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第一章 材料结构的基本知识;第一节 原子结构;电子运动的轨道： 由四个量子数决定，分别是主量子数、次量子数、磁量子数及自旋量子数。 主量子数——决定电子离核远近和能量高低的主要参数。 次量子数——量子轨道并不一定总是球形的，次量子数反映了轨道的形状，各轨道在原子核周围的角度分布不同。它也影响轨道的能级，按s、p、d、f依次升高。;磁量子数——确定了轨道的空间取向，以m表示。没有外磁场时，处于同一亚壳层而空间取向不同的电子具有相同的能量，但在外加磁场下，不同空间取向轨道的能量会略有所差别。 自旋量子数——ms=+1/2，–1/2，表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。;主量子数 壳层序号; 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。;二、元素周期表及性能的周期性变化;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。;第二节 原子结合键;一、一次键;图1-1　NACL结合键;通过离子键结合的材料的特点;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。;图1-4　金刚石的共价结合及其方向性;通过共价键结合的材料的特点;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的相互吸引而结合起来的称金属键。;通过金属键结合的材料的特点;二、二次键;极化分子 间的作用力;2、氢键;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。 ;;;五、结合键与性能;（3）金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性，而由非金属键结合色陶瓷、聚合物均在固态下不导电。 2、力学性能 结合键是影响弹性模量的主要因素。结合键能越大，弹性模量越大，材料的强度越大。;第三节 原子排列方式;各向异性——晶体由于其空间不同方向上的原子排列不同，沿着不同方向上所测得的性能数据亦不同,这种性质称晶体的各向异性。 各向同性——非晶体在各个方向上的原子排列可视为相同，沿任何方向测得的性能是一致的，表现为各向同性。 从液态到非晶态固体是一个渐变过程，既无确定的熔点，又无体积的突变。这说明非晶态转变只不过是液态的简单冷却过程，随温度的下降，液态的粘度越来越高，当其流动性完全消失时则称固相。 液体向晶体的转变还具有结构转变，这一原子重排过程是通过在液体中不断形成有序排列的小晶核及晶核的逐渐生长实现的。 ; 凝固与结晶;;;结晶的结构条件;结晶过程;图1-12　结晶过程示意图及相应的多晶体组织;图1-13　X射线在原子面AA′和BB′上的衍射;图1-14　X射线衍射分析示意及衍射分布图a) X射线衍射分析示意图　b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图;第四节 晶体材料的组织;组织的显示与观察; 两种晶粒各自成为等轴状，两者均匀的交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。以强度为例，材料的强度σ应等于： σ=σ1φ1+σ2φ2 σ1、σ2为两个相的强度值； φ1、φ2为两个相的体积分数。;弥散强化——组织中两个相的晶粒尺度相差甚远，尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相的基体内（图1-17b）。大幅度地提高材料的强度。 第二相在基体相的晶界上分布是一种常见的组织特征（图1-17c）。;;第五节 材料的稳态结构与亚稳态结构; 结构转变的热力学条件：结构形成时必须沿着能量降低的方向进行。 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、V0 自发过程 等温等压 ΔG T、P0 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