原子間作用力和結(jié)合能

1、化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子3.2原子間作用力和結(jié)合能化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子2原子的聚集態(tài)n聚集態(tài)氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)n物質(zhì)最常見(jiàn)的存在方式q液體q液晶q橡膠態(tài)q玻璃態(tài)q晶態(tài)彈性模量體積模量 向立方塊物體表面施加一均勻壓力時(shí)，其體積將減小，其單位體積的體積變化作為所需壓力大小的度量切變模量當(dāng)物體受到方向相反的切向力時(shí)，將受剪切而變形，而沒(méi)有體積變化，單位剪切應(yīng)變的切應(yīng)力的大小E/Kdp/ d/d/ 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子3原子的聚集態(tài)n凝聚態(tài)物質(zhì)最常見(jiàn)的存在方式q液體q液晶q橡膠態(tài)q玻璃態(tài)q晶態(tài)彈性模量 體積模量 切變模量趨于零很大 零很小很大 趨于零很小很大 很小很大很大 很大很大很

2、大 很大化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子4原子間作用力和結(jié)合能n原子間的距離和作用q原子間距離很大時(shí), 相互作用很小;q 距離減小時(shí)，斥力和引力以不同的函數(shù)形式增大。q平衡間距就是斥力和引力相等的距離。qa：平衡間距， 合力F= 0，能量E最低，結(jié)合能的負(fù)值；qr 增大，F(xiàn)為引力，E增大；r減小，F(xiàn)為斥力，E大大增大。 FRFA化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子5RArRANEEdrFFE)(NEAERENFAFRF總作用勢(shì)能總作用勢(shì)能吸引能吸引能排斥能排斥能總作用力總作用力吸引力吸引力 排斥力排斥力化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子6 (a) 金屬半徑 (b) 離子半徑原子半徑和離子半徑 結(jié)合原子：原子間作

3、用方式和作用力的不同，a不同，半徑不同 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子7多原子間的相互作用n材料類型結(jié)合能的大小 勢(shì)能曲線晶體的結(jié)合能 EBENE0E0晶體總能量， EN組成該晶體的N個(gè)原子在自由狀態(tài)的總能量晶體結(jié)合能離子晶體m1,n=9金屬晶體m1，n3 nmrBrArE化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子83.3原子間結(jié)合鍵n原子結(jié)合方式鍵型 q化學(xué)鍵： (一次鍵) q物理鍵： (二次鍵)離子鍵金屬鍵共價(jià)鍵分子鍵(范德華力)氫鍵化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子9化學(xué)鍵(一次鍵)q離子鍵q共價(jià)鍵q金屬鍵n這三種物質(zhì)在固態(tài)下都有很高的熔點(diǎn)n化學(xué)鍵的結(jié)合中存在電子的交換，這些電子稱為價(jià)電子。NaClSiCu8

4、0116831356化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子10 離子鍵 正離子負(fù)離子 庫(kù)侖引力 以離子為結(jié)合單元 離子鍵(Ionic Bonding)化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子11離子鍵多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物n特點(diǎn)：q結(jié)合力很大q電子束縛在離子中；q正負(fù)離子吸引，達(dá)靜電平衡,相間排列q電場(chǎng)引力無(wú)方向性q無(wú)飽和性；q在溶液中離解成離子n性質(zhì)：q熔點(diǎn)和硬度均較高，熱膨脹系數(shù)小q良好電絕緣體，q不吸收可見(jiàn)光，無(wú)色透明化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子12共價(jià)鍵 (Covalent Bonding)n實(shí)質(zhì)：兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子通過(guò)共用電子對(duì)的鍵合。n類型q極性鍵：共用電子對(duì)偏于某成鍵原子q非極性鍵：位于

