第二章材料性能

第二章材料性能第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月在固體狀態(tài)下，原子聚集堆積在一起，其間距足夠近，它們之間便產(chǎn)生了相互作用力，即為原子間的結合力或結合鍵（簡稱鍵）。不同類型的原子之間產(chǎn)生不同性質的結合鍵。材料的許多性能在很大程度上取決于原子結合鍵。根據(jù)結合力的強弱，可把結合鍵分為兩大類：強鍵（包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵）和弱鍵（即分子鍵）。

第一節(jié)結合鍵第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

當周期表中相隔較遠的正電性元素原子和負電性元素原子接觸時，正電性元素原子失去最外層價電子變成帶正電荷的正離子，負電性元素原子獲得電子變成帶負電荷的滿殼層負離子。正離子和負離子由靜電引力相互吸引，同時當它們十分接近時又發(fā)生排斥。當引力和斥力相等時即形成穩(wěn)定的離子鍵。離子鍵要求正負離子相間排列，而且要保證異性離子之間的引力最大、同性離子之間的斥力最小。一、離子鍵第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

處于周期表中間位置的三、四、五價元素，獲得和丟失電子的幾率相近，原子既可能獲得電子變?yōu)樨撾x子，也可能丟失電子變?yōu)檎x子。當這些元素原子之間或與鄰近元素的原子形成分子或晶體時，以共用價電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實現(xiàn)結合。被共用的價電子同時屬于兩相鄰的原子，使它們的最外層均為滿殼層；價電子主要在這兩個相鄰原子核之間運動，形成一負電荷較集中的地區(qū)，從而對帶正電荷的原子核產(chǎn)生吸引力，將它們結合起來。這種由共用價電子對產(chǎn)生的結合鍵稱為共價鍵，二、共價鍵第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子在滿殼層外有一個或幾個價電子。滿殼層在帶正電荷的原子核和價電子之間起屏蔽作用，原子核對外面軌道上的價電子的吸引力不大，原子很容易丟失其價電子而成為正離子。當大量這樣的原子相互接近并聚集為固體時，其中大部或全部原子會丟失價電子。同離子鍵、共價鍵不一樣，這些被丟失的價電子不為某個或某兩個原子所專有或共有，而是為全體原子所公有。這些公有化的電子稱為自由電子。它們在正離子之間自由運動，形成電子云，正離子則沉浸在電子云中。正離子和電子云之間產(chǎn)生強烈的靜電吸引力，使全部離子結合起來，該結合力就稱為金屬鍵，它沒有飽和性和方向性。三、金屬鍵第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月原子狀態(tài)形成穩(wěn)定電子殼層的惰性氣體元素，在低溫下可結合為固體；ⅦB族元素的雙原子也能結合成晶體。在它們結合的過程中，沒有電子的得失、共有或公有化，原子或分子之間的結合力是很弱的范德瓦爾斯力即分子鍵，實際上就是分子偶極之間的作用力。四、分子鍵第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)晶體結構理論

固體可以分為兩類：晶體和非晶體。原子在三維空間中有規(guī)則地周期性重復排列的物質稱為晶體，否則為非晶體。一、晶體與非晶體第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月1.晶格晶體中原子（或離子、分子）在空間呈規(guī)則排列，規(guī)則排列的方式就稱為晶體的結構。組成晶體的物質質點不同、排列的規(guī)則或周期性不同，就可以形成各種各樣的晶體結構。二、晶體學基本概念第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體學基本概念

假定晶體中的物質質點都是固定的剛球，由這些剛球堆垛而成晶體，如圖2-1a所示，即原子堆垛模型。為了研究方便，假設通過這些質點的中心畫出許多空間直線形成空間格架，這種假想的格架在晶體學上就稱為晶格，如圖2-1b所示。實際上是將構成晶體的實際質點忽略，將它們抽象成純粹的幾何點，稱其為結點，相當于質點的平衡中心位置。1.晶格第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體學基本概念

1.晶格圖2-1晶體中原子排列示意圖a）原子堆垛模型b）晶格

第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體學基本概念

由于晶體中原子有規(guī)則排列且具有周期性的特點，為便于討論，通常只從晶格中選取一個能夠完全反映晶格特征的最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何組成單元稱為晶胞，如圖2-1c所示。晶胞在三維空間的重復排列構成晶格并形成晶體。簡言之，用晶胞可以描述晶格和晶體結構。2.晶胞第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體學基本概念

2.晶胞

圖2-1晶體中原子排列示意圖a）原子堆垛模型b）晶格c）晶胞第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體學基本概念

