工程材料中的原子排列11原子鍵合

目錄第一章工程材料中的原子排列第二章固體中的相結(jié)構(gòu)第三章凝固第四章相圖第五章材料中的擴(kuò)散第六章塑性變形第七章回復(fù)和再結(jié)晶第八章固態(tài)相變第九章復(fù)合效應(yīng)和界面

第一章工程材料中的原子排列工程材料

金屬材料：黑色金屬：鋼、鑄鐵。有色金屬：銅、鋁、鎂、鈦。陶瓷材料：普通陶瓷、特種陶瓷、金屬陶瓷。高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維。復(fù)合材料：金屬-陶瓷-高分子復(fù)合而成。工程材料性能各不相同，原因？1〕原子間的結(jié)合方式不同〔結(jié)合鍵〕；2〕原子排列規(guī)律不同〔晶體結(jié)構(gòu)〕；3〕晶體中的缺陷。內(nèi)容：1結(jié)合鍵2晶體結(jié)構(gòu)3晶體缺陷

第一章工程材料中的原子排列

1.1原子鍵合化學(xué)鍵：金屬鍵、共價(jià)鍵、離子鍵物理鍵：分子鍵、氫鍵結(jié)合鍵〔結(jié)合力〕：原子〔離子或分子〕之間的相互作用力。

1.1原子鍵合1原子結(jié)構(gòu)

電負(fù)性：原子得失電子的能力。原子得到電子的能力越大，電負(fù)性越大；原子失去電子的能力越大，電負(fù)性越小。金屬易失去電子，電負(fù)性小；非金屬性易得到電子，電負(fù)性大。原子電負(fù)性的大小決定了不同原子之間所形成的化學(xué)鍵。?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?

1.1原子鍵合?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning??2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?1.1.1.1金屬鍵金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：最外層電子少，一般為1～2個(gè)，最多不超過四個(gè)，容易失去。金屬鍵：自由電子和金屬正離子之間相互吸引所構(gòu)成鍵。金屬鍵的根本特點(diǎn)：電子的共有化。無飽和性和方向性。電子云

利用金屬鍵可以解釋金屬材料的各種特征：〔1〕良好延展性：當(dāng)金屬受力變形，原子之間的相互位置發(fā)生改變時(shí)，金屬正離子始終被包圍在電子云中，金屬鍵不被破壞?！?〕良好的導(dǎo)電性：在電場(chǎng)作用下，自由電子沿電場(chǎng)方向作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流?！?〕良好的導(dǎo)熱性：在熱的作用下，正離子震蕩加劇并傳遞熱量?！?〕金屬不透明：金屬中的自由電子可以吸收可見光的能量，被激發(fā)、躍遷到較高能級(jí)?！?〕金屬光澤：當(dāng)電子跳回到原來能級(jí)時(shí)，將所吸收的能量重新輻射出來。

通過金屬鍵結(jié)合的材料：金、銀、銅、鐵、鋁、鎂、鈦等所有金屬〔除灰錫外〕。共價(jià)鍵

兩個(gè)同類原子(C、Si〕或電負(fù)性相差不大〔Si、O)的原子相互接近時(shí)，原子之間不會(huì)產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，此時(shí)原子間通過共用電子對(duì)產(chǎn)生的力結(jié)合，形成共價(jià)鍵。?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?以硅為例：一個(gè)硅原子有4個(gè)價(jià)電子數(shù)，即有四個(gè)未成對(duì)電子，與其周圍4個(gè)硅原子結(jié)合并共享最外層電子，從而使每個(gè)硅原子最外層獲得8個(gè)電子。一個(gè)硅原子通過4個(gè)共價(jià)鍵與4個(gè)臨近原子結(jié)合。

共價(jià)鍵共價(jià)鍵的形成要點(diǎn)：原子在結(jié)合前，必須含有未成對(duì)的價(jià)電子，且得失電子的能力相近〔SiO2)。一個(gè)氧原子和兩個(gè)硅原子結(jié)合。

共價(jià)鍵的特性：1〕飽和性：兩個(gè)相鄰原子間只能共用一對(duì)電子〔一個(gè)原子的共價(jià)鍵數(shù)，一般為其未成對(duì)的價(jià)電子數(shù)，最多不超過8－N(N為未成對(duì)電子數(shù)〕〕。2〕方向性：在共價(jià)晶體中，原子以一定的角度相鄰接，各鍵之間有確定的方位。

共價(jià)鍵?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?硅晶體

共價(jià)鍵的特性：2〕方向性：在共價(jià)晶體中，原子以一定的角度相鄰接，各鍵之間有確定的方位。

共價(jià)鍵?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?硅晶體常見的共價(jià)鍵材料有：金剛石、單質(zhì)硅以及SiC、SiO2等陶瓷材料。該類材料的特性：〔1〕共價(jià)鍵的結(jié)合力很大，所以共價(jià)鍵材料具有強(qiáng)度高、硬度大、熔點(diǎn)高、脆性大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)?！?〕導(dǎo)電性差：為使電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，必須破壞共價(jià)鍵，需加高溫、高壓，因此共價(jià)鍵材料具有很好的絕緣性。金剛石中碳原子間的共價(jià)鍵非常牢固，金剛石是世界上最堅(jiān)硬的固體。1.1.1.3離子鍵在元素周期表中，當(dāng)相隔較遠(yuǎn)的一正電性元素原子和一負(fù)電性元素原子接觸時(shí)，前者將失去最外層電子變成正離子，后者獲得電子變成負(fù)離子。正離子和負(fù)離子由于靜電引力結(jié)合在一起形成穩(wěn)定的離子鍵。?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?

