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第1章 工程材料的结构与性能 材料都是由一种或一种以上的元素组成的。在一定条件下，材料具有一定的聚合状态，或呈气态或呈液态或呈固态。当条件改变时，材料的状态可以互相转化。材料的性能主要取决于成分、结构和组织。在这一章里所涉及的材料结构，除了原子(或分子)结构之外，重点在于材料原子(或分子)的相互作用和排列方式上。 1.1 材料原子(或分子)的相互作用 当原子相互靠近时，它们之间的相互作用将以键合方式进行。由于组成不同，材料的原子(或分子)结构各不相同，原子间的结合键性质和状态存在很大差别。 1.1.1 离子键 当正电性金属原子与负电性非金属原子接触时，前者失去最外层电子变成正离子，后者获得电子变成负离子，正、负离子由于静电引力而相互结合成化合物，这种相互作用就称为离子键。 图1.a为离子键结合的示意图。离子键有较强的结合力，因此离子化合物的熔点、沸点、硬度很高，热膨胀系数很小。大部分盐类、碱类和金属氧化物多数以离子键方式结合，部分陶瓷材料(MgO、Al2O3、ZrO2等)及钢中的一些非金属夹杂物也以此方式结合。 1.1.2 共价键 当两个相同的原子或两种不同的原子相互作用时，原子间以形成公用价电子对而结合，这种结合方式称为共价键。图1.1b为共价键结合的示意图。共价键结合极为牢固，共价晶体(如金刚石)具有高的熔点、硬度和强度。由于全部外层电子束缚于共价键，所以它们不是导体(金刚石是绝缘体，硅、锗是半导体)。碳、硅、锡，锗、铅等亚金属主要以共价键方式结合，一些陶瓷(如碳化硅、氧化硅)和一些聚合物也是通过共价键使它们的原子结合在一起的。 1.1.3 金属键 由于金属原子结构外层电子数较少，且电离能也很小，极易失去外层价电子而成为正离子。 当金属原子相互接近时，金属原子的外层价电子便从各个原子中脱离出来，为整个金属原子所共用，它们可在整个金属内自由运动而形成“电子气”。金属正离子与自由电子间的静电引力作用，形成金属整体，这种结合方式称为金属键，如图1.1c所示。 用金属键可以粗略地解释金属的一般特性：金属中的自由电子在一定的电位差条件下作定向运动，形成电流，从而显示出良好的导电性；自由电子的运动以及金属正离子的振动使金属具有良好的导热性；随着温度的升高，金属正离子振动加剧，阻碍电子通过，电阻升高，因而金属具有正的电阻温度系数；金属内原子面间作相对位移时，正离子与自由电子之间的结合键仍旧保持着，使金属显示出良好的塑性；自由电子能吸收可见光的能量使金属具有不透明性，而吸收了能量被激发的电子回到基态时产生辐射，使金属具有光泽； 除铋、锑、锗、镓等亚金属为共价键结合外，绝大多数金属均以金属键方式结合。 1.1.4 分子键 He、Ne、Ar等原子态惰性气体和H2、N2、O2等分子态气体在低温时都能结合成液体和固体，这类原子或分子间相互作用并没有价电子的得失、共有或公有化：它们的结合是依靠分子(或原子)偶极间的作用力(色散力、诱导力、取向力)来完成的。这种相互作用称为分子键，也称为范德华(Vander Waals)力。图1.1d为分子键示意图。 由于分子键很弱，故结合成的晶体具有低熔点、低沸点、低硬度、易压缩等性质：例如，石墨的各原子层之间为分子键结合，从而易于分层剥离，强度、塑性和韧性极低，接近于零，是良好的润滑剂。塑料、橡胶等高分子材料中的链与链间的结合力为范德华力，故它们的硬度比金属低，耐热性差，不具有导电能力。 1.1.5 氢键 氢键是一种特殊的分子间作用力。当两种负电性大而原子半径较小的原子与氢原子结合 时，氧原子与一种原子之间形成共价键，与另一种原子之间形成氢键。如F—H……F，O—H……O，N—H……O等，其中实线为共价键，虚线表示氢键。氢键的本质是静电吸引力，具有饱和性和方向性。氢键比一般范德华力强得多，但比离子健、共价键等要小。 氢键的形成对化合物的物理性质和化学性质有各种影响。比如水的物理性质，如密度、比热容、熔点、沸点等都较同类化合物高。 以上讨论的几种结合键的强度，以离子键和共价键最强，金属键次之，分子键最弱。 实际上，只有一种结合键的材料并不多见，大多数材料往往是几种键的混合结合，而以一种结合健为主。表1.1列出了常用工程材料的结合键和性能特点。 1.2 晶体材料的原子排列 当材料处于固体状态时，若组成它的离子、原子或分子在三维空间呈有规则的长距离(大大超过原子或分子尺寸)的周期性重复排列，即具有长程有序，这一类固态物质称为晶体。而它们离子、原子或分子规则排列的方式就称为晶体结构。 1.2.1 理想晶体结构 1.晶格 为了便于描述晶体中的原子排列规律(如图1.2a)，把晶体中的原子(或离子等)想象成几何结点、并用直线从其中心连接起来而构成的空间格架，称为“晶格”，如图1.2b所示。晶格形象地表