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1、第一章、材料的结构和性能第一章、材料的结构和性能v 概述概述v 材料的结构与组织材料的结构与组织v 金属材料的性能金属材料的性能v物理化学和统计力学对于系统的定义较为简明，系统的一般定义：物理化学和统计力学对于系统的定义较为简明，系统的一般定义：“研究的对象叫做系统，宇宙中系统以外的部分叫做环境研究的对象叫做系统，宇宙中系统以外的部分叫做环境”。根据系统与环境之间有无能量转换、物质交换，根据系统与环境之间有无能量转换、物质交换，系统划分为隔绝的、系统划分为隔绝的、封闭的和开放的三类封闭的和开放的三类。钱学森对系统作如下的定义钱学森对系统作如下的定义：“系统是相互依赖的若干组成部分结系统是相互依
2、赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体合而成的具有特定功能的有机整体”。v若材料是一个若材料是一个“系统系统”，则这个系统的功能便是材料的性能，分析材，则这个系统的功能便是材料的性能，分析材料的性能时，要注意环境的作用；料的性能时，要注意环境的作用；“相互依赖的相互依赖的”、“相互联系的相互联系的”组元组元便构成了材料或者说系统的结构。便构成了材料或者说系统的结构。v在材料科学与工程领域内，在材料科学与工程领域内，人们应用了不同的名词来表示材料的内部结人们应用了不同的名词来表示材料的内部结构构，例如成分、组织、结构、相等。同一般的建筑相似，木结构是由木组，例如成分、组织、结构、相等。
3、同一般的建筑相似，木结构是由木组成的，钢结构是由钢组成的，而材料的结构也包括构成它的各种组元。因成的，钢结构是由钢组成的，而材料的结构也包括构成它的各种组元。因此，我们将成分也并入材料的结构。如此，此，我们将成分也并入材料的结构。如此，惯用的成分、组织和结构，均惯用的成分、组织和结构，均并称为结构并称为结构。当然，有时为了表明特性，也还要将这三个概念刻意分开。当然，有时为了表明特性，也还要将这三个概念刻意分开。v通常，可以在通常，可以在5个不同的尺度上研究和描述材料的结构个不同的尺度上研究和描述材料的结构：（1）“宏观组织宏观组织/结构（结构（macrostructure)”（2）“显微组织显
4、微组织/结构（结构（microstructure)”（3）“纳米组织纳米组织/结构（结构（nanostructure)”（4）“短程和长程原子排列（短程和长程原子排列（short-and long-range atomic arrangement”（5）“原子结构（原子结构（atomic structure)”对于先进材料工程应用和开发的工程师和科学家来说，需要了解并有效控制各对于先进材料工程应用和开发的工程师和科学家来说，需要了解并有效控制各种材料的微观组织和宏观组织。种材料的微观组织和宏观组织。宏观组织的尺度范围一般宏观组织的尺度范围一般100，000nm，宏观组，宏观组织特征如孔洞、表面
5、涂层，内部或者外部显微裂纹等。织特征如孔洞、表面涂层，内部或者外部显微裂纹等。材料的显微组织尺度一般在材料的显微组织尺度一般在10-1000nm。典型的显微组织特征主要有如平均。典型的显微组织特征主要有如平均晶粒尺寸、晶粒尺寸分布、晶粒位向以及材料内部缺陷等。晶粒尺寸、晶粒尺寸分布、晶粒位向以及材料内部缺陷等。(注：一个晶粒是指材注：一个晶粒是指材料内部原子排列近乎相同的那一部分料内部原子排列近乎相同的那一部分)研究材料的原子结构和原子的键合方式以及原子或离子的排列方式对于工程材研究材料的原子结构和原子的键合方式以及原子或离子的排列方式对于工程材料的合理选用和开发先进材料非常重要。料的合理选用
6、和开发先进材料非常重要。原子结构包括所有的原子及其排列，这构原子结构包括所有的原子及其排列，这构成了物质的结构单元。这些结构单元又形成了材料的纳米、显微、宏观组织。成了物质的结构单元。这些结构单元又形成了材料的纳米、显微、宏观组织。研究原子的排列方式能够让我们甄别研究原子的排列方式能够让我们甄别非晶态材料非晶态材料(原子排列无序或者长程无序原子排列无序或者长程无序)和晶体材料和晶体材料(原子或者离子呈现周期性有序排列原子或者离子呈现周期性有序排列)。非晶态材料中原子只有短程排非晶态材料中原子只有短程排列，而晶体材料中则存在长程和短程排列。在原子的短程排列中，原子或者离子列，而晶体材料中则存在长
