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第二章材料性能本讲稿第一页，共三十页 在固体状态下，原子聚集堆积在一起，其间距足够近，它们之间便产生了相互作用力，即为原子间的结合力或结合键（简称键）。不同类型的原子之间产生不同性质的结合键。材料的许多性能在很大程度上取决于原子结合键。根据结合力的强弱，可把结合键分为两大类：强键（包括离子键、共价键、金属键）和弱键（即分子键）。第一节 结结 合合 键键本讲稿第二页，共三十页 当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时，正电性元素原子失去最外层价电子变成带正电荷的正离子，负电性元素原子获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引，同时当它们十分接近时又发生排斥。当引力和斥力相等时即形成稳定的离子键。离子键要求正负离子相间排列，而且要保证异性离子之间的引力最大、同性离子之间的斥力最小。一、离 子 键本讲稿第三页，共三十页 处于周期表中间位置的三、四、五价元素，获得和丢失电子的几率相近，原子既可能获得电子变为负离子，也可能丢失电子变为正离子。当这些元素原子之间或与邻近元素的原子形成分子或晶体时，以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。被共用的价电子同时属于两相邻的原子，使它们的最外层均为满壳层；价电子主要在这两个相邻原子核之间运动，形成一负电荷较集中的地区，从而对带正电荷的原子核产生吸引力，将它们结合起来。这种由共用价电子对产生的结合键称为共价键，二、共 价 键本讲稿第四页，共三十页 周期表中、族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。满壳层在带正电荷的原子核和价电子之间起屏蔽作用，原子核对外面轨道上的价电子的吸引力不大，原子很容易丢失其价电子而成为正离子。当大量这样的原子相互接近并聚集为固体时，其中大部或全部原子会丢失价电子。同离子键、共价键不一样，这些被丢失的价电子不为某个或某两个原子所专有或共有，而是为全体原子所公有。这些公有化的电子称为自由电子。它们在正离子之间自由运动，形成电子云，正离子则沉浸在电子云中。正离子和电子云之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来，该结合力就称为金属键，它没有饱和性和方向性。三、金 属 键本讲稿第五页，共三十页 原子状态形成稳定电子壳层的惰性气体元素，在低温下可结合为固体；B族元素的双原子也能结合成晶体。在它们结合的过程中，没有电子的得失、共有或公有化，原子或分子之间的结合力是很弱的范德瓦尔斯力即分子键，实际上就是分子偶极之间的作用力。四、分 子 键本讲稿第六页，共三十页第二节 晶体结构理论 固体可以分为两类：晶体和非晶体。原子在三维空间中有规则地周期性重复排列的物质称为晶体，否则为非晶体。一、晶体与非晶体本讲稿第七页，共三十页 1.晶格 晶体中原子（或离子、分子）在空间呈规则排列，规则排列的方式就称为晶体的结构。组成晶体的物质质点不同、排列的规则或周期性不同，就可以形成各种各样的晶体结构。二、晶体学基本概念本讲稿第八页，共三十页 晶体学基本概念 假定晶体中的物质质点都是固定的刚球，由这些刚球堆垛而成晶体，如图2-1a所示，即原子堆垛模型。为了研究方便，假设通过这些质点的中心画出许多空间直线形成空间格架，这种假想的格架在晶体学上就称为晶格，如图2-1b所示。实际上是将构成晶体的实际质点忽略，将它们抽象成纯粹的几何点，称其为结点，相当于质点的平衡中心位置。1.晶格本讲稿第九页，共三十页 晶体学基本概念 1.晶格图2-1 晶体中原子排列示意图a）原子堆垛模型 b）晶格 本讲稿第十页，共三十页 晶体学基本概念 由于晶体中原子有规则排列且具有周期性的特点，为便于讨论，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何组成单元称为晶胞，如图2-1c所示。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格并形成晶体。简言之，用晶胞可以描述晶格和晶体结构。2.晶胞本讲稿第十一页，共三十页 晶体学基本概念 2.晶胞 图2-1 晶体中原子排列示意图a）原子堆垛模型 b）晶格 c）晶胞本讲稿第十二页，共三十页 晶体学基本概念 在三维空间中，晶胞的几何特征即大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角、来描述，其中晶胞的棱边长度a、b、c一般称为晶格常数。晶格常数的单位为nm(1nm=10-9m)按照以上六个参数组合的可能方式或根据晶胞自身的对称性，可将晶体结构分为七个晶系，其中立方晶系（a=b=c,=90）较为重要。