在三維空間中，晶胞的幾何特征即大小和形狀常以晶胞的棱邊長度a、b、c及棱邊夾角α、β、γ來描述，其中晶胞的棱邊長度a、b、c一般稱為晶格常數(shù)。晶格常數(shù)的單位為nm(1nm=10-9m)按照以上六個參數(shù)組合的可能方式或根據(jù)晶胞自身的對稱性，可將晶體結構分為七個晶系，其中立方晶系（a=b=c,α=β=γ=90°）較為重要。3.晶格常數(shù)第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬原子趨向于緊密排列，工業(yè)上使用的金屬元素中，絕大多數(shù)的晶體結構比較簡單，其中最典型最常見的有三種類型，即體心立方結構、面心立方結構和密排六方結構，如圖2-2所示。前兩者屬于立方晶系，后者屬于六方晶系。三、金屬晶體結構第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬晶體結構

（一）體心立方晶格圖2-2金屬的典型晶胞a）體心立方b）面心立方c）密排六方第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬晶體結構

（二）面心立方晶格圖2-2金屬的典型晶胞a）體心立方b）面心立方c）密排六方第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬晶體結構

（三）密排立方晶格圖2-2金屬的典型晶胞a）體心立方b）面心立方c）密排六方第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

離子晶體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顯離子鍵的晶體材料。構成離子晶體的基本質點是正、負離子，它們之間以靜電作用力（庫侖力）相結合，結合鍵為離子鍵。三、離子晶體結構第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

共價晶體是由同種非晶體金屬元素的原子或異種元素的原子以共價鍵結合是最典型的共價鍵結合。共價鍵在有機化合物中也很普遍。共價晶體在無機非金屬材料中占有重要地位。由于共價鍵的飽和性和方向性特點，共價晶體結構的配位數(shù)比金屬晶體和離子晶體均低。四、共價晶體結構第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月在實際應用的金屬材料中，原子的排列不可能像理想晶體那樣規(guī)則和完整，總是不可避免地或多或少地存在一些原子偏離規(guī)則排列的區(qū)域，這就是晶體缺陷。一般說來，金屬中這些偏離其規(guī)定位置的原子數(shù)目很少，從整體上看其結構還是接近完整的。盡管如此，晶體缺陷對金屬的許多性能有著極重要的影響，與晶體的凝固、固態(tài)相變、擴散等過程都有重大關系，特別是對塑性變形和斷裂等方面起決定性的作用。況且晶體缺陷并不是靜止地、穩(wěn)定不變地存在著，而是隨著各種條件的改變而不斷地變動，可以產(chǎn)生、發(fā)展、運動和交互作用，也可以合并或消失。由此可見，研究晶體缺陷具有重要的實際意義。第三節(jié)晶體缺陷理論第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

在晶體中，原子在其平衡位置上作高頻率的熱振動，振動能量經(jīng)常變化，此起彼落，稱為能量起伏。在一定溫度下，在任何瞬間，晶體中總有某些原子具有很高的振動能量而不能保持在其平衡位置上，從而形成點缺陷。點缺陷的特征是三個方向上的尺寸都很小，相當于原子尺寸，例如空位、間隙原子、置換原子等，如圖2-7所示。一、點缺陷第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

點缺陷

圖2-7晶體中的各種點缺陷a）空位b）間隙原子c）、d）置換原子第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

線缺陷的特征是在兩個方向的尺寸很小，在另一個方向的尺寸相對很大。晶體中的線缺陷實際上就是位錯，也就是說在晶體中有一列或若干列原子，發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。錯排區(qū)是線性的點陣畸變區(qū)，長度可達幾百至幾萬個原子間距，寬度僅幾個原子間距。按前人提出的較成熟的位錯模型，晶體中的位錯主要有刃型位錯和螺型位錯，如圖2-8所示。二、線缺陷第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

線缺陷

圖2-8晶體中的位錯示意圖a）完整晶體b）含有刃型位錯的晶體c）含有螺型位錯的晶體第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

面缺陷的特征是在一個方向上的尺寸很小，另外兩個方向上的尺寸相對很大，呈面狀分布。金屬晶體中的面缺陷主要是指晶體材料中的各種界面，如晶界、亞晶界和相界等。二、面缺陷第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

面缺陷

（一）晶界實際金屬為多晶體，由大量外形不規(guī)則的小晶體即晶粒組成。由于各晶粒的取向各不相同，在其相互交界處原子排列很不規(guī)整，存在一過渡層，其原子受相鄰晶粒的影響處于折衷位置，晶格畸變程度較大。不同取向晶粒之間的接觸面稱為晶界，如圖2-10所示。第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

面缺陷

圖2-10晶界的過渡結構示意圖（一）晶界第27頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月面缺陷（二）亞晶界晶粒也不是完全理想的晶體，而是由許多位向相差很小的所謂亞晶粒組成的。晶粒內的亞晶粒又稱為晶塊，其尺寸比晶粒小2～3個數(shù)量級，一般為10-6～