7、程和短程排列。在原子的短程排列中，原子或者离子只在相对短的距离内呈现出局部的有序。而对于晶体材料，原子或者离子在三只在相对短的距离内呈现出局部的有序。而对于晶体材料，原子或者离子在三维尺度内呈现长程有序，其长程有序的范围相对很大，从维尺度内呈现长程有序，其长程有序的范围相对很大，从100nm到数厘米。到数厘米。v图图2-2图图2-7说明了不同尺度的结构说明了不同尺度的结构/组织对于材料特性的重要性。插图组织对于材料特性的重要性。插图中的应用按照材料的结构中的应用按照材料的结构/组织尺度进行了区分：组织尺度进行了区分：v对于结构，我们采用如下的定义：对于结构，我们采用如下的定义：材料的结构表明材
8、料的组元及其排列和运动方材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式式。说明如下：。说明如下：（1）组元）组元 A、化学组元化学组元：一般用材料中原子的种类和数量来说明成分。原子的种类便是：一般用材料中原子的种类和数量来说明成分。原子的种类便是各种化学元素。例如，各种化学元素。例如，Fe-C二元合金中，二元合金中，Fe和和C叫做化学组元。叫做化学组元。化学组元之间可以在材料中形成各种化学组元之间可以在材料中形成各种相相，例如钢中的，例如钢中的Fe3C、Mn、Al2O3等，等，B、几何学组元几何学组元：在实际材料中，由于原子排列出现了不规则性，因而有晶体：在实际材料中，由于原子排列出现了不规则性，
9、因而有晶体缺陷。这些晶体缺陷在热力学上可以是稳定的，如热平衡的空位，又可以是不稳定缺陷。这些晶体缺陷在热力学上可以是稳定的，如热平衡的空位，又可以是不稳定的，如位错。的，如位错。这些缺陷可以用各种特定符号来表示：这些缺陷可以用各种特定符号来表示：-空位；空位；-位错；位错；Y-晶界；晶界；-电子空位；电子空位；-栾晶界等，这些晶体缺陷组元叫做几何学组元。栾晶界等，这些晶体缺陷组元叫做几何学组元。几何学组元是普遍存在的。将相的概念扩大，几何学组元是普遍存在的。将相的概念扩大，化学组元与几何学组元之间以及化学组元与几何学组元之间以及几何学组元之间也可以形成各种广义的相几何学组元之间也可以形成各种广
10、义的相。将组元的概念扩大到几何学组元，是近。将组元的概念扩大到几何学组元，是近代金属或材料学的一个重要进展。代金属或材料学的一个重要进展。（2）排列方式）排列方式 组元的排列方式取决于组元间的结合种类。如当自由原子凝聚而形组元的排列方式取决于组元间的结合种类。如当自由原子凝聚而形成固体时，邻近原子之间将会发生化学交互作用，外层电子将发生变成固体时，邻近原子之间将会发生化学交互作用，外层电子将发生变化，形成如下表所示的各种结合健以及对应的晶体结构。化，形成如下表所示的各种结合健以及对应的晶体结构。晶体晶体类类型型形成晶体形成晶体时时价价电电子子变变化化价价电电子所有制子所有制金属金属键键晶体晶体
11、共价共价键键晶体晶体离子离子键键晶体晶体分子分子键键晶体晶体价价电电子公有化子公有化无无价价电电子迁移子迁移无无公有公有公有公有私有私有私有私有各种结合健以及对应的晶体结构各种结合健以及对应的晶体结构（3）运动方式）运动方式 对于材料结构，对于材料结构，主要考虑原子或分子及电子的运动主要考虑原子或分子及电子的运动。表示的方法一般。表示的方法一般有两种，或者用文字来描述，或者用参量来表达。有两种，或者用文字来描述，或者用参量来表达。以理想气体为例，用成分和运动特点来表明其结构以理想气体为例，用成分和运动特点来表明其结构：v理想气体是由一些极小的粒子（分子和原子）组成，这些粒子间的距离理想气体是由
12、一些极小的粒子（分子和原子）组成，这些粒子间的距离很大，可以略去它们之间的引力或者斥力；很大，可以略去它们之间的引力或者斥力；v同类气体粒子的大小、形状、质量和作用是相同的；同类气体粒子的大小、形状、质量和作用是相同的；v气体粒子在不停地运动，其方向是杂乱的、在各个方向运动的机会是均气体粒子在不停地运动，其方向是杂乱的、在各个方向运动的机会是均等的；等的；v理想气体粒子是完全弹性的削球，在彼此碰撞时，动量及能量均守恒；理想气体粒子是完全弹性的削球，在彼此碰撞时，动量及能量均守恒；v理想气体粒子的体积很小，可以忽略不计。理想气体粒子的体积很小，可以忽略不计。v结构的测定结构的测定：材料的结构起初
