1.固体材料的结构知识

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1．2．2 键合的本质及其性能 (1) 原子间斥力和引力
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原子间距(r0) ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 结合能（E）: 原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功， E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范 德华的E最小。
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结构材料的失效
一、材料的变形：材料在载荷的作用下发 生几何尺寸变化称为变形。 变形分为弹性变形和塑性变形 弹性变形和塑性变形超过结构所允许的范 围，即发生过量弹性变形或过量塑性变形 失效。
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结构材料的失效
二、材料的断裂：固体材料在力的作用下分裂为 若干部分的现象称为断裂。 材料的断裂过程包括裂纹的萌生和扩展两个过程 材料的品种不同，引起断裂的条件各异，材料断 裂的机理和特征也不尽相同。 断裂的分类：（1）按照断裂前宏观塑性变形的程 度，断裂分为韧性和脆性断裂两类。（2）按照断 裂的取向，分为正断和切断。（3）按照裂纹扩展 的途径，分为穿晶断裂和沿晶断裂。（4）按照裂 纹断裂机理，分为解理断裂、微孔聚集型断裂和 纯剪切断裂。 衡量材料抗断裂能力的力学性能指标主要是抗拉 强度、疲劳强度、韧度及断裂韧度。
第一章 固体材料的结构基础知识
问题的提出与思考：
材料是用来制造器件的物质。
与物质有关的学科 物理、化学、量子力学…… 物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按 一定的方式聚集而成的集合体）
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第一章 固体材料的结构基础知识
第一节 原子结构及键合
1.1 原子结构
原子是由原子核（带正电的质子和呈电 中性的中子组成）和核外电子（带负 电荷）构成。
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结构材料的失效
材料的磨损：在机件表面互相接触并作相 对运动产生摩擦的过程中，会有微小颗粒 从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同 的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸 变化和质量的损失，这种表面损伤的现象 即为磨损。 磨损的分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀 磨损及疲劳磨损。
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结构材料的失效
材料的腐蚀：腐蚀就是物质表面因发生化 学或电化学反应而受到破坏的现象。分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。
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几个概念： （1）原子的电离能 指气态原子在最低能态失去电子时所需要的能量。 元素的电离能越小，则越容易失去电子而成为正 离子。 （2）电子的亲和能 指气态原子获得一个电子时所放出的能量。元素的 电子亲和能越大，则越容易获得电子形成负离子。 （3）原子的电负性 原子在形成价键时吸引电子的能力，用以比较各种 原子形成负离子或正离子的倾向。两元素的电负 性差越大，所形成的键的极性就越强。
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（2）材料的结合能与性能 物质的性质依据键型的不同有很大的差异；
材料的密度与结合键型有关； 材料的力学性能等与结合键型的关系尤为明显。
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材料的组织
材料性能不但决定其组成相的性质，而且 与它们的形态、尺寸及相互分布情况有关， 材料组织就是在光学显微镜或电子显微镜 下可观察到，能反映各组成相形态、尺寸 及分布。材料组织分析研究中十分重要的 工作。
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1．2．1 键合的类型 (1) 离子键
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离子健合的意义及其特点： （1）通常实现离子键合的一方为金属元素，而另一方为非金属元 素，它们分别位于周期表的水平两则； （2）由于金属元素放弃了它们的价电子给非金属元素，使得两者 的原子都变得稳定，形成惰性气体元素的电子构型，并分别成 为正离子和负离子。这种形式的结合使得系统的能量处于最低 位置，形成最稳定的结合状态，它们之间的键合也较牢固； （3）离子键合不具有方向性，其健力的大小在环绕离子的所有方 向上相等，就是说，一个离子可以吸引几个电荷相反的离子， 形成所谓的大分子结构，当大分子结构足够大时，就形成了离 子晶体的固体材料； （4）离子键合的材料具有较高的对称性、结构稳定、熔点较高、 硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。 （5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不良 导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶体中 的运动而导电。
特点：
