第二章材料结构与性能

第一节 材料的结合方式
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。
1. 离子键
一、结合键
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。
氢键最典型的例子是水，一个水分子中 氢质子吸引相邻分子中氧的孤对电子， 氢键使水成为所有低分子量物质中沸 点最高的物质。
二、结合键对材料性能的影响
1． 金属材料 金属材料的结合键主要是金属键。
1）金属具有良好的导电性； 2）金属的导热性好； 3）正的电阻温度系数； 4）具有良好的变形能力；
另外，自由电子可以吸收光的能量，因而金 属不透明；而所吸收的能量在电子回复到 原来状态时产生辐射，使金属具有光泽。
• 高分子材料的结合键是共价键、氢键和分 子键。其中，组成分子的结合键是共价键 和氢键，而分子间的结合键是范德瓦尔斯 键。尽管范德瓦尔斯键较弱，但由于高分 子材料的分子很大，所以分子间的作用力 也相应较大，这使得高分子材料具有很好 的力学性能。
三、晶体与非晶体
1． 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。
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。
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 电子气。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
2． 陶瓷材料 陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬
度，但同时陶瓷材料的脆性也很 大。
• 简单说来，陶瓷材料是包含金属和非 金属元素的化合物，其结合键主要是 离子键和共价键，大多数是离子键。 离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性， 所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和 硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。
3． 高分子材料 具有很好的力学性能。
为了描述晶格中原子排列的紧密程度，通 常采用配位数和致密度（K）来表示。配位 数是指晶格中与任一原子处于相等距离并 相距最近的原子数目；致密度是指晶胞中 原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所 包含的原子体积与晶胞体积（V）的比值。
二、常见纯金属的晶格类型
常见的晶格类型有以下三种： 1. 体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞如图2-4所示。它的 形状是一个立方体，其晶格常数a=b=c， 所以只要一个常数a即可表示；其 α=β=γ=90o。在体心立方晶胞中，原子位 于立方体的八个顶角和中心。属于这类晶 格的金属有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb 等。
2． 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。
3. 密排六方晶格 密排六方晶胞如图4所示。它是一个正六面 柱体，在晶胞的12个角上各有一个原子， 上底面和下底面的中心各有一个原子，上 下底面的中间有三个原子。属于这类晶格 的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。
图4密排六方晶胞 （a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子数
图2 体心立方晶胞 （a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子数
2． 面心立方晶格
面心立方晶胞如图所示。它的形状也是一 个立方体。在面心立方晶胞中，原子位于 立方体的八个顶角和六个面的中心。属于 这类晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、 Au、Ag、Pb等
图3 面心立方晶胞 （a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子数
3． 晶体和非晶体的转化
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，也可形成晶态玻璃。 有些物质可以看成是有序和无序的中间 状态，如塑料、液晶、准晶态等。
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。
4． 分子键 分ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ键又叫范德华键，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，称为范德华力， 由这种分子力结合起来的键叫做分子键。
5． 氢键 另一种范德华力实际上是极性分子的一
种特殊情况。C－H、O－H或N－H键端部 暴露的质子是没有电子屏蔽的，所以，这 个正电荷可以吸引相邻分子的价电子，于 是形成了一种库仑型的键，称为氢键，氢 键是所有范德瓦尔斯键中最强的。
在外界条件固定时，材料的性能取决于材 料内部的构造。这种构造便是组成材料的 原子种类和分量，以及它们的排列方式和 空间分布。习惯上将前者叫做成分，后者 叫做组织结构，而我们把这两者统称为结 构。物质通常具有三种存在形态：气态、 液态、固态，而在使用状态下的材料通常 都是固态。(材料在固态下结合方式及结构 特点 )
第二节 金属及合金的结构
一、晶体的基本概念
• 晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。 晶体结构不同，其性能往往相差很大。
• 为了便于分析研究各种晶体中原子或分子 的排列情况，通常把原子抽象为几何点， 并用许多假想的直线连接起来，这样得到 的三维空间几何格架称为晶格。
图1 简单立方晶体 （a） 晶体结构 （b） 晶格 （c） 晶胞