第1章 材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)

第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)

第二節(jié)原子結(jié)合鍵

第三節(jié)原子排列方式

第四節(jié)晶體材料的組織

第五節(jié)材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)不同的材料具有不同的性能，同一材料經(jīng)不同加工工藝后也會(huì)有不同的性能。這些都與材料中原子的排列方式，即其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，研究固態(tài)結(jié)構(gòu)，即原子排列和分布規(guī)律，深入理解結(jié)構(gòu)的形成以及結(jié)構(gòu)與成分、加工工藝之間關(guān)系，是了解掌握材料性能的基礎(chǔ)，只有這樣，才能從內(nèi)部找到改善和發(fā)展新材料的途徑。

一、原子的結(jié)構(gòu)與結(jié)合鍵

1、顯著影響材料的電、磁、光和熱性能；

2、決定材料的類型。

二、原子的空間排列

作用：顯著影響材料的力學(xué)性能。

三、顯微組織

作用：顯著影響材料的力學(xué)性能。第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)（電子的排列方式）原子是由質(zhì)子和中子組成的原子核，以及核外的電子所構(gòu)成的。電子的分布不僅決定了原子的行為，也對(duì)工程材料內(nèi)部原子的結(jié)合以及材料的某些性能起著決定性的作用。原子間的作用力是由原子的外層電子排布結(jié)構(gòu)造成的。除惰性元素外，其它元素的外層軌道必須通過以下兩種方式來達(dá)到電子排布的相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)：

(1)

接受或釋放額外電子，形成具有凈負(fù)電荷或正電荷的離子。

(2)

共有電子。原子間的鍵合力較強(qiáng)。元素周期表把所有元素按相對(duì)原子質(zhì)量及電子分布方式排列成的表稱元素周期表(圖1-2)周期表上豎的各列稱為族，同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)，周期表兩側(cè)的各族IA、ⅡA、ⅢA…ⅦA分別對(duì)應(yīng)于外殼層價(jià)電子數(shù)為1、2、3…7的情況，所以同一族元素具有非常相似的化學(xué)性能。周期表從根本上揭示了自然界物質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，反映了物質(zhì)世界的統(tǒng)一性和規(guī)律性。表中水平行排稱為周期，共七個(gè)周期。而原子結(jié)構(gòu)從根本上決定了原子間的結(jié)合鍵，從而影響元素的性質(zhì)。

一、結(jié)合力與結(jié)合能圖1-3原子間結(jié)合力a)原子間吸引力、排斥力、合力b)原子間作用位能與原子間距的關(guān)系固體原子固體原子吸引力排斥力庫(kù)倫定律吸引力和排斥力均隨原子間距的增大而減小，但兩者減小的情況不同；排斥力更具有短程力的性質(zhì)，即當(dāng)距離很遠(yuǎn)時(shí)，排斥力很小，只有當(dāng)原子間接近至電子軌道互相重疊時(shí)，排斥力才明顯增大，并超過了吸引力。第二節(jié)原子結(jié)合鍵根據(jù)物理學(xué)，力(F)和能量(E)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

在作用力等于零的平衡距離下能量應(yīng)該達(dá)到最低值，表明在該距離下體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)原子無限遠(yuǎn)時(shí)，原子間不發(fā)生作用，作用能可視為零。當(dāng)距離在吸引力作用下靠近時(shí)，體系的位能逐漸下降，到達(dá)平衡距離時(shí)，位能最低；當(dāng)原子距離進(jìn)一步接近，就必須克服反向排斥力，使作用能重新升高。平衡距離下的作用能定義為原子的結(jié)合能E0。二、原子間主鍵及特性在凝聚態(tài)下，原子間距離十分接近便產(chǎn)生了原子間的作用力，使原子結(jié)合在一起，或者說形成了鍵。材料的許多性能在很大程度上取決于原子結(jié)合鍵。根據(jù)結(jié)合力的強(qiáng)弱可把結(jié)合鍵分成兩大類：次鍵（或二次鍵）——結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵?！Y(jié)合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。原子間主鍵（或一次鍵）一、離子鍵1、定義由于正、負(fù)離子間的庫(kù)侖引力而形成。氯化鈉是典型的離子鍵結(jié)合，鈉原子將其3s態(tài)電子轉(zhuǎn)移至氯原子的3d態(tài)上，這樣兩者都達(dá)到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，正的鈉離子與負(fù)的氯離子相互吸引，穩(wěn)定地結(jié)合在一起(圖1-4)當(dāng)IA、IIA族金屬和ⅦA、ⅥA族的非金屬原子結(jié)合時(shí)，金屬原子的外層電子很可能轉(zhuǎn)移至非金屬原子外殼層上、使兩者都得到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，從而降低了體系的能量；此時(shí)金屬原子和非金屬原子分別形成正離子與負(fù)離子，正、負(fù)離子間相互吸引，使原子結(jié)合在一起，這就是離子鍵。

