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材料科学与工程基础1、离子键电负性相差大的原子间相互靠近时，互有电子得失而成为正负离子，由静电引力结合在一起。例如NaCl,KCl,GaAs,2、共价键同类或性质相近类原子间结合，借共用电子对而结合。例如SiC,金刚石，高分子材料、、图21NaCl晶体3、金属键A、金属原子结构特点外层电子少，易失去，而成为自由电子；在金属聚合物中成为“电子气”。这种由金属正离子与自由电子气相互作用而结合的方式称为金属键。B、金属的物化性能取决于金属键例如导电、光泽、导热、塑性变形能力、、、、、3、分子键和氢键A、分子键范德瓦尔斯键B、氢键极性键一、结合键的性能特点（略讲）见书P10，表21二、材料的键性根据键性，可以估计材料的性能。材料中有的是单一种键，更多的是几种键的组合。1、金属材料金属材料的结合键主要是金属键；但金属材料中的金属间化合物是离子键。书中提及的灰锡（共价键）已不能用做工程材料，此类状态已失去了金属性能。2、陶瓷材料离子键为主，亦有共价键。所以，陶瓷材料硬度高，熔点高，脆性大。3、高分子材料共价键和分子键。高分子材料分子大的特点，决定了其分子之间的作用力大，性能好。链、环及其复合形式的大分子结构，不同的基在不同部位的连接使其性能不同。离子键硅酸盐陶瓷半导体黏土高分子金属键分子键图23结合键四面体§2、材料的晶体结构基本概念晶体与非晶体原子或分子的空间有序排列形成晶体；反之为非晶体。有序即按照某种规律排列而成（后面课程中讲），长程有序。（例如Nacl、糖等）非晶体又称过冷液体，近程有序。（例如玻璃等）一、晶体的基本概念（一）晶格和晶胞（表示方法）抽象法（抽象晶体）a、将原子视为球形，它们的堆砌集可有不同的规律（多样性）。一些生活常识可知。b、若视其为空间几何点，则其空间排列（多样性）称为空间点阵。c、将点阵用假想直线连接（多样性）（类似建筑工程脚手架结构）称为晶格。d、其中有代表性（最小的空间单元）的几何单元称为晶胞。不同的堆集方式有不同的空间点阵，即各自具有代表性的空间单元亦不同，即晶胞不同。e、晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶体常数。晶胞棱间夹角用α、β、γ表示。见图24zyxa简单立方晶体（b）晶格（c）晶胞（二）晶系不同元素的原子在一定条件下对应某种晶格。当条件变化到另外某种状态（T-P-）时，又可转变成（对应于）另外的晶格。法国晶体学家布拉菲（Brarais）用数学的方法推算出所有已知晶体分属于14种空间点阵。根据晶胞的6个参数（a、b、c、α、β、γ）把14种空间点阵归纳为七大晶系。见表22（P12）三、晶格尺寸和原子半径A、表示晶格尺寸的（晶格尺寸单位）是晶格常数。立方晶系只用一个a即可表示。B、原子半径，现代物理科技仍未达到能精确测定物质原子直径的水平，即“测不准”定理。但用X-Rag衍射法能测出晶体中点阵中心距。可根据点阵类型推算出原子半径Ra（紧靠的原子中心距的一半）对同种原子而言，晶格类型不同，半径不同。（配位数下降，半径下降）用钢球模型推算。（四）、原子数一个晶胞内包含的原子数目。（钢球模型）（五）、配位数和致密度1.配位数在晶体中每一原子周围所具有的是其等距离的最邻近的原子数目叫配位数。2.致密度晶胞中原子本身所占的体积的百分数（K）Kn4/3πr3/V二、常见纯金属的晶格类型（理想纯）（一）体心立方晶格（bccboadycenteradcube）常见金属＞30种之多（例如α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb）（√2a）2＋a24r22a2＋a242r23a24r2∴r√3/4a晶胞原子数1/8812个配位数8ABABABAB。。。。致密度K24/3πr3（图25bcc）a3二面心立方晶格（FCCfacecenteredcube）晶格常数亦只用一个a表示。显而易见r/4a晶胞的原子数1/881/264个配位数12ABCABCABC。。。可算出致密度为0.74（图26FCC）属于这种晶格的金属有r-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Rh等＞20种。