5、兩成鍵原子中間化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子13共價(jià)鍵n亞金屬(C、Si、Sn、 Ge)，聚合物和無(wú)機(jī)非金屬材料n特點(diǎn)：特點(diǎn)：q兩原子共享最外殼層電子對(duì)；q有飽和性； 8Nq有方向性；q結(jié)合力很大n性質(zhì)：熔點(diǎn)高、硬度大、脆性大、 沸點(diǎn)高、不易揮發(fā)、導(dǎo)電能力差化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子14金屬鍵 (Metallic Bonding)n價(jià)電子極易掙脫原子核 之束縛而成為自由電子， 在整個(gè)晶體內(nèi)自由地運(yùn) 動(dòng)，形成電子云。n金屬鍵金屬中自由 電子氣與金屬正離子之 間的靜電吸引力n主要物質(zhì)：金屬和以金屬為主的合金化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子15金屬鍵n特點(diǎn)：q由正離子排列成有序晶格；q各原子最 (及次)

6、外層電子釋放，在晶格中隨機(jī)、自由、無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，無(wú)方向性；q原子最外殼層有空軌道或未配對(duì)電子，既容易得到電子，又容易失去電子；q價(jià)電子不是緊密結(jié)合在離子芯上，鍵能低、具有范性形變(可塑性)。n性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能， 延展性好，有不透光性化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子16物理鍵(二次鍵)n作用力也是庫(kù)侖引力q與離子鍵相同但弱得多q不存在電子交換，原子或分子電子分布不均勻 原子或分子的極性結(jié)合n種類q分子鍵(范德華鍵)q氫鍵外界條件外界條件化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子17分子鍵n分子鍵分子（或電中性原子）間的結(jié)合力，是以弱靜電吸引的方式使分子或原子團(tuán)連接在一起的力，又稱范德華力。n特點(diǎn)：q無(wú)方向性

7、和飽和性q 鍵能最小 n 分類原子或分子的偶極原子或分子的偶極靜電力(葛生力) 誘導(dǎo)力(德拜力)色散力(倫敦力)化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子18靜電力n實(shí)質(zhì)：分子永久偶極間相互作用，如HCl分子n作用能 1.2102.110KJ/moln影響因素q分子極性q與溫度成反比q與分子間距的6次方成反比化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子19誘導(dǎo)力n實(shí)質(zhì)：被誘導(dǎo)的偶極與永久偶極間作用n作用能：0.6101.210KJ/moln產(chǎn)生于：q極性非極性q極性極性q離子分子q離子離子影響因素：p分子極性p被誘導(dǎo)分子的外層電子殼越大，越易變形p與分子間距的6次方成反比化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子20色散力n實(shí)質(zhì)：非極性

8、分子間瞬時(shí)偶極間的作用n作用能：0.88.4KJ/moln特點(diǎn)：q普遍性q具有加和性n影響因素：q分子的變形性越大，色散力越大q分子的電離勢(shì)越低，色散力越大q分子間距離的6次方成反比化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子21分子鍵n分子鍵與物質(zhì)的性質(zhì)q沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、汽化熱、熔化熱、溶解度、和表面張力n存在于q惰性氣體q分子性固體聚合物(長(zhǎng)鏈大分子構(gòu)成)q液體化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子22實(shí)質(zhì)：質(zhì)子給予體(如H)與強(qiáng)電負(fù)性原子X(jué)(如O、N、F、Cl)結(jié)合，再與另一強(qiáng)電負(fù)性原子Y(質(zhì)子接受體)形成一個(gè)鍵的鍵合方式。氫鍵 (Hydrogen bond) 條件：分子中必須含有氫另一個(gè)元素必要電負(fù)性很強(qiáng)的非金屬元

