材料的结构

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1、 第一章 材料的结构 第一节 材料的结合方式1.1.1 化学键 u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。 u结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 u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。 u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 )。u化学键有：离子键、共价键、金属键。 u1.共价键 u（1）共价键的定义 u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。 u（2）共价键的特点u共价键

2、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。u共价键具有方向性、饱和性。 u金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。u（3）共价晶体特点 u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u2.离子键 u（1）离子键的定义 u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 。 u（2）离子键

3、的特点u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。 u离子键没有方向性、无饱和性。 左图 NaCl离子晶体 上图 离子键材料导电性u（3）离子晶体的特点 u离子键很强，故有较高熔点，固体下不导电，熔融时才 导电。 u离子间发生相对位移，电平衡破坏，离子键破坏，脆性 材料。 u较高熔点（正、负离子间有很强的电的吸引力 ）u3.金属键 u（1）金属键的定义u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。 u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。

4、u（2）金属键的特点u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u（3）金属键型晶体的特征u良好的延展性u良好的导电性u具有正的电阻温度系数u导热性好u金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光 的能量 ）u4.范德瓦尔键u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。 u范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。 u比化学键的键能少12个数量级。图 分子键类类 型作用力来源键键合强弱形成晶体的特点 离子 键键 原子得、失电电子后形成 负负、

5、正离子，正负负离子 间间的库仑库仑 引力 强 无方向性键键、高配位数 、高熔点、高强度、高 硬度、固态态不导电导电 、熔 态态离子导电导电 共价 键键 相邻邻原子价电电子各处处于 相反的自旋状态态，原子 核间间的库仑库仑 引力 最强 有方向性键键、低配位数 、高熔点、高强度、高 硬度、即使在熔态态也不 导电导电 金属 键键 自由电电子气与正离子实实 之间间的库仑库仑 引力 较较强 无方向性键键、配位数高 、塑性较较好、有光泽泽、 好的导热导热 、导电导电 性 分子 键键 原子间间瞬时电时电 偶极矩的 感应应作用 最弱 无方向性键键、结结构密堆 、高熔点、绝缘绝缘 思考题u为什么金属具有良好的塑

6、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 键性第二节 晶体学基础1.2.1 晶体与非晶体u1.晶体的定义 u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。 uu2. 2. 非晶体非晶体 u非晶体在整体上是无序的 ；近程有序 。图 材料中原子的排列u3. 晶体的特征 u（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。 u（2）有固定的凝固点和熔点 u（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

7、性、导热性、热膨胀性、弹性、强 度、光学性质 ）。u4.晶体与非晶体的区别 ua.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 ub.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 uc.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”）u4.晶体与非晶体的相互转化u玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃 u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 u获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法 ）思考题u常见的金属基本上都是晶 体,但为什么不显示各向同 性?u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

8、向上都显 示不出某一个晶向的特性 来。 1.2.2 空间点阵 u1.基本概念 u（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。 u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。 u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）。u（2）晶胞 u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 。 u在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是小平行六面 体 。u整个空间点阵可由晶胞作三维的重复

9、堆砌而构成。 u（3）晶格 u将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶 格。图 空间点阵u2.晶胞的选取原则： u（1）晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性；u（2）平行六面体内相等的棱和角的数目最多；u（3）当棱间呈直角时，直角数目应最多；u（4）满足上述条件，晶胞体积应最小。图 晶 格 的 选 取u3. 描述晶胞的六参数u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u4. 七种晶系u5. 十四种布拉菲点阵 u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。

10、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u体心单斜点阵是不是一个新的点阵？u体心单斜点阵晶胞为ABCD-EFHG。u可以连成底心单斜点阵，其晶胞为JABD-KEFG 。u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) -Fe (b) NaCl (c) CaF2 (d) ZnS 思考题u如何理解每个阵点周围环境相同?1.2.3 晶面指数和晶向指数u1.晶向指数的标定 u(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； u(2

11、)选取该晶向上原点以外的任一点P(xa，yb，zc)； u(3)将xa，yb，zc化成最小的简单整数比u，v，w，且 uvw = xaybzc； u(4)将u，v，w三数置于方括号内就得到晶向指数uvw。图 晶向指数的标定图 晶向指数的标定u晶向指数的说明： ua.指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。 ub.负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。 uc.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，用表示。u1.晶面指数的标定 u(1)建立一组以晶轴a，

12、b，c为坐标轴的坐标系。 u(2)求出待标晶面在a，b，c轴上的截距xa，yb，zc。如该 晶面与某轴平行，则截距为。 u(3)取截距的倒数1/xa，1/yb，1/zc。 u(4)将这些倒数化成最小的简单整数比h，k，l，使hkl= 1/xa1/yb1/zc。 u(5)如有某一数为负值，则将负号标注在该数字的上方， 将h，k，l置于圆括号内，写成(hkl)，则(hkl)就是待标晶面的晶面指数。图 晶面指数的标定图 晶面指数的标定u晶面指数的说明： u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 ua.指数意义：代表一组平行的晶面； ub.0的意义：面与对应的轴平行； uc.平

13、行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反； ud.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。 ue.若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; uf.若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。110 晶面族u3.六方系晶面和晶向指数标定u六方晶系晶面指数的标定原理和方法同立方晶系中的一 样，从待标晶面在a1，a2，a3和c轴上的截距可求得相应的 指数h，k，i，l，于是晶面指数可写成(hkil)。u根据几何学可知，三维空间独立的坐标轴最多不超过三 个。应用上述方法标定的晶面指数形式上是4个指数，但是不难看出，前三个指数中只有两个是独

14、立的，它们之间有 以下的关系：i = -( h + k )，因此，可以由前两个指数求得第三个指数 。u六方晶系晶向指数的标定： u采用四轴坐标，六方晶系晶向指数的标定方法如下：当 晶向通过原点时，把晶向沿四个轴分解成四个分量，晶向 OP可表示为：OP=ua1+va2+ta3+wC，晶向指数用uvtw表 示，其中t=-(u+v) u采用三轴坐标系时。C轴垂直底面，a1、a2轴在底面上， 其夹角为120o ， UVW。u采用三轴制虽然指数标定简单，但原子排列相同的晶向 本应属于同一晶向族，其晶向指数的数字却不尽相同。图 六方系晶面指数的标定u2UVv2VU/3tUV/3wW图 六方晶系的一些晶向指

15、数与晶面指数u4.晶带u相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带 ，此直线称为晶带轴 u设晶带轴的指数为uvw，则晶带中任何一个晶面的指数 （hkl）都必须满足：hu+kv+lw=0，满足此关系的晶面都属 于以uvw为晶带轴的晶带。 u已知两个非平行的晶面指数为（h1k1l1）和（h2k2l2）则其交线即为晶带轴的指数。u5.晶面间距1.2.4 晶体的极射赤面投影参考球和立方晶体的球面投影晶体的极射赤面投影图 立方晶系的（001）标准投影图 吴氏网第三节 材料的晶体结构图 双原子模型1.3.1 典型金属的晶体结构u化学元素周期表中，金属元素占80余种u常见的金属晶体结构有 u体心立方

16、（body-centered cubic，bcc） u面心立方（face-centered cubic，fcc） u密排六方（hexagonal close-packed，hcp）u体心立方（body-centered cubic，bcc）体心立方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图 u面心立方（face-centered cubic，fcc）面心立方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图 u密排六方（hexagonal close-packed，hcp）密排六方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图 体心立方面心立方密排六方u1.晶胞中原子数体心立方 面心立方 密排六方u2.原子半径u配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度。 u配位数（co