13、靠肉眼来确定材料的结构起初靠肉眼来确定。如用肉眼观察断口，可以确定工具钢的。如用肉眼观察断口，可以确定工具钢的晶粒度，结晶断裂的百分数等。晶粒度，结晶断裂的百分数等。而从而从10E-1mm到原子尺度的到原子尺度的10E-7mm以及更小的电子，则必须以及更小的电子，则必须借助于借助于仪器和思维仪器和思维。思维更重要，人们依据已知的现象，对于结构模型进行假说思维更重要，人们依据已知的现象，对于结构模型进行假说和推断，然后设计试验，从试验结果的图像、图谱等去验证所提出的结构和推断，然后设计试验，从试验结果的图像、图谱等去验证所提出的结构模型。人类就是这样模型。人类就是这样“看看”到物质和材料的结构的
14、到物质和材料的结构的。此时，有两个系统在工作，一个是材料，一个是人。此时，有两个系统在工作，一个是材料，一个是人。于材料来说于材料来说，输入输入的是可见光及环境干扰，输出的是反射波构成的图像。的是可见光及环境干扰，输出的是反射波构成的图像。于人来说于人来说，输入的输入的是材料输出的图像，人脑要运用思维，调出储存的知识，作出关于结构的是材料输出的图像，人脑要运用思维，调出储存的知识，作出关于结构的正确判断。正确判断。这就是结构测量的共性这就是结构测量的共性。需要注意的是，每一种测量方法都有需要注意的是，每一种测量方法都有分辨力和环境干扰的存在。分辨力和环境干扰的存在。金金相相显显微微镜镜扫描电镜
15、扫描电镜场发射扫描电镜场发射扫描电镜透射电镜透射电镜场离子显微镜场离子显微镜 液体中观察到的原子图象液体中观察到的原子图象 下图所示是电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶下图所示是电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的表面的STM图。图图。图中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构清晰可见。中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构清晰可见。1990年，年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。三个英文字母。中国科学院化学所科技人员
16、利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原中国科学院化学所科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。子而绘制出的世界上最小的中国地图。材料科学与工程以及相关学科研究对象的结构尺寸示意地表示在下图中：材料科学与工程以及相关学科研究对象的结构尺寸示意地表示在下图中：20世纪世纪50年代中期以后，一方面，较为广泛地运用电子显微技术和固体物理的成年代中期以后，一方面，较为广泛地运用电子显微技术和固体物理的成就；另一方面，研究对象从金属材料扩展到有机的高分子化合物（聚合物），研就；另一方面，研究对象从金属材料扩展到有机的高分子化合物（聚合物），研究对象从物理冶金学扩展到
17、材料科究对象从物理冶金学扩展到材料科学，结构尺寸约从学，结构尺寸约从10E-2扩展到扩展到10E-8cm数量级。学科的边缘越来越数量级。学科的边缘越来越模糊，学科的领域也在不断变化，模糊，学科的领域也在不断变化，从图从图B13-B15就可以看出这种变化。就可以看出这种变化。学科对象的结构尺寸相差太远，有学科对象的结构尺寸相差太远，有时难以结合时难以结合，例如研究宏观现象，例如研究宏观现象(10E-1cm)的材料工程，就很难的材料工程，就很难与核物理与核物理(10E-8cm)联系起来。联系起来。第一节、材料的结构和组织第一节、材料的结构和组织（一）材料的原子结构（一）材料的原子结构 材料的成分和
18、结构决定材料的性能和特性。工程师和科学工作者在研究和发展材料的成分和结构决定材料的性能和特性。工程师和科学工作者在研究和发展材料时必须弄清材料的原子结构。通过控制材料的成分和结构，才能够控制材料的材料时必须弄清材料的原子结构。通过控制材料的成分和结构，才能够控制材料的性能，然后满足特定用途的需要。性能，然后满足特定用途的需要。1、原子的结构、原子的结构 大家知道，大家知道，原子由原子核和环绕原子核的电子组成。原子核包括中子和带正原子由原子核和环绕原子核的电子组成。原子核包括中子和带正电荷的质子。由于静电吸引作用，带负电荷的原子环绕在原子核周围电荷的质子。由于静电吸引作用，带负电荷的原子环绕在原