3.晶格常数本讲稿第十三页，共三十页 金属原子趋向于紧密排列，工业上使用的金属元素中，绝大多数的晶体结构比较简单，其中最典型最常见的有三种类型，即体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，如图2-2所示。前两者属于立方晶系，后者属于六方晶系。三、金属晶体结构 本讲稿第十四页，共三十页 金属晶体结构 （一）体心立方晶格 图2-2 金属的典型晶胞a）体心立方 b）面心立方 c）密排六方本讲稿第十五页，共三十页 金属晶体结构 （二）面心立方晶格 图2-2 金属的典型晶胞a）体心立方 b）面心立方 c）密排六方本讲稿第十六页，共三十页 金属晶体结构 （三）密排立方晶格 图2-2 金属的典型晶胞a）体心立方 b）面心立方 c）密排六方本讲稿第十七页，共三十页 离子晶体在陶瓷材料中占有重要地位，例如MgO、Al2O3等都是在陶瓷材料中具有明显离子键的晶体材料。构成离子晶体的基本质点是正、负离子，它们之间以静电作用力（库仑力）相结合，结合键为离子键。三、离子晶体结构 本讲稿第十八页，共三十页 共价晶体是由同种非晶体金属元素的原子或异种元素的原子以共价键结合是最典型的共价键结合。共价键在有机化合物中也很普遍。共价晶体在无机非金属材料中占有重要地位。由于共价键的饱和性和方向性特点，共价晶体结构的配位数比金属晶体和离子晶体均低。四、共价晶体结构 本讲稿第十九页，共三十页 在实际应用的金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，总是不可避免地或多或少地存在一些原子偏离规则排列的区域，这就是晶体缺陷。一般说来，金属中这些偏离其规定位置的原子数目很少，从整体上看其结构还是接近完整的。尽管如此，晶体缺陷对金属的许多性能有着极重要的影响，与晶体的凝固、固态相变、扩散等过程都有重大关系，特别是对塑性变形和断裂等方面起决定性的作用。况且晶体缺陷并不是静止地、稳定不变地存在着，而是随着各种条件的改变而不断地变动，可以产生、发展、运动和交互作用，也可以合并或消失。由此可见，研究晶体缺陷具有重要的实际意义。第三节 晶体缺陷理论晶体缺陷理论本讲稿第二十页，共三十页 在晶体中，原子在其平衡位置上作高频率的热振动，振动能量经常变化，此起彼落，称为能量起伏。在一定温度下，在任何瞬间，晶体中总有某些原子具有很高的振动能量而不能保持在其平衡位置上，从而形成点缺陷。点缺陷的特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子尺寸，例如空位、间隙原子、置换原子等，如图2-7所示。一、点缺陷 本讲稿第二十一页，共三十页 点缺陷 图2-7 晶体中的各种点缺陷a）空位 b）间隙原子 c）、d）置换原子本讲稿第二十二页，共三十页 线缺陷的特征是在两个方向的尺寸很小，在另一个方向的尺寸相对很大。晶体中的线缺陷实际上就是位错，也就是说在晶体中有一列或若干列原子，发生了有规律的错排现象。错排区是线性的点阵畸变区，长度可达几百至几万个原子间距，宽度仅几个原子间距。按前人提出的较成熟的位错模型，晶体中的位错主要有刃型位错和螺型位错，如图2-8所示。二、线缺陷 本讲稿第二十三页，共三十页 线缺陷 图2-8 晶体中的位错示意图a）完整晶体 b）含有刃型位错的晶体 c）含有螺型位错的晶体本讲稿第二十四页，共三十页 面缺陷的特征是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对很大，呈面状分布。金属晶体中的面缺陷主要是指晶体材料中的各种界面，如晶界、亚晶界和相界等。二、面缺陷 本讲稿第二十五页，共三十页 面缺陷 （一）晶界 实际金属为多晶体，由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成。由于各晶粒的取向各不相同，在其相互交界处原子排列很不规整，存在一过渡层，其原子受相邻晶粒的影响处于折衷位置，晶格畸变程度较大。不同取向晶粒之间的接触面称为晶界，如图2-10所示。本讲稿第二十六页，共三十页 面缺陷 图2-10 晶界的过渡结构示意图（一）晶界本讲稿第二十七页，共三十页面缺陷（二）亚晶界 晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。晶粒内的亚晶粒又称为晶块，其尺寸比晶粒小23个数量级，一般为10-610-4cm。亚晶粒之间位向差很小，一般小于12。亚晶粒之间的界面称为亚晶界，亚晶界实际上是由一系列刃型位错所构成，如图2-12所示。亚晶界上原子排列也不规则，亦产生晶格畸变。与晶粒相似，细化亚晶粒也能显著提高金属的强度。本讲稿第二十八页，共三十页面缺陷图2-12 亚晶界结构示意图（二）亚晶界本讲稿第二十九页，共三十页第二章第二章 结束结束!本讲稿第三十页，共三十页