材料的结构与性能特点

第一章材料的结构与性能

固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。

材料的相互作用

组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。主要有共价键、离子键、金属键、分子键。

离子键

形成：正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。

特性：离子键没有方向性，无饱和性。NaCl晶体结构如图所示。

性能特点：离子晶体的硬度高、热膨胀系数小，但脆性大，具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。

共价键

形成：元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳

定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。氧化硅中硅氧原子间共价键，其结构如图所示。

性能特点：共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。

金属键

形成：由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。如图所示。

性能特点：

1)良好的导电性及导热性；

2)正的电阻温度系数；

3)良好的强度及塑性；

4)特有的金属光泽。

分子键

形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华键（或分子键）。

特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。

材料的结合键类型不同，则其性能不同。常见结合键的特性见表1-1。

晶体材料的原子排列

所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。

理想的晶体结构

1.晶体的基本概念

(1) 晶格与晶胞

晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，称为晶胞。晶胞各棱边的尺寸称为晶格常数。

(2) 晶系

按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系

(3) 原子半径

原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。

(4) 晶胞中所含原子数

晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。

(5) 配位数和致密度

配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。

致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K = n v′/ V 。式中，n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。

2 .常见金属的晶格类型

(1)体心立方晶格（bcc晶格）

1)原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示。

2)晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。

3)原子半径。

4)晶胞所含原子数2个原子。

5)配位数8。

6)致密度68%。

7)具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。

(2)面心立方晶格（fcc晶格）

1)原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。

2)晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。

3)原子半径。

4)晶胞所含原子数4个原子。

5)配位数12。

6)致密度74%。

7)具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。

(3)密排六方晶格（hcp晶格）

1)原子排列特征密排六方晶格的晶胞

2)晶格常数

3)原子半径

4)晶胞所含原子数6个原子。

5)配位数12。

6)致密度74%。

7)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。

3 .立方晶系的晶面、晶向表示方法

在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。表示晶面的符号称为晶面指数；表示晶向的符号称为晶向指数。

注意：

1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。

2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。

3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。

4)不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。

4.晶体的各向异性

金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。

实际晶体结构

一块晶体内部晶格位向完全一致，称该晶体为单晶体。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。

实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种：

1.点缺陷

点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的缺陷。

⑴空位

⑵间隙原子

⑶置换原子，如图所示。

点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲—晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变化。

2.线缺陷

线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包括

各种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。第一个图为刃型位错，第二个图为螺型位错。

位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即

式中，ρ为位错密度（m-2）；ΣL为位错线的总长度（m）；V为体积（m3）。位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图所示。