19、子核周围。每个电子和质子所带的电荷为每个电子和质子所带的电荷为1.6010E(-19）库仑。原子中的电子和质子数）库仑。原子中的电子和质子数量相等，所以原子呈现电中性。量相等，所以原子呈现电中性。每种元素的原子数等于其中的电子数或者质子数。原子的大部分质量集中在原每种元素的原子数等于其中的电子数或者质子数。原子的大部分质量集中在原子核内。质子和中子的质量为子核内。质子和中子的质量为1.6710E(-24）克，而电子的质量只有）克，而电子的质量只有9.1110E(-28）克。）克。原子质量原子质量等于原子中质子和中子的平均数，也等于等于原子中质子和中子的平均数，也等于1阿伏加德罗（阿伏加德罗（N
20、A原原子的克质量。子的克质量。1NA=6.0210E(23)atoms/mol，即，即1摩尔原子或者分子的数摩尔原子或者分子的数量。因此，原子质量的单位是量。因此，原子质量的单位是g/mol。原子质量的另一单位是原子质量的另一单位是amu(atomic mass unit)，以一种原子核内有，以一种原子核内有12个质子的一种碳原子、即个质子的一种碳原子、即C-12质量的质量的1/12（约（约1.6610E(-27）kg）作）作为标准，其它原子的质量跟它的比值，就是这种原子的为标准，其它原子的质量跟它的比值，就是这种原子的相对原子质量相对原子质量。一种原子（分子，离子）的摩尔质量在数值上等于其相
21、对原子质量一种原子（分子，离子）的摩尔质量在数值上等于其相对原子质量（式量）。注意：只有当该原子、分子、离子的摩尔质量的单位为（式量）。注意：只有当该原子、分子、离子的摩尔质量的单位为g/mol时，才符合本规律时，才符合本规律.例如，例如，1摩尔包含摩尔包含6.0210E(23)铁原子的质量为铁原子的质量为55.847g，或者为，或者为55.847amu。v原子的电子结构原子的电子结构 我们知道，原子内的电子离散分布在不同的能级轨道，每个电子用有特定的能我们知道，原子内的电子离散分布在不同的能级轨道，每个电子用有特定的能量，没有相同能级的两个电子。这说明任何两个能级间存在着离散的能量差别。量，
22、没有相同能级的两个电子。这说明任何两个能级间存在着离散的能量差别。每个电子的能级有四个量子数确定每个电子的能级有四个量子数确定。量子数是规定一个原子中电子的不连续能。量子数是规定一个原子中电子的不连续能级的系列数字。这四个量子数是主量子数级的系列数字。这四个量子数是主量子数n，角量子数，角量子数l，磁量子数，磁量子数ml，以及自旋量，以及自旋量子数子数ms。角量子数描述每个量子壳的能级，自旋量子数的数值为。角量子数描述每个量子壳的能级，自旋量子数的数值为-1/2和和+1/2，代表，代表了电子的不同旋转方向。前三个量子数可以确定电子的能级水平。了电子的不同旋转方向。前三个量子数可以确定电子的能级
23、水平。原子的电子结构经常用简写的符号标志结合主量子数来表述，如原子的电子结构经常用简写的符号标志结合主量子数来表述，如Ge的外层电的外层电子结构可以写为：子结构可以写为：其中，下标为角量子数，上标为为每个轨道的电子数。其中，下标为角量子数，上标为为每个轨道的电子数。原子的价电子原子的价电子是原子参与键合或者化学反应时的电子数量。通常价电子数就是是原子参与键合或者化学反应时的电子数量。通常价电子数就是外层外层s或者或者p能级的电子数。如能级的电子数。如Ge的价电子数为的价电子数为4。如果一个原子的价电子数为如果一个原子的价电子数为0，则该原子是惰性的（无反应性），如，则该原子是惰性的（无反应性）
24、，如Ar原子。原子。而一些原子如而一些原子如Al，其外层，其外层s，p能级只有三个电子，易于失去这三个电子，所以其价能级只有三个电子，易于失去这三个电子，所以其价电子为电子为3。而另外一些原子如而另外一些原子如Cl，其外层，其外层3s,3p能级有能级有7个电子，它只要一个个电子，它只要一个电子就可以填满其外层轨道，所以电子就可以填满其外层轨道，所以价电子数为价电子数为-1。电负性电负性是指一个原子获得电子是指一个原子获得电子的倾向。对于具有几乎就要充满外的倾向。对于具有几乎就要充满外层能级的原子如层能级的原子如Cl，就具有极强的，就具有极强的电负性，它易于得到电子。而对于电负性，它易于得到电子
25、。而对于外层能级几乎快空的原子如外层能级几乎快空的原子如Na，它的电负性就很小，极易失去电子。图，它的电负性就很小，极易失去电子。图2-8给出了给出了一些元素的电负性。一些元素的电负性。v原子键原子键 在工程材料中，有在工程材料中，有四种重要的原子键合方式四种重要的原子键合方式：1）金属键）金属键 2）共价键）共价键 3）离子键）离子键 4）范德瓦尔键（分子键）范德瓦尔键（分子键）对于前三种结合键，主要是通过原子外层轨道（对于前三种结合键，主要是通过原子外层轨道（s,p)电子的转移或者共电子的转移或者共享在相邻原子间形成相对较强的键合，它们叫做享在相邻原子间形成相对较强的键合，它们叫做主键主键