?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?2、特點(diǎn)1）正負(fù)離子相間排列，正負(fù)電荷數(shù)相等；2）鍵能最高，結(jié)合力很大；3）性能：硬度高、強(qiáng)度大；熱膨脹系數(shù)小，在常溫下的導(dǎo)電性很差；脆性較大。3、典型材料：陶瓷材料。二、共價(jià)鍵1、定義是由于相鄰原子共用其外部?jī)r(jià)電子，形成穩(wěn)定的電子滿殼層結(jié)構(gòu)而形成。價(jià)電子數(shù)為4或5個(gè)的ⅣA、ⅤA族元素，離子化比較困難，例如ⅣA族的碳有四個(gè)價(jià)電子，借失去這些電子而達(dá)到穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)所需的能量很高，因此不易實(shí)現(xiàn)離子鍵結(jié)合。在這種情況下，相鄰原子間可以共同組成一個(gè)新的電子軌道，出兩個(gè)原子中各有一個(gè)電子共用，利用共享電子對(duì)來達(dá)到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)。2、共價(jià)鍵性能結(jié)合力很大，硬度高、強(qiáng)度大、熔點(diǎn)高，延展性和導(dǎo)電性都很差，具有很好的絕緣性能。3、典型材料：金剛石、陶瓷和聚合物材料。

圖1-5金剛石的共價(jià)結(jié)合及其方向性a)正四面體b)共價(jià)鍵的方向性三、金屬鍵1、定義貢獻(xiàn)出價(jià)電子的原子成為正離子，與公有化的自由電子間產(chǎn)生靜電作用而結(jié)合的方式。2、性能它沒有飽和性和方向性；良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、正的電阻溫度系數(shù)；具有良好的塑性。3、典型材料：各種金屬。

四、范德瓦爾鍵1、定義一個(gè)分子的正電荷部位和另一個(gè)分子的負(fù)電荷部位間的微弱靜電吸引力將兩個(gè)分子結(jié)合在一起的方式。也稱為分子鍵。2、性能鍵合較弱，在外力作用下鍵易斷裂；可在很大程度上改變材料的性能；低熔點(diǎn)、高塑性。3、典型材料：高分子材料。總結(jié)大多數(shù)工程材料是以混合鍵方式結(jié)合的。金屬材料以金屬鍵為主；陶瓷材料以離子鍵為主；高分子材料以共價(jià)鍵為主。原子的排列可分為：無序排列、短程有序和長(zhǎng)程有序三個(gè)等級(jí)，如下圖所示。材料中原子的排列惰性氣體無規(guī)則排列；(b)、(c)表示有些材料包括水蒸氣和玻璃的短程有序；(d)金屬及其他許多材料的長(zhǎng)程有序排列第三節(jié)原子排列方式晶體與非晶體。

金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)一、非晶體1、定義：若構(gòu)成材料的原子在三維空間呈無序或短程有序排列，則稱此材料為非晶態(tài)材料。2、特點(diǎn)結(jié)構(gòu)無序；各向同性；無固定熔點(diǎn)；熱導(dǎo)率和熱膨脹性??；塑性變形大；組成的變化范圍大。3、典型材料：大多數(shù)聚合物。二、晶體

1、定義原子呈長(zhǎng)程有序排列的物質(zhì)。3、晶體的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)有序；各向異性；有固定的熔點(diǎn)。3）典型材料：金屬；許多陶瓷和部分高分子材料。晶態(tài)材料與非晶態(tài)材料中原子排列的不同，導(dǎo)致性能上出現(xiàn)較大差異。如圖1-29所示，從液態(tài)冷卻凝固(或固態(tài)加熱熔化)時(shí)只有確定的熔點(diǎn)，并發(fā)生體積的突變。圖1-29從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w及非晶體的比體積變化結(jié)晶過程示意圖及相應(yīng)的多晶體組織

液體向晶體的轉(zhuǎn)變不是簡(jiǎn)單的冷卻過程，而且還具有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變(稱為結(jié)晶)，這一原子重排過程是通過在液體中不斷形成有序排列的小晶核(形核)以及晶核的逐漸生長(zhǎng)(生長(zhǎng))二個(gè)過程實(shí)現(xiàn)的、只有在熔點(diǎn)以下結(jié)晶方能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)從無序到有序排列必然伴隨著體積的收縮。

物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)（分子、原子或離子）在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形成的物質(zhì)叫晶體，如圖1-9(d)。非晶體在整體上是無序的，但原子間也靠化學(xué)鍵結(jié)合在一起，所以在有限的小范圍內(nèi)觀察原子排列還有一定規(guī)律，可以將非晶體的這種結(jié)構(gòu)稱為短程有序，如圖1-9(b)、(c)。多數(shù)材料在固態(tài)下通常都以晶體形式存在，依結(jié)合鍵類型不同，晶體可分為金屬晶體、離子晶體、共價(jià)晶體和分子晶體，不同晶體材料的結(jié)構(gòu)不同。晶體小原子〔離子或分子)在二維空間的具體排列方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。材料的性質(zhì)通常都與其晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此研究和控制材料的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)制造、使用和發(fā)展材料均具有重要的意義。第四節(jié)晶體材料的組織一、組織的顯示與觀察115.tif圖1-15利用顯微鏡觀察材料的組織二、單晶體各向異性。單晶體金剛石刀具三、多晶體：各向同性例、Fe的E=210000MN/m2四、晶粒（10-1~10-2mm）

晶界(100~200)

五、相是合金中具有晶體結(jié)構(gòu)相同、成分相同和性能相同，并以界面相互分開的組成部分。

純鐵：