材料的结构与性能特点.doc

第一章材料的结构与性能固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。材料的相互作用组成物质的质点(原子、分子或离子)间的相互作用力称为结合键。主要有共价键、离子键、金属键、分子键。离子键形成:正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。特性:离子键没有方向性,无饱和性。NaCl晶体结构如图所示。性能特点:离子晶体的硬度高、热膨胀系数小,但脆性大,具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。共价键形成:元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时,原子间不产生电子的转移,以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。氧化硅中硅氧原子间共价键,其结构如图所示。性能特点:共价键结合力很大,所以共价晶体的强度、硬度高、脆性大,熔点、沸点高,挥发度低。金属键形成:由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。如图所示。性能特点:1)良好的导电性及导热性;2)正的电阻温度系数;3)良好的强度及塑性;4)特有的金属光泽。分子键形成:一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华键(或分子键)。特性:分子晶体因其结合键能很低,所以其熔点很低,硬度也低。但其绝缘性良好。材料的结合键类型不同,则其性能不同。常见结合键的特性见表1-1。 离子键共价键金属键结构特点无方向性或方向性不明显,配位数大方向性明显,配位数小,密度小无方向性,配位数大,密度大力学性能强度高,劈裂性良好,硬度大强度高,硬度大有各种强度,有塑性热力性质熔点高,膨胀系数小,熔体中有离子存在熔点高,膨胀系数小,熔体中有的含有分子有各种熔点,导热性好,液态的温度范围宽电学性质绝缘体,熔体为导体绝缘体,熔体为非导体导电体(自由电子)光学性质与各构成离子的性质相同,对红外线的吸收强,多是无色或浅色透明的折射率大,同气体的吸收光谱很不同不透明,有金属光泽晶体材料的原子排列所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。晶体的主要特点是:①结构有序;②物理性质表现为各向异性;③有固定的熔点;④在一定条件下有规则的几何外形。(1)晶格与晶胞晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元,称为晶胞。晶胞各棱边的尺寸称为晶格常数。(2)晶系按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系(3)原子半径原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。(4)晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。(5)配位数和致密度配位数是指在晶体结构中,与任一原子最近邻且等距离的原子数。致密度(K)是指晶胞中原子所占体积分数,即K=nv′/V。式中,n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。(1)体心立方晶格(bcc晶格)1)原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示。2)晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。3)原子半径。4)晶胞所含原子数2个原子。5)配位数8。6)致密度68%。7)具有体心立方晶格的金属:α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。(2)面心立方晶格(fcc晶格)1)原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。2)晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。3)原子半径。4)晶胞所含原子数4个原子。5)配位数12。6)致密度74%。7)具有面心立方晶格的金属:γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。(3)密排六方晶格(hcp晶格)1)原子排列特征密排六方晶格的晶胞2)晶格常数3)原子半径4)晶胞所含原子数6个原子。5)配位数12。6)致密度74%。7)具有密排六方晶格的金属:Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。、晶向表示方法在晶体中,由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列,其所指方向称为晶向。表示晶面的符号称为晶面指数;表示晶向的符号称为晶向指数。注意:1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面(或晶向)。2)立方晶系中,凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面(或晶向)统称为一个晶面(或晶向)族。4)不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。,这种性质叫做晶体的各向异性。实际晶体结构一块晶体内部晶格位向完全一致,称该晶体为单晶体。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。实际晶体中存在的晶体缺陷,按缺陷几何特征可分为以下三种: