材料科学基础教程及习题第三版上海交通大学

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1、目录目录 第第 1章 原子结构与键合章 原子结构与键合 1 1 1 原子结构 1 1 2 原子间的键合 1 1 3 高分子链 2 本章重点复习 3 第第 2章 固体结构章 固体结构 4 2 1 晶体学基础 4 2 2 金属的晶体结构 5 2 5 共价晶体结构 10 2 6 聚合物的晶体结构 10 2 7 非晶态结构 12 本章重点复习 12 第第 3章 晶体缺陷章 晶体缺陷 14 3 2 位错 15 3 3 表面及界面 17 本章重点复习 19 第第 4章 固体中原子及分子的运动章 固体中原子及分子的运动 22 4 1 表象理论 22 4 2 扩散的热力学分析 23 4 3 扩散的原子理论 2

2、3 本章重点复习 24 第第 5章 材料的形变和再结晶章 材料的形变和再结晶 27 5 1 弹性和粘弹性 27 5 2 晶体的塑性变形 28 5 3 回复和再结晶 32 5 4 高聚物的塑性变形 34 本章重点复习 35 第第 6章 单组元相图及纯晶体凝固章 单组元相图及纯晶体凝固 37 6 1 单元系相变的热力学及相平衡 37 6 2 纯晶体的凝固 38 本章重点复习 39 第第 7章 二元系相图及合金的凝固章 二元系相图及合金的凝固 41 7 1 相图的表示和测定方法 41 7 2 相图热力学的基本要点 42 7 3 二元相图分析 43 本章重点复习 46 第第 8章 三元相图章 三元相图

3、 50 8 1 三元相图基础 50 8 2 固态互不溶解的三元共晶相图 53 8 3 固态有限互溶的三元共晶相图 55 8 4 两个共晶型二元系和一个匀晶二元系构成的三元相图 56 8 5 包共晶型三元系相图 57 8 6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图 57 8 7 形成稳定化合物的三元系相图 58 8 8 三元相图举例 58 8 9 三元相图小结 61 本章重点复习 62 第第 9章 材料的亚稳态章 材料的亚稳态 64 9 1纳米晶材料 64 9 2 准晶态 66 9 3 非晶态材料 67 本章重点复习 69 各章例题 习题以及解答各章例题 习题以及解答 70 第1章 原子结构与键合 7

4、0 第2章 固体结构 74 第3章 晶体缺陷 83 第4章 固体中原子及分子的运动 91 第5章 材料的形变和再结晶 99 第6章 单组元相图及纯晶体凝固 107 第7章 二元系相图及合金的凝固 111 第8章 三元相图 120 第9章 材料的亚稳态 127 上海交通大学 材料科学基础网络课程 整理 1 第第 1章章 原子结构与键合原子结构与键合 材料是国民经济的物质基础 通过实践和研究表明 决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构 原子间的相互作用 相互结合 原 子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等 为此我们需要了解材料的微观构造 即其内部结构和 组织状

5、态 以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径 1 1 原子结构 1 1 1 物质的组成物质的组成 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 原子结构直接影响原子间的结合方式 1 1 2 原子的结构原子的结构 近代科学实验证明 原子是由质子和中子组成的原子核 以及核外的电子所构成的 原子的体积很小 直径约为 10 10m 数量级 而其原子核直径更小 仅为 10 15m 数量级 然而 原子的质量恰主要集中在 原子核内 因为每个质子和中子的质量大致为 1 67 10 24g 而电子的质量约为 9 11 10 28g 仅为质子的1 1836 1 1 3 原子的电

6、子结构原子的电子结构 描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示 多电子的原子中 核外电子的排布规律遵循三原则 即能量最低原理 Pauli 不相容原理和Hund 规则 从内到外 依次为 K 壳层 n 1 L 壳层 n 2 M壳层 n 3 1 主量子数 n 决定原子中电子能量以及与核的平均距离 即电子所处的量子壳层 2 轨道角量子数 li 给出电子在同一量子壳层内所处的能级 电子亚层 3 磁量子数 mi 给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数 4 自旋角量子数 si 反映电子不同的自旋方向 1 1 4 元素周期表元素周期表 具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素 元素周期表是元素周期

7、律的具体表现形式 它反映了元素之间相互联系的规律 元素在周期表中的位置反映了那个元素 的原子结构和一定的性质 IA元 素 周 期 表O HIIA金属非金属惰性气体过渡元素IIIAIVAVAVIAVIIAHe LiBeBCNOFNe NaMgIIIBIVBVBVIBVIIBVIIIIBIIBAlSiPSClAr KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe CsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn FrRaAcRfDbSgBhHsMt CePrNdPmSmEuGdTbDyH

8、oErTmYbLu ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr 图 1 2 元素周期表 1 2 原子间的键合 1 2 1 金属键金属键 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 金属键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 2 1 2 2 离子键离子键 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

9、是以原子为结合单元 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 1 2 3 共价键共价键 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 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 共价键在亚金属 碳 硅 锡 锗等 聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位 共价键晶体中各个键之间都有确定的 方位 配位数比较小 共价键的结合极为牢固 故共价晶体具有结构稳