三密排六方晶格（HCPhexagonalclose-packed）r1/2ac/a1.633晶胞原子数1/6121/2236ABABABAB。。。（图27HCP）配位数12致密度0.74属于该类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等二十几种。三、立方晶系的晶面、晶向表示方法（空间解析法）（一）晶面指数晶体中各种方位的原子面叫晶面，表示晶面的符号称晶面指数。不同的晶面上的原子排列密度不同。晶面指数确定法（三个步骤）1、以晶格中某一原子为原点建立笛卡尔生标系，（三个边，分别作三维生标轴）。以相应的晶格常数为测量单位，求出所求晶面在三生标轴上的截距。不能出现零截距即原点在所求晶面之外。2、求倒数3、化简成最简整数，用圆括号括起来，（H、K、L）就成为晶面指数（H、K、L）代表一组相互平行的晶面。在不同的象限会出现负号。见图28。（二）晶向指数概念晶向晶体中各个方向上的原子列。原子的一维排列。晶向指数表示晶向的符号晶向指数求法（三步骤）1、在晶格中建立生标（方法同晶面求法）。过原点引平行于所求晶向的直线。2、以晶格常数为单位求直线上任一点的三个生标。3、化简加一方括号即为所求晶向指数［u、v、w］［u、v、w］代表一组平行的晶向。4、HCP与立方晶系不同。图29一些晶向的晶向指数（三）晶面及晶向的原子密度概念晶面原子密度单位面积中的原子数。晶向原子密度单位长度上的原子数。表23，体心立方（bcc）晶格中主要晶面和晶向的原子密度。（注意P14）表中（111）晶面上密度计算有误同样可以求出FCC（111）原子密度最大，［110］原子密度最大。原子密度影响晶体性能。（四）晶面族和晶向族前面讲过同一个（h、k、l）［u、v、w］分别代表了一组晶面和晶向。由于晶体的对称性，在不同的位向（解析几何）原子排列分布完全相同的晶面和晶向称为晶面族{h、k、l}，晶向族＜u、v、w＞注意立方晶格中，指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。例如（111）⊥［111］，可用解析几何的计算法计算晶体。四、实际金属的晶体结构（一）多晶体位向不同的单晶体构成大多数实际金属材料存在晶界缺陷10-110-3mm晶粒显微镜下才能看到（用腐蚀剂腐蚀后，4硝酸酒精）（二）晶体缺陷1、点缺陷图210晶体中的点缺陷空位、间隙原子（换辐射等原因造成）和外来原子（用物理或化学的方法引进）都是晶格的点缺陷。它们破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲称为晶格畸变。它的存在使材料的HB上升，2、线缺陷位错，dislocation，见图211，金属中位错数量很多，特别是大量塑变后，位错密度增加。位错少时降低材料强度，但达到一定数量后又提高材料的强度。（1）、刃位错，（2）、螺位错强度бbb柏氏矢量与位错线垂直，柏氏矢量与位错线平行位错密度ρ图212金属强度与位错密度的关系3、面缺陷1）晶界（低温状态，高温状态），小角度与大角度晶界2）亚晶界r位向差＞1015度称为大角度晶粒之间位向差。3）相界面五、合金的晶体结构概念合金两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。（物理、化学的方法）例如黄铜CuZn钢Fec高聚物混合体系---“合金”高聚物之间或高聚物与单体之间经物化反应形成。例如ABS丙烯晴丁二烯苯乙烯，EPSF等、、、工程使用的大多数是合金。高聚物混合体系相不同元素相互作用会形成各种不同的积聚状态；合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的，均匀的组成部分。纯金属单一相。组织各相（相同的或不同的）以不同的数量比和形状的组合。固态合金的相错误未找到引用源。固溶体晶体结构与某一组元的晶体结构相同。错误未找到引用源。金属化合物晶体结构与各组元均不同，新结构。（一）固溶体溶剂与合金本结构相同的组元溶质与合金本结构不相同的组元如果合金各组元均属同一结构则以多少定为溶质、溶剂。例如Au-Cu固溶体一般用α、β、γ、、、表示。1、置换固溶体特点溶质原子占据溶剂原子点阵中的某些点。有序固溶体又叫超结构。无序固溶体为常见。