26、。而。而范德瓦尔键则相范德瓦尔键则相对较弱，形成机制不同，叫做对较弱，形成机制不同，叫做次键次键。1）金金 属属 键键 元素周期表中，金属大约占了三分之二。当金属原子凝聚而形成晶体元素周期表中，金属大约占了三分之二。当金属原子凝聚而形成晶体时，时，外层的电子脱离原来的原子，失去价电子的原子形成离子外层的电子脱离原来的原子，失去价电子的原子形成离子。离子占据。离子占据晶体的点阵，并不停地振动，而脱离原子的价电子为整个晶体所公有，在晶体的点阵，并不停地振动，而脱离原子的价电子为整个晶体所公有，在离子之间运动，形成离子之间运动，形成电子云电子云。这种公有化的电子云能够导电，说明了金属是良好的导体；金
27、属间的结这种公有化的电子云能够导电，说明了金属是良好的导体；金属间的结合是由于公有化电子和离子之间的静电吸引力。合是由于公有化电子和离子之间的静电吸引力。正是有电子公有化的特正是有电子公有化的特点，结合键便没有方向性点，结合键便没有方向性；为了增加晶体的稳定性，既降低体系的内能；为了增加晶体的稳定性，既降低体系的内能U，都是选择密堆程度高、对称性高、配位数大的晶体结构。，都是选择密堆程度高、对称性高、配位数大的晶体结构。金属晶体金属原子自由电子2）共共 价价 键键 典型的共价键如典型的共价键如H2的共价键。的共价键。每一个每一个H原子贡献出一个价电子，原子贡献出一个价电子，它们围绕这两它们围绕
28、这两个氢核运动，个氢核运动，形成所谓电子云形成所谓电子云。电子云在两个氢核之间的密度最大，因而可以简单。电子云在两个氢核之间的密度最大，因而可以简单地认为两个价电子集中在两个原子核之间，为两个原子核共有，形成一个共价键。地认为两个价电子集中在两个原子核之间，为两个原子核共有，形成一个共价键。用电子式表示为：用电子式表示为：v共价键有如下几个重要性质：共价键有如下几个重要性质：1）键长：是指组成键的两个原子核之间的距离，随着杂化轨道的状态而变化。）键长：是指组成键的两个原子核之间的距离，随着杂化轨道的状态而变化。2）键能：将组成共价键的原子分开所需要的能量叫键能。）键能：将组成共价键的原子分开所
29、需要的能量叫键能。3）极性键：各个元素吸引电子的能力（即电负性）不同，因而电子云的分布是）极性键：各个元素吸引电子的能力（即电负性）不同，因而电子云的分布是不均匀的，电子云较为向电负性高的元素集中，形成极性键。不均匀的，电子云较为向电负性高的元素集中，形成极性键。4）方向性：共价键间）方向性：共价键间具有键角。如图具有键角。如图2-12 3）离子键离子键 NaCl晶体是典型的离子键晶体，碱元素晶体是典型的离子键晶体，碱元素Na易于失去外层一个电子形成钠离子易于失去外层一个电子形成钠离子Na+，而卤族元素，而卤族元素Cl却易接受钠原子所失去的电子形成却易接受钠原子所失去的电子形成Cl-，这种正负
30、离子之间的，这种正负离子之间的静电的库伦引力作用便形成如图示的晶体结构。静电的库伦引力作用便形成如图示的晶体结构。离子键晶体结构由如下因素定：离子键晶体结构由如下因素定：1）阳离子和阴离子的含量必须满足定比定律，才能保证电荷的中性。如）阳离子和阴离子的含量必须满足定比定律，才能保证电荷的中性。如CaF2晶体中，晶体中，Ca+：F-=1：2。2）每一类粒子的周围有尽可能多的异类离子，这样可使结合键尽可能多，即内）每一类粒子的周围有尽可能多的异类离子，这样可使结合键尽可能多，即内能能U尽可能低，则晶体更稳定。尽可能低，则晶体更稳定。3）同一类离子球不能相切，这种相切导致的斥力使晶体不稳定。）同一类
31、离子球不能相切，这种相切导致的斥力使晶体不稳定。4）范德瓦尔键）范德瓦尔键(分子键分子键)：原子和分子间范德瓦尔作用力的产生本质上是量子原子和分子间范德瓦尔作用力的产生本质上是量子力学的范畴，这里简单介绍一下。如果两个电荷力学的范畴，这里简单介绍一下。如果两个电荷+q和和-q被隔开一定距离被隔开一定距离d，则，则偶极偶极矩定义为矩定义为qd。原子是电中性的，即正电荷（原子核）中心和负电荷（电子云）中。原子是电中性的，即正电荷（原子核）中心和负电荷（电子云）中心是重合的。因此，一个心是重合的。因此，一个中性原子没有偶极矩中性原子没有偶极矩。当一个中性原子被放在一个内在或外在的电场时，原子会被当一
