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1、新型材料力学总结作者：18楼小豆五 提交日期：2008-1-10 14:32:00新型材料力学总结上交一个报告这样的考察方式的确是一个很好的想法，一来没有考试上的压力，二来可以自由发挥总结一下自己的心得体会。借上交新型材料力学报告的机会，我对材料的各个方面进行一番大概的概念上的了解，主要是参考一些概论性质的书籍，从中得到一些最基本的概念。不仅材料的性质有许多方面的内容，单是其力学性能也包括各个方面的影响因素。有宏观的、微观的、细观的、纳观的，物理的、化学的、量子的考虑，有材料的组分、制备工艺、后处理、使用环境等的考虑。用于处理微观尺度的最基本的模型，材料的原子结构起了明显作用，主要用于凝聚态物
2、理和量子化学。用于处理微米尺度的连续介质模型，在比较唯象的层次上进行分析时，不需要跟踪个别原子的位置，只需进行局部平均处理，且假定从原子尺度观察这些量时其变化极其缓慢。在宏观尺度上材料的总体性质作为制造、使用过程的定量模型，用于材料性质的最优化和由原材料变为有用制品的整个加工过程的最优化。我将分别从这些角度对影响材料力学性能的各个方面的相关内容进行一些粗浅的小结，以期获得一些最基本的常识，为今后更进一步的理解打下一个初步的基础。1 材料的结构材料的结构指的是材料的组成单元（原子或分子）之间互相吸引和互相排斥作用达到平衡时的空间分布，从宏观到微观可分为不同的层次，即宏观组织结构、显微组织结构、微
3、观结构。宏观组织结构是用肉眼或放大镜观察到的晶粒、相的集合状态。显微组织结构或称为亚微观结构是借助光学显微镜、电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构，其尺寸约为10-7-10-4m。比显微组织结构更细的一层结构即微观结构包括原子及分子结构以及原子和分子的排列结构。因为一般的分子尺寸很小，故把分子结构排列列为微观结构。但对于高分子化合物，大分子本身的尺寸可达到亚微观的范围。1.1 化学键在材料的组成单元中，各个原子通过化学键结合在一起组成固体材料。各类材料，当键和方式不同，如为离子键、共价键、金属键或氢键时，便具有不同的结构和性质。因此，金属材料、无机非金属材料、高分子材料的
4、差异本质上是由不同的元素、以不同的键和方式造成的。几乎所有的元素都能以一定的方式结合构成物质。同一种或不同种类的原子通过化学键（离子键、共价键、金属键或氢键）结合在一起构成物质的分子。实际上，有的材料并不是由单纯的一种键构成的，可同时兼有几种键，如许多无机非金属材料的键性就是混杂型的，大多是离子键、共价键及金属键相互的杂交。下面介绍这几种键型。1.1.1 金属键金属原子形成金属晶体时，每个原子都提供少数价电子，作为自由电子，共用于整个晶体，这种自由电子构成金属键，把各个原子吸引在一起，成为金属晶体，其特点是具有键的作用的电子并不固定在一定的原子上，而是多少可以在金属格子（有阳离子排成的有序晶格
5、）之间自由活动。格子由离子化了的金属原子构成，电子就起到将它们结合成键的作用。这种键具有无方向性的球对称性质。金属的高导电率和高导热率都是由于金属中自由电子运动的结果。此外，自由电子能够吸收所有波长的能量，从而也解释了金属对光的非透明性；而这一吸收能量的辐射，又同样解释了金属表面的高反射性。1.1.2 离子键离子键是由原子释放出最外层的电子变成带正电荷的阳离子，同时能够接受其放出的电子的原子变成带负电荷的阴离子相互之间作用的吸引力（库仑力）所形成的一种键合。这个引力同邻近的所有其他原子都相互发生作用构成一个整体。离子键是化学键中最简单的类型，因为在本质上，它完全可以归结为静电力。一般由于形成离
