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。 ● 一般可把结合键分为离子键、共价健、金属键和分子键四种。
1. 离子键
正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。NaCl、CaO、Al2O3等由离子键组成。
4.不透明并呈现特有的金属光泽。
金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。
4、混合键电负性差值：可判断无机非金属材料离子性结合键的比例
电负性差值
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2
离子性结合（%）
2. 共价键
由共用价电子对产生的结合键叫共价键。最具有代表性的共价晶体为金刚石。属于共价晶体的还有 SiC、Si3N4、BN等化合物。

《材料科学基础》考研石德珂版2021考研名校考研真题

《材料科学基础》考研石德珂版2021考研名校考研真题第一部分名校考研真题导论１．试举例分析材料加工过程对材料使用性能的影响。

[中南大学2007研]答：材料加工过程对材料使用性能有重要而复杂的影响，材料也必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来。

通过合理和经济的合成和加工方法，可以不断创制出许多新材料或改变和精确控制许多传统材料的成分和结构，可以进一步发掘和提高材料的性能。

材料的制备/合成和加工不仅赋予材料一定的尺寸和形状，而且是控制材料成分和结构的必要手段。

如钢材可以通过退火、淬火、回火等热处理来改变它们内部的结构而达到预期的性能，冷轧硅钢片经过复杂的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大大减少铁损。

2．任意选择一种材料，说明其可能的用途和加工过程。

[中南大学2007研] 答：如Al-Mg合金。

作为一种可加工、不可热处理强化的结构材料，由于具有良好的焊接性能、优良的耐蚀性能和塑性，在飞机、轻质船用结构材料、运输工业的承力零件和化工用焊接容器等方面得到了广泛的应用。

根据材料使用目的，设计合金成分，考虑烧损等情况进行配料，如A15Mg合金板材，实验室条件下可在电阻坩埚炉中750℃左右进行合金熔炼，精炼除气、除渣后720℃金属型铸造，430～470℃均匀化退火10～20h后，在380～450℃热轧，再冷轧至要求厚度，在电阻炉中进行稳定化处理，剪切成需要的尺寸或机加工成标准试样，进行各种组织、性能测试。

3．说说你对材料的成分、组织、工艺与性能之间关系的理解。

[中南大学2007研] 答：材料的成分、组织、工艺与性能之间的关系非常紧密，互相影响。

材料的性能与它们的化学成分和组织结构密切相关，材料的力学性能往往对结构十分敏感，结构的任何微小变化，都会使性能发生明显变化。

如钢中存在的碳原子对钢的性能起着关键作用，许多金属材料中一些极微量的合金元素也足以严重影响其性能。

然而由同一元素碳构成的不同材料如石墨和金刚石，也有着不同的性能，有些高分子的化学成分完全相同而性能却大不一样，其原因是它们有着不同的内部结构。

材料结构简述

• 材料内部原子结合键往往是各种键的混合。
金属间化合物——金属键与离子键混合键陶瓷化合物——离子键与共价键混合
• 另一类混合键表现为两种类型的键独立存在。
聚合物——分子内部是共价键，链与链之间为范德瓦耳斯键或氢键石墨——片层上为共价键结合，片层之间为范德瓦耳斯力二次键
以上我们简单地讨论了结合键的类型及其本质，由于各种结合键的本质不同，所形成的固体其性质也大不相同。
上面三种力统称范德华力，是永久存在于一切分子之间的一种吸引力，没有方向性和饱和性。
材料结构简述
(5)氢键(Hydrogen Bond)
• 在 HF，H2O，NH3 等物质中，分子都是通过极性共价键结合的，而分子之间则是通过氢键连接的。下面以水为例加以说明。氢和氧原子间形成共价键。由于氢-氧原子间的共用电子对靠近氧原子而远离氢原子，又由于氢原子除去一个共价电子外就剩下一个没有任何核外电子作屏蔽的原子核（质子），于是这个没有屏蔽的氢原子核就会对相邻水分子中的氧原子外层未共价电子有较强的静电引力（库仑引力），这个引力就是氢键。
强有方向性键、低配位数、高
熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电
较强无方向性键、结构密堆、配
位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热导电性
较弱无方向性键、结构密堆、
高熔点、绝缘
氢原子核与极性分子较弱有方向性和饱和性
间的库仑引力
材料结构简述
值得指出的是，实际晶体不一定只有一种键，可能是多种键合的混合，至少范氏力就是普遍存在的一种力。不过，在某一键合为主键的情形下，其他弱键就可以忽略。
包括：静电力、诱导力和色散力属于物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质。