32、个中性原子被放在一个内在或外在的电场时，原子会被极化极化(即正负电荷即正负电荷的中心产生偏离的中心产生偏离)。这会产生或者说激发出一个。这会产生或者说激发出一个偶极矩偶极矩，如图，如图2-16所示。一些分子所示。一些分子产生偶极矩不需要激发，只是由于结合键的方向性和原子自身因素造成的，这些分产生偶极矩不需要激发，只是由于结合键的方向性和原子自身因素造成的，这些分子叫做子叫做有极分子有极分子。其中。其中,水就是存在偶极矩的分子，如图水就是存在偶极矩的分子，如图2-17所示。所示。范德瓦尔相互作用有三种类型：范德瓦尔相互作用有三种类型：London力，力，Keesom力和力和Debye力。力。Lo
33、ndon力力是指是指两个应激偶极矩原子或者分子间的两个应激偶极矩原子或者分子间的相互作用力，如图相互作用力，如图2-16。Debye相互作用相互作用是指是指一个应激偶极矩原子或者分子与有极分子间一个应激偶极矩原子或者分子与有极分子间的相互作用。的相互作用。其中一个例子就是水分子和四氯化碳间的相互作用。其中一个例子就是水分子和四氯化碳间的相互作用。Keesom相互作用相互作用则是则是两个有极分子间两个有极分子间的相互作用，如水分子间的相互作用。的相互作用，如水分子间的相互作用。如图如图2-17所示。所示。Keesom力经常也叫做力经常也叫做氢键氢键。范德瓦尔键是范德瓦尔键是一种次键一种次键，但其
34、分子或者原子团内部则是靠强大的共价键或离子，但其分子或者原子团内部则是靠强大的共价键或离子间结合。如水加热到沸点，范德瓦尔键破裂，水变为蒸汽。但如要使水分子中结合间结合。如水加热到沸点，范德瓦尔键破裂，水变为蒸汽。但如要使水分子中结合氧原子和氢原子的共价键断裂，则需要比这高得多的温度。氧原子和氢原子的共价键断裂，则需要比这高得多的温度。尽管范德瓦尔键是次键，但它在工程材料领域的作用非常重要。尽管范德瓦尔键是次键，但它在工程材料领域的作用非常重要。如原子和分子如原子和分子间的范德瓦尔键直接影响着材料的表面张力和液体的沸点间的范德瓦尔键直接影响着材料的表面张力和液体的沸点。范德瓦尔键还能够直接影响
35、一些材料的性能范德瓦尔键还能够直接影响一些材料的性能，如石墨和金刚石的力学性能就差，如石墨和金刚石的力学性能就差别非常大。许多别非常大。许多塑性材料，分子塑性材料，分子中包含极性部分中包含极性部分或者侧链，而范或者侧链，而范德瓦尔键会在这德瓦尔键会在这些聚合物的链间些聚合物的链间产生一种额外的产生一种额外的键合作用，如键合作用，如图图2-18。v混合键混合键：多数材料中，原子间键合方式都是两个或者两个以上类型的混合键。：多数材料中，原子间键合方式都是两个或者两个以上类型的混合键。许多过渡族金属是混合键晶体许多过渡族金属是混合键晶体，如，如Ni,Cr,Co,Mo,W,Fe等为金属键和共价键等为金
36、属键和共价键混合的键合方式。混合的键合方式。金属间化合物金属间化合物(两种或两种以上金属形成的化合物两种或两种以上金属形成的化合物)可能是金属键和离子键混可能是金属键和离子键混合的键合方式合的键合方式，尤其是两个元素间的电负性差别较大时。如，尤其是两个元素间的电负性差别较大时。如Li的电负性是的电负性是1.0，而，而Al的电负性的电负性1.5，我们就能预期它是金属键和离子键的混合键。另一方面，我们就能预期它是金属键和离子键的混合键。另一方面，Al和和V的电负性都为的电负性都为1.5，所以，所以Al3V则主要依靠金属键结合。则主要依靠金属键结合。许多陶瓷和半导体化合物，主要由金属和非金属元素结合
37、而成，它们具有共价许多陶瓷和半导体化合物，主要由金属和非金属元素结合而成，它们具有共价键和离子键的混合键键和离子键的混合键。随着原子间电负性的差别加大，键合方式会倾向于离子键。随着原子间电负性的差别加大，键合方式会倾向于离子键。其中共价键的比例可以通过以下方程估算：其中共价键的比例可以通过以下方程估算：式中，式中，E是元素是元素间电负间电负性差性差值值。石墨晶体也同石墨晶体也同时时含有共价含有共价键键和范德和范德华键华键，如，如键键合方式下合方式下图图所示。所示。石墨晶体结构示意图C原子正六边形结构单元v键能和原子间距键能和原子间距 原子间距原子间距：当引力和斥力达到平衡时，原子间处于平衡距离
38、。如对于金属：当引力和斥力达到平衡时，原子间处于平衡距离。如对于金属键，电子和离子核间的引力依靠离子核间的斥力来平衡。当一对原子间总的相互作键，电子和离子核间的引力依靠离子核间的斥力来平衡。当一对原子间总的相互作用能（用能（IAE）最小时，即原子间的净相互作用力为零时，则为原子间平衡距离。如）最小时，即原子间的净相互作用力为零时，则为原子间平衡距离。如图图2-19。固体金属的原子间距近似等于原固体金属的原子间距近似等于原子直径子直径。但离子键材料不适用该规则，但离子键材料不适用该规则，其间距是两种不同离子间的半径和其间距是两种不同离子间的半径和。图图2-19中中最小的原子间相互作用最小的原子间