9、素；化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子23氫鍵n特點(diǎn)特點(diǎn)：q有方向性，飽和性；q分子間氫鍵；q鍵能: 一般為幾 十幾 kJ/moln主要存在于固體和液體中q水、胺、羧酸、無(wú)機(jī)酸、水合物、氨合物q蛋白質(zhì)、脂肪、糖n分子鍵與物質(zhì)的性質(zhì)q沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、溶解度、表面吸附化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子24各種鍵性比較n方向性：金屬鍵、離子鍵無(wú) 共價(jià)鍵、分子鍵、氫鍵有n鍵能：在101.3kPa，298K條件下，1mol 物質(zhì)結(jié)合鍵分裂放出的能量表示結(jié)合的強(qiáng)弱q 化學(xué)鍵 物理鍵q 化學(xué)鍵中: 共價(jià)鍵 離子鍵 金屬鍵q 共價(jià)鍵中: 叁鍵雙鍵單鍵q物理鍵中: 氫鍵 分子鍵化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子25不同結(jié)合鍵的鍵能及

10、熔點(diǎn)注：注：1cal1cal4.18J4.18J化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子 3.4結(jié)合鍵與材料類型及性質(zhì)化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子271.材料類型與結(jié)合鍵n金屬金屬鍵簡(jiǎn)單金屬 金屬鍵共價(jià)鍵過(guò)渡金屬n高分子材料q分子內(nèi)部共價(jià)鍵q分子之間分子鍵或氫鍵n陶瓷材料q離子鍵（為主）q共價(jià)鍵化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子282.材料性質(zhì)與結(jié)合鍵n彈性模量E=/=S0/r0FRFA金屬金屬鍵大陶瓷材料離子鍵和共價(jià)鍵大 高分子分子鍵小 交聯(lián)增大化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子292.材料性質(zhì)與結(jié)合鍵密度原子量、原子半徑、配位數(shù)熔點(diǎn)原子結(jié)合力熱膨脹系數(shù)電導(dǎo)率原子鍵化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子30材料結(jié)構(gòu)n組成材料

11、的原子(或離子、分子)的構(gòu)造n原子間的結(jié)合方式n原子間的排列方式n結(jié)構(gòu)中存在的缺陷結(jié)合鍵晶體結(jié)構(gòu)位錯(cuò)、晶格畸變化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子31晶體結(jié)構(gòu)n金剛石和石墨都是由碳原子構(gòu)成的，但是它們的性質(zhì)截然不同。n金剛石是正四面體結(jié)構(gòu)，每個(gè)面都是三角形，所以金剛石堅(jiān)硬無(wú)比；n石墨是片層結(jié)構(gòu)，層與層之間很容易滑動(dòng)，所以石墨較軟而且有滑膩感，可以作高溫潤(rùn)滑劑。 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子32結(jié)晶特性n晶 體：原子(團(tuán))沿三維空間呈周期性長(zhǎng)程有序排列的固體物質(zhì) q金屬，大多陶瓷及一些聚合物 n非晶體：原子(團(tuán))無(wú)周期性長(zhǎng)程有序排列的物質(zhì) q包括氣體，液體和部分固體 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子33晶體

12、的性質(zhì)q熔點(diǎn)確定q有自發(fā)形成規(guī)則多面體外形的能力q穩(wěn)定性 （晶體能量最低）q各向異性（物理性質(zhì)不同）q均勻性（周期小，宏觀連續(xù)）化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子34晶體學(xué)基礎(chǔ)n基本概念q空間點(diǎn)陣q晶胞q晶系和布拉菲點(diǎn)陣q晶向、晶向指數(shù)、晶向族q晶面和晶面指數(shù)q晶面族和晶面間距化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子35 1點(diǎn)陣： 晶體結(jié)構(gòu)的微觀微觀特征 某種結(jié)構(gòu)單元（基元）在三維空間作周期性規(guī)則排列基元：原子、分子、離子或原子團(tuán) (組成、位形、取向均同) 抽象為基元 幾何點(diǎn) 抽象為基元的三維空間周期排列 空間點(diǎn)陣 點(diǎn)陣點(diǎn)陣 + + 基元基元 = = 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子36化工學(xué)院高分

