第一章材料結構的基本知識第一節原子結構

第二節原子結合鍵

第三節原子排列方式

第四節晶體材料的組織

第五節材料的穩態結構與亞穩態結構不同的材料具有不同的性能，同一材料經不同加工工藝后也會有不同的性能。這些都與材料中原子的排列方式，即其內部結構密切相關。因此，研究固態結構，即原子排列和分布規律，深入理解結構的形成以及結構與成分、加工工藝之間關系，是了解掌握材料性能的基礎，只有這樣，才能從內部找到改善和發展新材料的途徑。

一、原子的結構與結合鍵

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性能。

三、顯微組織

作用：顯著影響材料的力學性能。第一節原子結構（電子的排列方式）原子是由質子和中子組成的原子核，以及核外的電子所構成的。電子的分布不僅決定了原子的行為，也對工程材料內部原子的結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構造成的。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到電子排布的相對穩定結構：

(1)

接受或釋放額外電子，形成具有凈負電荷或正電荷的離子。

(2)

共有電子。原子間的鍵合力較強。元素周期表把所有元素按相對原子質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，周期表兩側的各族IA、ⅡA、ⅢA…ⅦA分別對應于外殼層價電子數為1、2、3…7的情況，所以同一族元素具有非常相似的化學性能。周期表從根本上揭示了自然界物質的內在聯系，反映了物質世界的統一性和規律性。表中水平行排稱為周期，共七個周期。而原子結構從根本上決定了原子間的結合鍵，從而影響元素的性質。

一、結合力與結合能圖1-3原子間結合力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系固體原子固體原子吸引力排斥力庫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，即當距離很遠時，排斥力很小，只有當原子間接近至電子軌道互相重疊時，排斥力才明顯增大，并超過了吸引力。第二節原子結合鍵根據物理學，力(F)和能量(E)之間的轉換關系：

在作用力等于零的平衡距離下能量應該達到最低值，表明在該距離下體系處于穩定狀態。當兩個原子無限遠時，原子間不發生作用，作用能可視為零。當距離在吸引力作用下靠近時，體系的位能逐漸下降，到達平衡距離時，位能最低；當原子距離進一步接近，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合能E0。二、原子間主鍵及特性在凝聚態下，原子間距離十分接近便產生了原子間的作用力，使原子結合在一起，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合鍵。根據結合力的強弱可把結合鍵分成兩大類：次鍵（或二次鍵）——結合力較強，包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵。——結合力較弱，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、負離子間的庫侖引力而形成。氯化鈉是典型的離子鍵結合，鈉原子將其3s態電子轉移至氯原子的3d態上，這樣兩者都達到穩定的電子結構，正的鈉離子與負的氯離子相互吸引，穩定地結合在一起(圖1-4)當IA、IIA族金屬和ⅦA、ⅥA族的非金屬原子結合時，金屬原子的外層電子很可能轉移至非金屬原子外殼層上、使兩者都得到穩定的電子結構，從而降低了體系的能量；此時金屬原子和非金屬原子分別形成正離子與負離子，正、負離子間相互吸引，使原子結合在一起，這就是離子鍵。

?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?2、特點1）正負離子相間排列，正負電荷數相等；2）鍵能最高，結合力很大；3）性能：硬度高、強度大；熱膨脹系數小，在常溫下的導電性很差；脆性較大。3、典型材料：陶瓷材料。二、共價鍵1、定義是由于相鄰原子共用其外部價電子，形成穩定的電子滿殼層結構而形成。價電子數為4或5個的ⅣA、ⅤA族元素，離子化比較困難，例如ⅣA族的碳有四個價電子，借失去這些電子而達到穩態結構所需的能量很高，因此不易實現離子鍵結合。在這種情況下，相鄰原子間可以共同組成一個新的電子軌道，出兩個原子中各有一個電子共用，利用共享電子對來達到穩定的電子結構。2、共價鍵性能結合力很大，硬度高、強度大、熔點高，延展性和導電性都很差，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金剛石的共價結合及其方向性a)正四面體b)共價鍵的方向性三、金屬鍵1、定義貢獻出價電子的原子成為正離子，與公有化的自由電子間產生靜電作用而結合的方式。2、性能它沒有飽和性和方向性；良好的導電性、導熱性、正的電阻溫度系數；具有良好的塑性。3、典型材料：各種金屬。

四、范德瓦爾鍵1、定義一個分子的正電荷部位和另一個分子的負電荷部位間的微弱靜電吸引力將兩個分子結合在一起的方式。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、高塑性。3、典型材料：高分子材料。總結大多數工程材料是以混合鍵方式結合的。金屬材料以金屬鍵為主；陶瓷材料以離子鍵為主；高分子材料以共價鍵為主。原子的排列可分為：無序排列、短程有序和長程有序三個等級，如下圖所示。材料中原子的排列惰性氣體無規則排列；(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程有序排列第三節原子排列方式晶體與非晶體。

金屬的結構晶態非晶態SiO2的結構一、非晶體1、定義：若構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材料。2、特點結構無序；各向同性；無固定熔點；熱導率和熱膨脹性小；塑性變形大；組成的變化范圍大。3、典型材料：大多數聚合物。二、晶體

1、定義原子呈長程有序排列的物質。3、晶體的特點結構有序；各向異性；有固定的熔點。3）典型材料：金屬；許多陶瓷和部分高分子材料。晶態材料與非晶態材料中原子排列的不同，導致性能上出現較大差異。如圖1-29所示，從液態冷卻凝固(或固態加熱熔化)時只有確定的熔點，并發生體積的突變。圖1-29從液態轉變為晶體及非晶體的比體積變化結晶過程示意圖及相應的多晶體組織

液體向晶體的轉變不是簡單的冷卻過程，而且還具有結構轉變(稱為結晶)，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(生長)二個過程實現的、只有在熔點以下結晶方能實現，同時從無序到有序排列必然伴隨著體積的收縮。

物質的質點（分子、原子或離子）在三維空間作有規律的周期性重復排列所形成的物質叫晶體，如圖1-9(d)。非晶體在整體上是無序的，但原子間也靠化學鍵結合在一起，所以在有限的小范圍內觀察原子排列還有一定規律，可以將非晶體的這種結構稱為短程有序，如圖1-9(b)、(c)。多數材料在固態下通常都以晶體形式存在，依結合鍵類型不同，晶體可分為金屬晶體、離子晶體、共價晶體和分子晶體，不同晶體材料的結構不同。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構。材料的性質通常都與其晶體結構有關，因此研究和控制材料的晶體結構，對制造、使用和發展材料均具有重要的意義。第四節晶體材料的組織一、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構相同、成分相同和性能相同，并以界面相互分開的組成部分。

純鐵：