6、子键的静电力来自于离子的过剩电荷，晶体中离子的电子云密度分布应该是对称的，通常不应该产生变形。因此离子键具有饱和性和无定向性的特点，这也是离子化合物具有配位数高、堆积致密的一个重要原因。1.1.3 共价键共价键是由两个原子共用最外壳层电子的键合。这时参与键合的两个原子相应轨道上的电子（各有一个）的自旋方向必须是相反的。其强度随着参与键合的电子数的增多而增强。共价键最简单的形式是单价共价键，出现在H2分子中。另一些元素组成的分子如N2，O2等也可以和H2形成共价键。另外一类共价键称为配位共价键，其特点是形成的共享电子对全由一个原子提供。所有的非金属原子，除了惰性气体外，一般都倾向于形成共价键。共
7、价键形成时，由于能量上的原因，总是会选择在合适的方向上成键，这就是共价键具有方向性的原因。此外，由于共价键来源于电子共享，因此原子形成共价键的数目必然要受到其电子结构的限制，这就是共价键具有饱和性的原因。由于共价键的上述本质，使得典型的共价键晶体总是具有很高的熔点和硬度、具有良好的光学特性和不良的导电性。1.1.4 氢键氢键是氢原子在分子中与一个原子A键合时，还能形成与另一个原子B的附加键，是一类比较弱的键，但它比范德华键要强。氢键发生于某些含有氢与高负电性原子如O、N、F等共价键合的极性分子之间。氢键的产生主要是由于氢与电负性高的A原子形成共价键时，共有电子对（电荷中心）向A原子强烈偏移，这
8、样氢原子几乎变成一个半径很小的带正电的核，因此这个氢原子还可以和另一个分子中高电负性的B原子吸引形成附加键。1.1.5 范德华键原子可以看成一个很小的偶极子。虽然对于平均时间来说，原子中电子的空间分布对原子核是对称的。但某一瞬间，整个原子正负电荷中心可能不重合，从而形成小的偶极子。这些小的偶极子之间的相互作用造成的引力，就是范德华力。范德华健是永远存在于分子间或分子内非键结合的力，是一种相互吸引的力。不过，这类键一般很弱，只有不存在其他键时，它才显示出来。1.1.6 多种键型在一般多元化合物中，它们总是具有几种键型。众所周知，绝大多数的有机化合物，其分子的原子之间由共价键连接，而分子之间靠范德
9、华力联系。在有机酸的金属盐结构中还引入了离子键。若原来分子中含有氢键，则是一个同时具备四种键型的复杂结构。1.2 晶体结构所谓晶体指原子或原子团、离子或分子按一定规律呈周期性地排列构成的物质，即从内部结构原子（原子团）或分子排列的特征来看，晶体结构的基本特征是原子或分子在三维空间呈周期性的规则而有序地排列，即存在长程的几何有序。固体也可能只有一块结构均匀的大晶体构成，称为单晶。单晶体是各向异性的均匀物体，具有一定的熔点，生长良好时呈现规则的外形。晶体的宏观形貌可以是一维、二维的或者三维的。生长良好的晶体外形通常呈现某种对称性。对称性是自然界许多事物的基本属性之一，晶体外形的宏观对称性是其内部晶
10、体结构微观对称性的表现，它与晶体的性能有深刻的内在联系。如果将每一个可重复的单位用一个点来表示，就能形成一个有规则的三维点阵，称为空间点阵。空间点阵中的任何一点总是和点阵中其他点有相同的周围环境。所提到的原子团，在实际晶体中可能是一个原子，也可能有很多原子组成，像某些有机分子晶体那样。按晶格的边长、晶轴相交的角度等可将晶体分为几大类：立方晶系、正方晶系、三方晶系、斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系、六方晶系。许多固体会以多晶形式存在，如常见的金属及其合金、大多数陶瓷和矿物等均属于多晶体。多晶体是许多单晶组成的聚集体，即由许多取向不同的晶粒组成。在多晶体中，两个晶粒相遇时所产生的界面，成为晶界。晶粒和