13、子化工學(xué)院高分子37化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子38化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子39空間點(diǎn)陣的特征： n點(diǎn)陣反映晶體結(jié)構(gòu)的平移對(duì)稱n點(diǎn)陣是抽象的幾何圖形n點(diǎn)陣中每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境均相同化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子402晶胞 晶胞：代表晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本重復(fù)單位（平行六面體） 晶胞的基本要素： A大小和形狀 B各原子坐標(biāo)位置 晶軸上晶胞三個(gè)邊的長(zhǎng)度 a， b，c 和 其夾角， 稱為 晶格常數(shù)簡(jiǎn)單晶胞（初級(jí)晶胞）：只有在平行六面體每個(gè)頂角上有一陣點(diǎn)復(fù)雜晶胞： 除在頂角外，在體心、面心或底心上有陣點(diǎn) 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子41晶胞選取晶胞的原則n)選取的平行六面體應(yīng)與宏觀晶體具有同樣的對(duì)稱性；

14、n）平行六面體內(nèi)的棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多；n）當(dāng)平行六面體的棱角存在直角時(shí)，直角的數(shù)目應(yīng)最多；n）在滿足上述條件，晶胞應(yīng)具有最小的體積。 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子423.晶系和布拉菲點(diǎn)陣n按晶格常數(shù)的不同組合可將晶胞分為7種類型類型，對(duì)應(yīng)7個(gè)個(gè)晶系晶系n7個(gè)晶系中，共有14種種空間點(diǎn)陣型空間點(diǎn)陣型式式布拉菲點(diǎn)陣433.晶系與布拉菲點(diǎn)陣 7個(gè)晶系，14個(gè)布拉菲點(diǎn)陣晶系晶系布拉菲點(diǎn)陣布拉菲點(diǎn)陣晶系晶系布拉菲點(diǎn)布拉菲點(diǎn)陣陣三斜三斜Triclinicabc ，單斜單斜 Monoclinicabc， =90正交正交abc，=90 簡(jiǎn)單三斜簡(jiǎn)單三斜簡(jiǎn)單單斜簡(jiǎn)單單斜底心單斜底心單斜簡(jiǎn)單正交簡(jiǎn)單正交底心正

15、交底心正交體心正交體心正交面心正交面心正交六方六方 Hexagonala1=a2a3c，=90 ， =120菱方菱方 Rhombohedrala=b=c, =90 四方（正方）四方（正方）Tetragonala=bc, =90 立方立方 Cubica=b=c， =90 簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單菱方簡(jiǎn)單菱方簡(jiǎn)單四方簡(jiǎn)單四方體心四方體心四方簡(jiǎn)單立方簡(jiǎn)單立方體心立方體心立方面心立方面心立方44底心單斜簡(jiǎn)單三斜簡(jiǎn)單單斜45底心正交簡(jiǎn)單正交面心正交體心正交46簡(jiǎn)單菱方簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單四方體心四方47簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子484.晶向、晶向指數(shù)、晶向族n晶胞定位（用分?jǐn)?shù)坐標(biāo)）n原點(diǎn)（

16、0, 0, 0）n晶胞內(nèi)離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂角點(diǎn)(1, 1, 1)，即位置為(1a, 1b, 1c)n 定位系數(shù)以晶胞的尺度來(lái)表示,n點(diǎn)的位置用 (x, y, z)表示 (點(diǎn)在晶胞內(nèi), 無(wú)符號(hào), 分?jǐn)?shù))化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子49 方向可不同晶向和晶向指數(shù)、晶向族n(1) 晶向是原點(diǎn)出發(fā)通過(guò)某點(diǎn)的射線 (或過(guò)若干結(jié)點(diǎn)的直線方向)n(2)晶向指數(shù)用晶胞各軸上投影的最低整數(shù)標(biāo)明 n u v w 表示晶向，其中u v w 即晶向指數(shù)n 一個(gè)晶向代表了一系列相互平行的陣點(diǎn)構(gòu)成的直線n晶體中同一晶向的陣點(diǎn)直線系列稱為晶列，n 用u v w表示晶向族，代表原子密度相同(等價(jià))的所有晶向。 化工學(xué)院高分子化工

