第1章：概 述

• 离子键和共价键是陶瓷材料的主要结合建，但 通常多为两者的混合建。
• 对于一价、两价等低价金属氧化物，离子键比 例大于共价键。如：Baidu NhomakorabeagO，84%：16%。
• 对于三价、四价氧化物、氮化物、碳化物，如： SiO2,SiC,Si3N4,Al2O3等，离子键比例小于或者 约等于共价键。SiC: 18%:82%.
三. 原子结合键的类型
• 金属键 • 共价键 • 离子键 • 分子键(范德瓦尔键)
1. 金属键
金属原子最外层价电子与原子核 的联系微弱,在相邻原子核电场的 作用下, 原子很容易失去外层电子 而成为正离子, 而离开原子的外层 电子则形成围绕离子的电子云, 如 图1-3(a)所示. 脱离原子的价电子,
图1-1是两原子间的吸引力(曲线1)、排斥力(曲线2)以及合力(曲 线3)随原子间距的变化示意图。当两原子间的引力与斥力相平衡时， 原子间相互作用的势能达到最低值F0,即原子间的结合能(见图1-2)， 从而决定了两原子之间处于力平衡时的距离a=a0。当有某种外力使原 子间的距离改变时，原来的平衡就被破坏，并在外力、引力斥力之间 建立起新的平衡位置，原子又稳定在新的平衡距离上，从而金属产生 了变形。
图1-6 NaCl 的离子键
特点:
(1) 材料脆性大变形时离子之间将失去 电的平衡作用, 离子键破坏;
(2) 在常温固态时导电性很差;
(3) 在熔融状态易于导电离子容易运动.
4. 分子键
原子状态已经形成稳定电子壳层的惰性气体元素,在 低温下可以结合成固体,并在其结合过程中没有电子 的得失-共有-或公有化, 原子或分子间的结合力是很 弱的, 这种存在于中性原子或分子间微弱的结合力成 为分子键. 如聚合物高分子材料的结合键,分子键的 结合力较弱, 在外力作用下,键容易破坏平衡, 导致分 子键的滑动, 致使材料产生很大塑性变形.
1.3 固态原子的结合键
晶体：晶体中的原子可以在三维空间呈有
规则的周期性排列，其特点是原子排列的
一
距离远远大于原子尺度，贯穿晶体的整个 体积，称为长程有序。大多数工程材料属
基 于晶体材料，如金属材料。
本 非晶体：非晶体中的原子只能在几个原子
概 念
尺度的小范围内作有规则的排序，称为短
程有序。如玻璃。
晶体
在特定条件下
非晶体
金属 晶体玻璃
从液态急速冷却(106 oC/s) 高温长时间加热
金属玻璃 玻璃
二. 原子间的结合能
—材料抗力的微观解释
• 为什么材料能够抵抗外力? • 为什么材料具有导电或绝缘的特性? • 为什么材料能够导热?
f a0
0
f
a0
0
1 3
a
2
F0
a
图1-1 两原子间的作用力f 随原子间距a的变化示意图， 1. 吸引力; 2. 排斥力; 3. 合力
材料的力学行为总复习—第一章
1-1 材料通常呈现哪几种状态？当材料处于气态 时，组成材料的粒子间的动能和势能哪个大？ 当材料处于固态时呢？
1-2 举例说明什么叫晶体和非晶体？
1-3 为什么材料在小变形时应力与应变呈现近似 线性关系？
1-4 材料原子结合键的类型有那些? 金属键有什么 特点?
1-5 举例说明为什么陶瓷材料硬而脆？其键合形式是 什么？
特点:
(1) 键的结合强度低; (2) 塑性好.
