机自-材-1-3材料结构

§1-3固体材料的结构材料的宏观性能是由其微观结构所决定的分子是保持物质基本化学性质的最小微粒,

而分子又是由原子组成的组成分子的原子的种类、数目、排列方式及原子间的相互作用决定了分子的性质结合键又称为化学键，是指分子中各原子之间的相互作用。1、几种典型的结合键

①离子键

---

金属原子失去价电子成为正离子，非金属原子获得价电子成为负离子，这种由正、负离子相互作用而产生的强大键合力称为离子键。

大多数由金属和非金属结合形成的盐类、碱类和金属氧化物是以离子键结合的。

-一、固体材料的结合键

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+

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+

②共价键

---原子间通过形成共用电子对而产生的结合键。是由相同原子或性能相近的原子组成分子时采用的原子结合方式，如金刚石、碳化硅等。

③

金属键

---金属原子的外层价电子脱离原子，形成金属正离子和共用电子云。这种由正离子和电子云的相互吸引而形成的结合键称为金属键。④

分子键

---

分子之间通过一个分子的负电性部分与另一个分子的正电性部分相互吸引而产生的结合键。

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+

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+

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+

+

+2、工程材料的结合键与性能金属材料

----以金属键为主。

高硬度、高强度、高熔点，良好的塑性、导电、导热性及大密度有机高分子材料

----分子内共价键,分子间分子键。不高的强度和硬度，低的熔点和耐热性，密度小，耐蚀和绝缘性好陶瓷材料（无机材料）----离子键或共价键为主。

硬而脆，高熔点，耐热、耐蚀性好，绝缘好复合材料

----取决于组成物的结合键。二、金属材料的显微结构

固态物质按原子聚集状态分为晶体和非晶体。

晶体---原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。非晶体---原子呈现无规律、无次序的堆积。

绝大多数的固态金属和合金都是晶体。

晶体液体二、金属材料的显微结构

金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子的定向移动形成了电流，使金属表现出良好的导电性；正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动，使金属具有电阻；温度升高，正电荷热振动振幅增加，电阻增大，电阻温度系数增大，使金属具有正的温度系数；自由电子能吸收可见光的能量，使金属具有不透明性；当自由电子从高能级回到低能级时，将吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，使金属具有光泽；晶体中原子发生相对移动时，正电荷与自由电子仍能保持金属键结合，使金属具有良好的塑性。1、金属键及金属的特性晶格---将晶体中的每一个原子假设成一个几何点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把这些点连接起来，所得到的一个表示金属内部原子排列规律的抽象的空间格子。2、晶格、晶胞和晶格常数晶胞---反映晶格特征的最小几何单元。晶格常数---反映晶胞大小、形状的参数。

如棱边长度a、b

、c(以

A

为单位，1

A

=10-10米)和棱间夹角α、β、γ

等。。。3、晶向和晶面晶向---晶体中，任意二个原子之间的连线称为原子列，连线所指方向称为晶向。晶向通常采用晶向指数[u

v

w]表示即以晶胞的某个顶点为坐标原点，以晶胞的3条棱边为坐标轴,以棱边长度为单位长度。过原点作一平行于待定晶向的有向线段，其上任一点的座标值化为最简整数后即为晶向指数。如左图中红色线段的座标值X=1，Y=1/2,Z=0，则其晶向指数为[210]

而绿色线段的座标值X=0，Y=1,Z=

-1,则其晶向指数为[011][210][110][011]晶面---晶体中各种方位的原子面称为晶面。立方晶系的晶面指数通常采用密勒指数法确定，即根据晶面与3个坐标轴的截距来决定晶面指数。通常选晶胞中不在所求晶面上的某个顶点为坐标原点(不出现零截距)，以晶胞3条棱边为坐标轴，以晶格常数为单位；取晶面的三坐标截距值的倒数，并化为最简整数即为其晶面指数。晶面的方位通常采用晶面指数(

hkl

)表示。如上图中绿色晶面与3个坐标轴的截距为1、1、1/2，其晶面指数为（112）。

!

!

!

需要注意的是：①所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。如果晶向相反，则它们的晶向指数的数值相同，符号相反；②所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。晶面指数的数值相同而符号相反，表示这两个晶面，如（100）与（100）平行地分布在坐标原点的两边。①

体心立方晶格---晶胞形状为立方体，8个顶点及体心各有1个原子(1个晶胞2个原子)，晶格常数

=

b

=

,

=

==90°。属于此类晶格的金属有铬、钼、钒、

钨、α-铁等。具有相当高的强度和塑性。4、常见的晶格类型及其致密度αβγca致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3原子半径：致密度---晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。②

面心立方晶格

---晶胞形状为立方体，8个顶点及6

个表面的中心各有1个原子(1个晶胞4个原子)，晶格常数

=

b

=

,

=

==90°。属于此类晶格的金属有金、银、铜、铝、镍、-铁等。具有较好的塑性而且低温下不会发生冷脆。βγcaγα晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.744③

密排六方晶格

---晶胞形状是一个六方柱体。柱体的12个顶点及上、下底面中心各有1个原子，柱体中心还有3个原子(1个晶胞6个原子)。属于这类晶格的金属有镁、锌、铍、镉等。塑性一般较差。晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74理想晶体是单晶体结晶结构和位向完全一致的晶体。

单晶体一般性能呈现各向异性，须用特殊手段制取。实际金属是多晶体由许多结构相同但位向不同的小晶体所构成的晶体。

多晶体一般呈现各向同性(又称为伪各向同性，即各晶粒因位向不同而将各向异性抵消，使各向性能趋于相同)晶粒晶界5、实际金属的晶体结构实际金属有晶格缺陷原子排列规则受到破坏，出现与理想结构的偏差点缺陷：间隙原子、置换原子、晶格空位

晶格缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷所有的晶格缺陷都将导致其周围的晶格发生畸变，从而引起金属的力学性能、化学性能等发生显著的变化。一般而言，晶格缺陷越多，强度、硬度越高。

线缺陷：位错（一列或多列原子发生错排）面缺陷：晶界或亚晶界上的晶格畸变晶界亚晶界晶粒与晶粒之间的交界面在同一晶粒内，略有位向差的小晶块之间的边界