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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)，利用這評估由于化學(xué)鍵產(chǎn)生的固體理論強度。理解由于塑性和蠕變引起非彈性 變形的基本機制。 學(xué)習(xí)材料的實際強度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強度時化學(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優(yōu)勢和劣勢。這種情形被概括在圖形 。比如在陶瓷和玻璃中的強大化學(xué)鍵賦予它們高的力學(xué)強度和剛度（高彈性模量），還有溫度和抗腐蝕能力，但是會導(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較弱的鍵連接，在 這種情況下材料強度剛度低且易發(fā)生蠕變變形。 圖 圖 工程上從基本的尺寸規(guī)模開始，粗略一米，在大小上有一個 10 數(shù)量級的跨度，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 過觀察發(fā)生在更小規(guī)模上的情況來尋求對性能的了解。一個機器，車輛或者結(jié)構(gòu)可以通過其組成部分的性能來體現(xiàn)，而這些組成部分的性能反過來可以通過小的試樣和材料的使用來體現(xiàn)。 圖 似地，材料的宏觀性能通 過晶粒，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)特征來解釋。因此，整個從 1m 到 10大小范圍的性能知識有助于理解和預(yù)測機器，車輛和結(jié)構(gòu)的性能。這個主題包括化學(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。下一章將運用這些概念詳細(xì)地討論每一個種類的工程材料。 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 價鍵，金屬鍵 們是形成金屬和陶瓷中的鍵的原因。它們在材料中提供了高彈性模量。相對較弱的范德 華鍵和氫鍵被稱為副鍵。對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)移一個或多個電子。需要指出的是如果原子外層包含 8 個電子，那外層電子包含原子是穩(wěn)定的（除了穩(wěn)定數(shù)目為兩個或是氫或氦的單殼）。因此，外層只有一個電子的金屬鈉原子可以貢獻(xiàn)一個電子給外層有 7 個電子的氯原子。反應(yīng)后，鈉原子外層無電子，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。比如說，在鹽 ,從一個 子轉(zhuǎn)移 2 個電子。在倒數(shù)第二層的電子也可能被轉(zhuǎn)移，比如，鐵有 2 個外層電子，可能來自 或是 子。許多常見的鹽類，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 個原子具有穩(wěn)定的 8（或 2） 電子的外層。比如說，兩個氫原子每個都和氧原子共用一個電子形成水， 者，兩個氯原子共用一個電子形成雙原子分子 的共價鍵形成的這種簡單的分子彼此相對獨立，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。對金屬來說，外層電子在大多數(shù)情況下處于半滿狀態(tài)，每個原子都需貢獻(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，金屬離子通過他們對電子云的相互吸引而集合在一起。 圖 基礎(chǔ)鍵的討論 共價鍵有這樣的特性 — 不會被其他強烈定向的基礎(chǔ)鍵共用。這源于共價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所有相鄰離子的靜電吸引而被集合在一起。 共價鍵的連續(xù)排列可以形成一個三維空間來形成固體。碳以鉆石的形式存在就是一個例子。鉆石中每個碳原子和相鄰 4 個原子都共用一個電子，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。由于強烈的定向鍵，晶體十分堅硬。共價鍵另一個重要的連續(xù)分布是碳鏈。比如，在氣體乙烯中， 個分子都是由共價鍵形成的，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相鄰的碳原子上，這樣就形成長鏈分子。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)鍵有混合離子共價鍵的特性。之前給出的例子 離子鍵和鉆石的共價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，離子鍵和共價鍵類型的結(jié)合。 鍵 副鍵的產(chǎn)生是由于一個靜電偶極子的出現(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)離氧原子的共價鍵，從而帶正電荷。整個分子的電荷守恒需要一個負(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。這種鍵相對較弱，但有時足夠使材料凝固成固體。水結(jié)冰就是個例子。副鍵所包含的水中的氫，它比其他的偶極鍵都要強，被稱為氫鍵。 范德華鍵的產(chǎn)生是電子相對原子核的位置移動。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 被稱為波動偶極子，不同于固定偶極鍵，因為偶極子在水分子中，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。副鍵的相對較弱造成了這些材料的低熔化溫度，低強度和低剛度。