39、相互作用能（能（IAE）就是就是键合能键合能，或者说是，或者说是需需要生成或破坏一种键所需要的能量要生成或破坏一种键所需要的能量。因此，具有高键合能的材料其强度和因此，具有高键合能的材料其强度和熔点就高。离子键结合的例子间电负熔点就高。离子键结合的例子间电负性高，所以键合能很大。而金属键的键合能就较低。性高，所以键合能很大。而金属键的键合能就较低。v原子间作用力原子间作用力-原子间距和原子间作用能原子间距和原子间作用能-原子间距的关系式原子间距的关系式如图如图2-20所示。所示。如材料的弹性模量（杨氏模量）就和原子间作用力如材料的弹性模量（杨氏模量）就和原子间作用力-原子间距曲线的斜率相原子间
40、距曲线的斜率相关。斜度较大的曲线，其键合能较高，熔点高，要破坏键合的力就大，因此弹性关。斜度较大的曲线，其键合能较高，熔点高，要破坏键合的力就大，因此弹性模量也相对较高。模量也相对较高。需要注意的是并非材料的需要注意的是并非材料的所有特性都受微观组织的影响，所有特性都受微观组织的影响，如材料的弹性模量如材料的弹性模量。如我们取。如我们取两种铝合金样品，其化学成分两种铝合金样品，其化学成分相同但晶粒尺寸不同，而这两相同但晶粒尺寸不同，而这两个样品的弹性模量则几乎相同，个样品的弹性模量则几乎相同，但其屈服强度则差别较大。但其屈服强度则差别较大。材料的弹性模量直接和原子间的键合强度相关，而和材料的微
41、观组织关系不材料的弹性模量直接和原子间的键合强度相关，而和材料的微观组织关系不大，因此，弹性模量主要取决于组成材料的原子大，因此，弹性模量主要取决于组成材料的原子。另一个另一个和键合能强烈相关的材料特性是热膨胀系数和键合能强烈相关的材料特性是热膨胀系数，键合能大的材料其热膨胀，键合能大的材料其热膨胀系数则相对较小。系数则相对较小。2、原子和离子的排列方式、原子和离子的排列方式 原子和离子的排列方式在决定材料的显微组织和性能方面起着重要作用。原子和离子的排列方式在决定材料的显微组织和性能方面起着重要作用。重点重点介绍两方面：基于原子排列的材料分类；固态晶体的晶体结构介绍两方面：基于原子排列的材料
42、分类；固态晶体的晶体结构。(1)对于不同状态的物对于不同状态的物质，有四种原子或者离子质，有四种原子或者离子的排列方式，如图的排列方式，如图3-1所示：所示：无序状态；无序状态；短程有序（短程有序（SRO）；）；长程有序（长程有序（LRO）；）；液晶（液晶（LCs）。）。v无序状态无序状态 单原子气体如氩气或者荧光灯管中的单原子气体如氩气或者荧光灯管中的等离子体，其原子或者离子呈现无序排列等离子体，其原子或者离子呈现无序排列状态，这些材料可以在其空间任意充填。状态，这些材料可以在其空间任意充填。v短程有序（短程有序（SRO）如果如果原子的特殊排列只能扩展到原子的最近邻原子的特殊排列只能扩展到原
43、子的最近邻，那么这种材料则呈现短程有序，那么这种材料则呈现短程有序状态。状态。蒸汽中的每个水分子蒸汽中的每个水分子，其氧原子和氢原子间采用共价键结合，所以水蒸气呈，其氧原子和氢原子间采用共价键结合，所以水蒸气呈现短程有序，也就是说，每个氧原子与两个氢原子键合，其键夹角为现短程有序，也就是说，每个氧原子与两个氢原子键合，其键夹角为104.5。而。而蒸汽中的水分子间的排列则是无序的。蒸汽中的水分子间的排列则是无序的。相类似的例子还有相类似的例子还有无机玻璃无机玻璃，其四面体结构中每个，其四面体结构中每个Si离子和离子和4个个O离子键合成离子键合成 四面体，如图四面体，如图3-2。而这些。而这些 四
44、面体的排列没有周期性。四面体的排列没有周期性。相反，在石英或者其它硅晶体中，相反，在石英或者其它硅晶体中，四面体的排列具有周期性。四面体的排列具有周期性。许多高聚物也像硅玻璃一样呈现原子的短程有序排列。许多高聚物也像硅玻璃一样呈现原子的短程有序排列。v长程有序（长程有序（LRO）大多数金属和合金、半导体、陶瓷、以及一些高聚物是晶体结构，其大多数金属和合金、半导体、陶瓷、以及一些高聚物是晶体结构，其原子或者原子或者离子呈现长程有序离子呈现长程有序。这种特定的。这种特定的长程有序排列的扩展尺度一般长程有序排列的扩展尺度一般100nm。这些材料。这些材料中的原子或者离子在三维方中的原子或者离子在三维
