1、金属学基础 Fundamentals of Physical Metallurgy,内蒙古工业大学 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering Inner Mongolia University of Technology,2,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,第一章 金属晶体中的原子排列 Atomic Structure and Interatomic Bonding,物质(Substance)是由原子（atom）组成 在材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构原子间键合本质 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子
2、 材料性能：物 化 力学,材料的微观结构（Microstructure of Materials） 决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构， 原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列，运动规 律，以及原子集合体的形貌特征,3,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,材料分类(Classification of Materials),4,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,1.1 原子结构 （Atomic Structure ）,1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 1911年 E.Rutherford提出原子结
3、构有核模型 1913年 N.Bohr综合,1.1.1 Bohr atomic model,成功：电子运动轨道，能量量子化 不足：未能解释出现量子化的原因,5,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,11 质子 12 中子,1s22s22p63s1,Na,6,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示,1.1.2 现代原子结构理论,7,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,1.1.3 核外电子的排布（electron configuration)规律,8,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,比
4、如Fe，理论上应该是：1s22s22p63s23p63d8 实际上它的电子结构是：1s22s22p63s23p63d64s2。 未填满的3d能级使铁产生磁性行为。,9,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,1.1.4 元素周期表（periodic Table of the Elements),元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分元素的依据 同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form)7个横行（Horizontal rows)周期
5、（period）按原子序数（Atomic Number)递增的顺序从左至右排列 18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个族、1个零族（Inert Gases）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。,10,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,原子序数核电荷数 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（氦为2） 价电子数（Valence electron）,11,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,12,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,双原子模型,金属原子为什么排列规则，并趋于紧密排列呢
6、？,结合能是吸引能和排斥能的代数和形成原子团比单个原子能量低任何对d0偏离，都使势能升高 dd0时，远处的原子移近，势能降低 dd0时，当原子移至d0处的势能降低,为保持能量最低，必须保持平衡距离，所以规则排列,13,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,1.2 原子间的键合 ( Bonding type with other atom),14,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,一、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（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子
7、云（electron cloud）金属中自由电子与金属正离子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,15,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,二、离子键（Ionic bonding）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，且无方向性，无饱和性 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体,实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation） 非金属原子 带负电的负离子（anion）,e,16,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,三、共价键（covalent bondi
8、ng）亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料,特点：饱和性，配位数较小，方向性（s电子层对称，除外） 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差（共用电子对不能自由运动）,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,17,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,四、分子键范德华力（Van der waals bonding),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,聚氯乙烯中的分子键,18,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,五、氢键（Hydrogen bonding,极性分子键，存在于HF、H2O、NH3中 在高分子中占重要地位，氢原
9、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氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性,19,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,20,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,3高分子链（High polymer Chain）,21,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,近程结构（short-range Structure) 一、结构单元的化学组成（the Chemistry of merunito)1.碳链高分子 聚乙烯,主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得 如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯,杂链高分子 涤纶,主
10、链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等,22,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,3.元素有机高分子 硅橡胶 主链中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶,4.无机高分子 二硫化硅聚二氯氮化磷,主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解,23,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,
11、二、高分子链结构单元的键合方式（bonding tape）,1.均聚物结构单元键接顺序单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：,头头,尾尾,头尾,双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同,24,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,2.共聚物的序列结构（Copolymers）按结构单元在分子链内排列方式的不同分为,25,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,三、高分子链的结构（structure）,不溶于任何溶剂， 也不能熔融， 一旦受热固化便 不能改变形状
12、 热固性（thermosetting）,26,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,四、高分子链的构型（Molecular configurations）,链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行,27,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,旋光异构体（stereoisomerism） 由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元 ，有三种排列方式,28,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,几何异构（Geometrical isomerism）双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且
13、双键不能旋转，从而每一双就可能有,顺式二甲基丁二烯,反式二甲基丁二烯,两种异构体之分，,对于大分子链而言就有,称为几何异构,29,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,远程结构（Long-range Structure),一、高分子的大小（Molecular Size） 高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性 平均相对分子质量,30,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,高分子链中重复单元数目称为聚合度,不仅影响高分子溶液和熔体的流变性质，,对加工和使用也有很大影响 。,数均相对分子量,每链节的质量,对力学性能,起决定作用，,31,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础
14、,二、高分子的形状（Molecular shape）主链以共价键联结，有一定键长 d和键角，每个单键都能内旋转（Chain twisting）故高分子在空间形态有mn-1( m为每个单键内旋转可取的位置数，n为单键数目) 统计学角度高分子链取 伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲（zigzag）构象几率极大高分子链的总链长均方根,32,内蒙古工业大学材料科学与工程学院金属学基础,三、影响高分子链柔性的主要因素 （the main influencing factors on the molecular flexibility） 高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility）,