10、定 熔点高 质硬脆等特点 共价形成的材料一般是绝 缘体 其导电性能差 1 2 4 范德华力范德华力 属物理键 系一种次价键 没有方向性和饱和性 比化学键的键能少1 2 个数量级 不同的高分子聚合物有不同的性能 分子间的范德华力不同是一个重要因素 1 2 5 氢键氢键 是一种特殊的分子间作用力 它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子 O F N 等 相结合而产生 的具有比一般次价键大的键力 具有饱和性和方向性 氢键在高分子材料中特别重要 1 3 高分子链 高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构两方面 链结构又分近程结构和远程结构 近程结构属于化学结构 又称一级结 构 远程结构又称二

11、级结构 是指单个高分子的大小和形态 链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象 如图 单个高分 子的几种构象图 1 3 1 高分子链的近程结构高分子链的近程结构 图1 6 单个高分子的几种构象图 1 链结构单元的化学组成 单体通过聚合反应连接而成的链状分子 称为高分子链 高分子中的重复结构单元的数目称为聚合度 2 分子结构 一般高分子都是线性的 分子链长可以蜷曲成团 也可以伸展成直线 3 共聚物的结构 由两种或两种以上单体单元所组成的高分子称为共聚物 不同的共聚物结构 对材料性能的影响也各不相同 4 高分子链的构型 链的构型是指分子中由化学键所固定的几何排列 这种排列是稳定的 要改变构型必须经过

12、化学键的断裂和重组 构型不同的异构体有旋光异构和几何异构两种 1 3 2 高分子链的远程结构高分子链的远程结构 1 高分子的大小 高分子的相对分子质量不是均一的 它实际上是由结构相同 组成相同但相对分子质量大小不同的同系高分子的混合物聚 集而成 低聚物转向高分子时 强度有规律地增大 但增长到一定的相对分子质量后 这种依赖性又变得不明显了 强度逐 渐趋于一极限值 2 高分子的内旋转构象 单键是由 电子组成 线型高分子链中含有成千上万个 键 由于分子上非键合原子之间的相互作用 内旋转一般是受阻 的 即旋转时需要消耗一定的能量 高分子链的内旋转也像低分子一样 因受链上的原子或基团的影响不是完全自由的

13、 它 既表现出一定的柔性 又表现出一定的刚性 3 影响高分子链柔性的主要因素 高分子链能够改变其构象的性质称为柔性 a 主链结构的影响 上海交通大学 材料科学基础网络课程 整理 3 主链结构对高分子链的刚柔性的影响起决定性的作用 b 取代基的影响 取代基团的极性 取代基沿分子链排布的距离 取代基在主链上的对称性和取代基的体积等对高分子链的柔性均有影响 c 交联的影响 当高分子之间以化学键交联起来时 交联点附近的单键内旋转便受到很大的阻碍 本章重点复习 内容提要 内容提要 物质是由原子组成的 而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外高速旋转带负电的电子所构成的 在材料科学中 一般 人们最关心

14、的是原子结构中的电子结构 电子在核外空间作高速旋转运动 就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围 故形象地称它为电子云 电子既具有粒子性又具 有波动性 即具有二象性 电子运动没有固定的轨道 但可根据电子的能量高低 用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现 的几率的大小 根据量子力学理论 电子的状态是用波函数来描述的 原子中的一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示 1 主量子数 n 决定原子中电子能量以及与核的平均距离 即表示电子所处的量子壳层 2 轨道角动量量子数 li 给出电子在同一量子壳层内所处的能级 电子亚层 3 磁量子数 mi 给出每个轨道角动量数的能级数或轨道数 4 自旋角动量量子数

15、 si 反映电子不同的自旋方向 至于在多电子的原子中 核外电子的排布规律则遵循以下三个原则 1 能量最低原理 电子的排布总是先占据能量最低的内层 再由里向外进入能量较高的壳层 以尽可能使体系的能量最低 2 Pauli 不相容原理 在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子 主量子数为 n的壳层 最多容纳 2n2个电子 3 Hund 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 而且自旋的方向相同 当电子排布为全充满 半充满或全空时 是比较稳定的 整个原子的能量最低 元素周期表反映了元素的外层电子结构随着原子序数 核中带正电荷的质子数 的递增呈周期性的变化规律 可根据元素在

16、周 期表中的位置 推断它的原子结构和一定的性质 原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起的 由于原子间结合键不同 故可将材料分为金属 无机非金属和高分子材料 原子的 电子结构决定了原子键合的本身 原子间的结合键可分为化学键和物理键两大类 化学键即主价键 它包括金属键 离子键和共价 键三种 1 金属键 绝大多数金属均为金属键方式结合 它的基本特点是电子的共有化 2 离子键 大多数盐类 碱类和金属氧化物主要以离子键方式结合 这种键的基本特点是以离子而不是以原子为结合单位 3 共价键 在亚金属 C Si Sn Ge 等 聚合物和无机非金属材料中共价键占有重要地位 它的主要特点共用电子对 物理键为次价键 亦称范德华力 在高分子材料中占着重要作用 它是借助瞬时的 微弱的电偶极矩的感应作用将原子或分子结 合在一起的键合 它包括静电力 诱导力和色散力 此外还有一种氢键 它是一种极性分子键 存在于 HF H2O NH3 等分子间 其结合键能介于化学键与物理键之间 由于高分子材料的相对分子质量可高达几十万甚至上百万 所包含的结构单元可能不止一种 每一种结构单元又具有不同构型 而且结构单元之间可能有不同键接方