第一章材料的内部结构

3.固溶体的结构
固溶体的最大特点是保持溶剂的晶格类型不变，但与纯溶剂组元相比，结构已发生了很大的变化，主要表现为： ⑴ 晶格畸变
⑵ 溶质原子偏聚与短程有序
⑶ 溶质原子长程有序
某些具有短程有序的固溶体，当其成分接近一定原子比（如1:1）时，可在低于某一临界温度时转变为长程有序结构。这样的固溶体称为有序固溶体。对CuAu有序固溶体, 铜原子和金原子按层排列于（001）晶面上。由于铜原子比金原子小，故使原来的面心立方晶格畸变为正方晶格。
⑵ 间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于 0.59时，将形成另一种化合物，其中非金属原子也位于晶格的间隙处，故称之为间隙化合物。特点是晶体结构复杂，例如铁碳合金中的渗碳体 Fe3C，具有复杂的正交晶格，其晶胞中含有12个铁原子和4个碳原子。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。间隙相、间隙化合物和间隙固溶体的区别？
3.配位数指晶格中任一原子最邻近、等距离的原子数。晶体中原子配位数愈大，晶体中的原子排列愈紧密。体心立方晶体结构的原子配位数为8。面心立方和密排六方晶体结构原子配位数均为12。
4.致密度K 指晶胞中所含全部原子的体积总和与该晶胞体积之比： K = nv / V
式中， n --晶胞中的原子数；v ——单个原子的体积；V ——晶胞体积。
1.4.2中间相
如果溶质含量超过它在溶剂中的溶解度时，便可能形成新相，称为中间相。中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体。主要特点是它的晶体结构不同于其任一组元，结合键中通常包括金属键。因此中间相具有一定的金属特性，又称为金属间化合物。性能是有较高的熔点、高的硬度和脆性，通常作为合金的强化相。此外还发现有些金属间化合物具有特殊的物理化学性能，可用作新一代的功能材料或者耐热材料。金属间化合物种类很多，主要介绍三种。

材料科学基础1

2012-3-26
3
2012-3-26
2、主族元素 ⅠA〜ⅧA • 分别填入外层s 分别填入外层s、p电子（电子（2+6=8）， 2+6=8），原子的电），原子的电负性和化学性质由此呈周期变化。负性和化学性质由此呈周期变化。
3、副族元素 ⅢB〜ⅡB
• 分别填入分别填入d 填入d内层电子（内层电子（共10个 10个）。 • 由于外层s 由于外层s电子为1 电子为1、2个，几乎相同，几乎相同，化学性质变化不大，化学性质变化不大，统称“ 过渡族元素” 统称 “过渡族元素 ”。 • 因核内正电荷数目增加，因核内正电荷数目增加，对外层电子吸引力增大，对外层电子吸引力增大，稳定性上升。上升。 • 材料元素的重点选择区域。材料元素的重点选择区域。
其中：xA、xB分别为结合对A、B的电负性。 • 性能：强大的键合力，具有高强、高硬、耐高温、耐腐蚀，但塑性韧性差。 • 功能：极性强，使其具有宽广的导电、导热、透光性；良好的铁电、铁磁和压电性。 2、高分子：高分子：共价键＋范德华力/氢键 • 分子链内强大的共价键，赋予材料一定的强度、硬度，极好的柔韧性，高弹性、耐化学药品性。 • 熔点低 3、金属：金属：金属键具有良好的综合性能、导电、导热。
二、共价键（covalent 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特点：饱和性配位数较小，方向性性质：熔点高、质硬脆、导电能力差
三、金属键（Metallic bonding）
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云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

材料结构

核外电子的排布（ n )规律
能量最低原理（ principle)电子总是占据能量最低的壳层能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s- 4d-5p Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n2 不相容原理（ principle): Pauli不相容原理全充满 Hund原则（Hund' Rule)半充满原则（ Hund原则 Hund' Rule) 自旋方向相同全空
特点
1：在形成共价键时，为使电子云达到最大限度在形成共价键时，的重叠，共价键就有方向性，的重叠，共价键就有方向性，键的分布严格服从键的方向性方向性；键的方向性； 2：当一个电子和另一个电子配对以后就不再和第三个电子配对了，和第三个电子配对了，成键的公用电子对数目是一定的，这就是共价键的饱和性饱和性。目是一定的，这就是共价键的饱和性。由于共价键具有方向性，配位数比较小，由于共价键具有方向性，配位数比较小，同时共价键的结合比较牢固，因此其结构较稳定，共价键的结合比较牢固，因此其结构较稳定，熔点较高，硬度较大。熔点较高，硬度较大。
原子序数＝原子序数＝核电荷数周期序数＝周期序数＝电子壳层数主族序数＝最外层电子数主族序数＝零族元素最外层电子数为8（氦为2）零族元素最外层电子数为（氦为）
核电荷，原子半径 ↑ ↓ 同周期元素：右， → 同周期元素：左右，金属性，非金属性 ↓ ↑ 电离能，失电子能力，得电子能力 ↑ ↓ ↑ 最外层电子数相同，最外层电子数相同，电子层数，原子半径 ↑ ↑ 同主族元素：上下，金属性，非金属性同主族元素： →下， ↑ ↓ 电离能，失电子能力，得电子能力 ↓ ↑ ↓