体积很小，但是质量大部分都集中在原 子核内，原子核的密度很大。 核外电子的质量虽然可以忽略，但是它 们的分布却是原子结构中的最重要的 问题，它不仅决定了单个原子的行为， 也对材料内部原子的结合及其材料的 一些性能起着重要的作用。
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1．1．1 原子的电子排列
电子在核外的运动是测不准的，但是电子的旋转轨迹也不是 任意的。 电子在核外的运动变化规律（薛定谔方程 ）： 四个量子数： （1） n（主量子数）：确定电子距离内核远近和能量高低的 主要参数 ，电子的能量随n的增大而增高。 （2） L（次量子数）：反映轨道的形状，由s、p、d、f四个量 子数表示各轨道在原子核周围的角度分 布不同，次量子数也影响轨道的能级。 （3） m（磁量子数）：确定轨道的空间取向。 （4） ms（自旋量子数）：表示在每个状态下可以存在自旋方 向相反的两个电子。
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（3）金属键
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金属键的意义及其特点： （1）由金属正离子和自由电子之间相互作用而形成 的结合称为金属键 （2）金属键中的电子处于共用化状态，将原子维持 在一起的电子并不固定在一定的位置上，所以， 没有饱和性和明显的方向性。 （3）金属键结合的金属材料具有良好的导电性能、 导热性能。此外，金属键的结合能比离子晶体和 共价晶体低一些，但是过渡族金属的结合能则要 大些。各种金属键的结合能存在着较大的差异， 因此各种金属的强度、熔点等相差较大。
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成分和组织结构的检测
在材料成分和结构的分析方面，先进仪器的不断出 现对材料科学与工程的飞速发展起到了决定性的作 用。 （ 1 ）光学显微镜、 X射线衍射仪、红外光谱、紫外光 谱 、 HRSEM 、 SEM 、 STEM 、 隧 道 扫 描 显 微 镜 （ STM ）、原子力显微镜（ AFM ）、红外原子力显 微镜（ infrared AFM) 、固态核磁共振、双准直离子 散射仪、高分辨率电子损耗光谱仪、俄歇能谱仪、 低能电子显微镜、自旋极化分析仪、场离子显微镜、 原子探针。
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(6) 混合键 实际的材料大多为混合键： 或由几种类型的键组合构成晶体 ； 或以两种独立类型的键共同存在 。 实例： 陶瓷材料中主要是离子健和金属键； 一些气体分子以共价健结合，而分子凝聚时却依靠 范德华键； 金属中主要是金属键，但是还有其它的键，如共价 健、离子健等。 聚合物的长链分子内部是共价健结合，而链与链之 间则为范德华键或氢键。
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原子核外电子的分布除了与这四个量子数有 关外，还服从以下两项基本原理： 泡利不相容原理：一个原子中不可能存在 有四个量子数完全相同的两个电子； 最低能量原理：电子总是优先占据能量低 的轨道，使系统处于最低的能量状态； 洪德定则：在未填满的壳层中，电子的自 旋值应该尽量地大。
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1．1．2 元素周期表及其性能的周期变化
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1．2 键合 固体材料中的原子（此处“原子”这一名词仅仅 是为了标志一种简单结构的质点，是离子、原子或 分子可以不必追究，下同）之间存在着一定的结合 力，物质依据这种结合力将各种原子连接起来，使 材料保持着一定的几何形状或物性，原子间的结合 力也称为结合键，材料的许多性能在很大程度上都 与结合键的大小或类型有关。根据结合键的强弱常 分成一次键和二次键两大类。 一次键：依靠电子的转移或共享来实现的一种结合力， 结合力较强，包括离子键、共价键和金属键； 二次键：借助原子或分子间的偶极吸引力而形成，结 合力较弱，包括范德华键和氢键。
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（4）范德华键 意义及其特点： 范德华键力是一种因电偶极矩的感应作用而产生的 键合现象； 除高分子外，键的结合力不如化学键牢固，也无饱 和性和方向性。
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（5）氢键 意义及其特点： 依靠原子或分子的偶极矩引力而形成，但是氢原子 起到了关键作用； 具有明显的饱和性和方向性，结合力大于范德华键， 主要存在于分子内或分子间，如高分子材料中存在 着大量的氢键。
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（2）共价健
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共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价 键； （2）饱和性。根据量子力学理论，已成对的电子不能再与其它原 子中的电子结合成对，即共价结合的原子所能形成键的数目有 一最大值，当原子的价电子数为N时，应建立（8－N）个共用 电子对才达到共价结合。 （3）方向性。共价键是借共享的电子结合而成的，相邻两原子的 外层未满壳层电子云重叠越多，所形成的共价键就越稳定，因 此，电子云是按其最大密度的方向重叠的，各个共价键之间有 确定的相对取向，带有明显的方向性。 （4）在外力的作用下，原子发生相对位移时，键将被破坏，故共 价键的材料通常都不具有塑性，是较为典型的脆性材料；为使 电子运动产生电流，必须破坏共价键，需要高温、高压，因此 共价键材料又都具有良好的绝缘性能。但是共价键的结合能变 化范围较大，共价键的结合能可以很强，如金刚石非常坚硬、 熔点非常高；共价键的结合能也可以很弱，如铋270℃左右即可 熔化。