材料的结构

第一章材料的结构材料结构关系•其内部结构包括四个层次：①原子结构；②结合键；③原子的排列方式；④显微组织第一节材料的结合方式§1.1.1结合键结合键的定义：所谓结合键是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学键和物理键。化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后不再仅仅属于原来的原子)。化学键有：离子键、共价键、金属键。键的形成——在凝聚状态下，原子间距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，就形成了键。1.共价键（1）共价键的定义有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。（2）共价键的特点共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。共价键具有方向性、饱和性。金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。（3）共价晶体特点结构稳定,熔点高,质硬脆,一般是绝缘体,其导电性能差。图硅原子四个价键和硅的键角图共价键的断裂图金刚石型结构(a)晶胞；(b)原子在底面的投影2.离子键（1）离子键的定义当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。（2）离子键的特点常温下，电绝缘体；在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。离子键没有方向性、无饱和性。•离子键是没有方向性和饱和性的。•只要空间允许，一个阳离子周围都尽可能多地排列阴离子。•在NaCl晶体中，一个Na+周围等距离的只有6个Cl-，是因为阴阳离子半径比例关系。•同样是碱金属的Cs+，半径更大，因此一个Cs+周围等距离的Cl-就可以有8个。•至于说方向性，因为阴阳离子可以看做一个刚性小球，与带异种电荷的离子在任何方向上都有静电作用。•而不像共价键那样，必须按照一定的方向成键。‘•至于说晶体内部的离子的排列方式确定，还是与半径比有关，•阴阳离子尽可能紧密排列，又受制于半径的大小比例，因此相互之间的位置都是确定，不能随意排列•如CsCl中，8个Cl-形成正方体，Cs+填充其间的空隙，体对角线上的Cl-和中心的Cs+是相切的•而在NaCl中，5个Cl-在正方形中，面对角线上的3个Cl-是相切的。而边长上的两个Cl-与中间的Na+是相切的左图NaCl离子晶体上图离子键材料导电性（3）离子晶体的特点离子键很强，故有高硬度、熔点，强度大，固体下不导电，熔融时才导电。离子间发生相对位移，电平衡破坏，离子键破坏，脆性材料。较高熔点（正、负离子间有很强的电的吸引力）3.金属键（1）金属键的定义由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键。金属键的经典模型有两种：一种认为金属原子全部离子化；一种认为金属键包括中性原子间的共价键及正离子与自由电子间的静电引力的复杂结合。（2）金属键的特点金属键无方向性，金属键无饱和性，具有高对称性。图金属键、金属的导电性和金属的变形（3）金属键型晶体的特征良好的延展性良好的导电性具有正的电阻温度系数导热性好金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光的能量）4.范德瓦尔键分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也叫分子键。范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。图分子键类型作用力来源键合强弱形成晶体的特点离子键原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力强无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、固态不导电、熔态离子导电共价键相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力最强有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、即使在熔态也不导电金属键自由电子气与正离子实之间的库仑引力较强无方向性键、配位数高、塑性较好、有光泽、好的导热、导电性分子键原子间瞬时电偶极矩的感应作用最弱无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘思考题为什么金属具有良好的塑性,而共价晶体一般硬而且脆?图共价键的断裂图金属的变形§1.1.2工程材料的键性图工程材料的键性1.晶体的定义物质的质点(分子、原子或离子)在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。2.非晶体非晶体在整体上是无序的；近程有序。图材料中原子的排列第二节晶体学基础§1.2.1晶体与非晶体3.晶体的特征（1）周期性（不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离称为周期）液体和气体都是非晶体。（2）有固定的凝固点和熔点（3）各向异性（沿着晶体的不同方向所测得的性能通常是不同的：晶体的导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学性质）。4.晶体与非晶体的区别a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围c.晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各向同性，称“伪各向同性”）4.晶体与非晶体的相互转化玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法，快速凝固法）•金属玻璃又称非晶态合金,它既有金属和玻璃的优点,又克服了它们各自的弊病．如玻璃易碎,没有延展性．金属玻璃的强度却高于钢,硬度超过高硬工具钢,且具有一定的韧性和刚性,所以,人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”．•1960年，美国加州理工学院的Klement和Duwez等人采用急冷技术制备出Au75Si25金属玻璃。