11、晶界是多晶材料中一个十分重要的结构因素。多晶材料的晶粒大小相差极为悬殊。就其粒径而言可小至微米甚至纳米，大到厘米。当原子或分子结合成固体时，它们可能形成晶体，也可能形成非晶体。一般，大多数金属属于晶体，陶瓷属于单晶或多晶体，玻璃、某些高分子化合物则属于非晶体。不具有明显晶体结构的状态统称为无定形结构或非晶质。1.2.1 金属材料的结构金属材料一般都是晶体，由于金属键无方向性，因而其能量最低的结构是每个原子的周围都有尽可能多的相邻原子。一个原子最邻近的、等距离的原子数称为配位数。金属结构的配位数高，结构紧密。若将原子视作为均匀的小球，它们组成紧密堆积结构。金属的晶体结构随温度变化会发生变体转变。
12、金属的晶体结构大部分属于以下几种：1 体心立方结构BCC，在立方晶格的中心具有原子的结构成为体心立方结构；2 面心立方结构FCC，在立方晶格的六个面上各有一个原子的结构称为面心立方结构；3 紧密堆积六方结构，是在六方晶格的内部具有三个原子的结构；4 金刚石型结构，比较复杂。金属材料也可以看作是由晶体的聚集体构成的。对纯金属一般认为是微细晶粒的聚集体；对合金可看作母相金属原子的晶体与加入的合金晶体等聚合而成的聚集体。晶粒间的结合力要比晶粒内部的结合力要小。软钢、铜、金、铝等之所以能够承受较大的塑性变形，是由于在发生滑移变形的同时，原子相互间的位置依次错开又形成了新的键，从整体看，是由于原子间的键
13、难于断开的缘故。晶粒晶界上的结合是机械结合，即金属由高温熔体凝固析晶时，相互啮合牢固地结合在一起。晶粒间的接触面越大，结合力也越大。1.2.2 无机非金属的结构无机非金属的结构可分为以下几种：1.2.2.1 金刚石型结构各原子间相互以共价键结合，四个键相互呈109度、280度角度伸向正四面体的顶点。键的强度很大，如金刚石、硅、Ge等。1.2.2.2 硅酸盐结构这是陶瓷的主要结构，其结构特征是硅总是位于由四个氧离子组成的四面体中心，构成SO4-4四面体。在硅氧四面体之间由通过共顶点的氧以不同形式相互连接，形成岛状、链状、层状、立体网络状等不同结构的硅酸盐。1.2.3 玻璃结构无机玻璃可以看成是处
14、在过冷状态的一种粘度极高的液体，整个结构不具有晶体的规则排列。玻璃的结构特点是原子排列近程较有序，远程无序。可表现出各种模式，键型有共价键和离子键。1.3 晶体结构的缺陷对晶体结构描述时认为整个晶体都具有规则排列。而实际上，晶体中原子总是在平衡位置附近进行热振动。晶体中又包含着种种缺陷（如点缺陷、线缺陷、面缺陷）造成结构的不完整性。也就是说，极大多数晶体都有大量的与理想原子排列的轻度偏离存在，这类不完整性依据其几何形状分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。结构的不完整性会对晶体的性能造成重大的影响。1.3.1 点缺陷理想晶体中的一些原子被外界原子所代替，或者在晶格间隙中掺入原子，或者留有原子空位，破坏了
15、有规则的周期性排列，引起质点间势场的畸变，这样造成晶体结构的不完整仅仅是局限在原子位置，称作点缺陷。一般可分为：结构位置缺陷，如空位和间隙原子；组成缺陷，如杂质原子；电荷缺陷。1.3.2 线缺陷实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化或者振动产生的应力作用，或由于晶体受到打击、切削、研磨等机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行列间相互滑移，而不再符合理想晶格的有序的排列，形成线状的缺陷，习惯上也称为位错。位错又分为刃位错和螺旋位错。1.3.3 面缺陷固体从蒸汽、溶液或熔体中结晶出来时，只有在一定条件下，例如有籽晶存在时，才能形成单晶体。大多数固体是多晶体，因为许多地点有晶核产生。多晶体是由于许多结合得并不是分严密的微小晶粒构成的聚集体。每个单独的晶粒都是单晶体，在一个晶粒内，给定的一组原子面在空间具有相同的位相，但其相邻的晶粒具有不同的结晶学位相。这些晶粒的粒和粒之间不是公共面，而是公共棱。原子面从一个晶粒到相邻的晶粒是不连续的。很明显，这样的构造就是一种面缺陷。2 材料的性能具体来说，材料的化学性质：对金属来说有，
