N N in at a to in of of of to of to of to of in to is be as of of as to to is in ), In in is of in is a 0 of in to of is 0of an of be by at at a of a or is by of of in be by of 100of is by of in in 00of of m 0to of of to of We at of in of in of of in N of in of do of E)in in as in of of or of of an is if it is or of or ,an of in an to an an an a of a +l -,a to A of of in an a as of in in in in be e2+e3+or to be of or be of as to of or an an to or to l of so of to or at is of of is in to a "of in by of as a of up by to by of on by A of a to a An is in of in an at to in as s a of is of is in is by as if is by a to of a is a do of of is of be to an is in as a is a of or to of an be by a in of a to a to on of a as to an as in of it is is a of to an s of a or of be a a is in as it is in a of to at In to to is of of 第 2 章 材料結(jié)構(gòu)與變形 介 體內(nèi)部鍵 體材料的結(jié)構(gòu) 性變形和理論強(qiáng)度 彈性變形 結(jié) 學(xué)習(xí)目標(biāo) 回顧基本固體材料化學(xué)鍵和晶體結(jié)構(gòu)，并聯(lián)系比較各種材料力學(xué)性能的差別。 理解彈性變形的物理基礎(chǔ)，利用這評(píng)估由于化學(xué)鍵產(chǎn)生的固體理論強(qiáng)度。理解由于塑性和蠕變引起非彈性 變形的基本機(jī)制。 學(xué)習(xí)材料的實(shí)際強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度時(shí)化學(xué)鍵發(fā)生破壞的原因。 介 金屬合金，高分子材料，陶瓷，玻璃及復(fù)合材料這些工程材料經(jīng)常在需承受機(jī)械載荷的情況下使用每種材料的一些典型情況在表格 出。 這些材料的化學(xué)鍵與微觀結(jié)構(gòu)的差異影響著它們的力學(xué)性能，導(dǎo)致了這些種類材料的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。這種情形被概括在圖形 。比如在陶瓷和玻璃中的強(qiáng)大化學(xué)鍵賦予它們高的力學(xué)強(qiáng)度和剛度（高彈性模量），還有溫度和抗腐蝕能力，但是會(huì)導(dǎo)致發(fā)生脆性行為。相反，一些高分子材料在鏈狀分子間被相對(duì)較弱的鍵連接，在 這種情況下材料強(qiáng)度剛度低且易發(fā)生蠕變變形。 圖 圖 工程上從基本的尺寸規(guī)模開(kāi)始，粗略一米，在大小上有一個(gè) 10 數(shù)量級(jí)的跨度，低至原子的規(guī)模，大約在 10種情況和各種中間尺寸規(guī)模在圖 過(guò)觀察發(fā)生在更小規(guī)模上的情況來(lái)尋求對(duì)性能的了解。一個(gè)機(jī)器，車輛或者結(jié)構(gòu)可以通過(guò)其組成部分的性能來(lái)體現(xiàn)，而這些組成部分的性能反過(guò)來(lái)可以通過(guò)小的試樣和材料的使用來(lái)體現(xiàn)。 圖 似地，材料的宏觀性能通 過(guò)晶粒，晶體中的缺陷，高分子鏈和存在于尺寸范圍為 10 10微觀結(jié)構(gòu)特征來(lái)解釋。因此，整個(gè)從 1m 到 10大小范圍的性能知識(shí)有助于理解和預(yù)測(cè)機(jī)器，車輛和結(jié)構(gòu)的性能。這個(gè)主題包括化學(xué)鍵，晶體結(jié)構(gòu)，晶體中的缺陷，彈性塑性以及蠕變變形的物理原因。下一章將運(yùn)用這些概念詳細(xì)地討論每一個(gè)種類的工程材料。 體內(nèi)部鍵 有幾種類型的化學(xué)鍵使得原子和分子聚集在固體中。三種類型的化學(xué)鍵 價(jià)鍵，金屬鍵 們是形成金屬和陶瓷中的鍵的原因。它們?cè)诓牧现刑峁┝烁邚椥阅Ａ?。相?duì)較弱的范德 華鍵和氫鍵被稱為副鍵。對(duì)于決定流體屬性非常重要，正如聚合物中碳鏈分子間的鍵。 礎(chǔ)化學(xué)鍵 三種類型的基本鍵在圖 已列出。離子鍵在不同類型的原子之間轉(zhuǎn)移一個(gè)或多個(gè)電子。需要指出的是如果原子外層包含 8 個(gè)電子，那外層電子包含原子是穩(wěn)定的（除了穩(wěn)定數(shù)目為兩個(gè)或是氫或氦的單殼）。因此，外層只有一個(gè)電子的金屬鈉原子可以貢獻(xiàn)一個(gè)電子給外層有 7 個(gè)電子的氯原子。反應(yīng)后，鈉原子外層無(wú)電子，氯原子外層有穩(wěn)定的 8 電子。原子變成帶電離子。比如 于它們相反的靜電荷氯原子吸引了一個(gè)電子形成化學(xué)鍵。一組這樣 的帶電離子，每種都有相同數(shù)量，形成一個(gè)電中性的固體排列成規(guī)則的結(jié)晶陣列。如圖 圖 轉(zhuǎn)移的電子的數(shù)量可能不止一個(gè)。比如說(shuō)，在鹽 ,從一個(gè) 子轉(zhuǎn)移 2 個(gè)電子。在倒數(shù)第二層的電子也可能被轉(zhuǎn)移，比如，鐵有 2 個(gè)外層電子，可能來(lái)自 或是 子。許多常見(jiàn)的鹽類，氧化物，和其他固體中都有鍵，大多或者部分都是離子鍵。這些材料往往是硬又脆。共價(jià)鍵包含電子的共用，發(fā)生在外層電子為半滿或多于半滿的情況。共用電子可以被認(rèn)為是允許涉及到的 2 個(gè)原子具有穩(wěn)定的 8（或 2） 電子的外層。比如說(shuō)，兩個(gè)氫原子每個(gè)都和氧原子共用一個(gè)電子形成水， 者，兩個(gè)氯原子共用一個(gè)電子形成雙原子分子 的共價(jià)鍵形成的這種簡(jiǎn)單的分子彼此相對(duì)獨(dú)立，因此，它們的集合在外界溫度下更傾向于形成液體或是氣體。 金屬鍵一般是金屬和合金為固體形式的的原因。對(duì)金屬來(lái)說(shuō)，外層電子在大多數(shù)情況下處于半滿狀態(tài)，每個(gè)原子都需貢獻(xiàn)外層原子形成“云”電子，這些電子被所有由于放棄電子已經(jīng)變成帶正電荷離子的金屬原子共同使用。因此，金屬離子通過(guò)他們對(duì)電子云的相互吸引而集合在一起。 圖 基礎(chǔ)鍵的討論 共價(jià)鍵有這樣的特性 不會(huì)被其他強(qiáng)烈定向的基礎(chǔ)鍵共用。這源于共價(jià)鍵依賴特定相鄰原子的共用電子，然而離子和金屬固體通過(guò)所有相鄰離子的靜電吸引而被集合在一起。 共價(jià)鍵的連續(xù)排列可以形成一個(gè)三維空間來(lái)形成固體。碳以鉆石的形式存在就是一個(gè)例子。鉆石中每個(gè)碳原子和相鄰 4 個(gè)原子都共用一個(gè)電子，在三維空間中，這些原子都被布置在彼此之間相同的角度上，正如圖 列出。由于強(qiáng)烈的定向鍵，晶體十分堅(jiān)硬。共價(jià)鍵另一個(gè)重要的連續(xù)分布是碳鏈。比如，在氣體乙烯中， 個(gè)分子都是由共價(jià)鍵形成的，如圖 示。但是，如果碳原子 之間的雙鍵被單鍵所取代并連接到其他兩個(gè)相鄰的碳原子上，這樣就形成長(zhǎng)鏈分子。結(jié)果形成了被稱為聚乙烯的聚合物。 很多固體，比如 其他陶瓷都有化學(xué)鍵，這化學(xué)鍵有混合離子共價(jià)鍵的特性。之前給出的例子 離子鍵和鉆石的共價(jià)鍵都代表這些類型的純鍵的情況。但是混合鍵更普遍。 兩種或兩種以上不同類型的金屬熔化形成合金。這種情況下金屬鍵是主導(dǎo)類型，但是，金屬間的化合物可能來(lái)自合金，通常為硬顆粒。這些化合物有明確化學(xué)式，比如 們的鍵通常是金屬鍵，離子鍵和共價(jià)鍵類型的結(jié)合。 鍵 副鍵的產(chǎn)生是由于一個(gè)靜電偶極子的出現(xiàn)，而靜電偶極子是由于基礎(chǔ)鍵產(chǎn)生。舉個(gè)例子，在水分子里，由于唯一的電子顯著地偏向氧原子一側(cè)，氫原子一側(cè)遠(yuǎn)離氧原子的共價(jià)鍵，從而帶正電荷。整個(gè)分子的電荷守恒需要一個(gè)負(fù)電荷分子，如圖 示。 圖 種鍵被稱為固定偶極鍵，發(fā)生在各種分子之間。這種鍵相對(duì)較弱，但有時(shí)足夠使材料凝固成固體。水結(jié)冰就是個(gè)例子。副鍵所包含的水中的氫，它比其他的偶極鍵都要強(qiáng)，被稱為氫鍵。 范德華鍵的產(chǎn)生是電子相對(duì)原子核的位置移動(dòng)。電荷的不均勻分布導(dǎo)致了在分子或原子之間的弱吸引力。這種類型的鍵也 被稱為波動(dòng)偶極子，不同于固定偶極鍵，因?yàn)榕紭O子在水分子中，在方向上不固定。這種類型的鍵允許惰性氣體在低溫下形成固體。 圖 聚合物中，共價(jià)鍵形成分子鏈，將氫和其它原子附著在碳主鏈上。氫鍵和其它副鍵在分子鏈之間產(chǎn)生，用于防止分子鏈相互間的滑移。圖 示為聚氯。副鍵的相對(duì)較弱造成了這些材料的低熔化溫度，低強(qiáng)度和低剛度。