工程材料学章-材料的结构幻灯片.ppt

第1章 工程材料的结构 原子的结合方式 晶体结构 金属的结构 合金的结构 第2章 材料的结构 2.1 原子的结合方式 在所有的固体中，原子靠键结合在一起。键使固体具有强度和相应的电学和热学性能。 例如，强的键导致高熔点、高弹性模量、较短的原子间距和较低的热膨胀系数。 原子结构理论表明：原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子所组成。原子间的作用力是由原子的外层电子排布结构造成的，其外层轨道必须通过接受或释放额外电子而形成具有净负电行或正电荷的离子，或是通过具有共有电子方式来达到电子排布的相对稳定结构。这就使得原子间产生较强的键合力。 通常把材料的液态和固态称为凝聚态。在凝聚态下，原子（或离子、分子）之间主要存在四种类型结合键，即离子键、共价键、金属键和分子键（ 包括气健〕。  1． 离子键???? 离子键是由正负电荷的相互吸引造成的。由离子键结合形成 的固溶体,为离子固溶体 例如NaCl晶体，钠原子的价轨道中有一个电子，它很容易将外层电子释放而成为带正电的离子。同样，氯原子容易接受一个电子进入它们的价轨道直至达到八个电子而成为带负电的离子。 带负电和带正电的材料之间总存在静电引力，那么在带不同电荷的相邻离子间就形成了键。 离子键的特点是与正离子相邻的是负离子，与负离子相邻的是正离子，如NaCl晶体，见图2-1 2． 共价键 共价键是一种强吸引力的结合键。当两个相同原子或性质相近的原子接近时，价电子不会转移，原子间借共用电子对所产生的力而结合，形成共价键。 共价键使原子间有很强的吸引力，这一点在金刚石中很明显，金刚石是自然界中最硬的材料，而且它完全是由碳原子组成。每个碳原子有四个价电子，这些价电子与邻近原子共用，形成完全由价电子对结合而成的三维点阵。这些三维点阵使金刚石具有很高的硬度和熔点。石墨烯：由碳原子构成的单层片状结构的新材料 3． 金属键 ???? 金属是由金属键结合而成的，它具有同非金属完全不同的特性。 金属原子的外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，这些外层原子就脱离原子，成为自由电子，为整个金属所共有，自由电子在金属内部运动，形成电子云。这种由自由电子与金属正离子之间的结合方式称为金属键，见图2-3。 4． 分子键???? 是最弱的一种结合键。 它是靠原子各自内部电子分布不均匀产生较弱的静电引力，由这种分子力结合起来的键叫做分子键。 金属、聚合物、无机非金属材料的结合键有何主要区别？在性能上有何表现？ （l）金属材料：化学元素中约80％为金属。结合键主要是金属键，也有共价键（如灰锡）和离子键（如金属化合物），因而金属材料具有特殊光泽，优良的导电、导热性，良好的塑性、强度及其他力学性能等。 （2）聚合物材料：是共价键和分子键，以共价键为主。但由于组成聚合物材料的大分子链很长，所以大分子链之间的作用力（分子键）也就很大，因而亦具有很好的力学性能。 （3）无机非金属材料陶瓷材料：是离子键和共价键，大部分材料以离子键为主，所以陶瓷材料有高的熔点和很高的硬度，但脆性较大。 （4）复合材料：复合材料可以有多种键合机制。 2.2晶体结构的基本概念 一、晶体与非晶体 一般而论，若固态下原子或分子在空间呈有序排列，则称之为晶体，反之则为非晶体。 1. 非晶体???? 非晶体的结构是原子无序排列，这一点与液体的结构很相似，所以非晶体往往被称为过冷液体。典型的非晶体材料是玻璃，所以非晶体也被称为玻璃体。虽然非晶体在整体上是无序的，但在很小的范围内观察，还是有一定的规律性，所以在结构上称之为短程有序。非晶体材料的特点是 （1）结构无序； （2）物理性质表现为各向同性； （3）没有固定熔点； （4）导热率和热膨胀性小； （5）塑性形变大； （6）组成的范围变化大。 2. 晶体???? 几乎所有的金属，大部分的陶瓷以及一些聚合物在其凝固时都要发生结晶，也就是原子本身沿三维空间重复排列成有序的结构，即所谓的长程有序结构，这种结构称为晶体。晶体的特点是 （1）结构有序； （2）物理性质表现为各向异性； （3）有固定的熔点。 3． 晶体和非晶体的转化???? 非晶体结构是短程有序，即在很小的尺寸范围内存在着有序性，而晶体内部也有缺陷，在很小的尺寸范围内也存在着无序性。所以两者之间也有共同特点。而物质在不同条件下，既可形成晶体结构，也可形成非晶体结构。 比如，金属液体在高速冷却条件下可以得到非晶态金属，即所谓的金属玻璃； 而玻璃经过适当处理，也