1、固体材料性态的细观机制第一章 原子和分子结构1.1 引言 1.2 晶格几何1.3 工程材料的晶体结构1.4 工程材料的多晶体结构1.5 原子内部能量与力 第二章 变形机制2.1 晶体的弹性变形机制2.2 晶体的塑性变形机制2.3 晶体内的位错2.4 位错应力场2.5 位错与塑性变形2.6 多晶体的塑性变形与断裂2.7 多晶体材料的蠕变机制2.8 无序高分子材料的变形机制 宏观现象从微观角度探讨产生这些现象的内在原因人类对自然界的认识涉及到宇观（宇宙尺度）、巨观（地球尺度）、宏观（人体尺度）、细观（微米尺度）和纳观（纳米尺度）等层次。力学在每一层次都各有其研究前沿，复杂的力学行为牵涉到多个主导层
2、次的关联问题。固体变形直至破坏：跨越了从原子结构到宏观的 9至 11个尺度量级。细观结构上的细微缺陷，在力场作用下往往会非线性的涌现为整体的破坏，是固体力学挑战性的前沿之一。尺度效应是反映材料宏微观跨层次的核心科学问题。1.1 引言材料学就是研究材料的成分、组织结构、合成加工、性质与使用性能之间关系的科学，这四个方面构成了材料学的基础。材料性能简单性能物理性能 1.热学性能一导热率、热胀系数等2.声学性能一声的吸收、反射等3.光学性能一折射率、黑度等4.电学性能一导电性、介电系数等5.磁学性能一导磁率、矫顽力等6.辐射性能一中子吸收截面积、中子散射系数等力学性能 1.强度一 ， 等2.弹性一
3、E, G等3.塑性一 ， 等4.韧性一 KIC， CV等化学性能 1.抗氧化性能2.耐腐蚀性3 .抗渗入性复杂性能1.复合性能一简单性能的组合，如高温疲劳强度等2.工艺性能一铸造性、可焊性、切削性等3.使用性能一耐磨性、抗弹穿入性、刀刃锋利性等组织结构（核心）性能（落脚点）合成加工化学成分不同加工方法的工件组织与性能材料的性能是由材料的内部结构决定的。材料的结构根据不同的尺度可以分为不同层次，包括原子结构、原子的排列、相结构、显微组织（多相结构）。 晶体中的结构缺陷也包括在结构之中，每个层次的结构都以不同方式决定着材料的性能。1.2 晶格几何原子以周期性重复方式在三维空间有规则排列的固体称为晶
4、体。晶体中原子排列方式多种多样，为了描述其排列规律，通常假定晶体中的物质质点为固定的钢球，由这些钢球堆垛而成晶体，即原子堆垛模型。为了研究方便，将构成晶体的实际质点忽略而抽象成纯粹的几何点，形成空间点阵，其中每一个点成为阵点或结点。晶体中原子排列示意图原子堆垛模型 晶格 晶胞金的电子显微镜照片为了表征空间点阵的几何规律，人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成空间格架，这种假想的格架在晶体学上就称为晶格。构成晶格的最基本单元称为晶胞。可见，将晶胞在三维空间重复堆砌就构成了空间点阵，用晶胞可描述晶体结构。xyza bcxyzgab在同一点阵中可以选取不同的形状和大小的晶胞，因此，认为规定在
5、选取晶胞时应满足下列条件： 晶胞能充分反映整个空间点阵的对称性； 平行六面体内相等的 棱和角的数目应最多，拥有尽可能多的直角； 晶胞的体积应最小。选取晶胞角上的一阵点作为坐标原点（一般取左下角后面一点）沿三个棱边作坐标轴 x， y， z（称为晶轴）。则此晶胞的形状和大小就可由其三个棱边的长度 a， b， c和晶轴之间的夹角 ， ， （称为点阵常数）六个参数完全表达出来。自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同，但根据空间点阵 “每个阵点周围有相同的环境 ”的要求，法国晶体学家布拉菲（ Bravais）于 1848年用数学方法证明空间点阵共有且只能有 14种。进一步根据晶胞的三个棱边长
6、度 a，b， c和三个晶轴之间的夹角 ， ， 的相互关系对所有晶体进行分类，又可把 14种空间点阵归纳为 7个晶系。晶系 点阵常数关系立方晶系 a=b=c =90三方晶系 a=b=c =90四方晶系 a=b c =90六方晶系 a=b c =90 =120正交晶系 a b c =90单斜晶系 a b c =90 90三斜晶系 a b c 90将所有的，（几乎所有的）知识纳入一个叫做标准模型的美丽的理论之中。Steven Weinberg在每个晶胞中，阵点并非都位于晶轴之上。基于阵点在晶胞中所处的位置，将晶胞分为以下四种类型：以正交晶系为例进行说明。简单（ Simple）正交 底心（ Base-
7、centered）正交面心（ Base-centered）正交体心（ Base-centered）正交1.3 工程材料的晶体结构元素周期表中所列的金属元素有八十余种，工业上使用的金属有三四十种。大多数金属都具有简单的晶体结构，常见金属的晶体结构为以下三种：面心立方晶胞钢球模型体心立方晶胞密排六方晶胞质点模型 晶胞原子数晶胞原子数：由于晶体是由大量晶胞堆砌而成的，故处于晶胞顶角或周面上的原子就不会为一个晶胞所独有，只有晶胞体内的原子才为该晶胞独占。对于立方晶体结构，顶角原子应为 8个晶胞所共有，因此每个晶胞只占有八分之一个原子，晶胞周面上的原子为相邻两晶胞共有，故每个晶胞只占有二分之一个原子。对
8、于六方晶体结构，顶角原子应为 6个晶胞所共有，因此每个晶胞只占有六分之一个原子。这样，三种结构每个晶胞拥有的原子数目 n为：n=8*1/8+1=2 -铁 、 铬 、 钨 等n=8*1/8+6*1/2=4 -铁 、 铝 、金n=12*1/6+2*1/2+3=6 锌、镁等对于密排六方结构，按照原子为等径钢球可计算出其轴比 c/a1.638，但实际金属的轴比常偏离此值。这说明视金属原子为等径钢球只是一种近似的假设。实际上，原子半径随原子周围紧邻的原子数和结合键的变化而变化。点阵常数晶胞的棱边长度（ a, b, c）称为点阵常数。如果把原子看作半径为 r的刚性球，则从几何关系可求出 a, b, c与 r之间的关系。密排面晶面间距晶面间距离大的晶面总是原子最密排的晶面 ，晶面间距越小，晶面上原子排列越稀疏。