不同结合键能及其材料的特性
结合键 结合能 熔点
(kJ/mol)
硬度
导电性 键的方
向性
金属键 113--350 有高有低 有高有低 良好
无
共价键 63--712 高
高
不导电 有
离子键 586--1047 高
高
固态不 无
导电
分子键 <42
低
低
不导电 有
陶瓷材料的结合建
第一章：概 述
1.1 力学与材料和工程结构的关系
材料 力学
连续介质/ 细观/微观/纳观
工程结构
宏观
1.2 材料的分类、形态及其性能
材料
工程材料 功能材料
材料形态
固态 液态 气态
金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料
原子、离子或分子等粒子是组成物质材料的最基 本单元。粒子间的作用力和热运动决定了物质材 料的状态（气态、液态和固态）及其力学行为。 当物质材料处于气态时，其粒子的动能远远超过 了势能。当物质材料处于液态时，其粒子的热运 动变慢，相互间的距离也变近，虽然粒子不能保 持长距离有序排列，但相互间的引力还能保证其 不至于分开。当物质材料处于固态时，其粒子间 的距离很近，相互作用的势能远大于动能，如果 没有外加条件，这些粒子的排列很难改变。
(1-2)
F = u(d2 F/du2)u=0
u
(1-3)
函数F(u)在u=0处的二阶导数(d2 F/du2)u=0是其在该点的曲率，与u无关， 而且是一个常数。因而， 当小位移变形时外力与原子间的相对位移有下列
关系式：
F = ku
(1-4)
其中常数 k=(d2 F/du2)u=0，这就是我们常见到的力-位移的胡克定律。当然 ，双原子模型给出的简单分析是近似的，实际材料的原子排列比较复杂。
云母原子排列示意图
纳米多晶铜原子排列示意图
Lu, Sui & Lu, Science, 2000, 287:1463-1466
纳米晶粒铜力学和电学性质
Lu, Shen, et al. Science, 2004, 304: 422-426
特 (1) 无方向性,塑性好(金属键的方向随材料变形而改变); 点 (2) 导电性好(电子云中价电子容易发生运动);
(3) 导热性好(加热时正离子震动加剧并传递热量).
2. 共价键
处在周期表中间位置的具有三.四.
五个价电子的元素, 它们获得和
丢失电子的机会相近, 原子可能
获得电子变为负离子, 也可能失
此时不再受某一个特定正离子的 约束, 在电子云中自由运动, 成为 与若干个正离子相吸引的电子. 通 过正离子与电子之间的相互吸引, 使得所有的离子结合在一起, 这种 结合力就是金属键 .
图1-3 金属键:
(a)原子在没有外力作用正常堆 积时的金属键及其电子云;
(b) 金属变形时的金属键(方向 变化但未破坏).
a
图1-2 两原子间的相互作用能f
随原子间距a的变化示意图
f
1
a0
3
0
a
1 引力； 2 排斥力； 3 合力
2
金属材料的弹性变形来源于其原子间的相互作用力---吸引力和 排斥力。当两个原子相互接近时，原子核没有变化，只有原子的外部 电子会重新排布，可能失去电子， 也可能得到电子，因而，引起原 子间的相互作用--吸引或排斥。吸引力源于异性电荷间的库伦引力， 并随原子间距的减小而迅速增大；排斥力则主要产生于同性电荷之间 的库伦斥力和电子云重叠所引起的斥力。与引力相似，原子间的距离 越小，其排斥力越大。但是，当两原子进一步接近时，使电子动能增 加，从而使排斥力的增长速度大于吸引力。
特点：键能高，高熔点、高硬度、耐腐蚀、塑
性极差等
思考题
• 材料有几种形态? • 工程材料主要有哪几类? • 为什么金属材料导电性好? • 材料原子结合键共有几种? 主要区别在那里? • 举例说明为什么陶瓷材料硬而脆？其键合形式
是什么？
参考书：《工程材料及应用》，周风云 主编， 华中理工大学出版社， 1999，定价：19.8元 《工程材料的力学性能》，姜伟之 等编著， 北京航空航天大学出版社， 2000， 定价：23元
去电子变为正离子. 当同种原子
或相邻近的原子共同占有其部分
价电子时,会使每个原子的最外层 电子处于满壳层状态. 被公用的
图1-4 硅的共价键:
价电子同时属于两个相邻原子, ( a) 4价硅云子;
价电子就在这两个相邻原子核之 间运动, 形成一个负电荷较集中
(b) 硅的四个共价键.
的地区, 并对带正电荷的原子核
产生吸引力. 这种由共价电子对
形成的结合键叫共价键.
图1-4 硅的四 面体和键角.
共享电子
特点:
(1) 具有方向性; (2) 结合力强;
(3) 硬而脆, 塑性差(变形时弹性极小,结合键必受破坏， 如共价键陶瓷材料).
3. 离子键
当一种材料含有 A和B两种原子时, 如 果A原子将它的价电子贡献给B原子, A原子外层电子在空出后具有满壳电 子数, B原子亦被填满时, 则A变为正 离子, B变为负离子,由于正负离子的 吸引而产生了离子键. 离子键使得A和 B两原子结合在一起.
假设原子在外力F的作用下相对于其平衡位置的间距位移为u, 外力F与作用
能F(u)之间满足下列关系：
dF=Fdu
(1-1)
假设函数F(u)是连续函数，并假设是小位移（u<<a0） 将其在 u=0 处(即
a=a0)用泰勒级数展开，注意 （dF/du ）u=0=0, 忽略三次以上无穷小， 得
到：
F(u)= F0 + （1/2）u2(d2 F/du2)u=0 F 代入式（1-1）可得：