17、學(xué)院高分子50化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子51 定義右圖中的晶向指數(shù)晶向指數(shù)計(jì)算舉例解 x y z投影 a/2 1b 0c根據(jù)晶格常數(shù)投影 1/2 1 0取整 1 2 0晶向指數(shù) 120返回返回化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子52如立方晶體中： 111111111111XZY化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子53立方晶系常見(jiàn)的晶向?yàn)椋毫⒎骄党Ｒ?jiàn)的晶向?yàn)椋?11111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子54 n晶面：晶體內(nèi)的陣點(diǎn)（組成的）平面。n晶面指數(shù)：是晶面在三個(gè)晶軸上的截距倒數(shù)之比，用(h k l)表示。q截距用

18、晶格常數(shù)a，b，c 的倒數(shù)r，s，t表示q即：h : k : l=1/r : 1/s : 1/t ，最小整數(shù)5.晶面和晶面指數(shù)化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子55化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子56解解: x y z截距 a -b c/2根據(jù)晶格常數(shù)的截距 -1 1/2取倒數(shù)s 0 -1 2化為整數(shù) (必要時(shí)) 加上括號(hào) (0 1 2 )化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子576.晶面族：n 晶面族用h k l 表示, 代表原子排列和面間距相同（晶面方位不同）的所有晶面。n對(duì)立方晶體：q A100 3組q B111 4組q C110 6組 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子58110（110）（110）（101）（

19、101）（011）（011）XZY化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子59立方晶系常見(jiàn)的晶面為：立方晶系常見(jiàn)的晶面為：)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子60晶面間距n晶面組：晶體所有陣點(diǎn)被劃成平行等距的一組晶面化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子61晶面間距n晶面組中最近兩晶面間的距離叫晶面間距晶面間距晶面指數(shù)低，面上具有較高的原子密度，間距大、晶面指數(shù)低，面上具有較高的原子密度，間距大、作用力弱。作用力弱。 n立方晶體：qa 為點(diǎn)陣常數(shù)222lkhadhkl

20、化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子62金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方點(diǎn)陣體心立方點(diǎn)陣面心立方點(diǎn)陣面心立方點(diǎn)陣密排六方點(diǎn)陣密排六方點(diǎn)陣化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子63離子晶體CsCl化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子64共價(jià)晶體化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子65化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子66化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子67分子晶體化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子68高分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子69n(6)原子半徑：原子半徑：晶胞中晶胞中原子原子密度最大方向上密度最大方向上相鄰原子相鄰原子間距的一半。間距的一半。n(7) 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。內(nèi)所包含的原子數(shù)目。n(8

21、) 配位數(shù)：配位數(shù)：晶格中與任一晶格中與任一原子原子距離最近距離最近且且相等相等的原的原子數(shù)目。子數(shù)目。n(9) 致密度：致密度：晶胞中原子本晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。身所占的體積百分?jǐn)?shù)。補(bǔ)充參數(shù)化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子70體心立方晶格體心立方晶格化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子71n體心立方晶格體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密度：致密度：0.68常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb鈮鈮(niobium)等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(a=b=c)ar43 原子半徑：原子半徑：化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子72面心立方晶格面心立方晶格化工學(xué)院高分子化

22、工學(xué)院高分子73 a42r ：原子半徑原子半徑原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常數(shù)晶格常數(shù)：an面心立方晶格面心立方晶格化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子74密排六方晶格密排六方晶格化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子75原子半徑原子半徑：ra/2/2原子個(gè)數(shù)原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)配位數(shù)： 12（6+6）致密度致密度：0.74常見(jiàn)金屬常見(jiàn)金屬： Mg、Zn、 Be、Cd鎘鎘(cadmium)等等晶格常數(shù)晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)：底面邊長(zhǎng) a 和高和高 c， c/a=1.633n密排六方晶格密排六方晶格化工學(xué)院高分子化