（见图2-14）原子半径相近，相结构相同的元素之间易形成置换固溶体。图214置换固溶体2、间隙固溶体溶质原子比较小时，例如C、N等，它们位于晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。（见图2-15）该图为二维（平面）视图。同学们可根据前述bcc、fcc、hcp立体结构理解。图215间隙固溶体3、固溶体的溶解度有限互溶浓度常以重量百分比表示。无限互溶Au、Cu一旦跨越50界则溶剂变成溶质。影响溶解度的因素原子大小，晶格类型，电化学性质，电子浓度等。电子浓度易失去的原子最外层价电子（多少）数目决定了晶（胞）格中的电子浓度。（价电子/原子数目）4、固溶体的性能溶剂、溶质间原子半径不同（Au、Cu亦然）固溶体有晶格畸变。所以溶质增加、固溶体的б、HB上升，塑韧性下降。（结合上一节晶体缺陷（点、线、面）简明阐述强化概念、位错移动阻力。）（二）金属化合物两种以上的元素原子形成一种不同于任何组元晶体结构的新相叫金属化合物，一般可用化学分子式，大致表示其组成。特点熔点高、硬度高、脆合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。例如轴承合金（滑动轴承巴氏合金）常含组元，Sn、Pb、Si、Cu等。可形成的金属化合物有SnSb,Cu3Sn,Cu2Sb,Pb3Ca.1、正常价化合物特点符合一般化合物原子价规律，成分固定，可用化学式表示。例如Mg2Si,Mg2Sn,Mg2Pb,MnS2、电子化合物特点不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律电子浓度价电子数目与原子数目的比值。见表2-4，合金常见的电子化合物βγε。3、间隙化合物特点过渡族金属元素（元素周期表）与C、N、H、B非金属元素形成的金属化合物。分两类1）间隙相当原子半径比＜0.59时形成简单晶格的间隙化合物称为间隙相。例如V、VC、FCC、bcc见图2-16表2-5间隙相的化学式与晶格类型的关系。M金属，X非金属。2）间隙化合物特点结构复杂（当原子半径比大于0.59时）例如钢中Fe3C，高速钢中Cr23C6，Fe4W2c，Cr6C3。锰钢中Mn3C等。见图2-17，Fe3C晶格。金属化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属化合物为基的固溶体。例如同学们学过的Fe3O4是FeO中又固溶了一个O原子。在成分复杂的合金中（合金钢）高速钢金属化合物为基的固溶体较多归纳总结A、置换固溶1、固溶体B、间隙固溶合金相组成A、正常价化合物间隙相B、电子化合物C、间隙化合物2、金属D、金属化合物固溶体复杂结构化合物间隙化合物§2金属的结晶过程一、冷却曲线和过冷度T0测定液态金属冷却时T与t的变化关系TΔT作出冷却曲线。温度概念结晶潜热只有存在过冷度结晶才能进行。图3-2纯金属的冷却曲线时间***V冷越大，过冷度越大。二、结晶时的能量条件热力学定律指出，在等压条件下（对液体而言，P的变化对系统影响不大）一切自发过程都是朝着F下降的方向进行。ΔF（严格讲应用G）FU-TS自由能液相U、T、S是状态函数，ΔT固相F必定是状态函数。温度低于TO时，晶体的F低。T1T0温度T自发过程图3-3液体与晶体自由能与温度的关系曲线dFv,t0；or,GHTS,dGvdpsdt;⊿GLm⊿T/TmLmLL--Ls三、结晶的结构条件（结构起伏）结晶的一般过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。这是结晶的普遍规律。见图3-4。图34结晶过程示意图1、小于TO，L经过孕育期（能量起伏和结构起伏）出现晶核。（晶胚晶核）2、晶核不断长大，同时新的晶核又不断出现。3、直到L消耗完为止。至此每个晶核都长大成为一个小晶粒，众多晶粒结合在一起形成多晶体。***尚若只有一个晶核（可人工控制）长大成晶粒便是单晶体，如Si、Ge、GaAs、C、KCl4、自发形核与非自发（或人工）形核。（1）、临界晶核半径rk2б/⊿Gv2бTm/Lm⊿T2、临界形核功⊿GK1/3SKб16πб3T2/3L2m⊿T23、临界形核功与⊿T的关系5、晶体长大的方式有很多种，金属晶体一般条件下主要是以树枝状形式