機(jī)自-材-1-3材料結(jié)構(gòu)

§1-3固體材料的結(jié)構(gòu)材料的宏觀性能是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的分子是保持物質(zhì)基本化學(xué)性質(zhì)的最小微粒,

而分子又是由原子組成的組成分子的原子的種類、數(shù)目、排列方式及原子間的相互作用決定了分子的性質(zhì)結(jié)合鍵又稱為化學(xué)鍵，是指分子中各原子之間的相互作用。1、幾種典型的結(jié)合鍵

①離子鍵

---

金屬原子失去價(jià)電子成為正離子，非金屬原子獲得價(jià)電子成為負(fù)離子，這種由正、負(fù)離子相互作用而產(chǎn)生的強(qiáng)大鍵合力稱為離子鍵。

大多數(shù)由金屬和非金屬結(jié)合形成的鹽類、堿類和金屬氧化物是以離子鍵結(jié)合的。

-一、固體材料的結(jié)合鍵

-

-

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+

+

+

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+

+

②共價(jià)鍵

---原子間通過形成共用電子對而產(chǎn)生的結(jié)合鍵。是由相同原子或性能相近的原子組成分子時(shí)采用的原子結(jié)合方式，如金剛石、碳化硅等。

③

金屬鍵

---金屬原子的外層價(jià)電子脫離原子，形成金屬正離子和共用電子云。這種由正離子和電子云的相互吸引而形成的結(jié)合鍵稱為金屬鍵。④

分子鍵

---

分子之間通過一個(gè)分子的負(fù)電性部分與另一個(gè)分子的正電性部分相互吸引而產(chǎn)生的結(jié)合鍵。

+

+

+

+

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+

+

+

+2、工程材料的結(jié)合鍵與性能金屬材料

----以金屬鍵為主。

高硬度、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)，良好的塑性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性及大密度有機(jī)高分子材料

----分子內(nèi)共價(jià)鍵,分子間分子鍵。不高的強(qiáng)度和硬度，低的熔點(diǎn)和耐熱性，密度小，耐蝕和絕緣性好陶瓷材料（無機(jī)材料）----離子鍵或共價(jià)鍵為主。

硬而脆，高熔點(diǎn)，耐熱、耐蝕性好，絕緣好復(fù)合材料

----取決于組成物的結(jié)合鍵。二、金屬材料的顯微結(jié)構(gòu)

固態(tài)物質(zhì)按原子聚集狀態(tài)分為晶體和非晶體。

晶體---原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。非晶體---原子呈現(xiàn)無規(guī)律、無次序的堆積。

絕大多數(shù)的固態(tài)金屬和合金都是晶體。

晶體液體二、金屬材料的顯微結(jié)構(gòu)

金屬鍵的特點(diǎn)是沒有飽和性和方向性。自由電子的定向移動(dòng)形成了電流，使金屬表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性；正電荷的熱振動(dòng)阻礙了自由電子的定向移動(dòng)，使金屬具有電阻；溫度升高，正電荷熱振動(dòng)振幅增加，電阻增大，電阻溫度系數(shù)增大，使金屬具有正的溫度系數(shù)；自由電子能吸收可見光的能量，使金屬具有不透明性；當(dāng)自由電子從高能級回到低能級時(shí)，將吸收的可見光的能量以電磁波的形式輻射出來，使金屬具有光澤；晶體中原子發(fā)生相對移動(dòng)時(shí)，正電荷與自由電子仍能保持金屬鍵結(jié)合，使金屬具有良好的塑性。1、金屬鍵及金屬的特性晶格---將晶體中的每一個(gè)原子假設(shè)成一個(gè)幾何點(diǎn)，忽略其尺寸和重量，再用假想線把這些點(diǎn)連接起來，所得到的一個(gè)表示金屬內(nèi)部原子排列規(guī)律的抽象的空間格子。2、晶格、晶胞和晶格常數(shù)晶胞---反映晶格特征的最小幾何單元。晶格常數(shù)---反映晶胞大小、形狀的參數(shù)。