23、工學(xué)院高分子76ad42ad23acad4322028811462188168. 0)43)(34(233aa74. 0)42)(34(433aa結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 特特 征征結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 類類 型型 體體 心心 立立 方方 （bcc） 面面 心心 立立 方方 （fcc） 密密 排排 六六 方方 （hcp）點(diǎn)點(diǎn) 陣陣 類類 型型體心立方體心立方面心立方面心立方簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單六方點(diǎn)點(diǎn) 陣陣 常常 數(shù)數(shù)aaa，c，c/a =1633最近的原子間距最近的原子間距（原子直徑）（原子直徑）晶胞中原子數(shù)晶胞中原子數(shù)6配配 位位 數(shù)數(shù)81212致致 密密 度度0.74 典型金屬結(jié)構(gòu)晶體學(xué)特點(diǎn) 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分

24、子77n三種常見(jiàn)晶格的密排面和密排方向三種常見(jiàn)晶格的密排面和密排方向n單位面積晶面上的原子數(shù)稱單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度晶面原子密度。n單位長(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)稱單位長(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度晶向原子密度。n原子密度最大的晶面和晶向稱原子密度最大的晶面和晶向稱密排面密排面和和密排方向密排方向。密排面密排面數(shù)量數(shù)量密排方向密排方向數(shù)量數(shù)量體心立方晶格體心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面對(duì)角線底面對(duì)角線3化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子78間 隙 四面體間隙四面體間隙 八面體間隙八面體間隙化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子79

25、面心立方(bbc)四面體間隙數(shù)四面體間隙數(shù)： 每晶胞： 8 每原子： 8 / 4 = 2 間隙大?。ò霃剑╅g隙大?。ò霃剑┌嗣骟w間隙數(shù)八面體間隙數(shù)： 每晶胞：1(體) + 1/4 12(棱) = 4 每原子： 4 / 4 = 1 間隙大?。ò霃剑╅g隙大小（半徑） = a / 2 R = 0.414RRRa225. 043化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子80 體心立方 （bcc） 八面體間隙數(shù)：八面體間隙數(shù)： 四面體間隙數(shù)：四面體間隙數(shù)： 每晶胞： 每晶胞： 1/2 6 (面)+ 1/4 12(棱) = 6 4 1/2 6(面) = 12 每原子： 6 / 2 = 3 每原子： 12 / 2 = 6

26、間隙大?。ò霃剑╅g隙大?。ò霃剑?間隙大小（半徑）間隙大?。ò霃剑?= a /2 R = 0.633R = 5 a / 4 R = 0.291R = a / 2 R = 0.154R 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子81密排六方(hcp) (c/a=1.633)八面體間隙數(shù)：八面體間隙數(shù)： 四面體間隙數(shù)：四面體間隙數(shù)： 每晶胞： 4 每晶胞： 8 每原子： 6 / 2 = 3 每原子： 12 / 2 = 6間隙大?。ò霃剑╅g隙大小（半徑） 間隙大?。ò霃剑╅g隙大?。ò霃剑?0.414 R 0.225R 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子82晶晶 胞胞 類類 型型四四 面面 體體 間間 隙隙八八 面面 體

27、體 間間 隙隙配位數(shù)配位數(shù)數(shù)數(shù) 量量間隙間隙大小大小配位數(shù)配位數(shù)數(shù)量數(shù)量大大 小小面心立方面心立方( (密排六方密排六方) )4 48 (12)8 (12)0.225 R0.225 R6 64 (6)4 (6)0.414 R0.414 R體心立方體心立方4 412120.291 R0.291 R6 66 6001001方向方向0.154 R0.154 R110110方向方向0.633 R0.633 R面心立方、密排六方與體心立方晶胞中的間隙化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子83材料結(jié)構(gòu)n組成材料的原子(或離子、分子)的構(gòu)造n原子間的結(jié)合方式n原子間的排列方式n結(jié)構(gòu)中存在的缺陷結(jié)合鍵晶體結(jié)構(gòu)位錯(cuò)、晶格