当合金的薄层在每秒一百摄氏度的速率下冷却时，它们形成金属玻璃。但因为要求迅速冷却，它们只能制造成很薄的条状物、导线或粉末。思考题常见的金属基本上都是晶体,但为什么不显示各向同性?多晶中各个晶粒往往取向不同，所以多个晶粒集合在一起在任一方向上都显示不出某一个晶向的特性来。§1.2.2晶体结构与空间点阵1.基本概念（1）晶体结构：由实际原子(分子或离子)按一定几何规律的具体排列方式。（2）空间点阵：为了便于研究晶体中原子(分子或离子)的排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的空间排列称为空间点阵。可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有一群原子（原子集团）。§1.2空间点阵1.基本概念（1）空间点阵：为了便于研究晶体中原子(分子或离子)的排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的空间排列称为空间点阵。可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有一群原子（原子集团）。晶体结构与空间点阵概念的区别：晶体结构——其类型取决于原子的结合方式，阵点的位置上可以是一个或多个实际质点或者原子团，其种类可以是无限的。空间点阵——每个阵点处原子都具有相同的环境，其种类有限（仅有14种）。每种空间点阵都可以形成无限多的晶体结构（3）晶格将阵点用一系列平行直线连接起来，构成空间格架叫晶格。（4）晶胞从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是小平行六面体。整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。2.晶胞的选取原则：（1）晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性；（2）平行六面体内相等的棱和角的数目最多；（3）当棱间呈直角时，直角数目应最多；（4）满足上述条件，晶胞体积应最小。图晶格的选取2.晶胞的选取原则：（1）晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性；（2）平行六面体内相等的棱和角的数目最多；（3）当棱间呈直角时，直角数目应最多；（4）满足上述条件，晶胞体积应最小。图晶格的选取3.描述晶胞的六参数晶胞的尺寸和形状可用点阵参数来描述，它包括晶胞的各边长度和各边之间的夹角。图晶胞、晶轴和点阵参数4.七种晶系5.十四种布拉菲点阵按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲（A.Bravais）用数学方法证明了只能有14种空间点阵。通常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵。图布拉菲点阵图简单三斜图体心立方思考题体心单斜点阵是不是一个新的点阵？体心单斜点阵晶胞为ABCD-EFHG。可以连成底心单斜点阵，其晶胞为JABD-KEFG。提示：空间点阵虽然只可能有14种，但晶体结构则是无限多的。图结构相似的不同点阵图几种晶体结构的点阵分析(a)γ-Fe(b)NaCl(c)CaF2(d)ZnS思考题如何理解每个阵点周围环境相同?标定方法：英国晶体学家W.H.Millor最早提出可以用三个数字表示晶向及晶面，习惯上将这组数字称之为密勒指数。§1.2.3晶面指数和晶向指数（1,1,1）（0,0,0）（1,1,0）[111]1.晶向指数的标定(1)建立以晶轴a，b，c为坐标轴的坐标系，各轴上的坐标长度单位分别是晶胞边长a，b，c，坐标原点在待标晶向上；(2)选取该晶向上原点以外的任一点P(xa，yb，zc)；(3)将xa，yb，zc化成最小的简单整数比u，v，w，且u∶v∶w=xa∶yb∶zc；(4)将u，v，w三数置于方括号内就得到晶向指数[uvw]。图晶向指数的标定晶向指数的说明：a.指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。[010][110]晶向指数的说明：b.负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。c.晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向，用uvw表示。数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。晶体结构中那些原子密度相同的等同晶向称为晶向轴，用UVW表示。100=[100]+[010]+[001]+[100]+[010]+[001]110=[110]+[110]+[101]+[101]+[011]+[011]+[110]+[110]+[101]+[101]+[011]+[011]举例•OA:[121]•OB:[111]•OC:[010]•OD:[101]•OE:[001]•CD:[111]•EF:[111]晶向的矢量表示法A=ui+vj+wkB=u’i+v’j+w’kAB=|A||B|cos根据该公式可以计算出不同晶相之间的夹角。2.晶面指数的标定①建立坐标系:坐标原点的选取要便于确定截距。②求待定晶面在坐标系中的截距x、y、z。③将截距求倒数1/x,1/y,1/z，并化为最小正整数h、k、l，放入()中。则(hkl)即为所求的晶面指数。如:1/2,1,2/32,1,3/2(423)④负指数则在其上加一横线。图晶面指数的标定晶面指数的说明：晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面a.指数意义：代表一组平行的晶面；b.0的意义：面与对应的轴平行；c.平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；立方晶系几组晶面及其晶面指标。（100）晶面表示晶面与a轴相截与b轴、c轴平行；（110）晶面表示与a和b轴相截，与c轴平行；（111）晶面则与a、b、c轴相截，截距之比为1:1:1(100)(110)(111)在点阵中的取向{110}晶面族d.晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面，用{hkl}表示。•指数相同的晶面和晶向互相垂直•如(111)与[1