如棱邊長度a、b

、c(以

A

為單位，1

A

=10-10米)和棱間夾角α、β、γ

等。。。3、晶向和晶面晶向---晶體中，任意二個(gè)原子之間的連線稱為原子列，連線所指方向稱為晶向。晶向通常采用晶向指數(shù)[u

v

w]表示即以晶胞的某個(gè)頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以晶胞的3條棱邊為坐標(biāo)軸,以棱邊長度為單位長度。過原點(diǎn)作一平行于待定晶向的有向線段，其上任一點(diǎn)的座標(biāo)值化為最簡整數(shù)后即為晶向指數(shù)。如左圖中紅色線段的座標(biāo)值X=1，Y=1/2,Z=0，則其晶向指數(shù)為[210]

而綠色線段的座標(biāo)值X=0，Y=1,Z=

-1,則其晶向指數(shù)為[011][210][110][011]晶面---晶體中各種方位的原子面稱為晶面。立方晶系的晶面指數(shù)通常采用密勒指數(shù)法確定，即根據(jù)晶面與3個(gè)坐標(biāo)軸的截距來決定晶面指數(shù)。通常選晶胞中不在所求晶面上的某個(gè)頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)(不出現(xiàn)零截距)，以晶胞3條棱邊為坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)為單位；取晶面的三坐標(biāo)截距值的倒數(shù)，并化為最簡整數(shù)即為其晶面指數(shù)。晶面的方位通常采用晶面指數(shù)(

hkl

)表示。如上圖中綠色晶面與3個(gè)坐標(biāo)軸的截距為1、1、1/2，其晶面指數(shù)為（112）。

!

!

!

需要注意的是：①所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指數(shù)。如果晶向相反，則它們的晶向指數(shù)的數(shù)值相同，符號相反；②所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指數(shù)。晶面指數(shù)的數(shù)值相同而符號相反，表示這兩個(gè)晶面，如（100）與（100）平行地分布在坐標(biāo)原點(diǎn)的兩邊。①

體心立方晶格---晶胞形狀為立方體，8個(gè)頂點(diǎn)及體心各有1個(gè)原子(1個(gè)晶胞2個(gè)原子)，晶格常數(shù)

=

b

=

,

=

==90°。屬于此類晶格的金屬有鉻、鉬、釩、

鎢、α-鐵等。具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和塑性。4、常見的晶格類型及其致密度αβγca致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3原子半徑：致密度---晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比。②

面心立方晶格

---晶胞形狀為立方體，8個(gè)頂點(diǎn)及6

個(gè)表面的中心各有1個(gè)原子(1個(gè)晶胞4個(gè)原子)，晶格常數(shù)

=

b

=

,

=

==90°。屬于此類晶格的金屬有金、銀、銅、鋁、鎳、-鐵等。具有較好的塑性而且低溫下不會(huì)發(fā)生冷脆。βγcaγα晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.744③

密排六方晶格

---晶胞形狀是一個(gè)六方柱體。柱體的12個(gè)頂點(diǎn)及上、下底面中心各有1個(gè)原子，柱體中心還有3個(gè)原子(1個(gè)晶胞6個(gè)原子)。屬于這類晶格的金屬有鎂、鋅、鈹、鎘等。塑性一般較差。晶格常數(shù)底面邊長a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.74理想晶體是單晶體結(jié)晶結(jié)構(gòu)和位向完全一致的晶體。

單晶體一般性能呈現(xiàn)各向異性，須用特殊手段制取。實(shí)際金屬是多晶體由許多結(jié)構(gòu)相同但位向不同的小晶體所構(gòu)成的晶體。

多晶體一般呈現(xiàn)各向同性(又稱為偽各向同性，即各晶粒因位向不同而將各向異性抵消，使各向性能趨于相同)晶粒晶界5、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬有晶格缺陷原子排列規(guī)則受到破壞，出現(xiàn)與理想結(jié)構(gòu)的偏差點(diǎn)缺陷：間隙原子、置換原子、晶格空位

晶格缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷所有的晶格缺陷都將導(dǎo)致其周圍的晶格發(fā)生畸變，從而引起金屬的力學(xué)性能、化學(xué)性能等發(fā)生顯著的變化。一般而言，晶格缺陷越多，強(qiáng)度、硬度越高。

線缺陷：位錯(cuò)（一列或多列原子發(fā)生錯(cuò)排）面缺陷：晶界或亞晶界上的晶格畸變晶界亞晶界晶粒與晶粒之間的交界面在同一晶粒內(nèi)，略有位向差的小晶塊之間的邊界