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运动方式
显微组织
金属材料工程基础知识
金属材料内部结构的四个层次
从宏观到微观，其内部结构按研
究尺寸
1、宏观组织结构（尺度：mm到m量级）
用肉眼和放大镜所能观察到的粗大晶体或相的集合状态
2、显微组织结构（尺度：10-7-10-4m，µm量级）
借助光学显微镜和电子显微镜观察到的晶粒或相的集合
3、原子（或分子）排列结构（尺度：10-10m，0.1nm量级）
的来源：偶极间的静电力诱导力色散力
氢键
定义：氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子
金属材料工程基础知识四、常见材料结合键
1、金属键合
金属和合金的基本键合方式
高导热，高导电
2、陶瓷键合
陶瓷包含金属和非金属元素的化合物主要以离子键合，电子不能移动，
故不导电，不导热
3、高分子键合
主要以共价键构成
不耐热、导热导电有限
小资料：一种材料一般主要由一种类型的主要价键，但也有其他类型键，所以
混合间很普遍，如锡，有金属性，也有共价性，故较脆；硅，主要是共价键，但也 ……
有金属键，故能激发电子，因此用作半导体。
金属材料工程基础知识一、材料的内部结构的四个层次二、材料的常见结合键：
（根据结合力强弱）
原子外层电子重新排布，不再属于原来的原子
一次键
金属材料工程基础知识
离子键与离子晶体
离子键：正、负离子经库仑静电引力相互结合起来的结合键离子晶体：由离子键结合而成的固体，如NaCl(无色透明)
共价键和共价晶体
共价键：相邻原子共同占有部分价电子，使最外层电子处于满壳状态特点：饱和性方向性
晶体的原子排列结构，也称为晶体结构
金属材料工程基础知识
3、原子（或分子）排列结构
分类
晶态(晶体)
规则外形：天然金刚石、结晶盐、水晶
不规则外形：金属
晶体：原子在三维空间规则，周期性排布
按原子（或分子）聚集状态即内部原子的排列情况
非晶态（非晶体）
非晶体：原子在三维空间不规则，无周期性排布
金属材料工程基础知识
晶体的原子排列结构，也称为晶体结构
4、电子结构（尺度：10-4nm量级）
原子和金属中电子的运动状态和分布规律，将对材料的物理性能和化学性能产生重要影响
金属材料工程基础知识
二、常见材料原子间结合键类型
结合键定义：材料中原子之间的吸引作用的结合力称为结合键，化学中称为化学键。
结合键分类： 1、一次键（又称化学键）
结合键分类： 1、一次键（又称化学键）
（根据结合力强弱）
原子外层电子重新排布，不再属于原来的原子
2、二次键
金属材料工程基础知识
范德瓦斯饱和分子在一定条件下可以凝结成固体，此时其原子或者分子所借助的结合力即范德瓦斯键
特点：随距离变大迅速变小由分子间结合而成的固体称为分子晶体分子键存在于所有原子与分子中，不过经常被一次键掩盖分子键
共价晶体：金刚石、硅、镓以及碳化硅(单一共价键）石头、瓷器、陶瓷、砖、普通玻璃（共价键起支配作用）
金属键和金属晶体
金属键：金属价电子离开金属离子自由运动，使无数个金属离子结合起来金属晶体：第一、二主族以及贵金属都属于金属键
金属材料工程基础知识
二、常见材料原子间结合键类型
结合键定义：材料中原子之间的吸引作用的结合力称为结合键，化学中称为化学键。
金属材料内部结构的四个层次
从宏观到微观，其内部结构按研
究尺寸
1、宏观组织结构（尺度：mm到m量级）
用肉眼和放大镜所能观察到的粗大晶体或相的集合状态
2、显微组织结构（尺度：10-7-10-4m，µm量级）
借助光学显微镜和电子显微镜观察到的晶粒或相的集合
3、原子（或分子）排列结构（尺度：10-10m，0.1nm量级）
金属材料工程第六讲
胡燕燕
金属材料工程基础知识
一、材料的内部结构
内部结构是材料成分的具体存在形式或状态。可随其化学组成、制备加工工艺和外界条件等的变化而改变，从而改变材料的的性能。合成、加工与制备的原理就是改变材料的各种结构从而对性能产生影响。
原子在晶体中（或分子中）与其临近原子的结合方式
内部结构