28、畸變金屬晶體化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子84晶體缺陷晶體缺陷n變形金屬晶粒尺寸約變形金屬晶粒尺寸約1100 m，鑄造金屬可達(dá)，鑄造金屬可達(dá)幾幾mm。純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖 單晶體與多晶體單晶體與多晶體n單晶體：?jiǎn)尉w：其內(nèi)部晶格方位完其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。全一致的晶體。n多晶體：多晶體：n晶粒：晶粒：實(shí)際使用的金屬材料實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。些小晶體稱為晶粒。化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子85鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子86n晶粒越細(xì)小，晶界面

29、積越大，晶界能越高。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大，晶界能越高。n多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖多晶體示意圖化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子87n 晶體缺陷晶體缺陷n晶格的不完整部晶格的不完整部位稱位稱晶體缺陷晶體缺陷。n實(shí)際金屬中存在實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺著大量的晶體缺陷，按形狀可分陷，按形狀可分三類，即三類，即點(diǎn)、線、點(diǎn)、線、面缺陷。面缺陷?；W(xué)院高分子化工學(xué)院高分子88n 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 n空間三維尺寸空間三維尺寸都很小的缺陷。都很小的缺陷。l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子點(diǎn)缺陷與材料的電

30、學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程等有關(guān)。材料的高溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程等有關(guān)?；W(xué)院高分子化工學(xué)院高分子89na. 空位：空位：晶格中某些缺排原晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。子的空結(jié)點(diǎn)。(熱平衡缺陷熱平衡缺陷)nb. 間隙原子：間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙擠進(jìn)晶格間隙中的原子。中的原子。n可以是基體金屬原子，也可可以是基體金屬原子，也可以是外來(lái)原子。以是外來(lái)原子。體心立方的四面體和八面體間隙體心立方的四面體和八面體間隙化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子90空位和間隙原子引起的晶格畸變空位和間隙原子引起的晶格畸變化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子91nc. 置換原子：置換原子：取代原

31、來(lái)原子位置的外來(lái)原取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子稱置換原子。子稱置換原子。n點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶晶空位空位間隙原子間隙原子小置換原子小置換原子大置換原子大置換原子格畸變格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降?；W(xué)院高分子化工學(xué)院高分子92n 線缺陷線缺陷晶體中的位錯(cuò)晶體中的位錯(cuò)n指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷的缺陷，n位錯(cuò)：位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，晶格中一部分晶體相對(duì)

32、于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)位錯(cuò)。分為。分為刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)和和螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)。線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。 化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子93刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子94n刃型位錯(cuò)：刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是緣就是

33、刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)。n半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)正位錯(cuò)，用，用“ ”表示。表示。n半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)負(fù)位錯(cuò)，用，用“ ”表示。表示。化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子95 G H E F刃型位錯(cuò)示意圖：刃型位錯(cuò)示意圖：(a)(a)立體模型立體模型;(b);(b)平面圖平面圖 晶體局部滑移造成的刃型位錯(cuò)晶體局部滑移造成的刃型位錯(cuò)化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子96螺型位錯(cuò)n平行的晶面變成圍繞一螺旋軸的螺旋面，這種晶格缺陷被稱為螺型位錯(cuò)n螺型位錯(cuò)有左旋和右旋之分化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子97CBAD(b) 螺型位錯(cuò)示意圖螺型位錯(cuò)示意圖: :（a a）立體模型）立體模型 ；（；（b b）平面圖）平面圖ABCD(a )化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子98螺型位錯(cuò)示意圖螺型位錯(cuò)示意圖化工學(xué)院高分子化工學(xué)院高分子99n位錯(cuò)密度：位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包單位體積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)n金屬的位錯(cuò)密度為金屬的位錯(cuò)密度為1041012/cm2n位錯(cuò)對(duì)性能的影響