NaCl晶體是典型的離子晶體，如圖。1.1.1.3離子鍵1.1.1.3離子鍵

大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵的方式結(jié)合。如食鹽NaCl、KCl，陶瓷材料MgO、Al2O3、ZrO2。該類材料的特性：1〕一般離子晶體中正負(fù)離子靜電引力較強(qiáng)，結(jié)合力很大。因此離子晶體的強(qiáng)度高、硬度大、熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)小、脆性大。2〕在離子晶體中很難產(chǎn)生可以自由運(yùn)動(dòng)的電子，因此，離子晶體都是良好的絕緣體。1.1.1.4分子鍵(范德瓦爾斯力)原子狀態(tài)形成穩(wěn)定電子殼層的惰性氣體元素Ne、Ar、Kr、Xe，在低溫下可結(jié)合為固體。原子間即以分子鍵結(jié)合。許多物質(zhì)其分子具有極性。分子的一局部往往帶正電荷，而另一局部往往帶負(fù)電荷，一個(gè)分子的正電荷部位和另一分子的負(fù)電荷部位間，以微弱靜電力相吸引，使之結(jié)合在一起．稱為范德瓦爾鍵也叫分子鍵。聚合物中最常見。

1.1.1.4分子鍵(范德瓦爾斯力)例如：

氯乙烯〔C2H3Cl〕聚氯乙烯〔加成聚合反響〕分子鏈見書上圖1-4聚合物〔塑料、橡膠〕通常鏈內(nèi)是共價(jià)健，而鏈與鏈之間是范德瓦爾鍵。由于范德瓦爾鍵很弱，所以在外力作用下易滑動(dòng)變形，其熔點(diǎn)、硬度也很低。1.2.5氫鍵

HF?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?H2O1.2.5氫鍵

1.2.5氫鍵

是一種特殊的分子間作用力。它是由氫原子同時(shí)與兩個(gè)電負(fù)性很大而原子半徑較小的原子〔Ｏ，Ｆ，Ｎ等〕相結(jié)合而產(chǎn)生的，具有飽和性和方向性。氫鍵在高分子材料中特別重要，如纖維素、尼龍和蛋白質(zhì)等分子。各類結(jié)合鍵的比較〔表1-2〕

金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵，但四價(jià)錫卻有明顯共價(jià)鍵特點(diǎn)。金屬間化合物主要是離子鍵。陶瓷材料的結(jié)合主要是離子鍵〔金屬氧化物陶瓷〕與共價(jià)鍵。高分子材料的鏈狀分子間的結(jié)合是范德瓦爾鍵，而鏈內(nèi)是共價(jià)鍵。1.1.2工程材料的分類

金屬材料：黑色金屬：鋼、鑄鐵。有色金屬：銅、鋁、鎂、鈦。陶瓷材料：普通陶瓷、特種陶瓷、金屬陶瓷：高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維。復(fù)合材料：金屬-陶瓷-高分子復(fù)合而成。1.1.2工程材料的分類

普通陶瓷：SiO2、Al2O3、硅酸鹽等。以天然黏土為主要原料，以爐窯為主要生產(chǎn)手段。耐火材料、磚瓦、水泥。特種陶瓷：又稱為“精細(xì)陶瓷〞、“先進(jìn)陶瓷〞、“高技術(shù)陶瓷〞等。采用高度精選的原料，由人工配比成分合成的氧化物、氮化物〔TiN,CrN〕、硅化物、硼化物〔TiB2〕、碳化物〔TiC,SiC〕等。采用真空燒結(jié)、保護(hù)氣氛燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓等新型的制備工藝。具有不同于傳統(tǒng)陶瓷的特殊性質(zhì)和功能，如高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕，以及在磁、電、光、聲、生物工程各方面具有的特殊功能，從而使其在高溫、機(jī)械、電子、宇航、醫(yī)學(xué)工程等各方面得到廣泛應(yīng)用。金屬陶瓷：金屬粉末與陶瓷粉末燒結(jié)材料。各種硬質(zhì)合金Co-WC、Co-TiC。1.1.2工程材料的分類

高分子材料是以高分子化合物為基的一類材料的總稱，高分子化合物簡(jiǎn)稱高分子或大分子，又稱聚合物或高聚物。天然高分子材料：是自然界中廣泛存在的，各種各樣的天然茅草、木、竹、油漆、橡膠、石棉及動(dòng)物、人類體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸、淀粉、纖維素等。人工合成高分子材料：合成塑料、合成橡膠、尼龍、日用化裝品。1.1.2工程材料的分類

復(fù)合材料：金屬-陶瓷-高分子復(fù)合而成。例如：玻璃纖維增強(qiáng)塑料〔玻璃鋼〕