45、方向形成一种规则的、重复的、向形成一种规则的、重复的、格状的形式。我们把这种材格状的形式。我们把这种材料叫做料叫做晶体材料晶体材料。如果一种晶体材料仅由如果一种晶体材料仅由一个大的晶体组成，则称其一个大的晶体组成，则称其为为单晶材料单晶材料。单晶材料在光。单晶材料在光学和电子方面有许多用途。学和电子方面有许多用途。如计算机芯片就是由硅单晶制造的，如图如计算机芯片就是由硅单晶制造的，如图3-3(a)。多晶材料多晶材料有许多具有不同空间位相的小晶体组成。这些小晶体就叫做有许多具有不同空间位相的小晶体组成。这些小晶体就叫做晶粒晶粒。多。多晶材料近似相当于一些微小单晶的汇合。这些微晶之间的边界，就叫做
46、晶材料近似相当于一些微小单晶的汇合。这些微晶之间的边界，就叫做晶界晶界，晶界，晶界上的晶体排列不规则。图上的晶体排列不规则。图3-3(b)就是多晶不锈钢材料的显微组织。就是多晶不锈钢材料的显微组织。大多数工程材料都是多晶材料大多数工程材料都是多晶材料，如，如建筑用钢、航天飞机中的铝合金等等。建筑用钢、航天飞机中的铝合金等等。后面大家会了解到多晶材料的许多特性后面大家会了解到多晶材料的许多特性都取决于晶粒和晶界的物理和化学特性。都取决于晶粒和晶界的物理和化学特性。而单晶材料的特性则取决于化学成分和而单晶材料的特性则取决于化学成分和单晶的结晶取向。单晶的结晶取向。晶体材料中的长程有序可以通过晶体材
47、料中的长程有序可以通过X射射线衍射或者电子衍射来测定。线衍射或者电子衍射来测定。v液晶（液晶（LCs)液晶是液晶是具有特定序的聚合物材料具有特定序的聚合物材料。这种材料。这种材料在一种状态时可以表现为非晶态在一种状态时可以表现为非晶态(类似于液体类似于液体)，当接受外界刺激，当接受外界刺激(如一种电场或者温度变化如一种电场或者温度变化)时，一些高聚物分时，一些高聚物分子会变得规则排列并形成小区域的晶态子会变得规则排列并形成小区域的晶态，因此取名液晶。，因此取名液晶。而液晶电视是在两张玻璃之间的液晶内，加入电压，通过分子排列变化及曲折而液晶电视是在两张玻璃之间的液晶内，加入电压，通过分子排列变化
48、及曲折变化再现画面，屏幕通过电子群的冲撞，制造画面并通过外部光线的透视反射来形变化再现画面，屏幕通过电子群的冲撞，制造画面并通过外部光线的透视反射来形成画面。成画面。v玻色玻色-爱因斯坦凝聚态（爱因斯坦凝聚态（BEC-Bose-Einstein Condensates）早在早在1924年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存在另外的一种物质状态年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存在另外的一种物质状态玻色玻色-爱因斯坦冷凝态，即爱因斯坦冷凝态，即当温度足够低、原子运动速度足当温度足够低、原子运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时。此时所有的原子就象一
49、个原子一样，具有完全相同的物理所有的原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。它是一种由微观粒子的量子性质所产生的宏观性质。它是一种由微观粒子的量子性质所产生的宏观现象。在理论提出现象。在理论提出70年之后，年之后，2001年的诺贝尔物理学年的诺贝尔物理学奖获得者就从实验上得以验证。奖获得者就从实验上得以验证。（2）固固态态晶体的晶体晶体的晶体结结构构 固固态态物物质质按其原子按其原子/离子离子/分子分子的聚集状态分为两大类：的聚集状态分为两大类：晶体晶体和非晶体和非晶体。原子原子/离子离子/分子在三维空间有规则的周期性重复排列的物分子在三维空间有规则的周期性重复排列的物体，称为晶体体，称
50、为晶体。如天然金刚石、水晶、氯化钠、固态金属等。如天然金刚石、水晶、氯化钠、固态金属等。原子原子/离子离子/分子在空间无规则排列的物体，称为非晶体。分子在空间无规则排列的物体，称为非晶体。如如松香、石蜡、玻璃等。松香、石蜡、玻璃等。晶体结构晶体结构是指晶体中原子是指晶体中原子/离子离子/分子规则排列的方式。分子规则排列的方式。v晶格晶格是假设通过金属原子是假设通过金属原子/离子的中心划出许多空间直线，这些之先将形成空间离子的中心划出许多空间直线，这些之先将形成空间格架，这种假想的格架称为晶格。晶格的结点为金属原子格架，这种假想的格架称为晶格。晶格的结点为金属原子/离子平衡位置的中心。离子平衡位