《机械工程材料（第2版）》第二章材料的结构.pptVIP

第一节 结 合 键 在固体状态下，原子聚集堆积在一起，其间距足够近，它们之间便产生了相互作用力，即为原子间的结合力或结合键（简称键）。不同类型的原子之间产生不同性质的结合键。材料的许多性能在很大程度上取决于原子结合键。根据结合力的强弱，可把结合键分为两大类：强键（包括离子键、共价键、金属键）和弱键（即分子键）。 当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时，正电性元素原子失去最外层价电子变成带正电荷的正离子，负电性元素原子获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引，同时当它们十分接近时又发生排斥。当引力和斥力相等时即形成稳定的离子键。离子键要求正负离子相间排列，而且要保证异性离子之间的引力最大、同性离子之间的斥力最小。 处于周期表中间位置的三、四、五价元素，获得和丢失电子的几率相近，原子既可能获得电子变为负离子，也可能丢失电子变为正离子。当这些元素原子之间或与邻近元素的原子形成分子或晶体时，以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。被共用的价电子同时属于两相邻的原子，使它们的最外层均为满壳层；价电子主要在这两个相邻原子核之间运动，形成一负电荷较集中的地区，从而对带正电荷的原子核产生吸引力，将它们结合起来。这种由共用价电子对产生的结合键称为共价键， 周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。满壳层在带正电荷的原子核和价电子之间起屏蔽作用，原子核对外面轨道上的价电子的吸引力不大，原子很容易丢失其价电子而成为正离子。当大量这样的原子相互接近并聚集为固体时，其中大部或全部原子会丢失价电子。同离子键、共价键不一样，这些被丢失的价电子不为某个或某两个原子所专有或共有，而是为全体原子所公有。这些公有化的电子称为自由电子。它们在正离子之间自由运动，形成电子云，正离子则沉浸在电子云中。正离子和电子云之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来，该结合力就称为金属键，它没有饱和性和方向性。 原子状态形成稳定电子壳层的惰性气体元素，在低温下可结合为固体；ⅦB族元素的双原子也能结合成晶体。在它们结合的过程中，没有电子的得失、共有或公有化，原子或分子之间的结合力是很弱的范德瓦尔斯力即分子键，实际上就是分子偶极之间的作用力。 第二节 晶体结构理论 固体可以分为两类：晶体和非晶体。 原子在三维空间中有规则地周期性重复排列的物质称为晶体，否则为非晶体。 1.晶格 晶体中原子（或离子、分子）在空间呈规则排列，规则排列的方式就称为晶体的结构。组成晶体的物质质点不同、排列的规则或周期性不同，就可以形成各种各样的晶体结构。 晶体学基本概念   假定晶体中的物质质点都是固定的刚球，由这些刚球堆垛而成晶体，如图2-1a所示，即原子堆垛模型。为了研究方便，假设通过这些质点的中心画出许多空间直线形成空间格架，这种假想的格架在晶体学上就称为晶格，如图2-1b所示。实际上是将构成晶体的实际质点忽略，将它们抽象成纯粹的几何点，称其为结点，相当于质点的平衡中心位置。 晶体学基本概念   晶体学基本概念   由于晶体中原子有规则排列且具有周期性的特点，为便于讨论，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何组成单元称为晶胞，如图2-1c所示。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格并形成晶体。简言之，用晶胞可以描述晶格和晶体结构。 晶体学基本概念   晶体学基本概念   在三维空间中，晶胞的几何特征即大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来描述，其中晶胞的棱边长度a、b、c一般称为晶格常数。晶格常数的单位为nm(1nm=10-9m)按照以上六个参数组合的可能方式或根据晶胞自身的对称性，可将晶体结构分为七个晶系，其中立方晶系（a=b =c, α=β=γ=90°）较为重要。 金属原子趋向于紧密排列，工业上使用的金属元素中，绝大多数的晶体结构比较简单，其中最典型最常见的有三种类型，即体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，如图2-2所示。前两者属于立方晶系，后者属于六方晶系。 金属晶体结构   金属晶体结构   金属晶体结构   离子晶体在陶瓷材料中占有重要地位，例如MgO、Al2O3等都是在陶瓷材料中具有明显离子键的晶体材料。构成离子晶体的基本质点是正、负离子，它们之间以静电作用力（库仑力）相结合，结合键为离子键。 共价晶体是由同种非晶体金属元素的原子或异种元素的原子以共价键结合是最典型的共价键结合。共价键在有机化合物中也很