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設施材料
授課教師：林志朋
教室：TC517
材料的內部
結構
結晶
工程材料的內部
• 固、液、氣
• 固體材料：晶體、非晶體。
– 晶體：空間規則性排列
• 原子、分子、離子
• 金屬、礦物、陶瓷…
– 非晶體：不規則
• 玻璃、橡膠
固體的結晶
• 原子
– 帶正電的原子核
– 帶負電的核外電子
• 作用力
– 吸引力/排斥力
– 電子間的庫倫力(Coulomb force)
– 電子層間軌道
• 8個電子穩定
鍵結力
• 離子鍵(ionic bond)
– 負(陰)/正(陽)離子間
• 共價鍵(covalent bond)
– 共用外部價電子
• 金屬鍵(metallic bond)
– 自由電子(free electron)->電子雲(clound of electrons)
• 凡得瓦爾力(van der Waals force)
– 分子結合
離子鍵
• 外層軌道電子一得一失
– 得：負離子_Cl– 失：正離子_Na+
– 靜電作用
– 沒有方向性
• 熔點及沸點很高。
• 硬度大，但易脆不具延展性。
• 易溶於極性溶劑，而不溶於非極性溶劑。
離子鍵
共價鍵
• 共用一對價電子
– 共價原子數8-N(該原子最外層電子數)
– 飽和性
• 結合力大
– 硬度大
– 熔點高
• 鑽石、碳化矽(SiC)
共價鍵
金屬鍵
• 「電子雲」
– 外層電子與原子核的結合力較弱，價電子貢獻出來
– 靜電作用
• 正離子
• 電子雲
– 沒有飽和性和方向性
• 電場->電流->導電
• 振動->導熱->電阻增加
• 變形->改變位置->延展性
凡得瓦爾力
• 極性
– 分子的一部分帶正電荷
– 另一部分則帶負電荷
– 微弱靜電吸引分子結合
• 水
– 氫鍵
• 高分子_聚氯乙烯(PVC)
– C、H、、Cl構成大分子，分子內部共價鍵
– 鏈與鏈間_凡得瓦爾力_塑性
凡得瓦爾力
原子排列
• 短程有序
• 非晶質材料
原子排列
• 長程有序
• 晶體
晶體結構
• Crystal structure
• 基元
– 原子(分子或離子)、群
– 規則排列
– 完全相同基元按一定規則排列
• 陣點_結點(lattice point)
– 一維、二維、三維規則排列
• 晶格(crystalline lattice)
– 平衡直線連結陣點
晶體
• 晶胞(unit cell)
– 最小的幾何單位
• 參數
– 晶格常數(a、b、c)
– 夾角(a、b、g)
晶系
• 1948年Bravais根據「每個陣點環境相同」的要
求，用數學分析法證明晶體的空間點陣只有14
種，故這14種空間點陣稱為布拉菲點陣，分屬
7(6)個晶系。
• 六方
• 菱方
晶體
• 晶面(lattice plane)
– 原子組成的平面
• 晶向(lattice directions)
– 原子排列(連線指向)方向
• 米勒指數(Miller index)
– 晶向[100]晶向族<100>
– 晶面(100)晶面族{100}
金屬晶體結構
• 體心立方架構(bcc)
– 原子分佈在立方晶胞的八個頂角及六個側面的中心
– Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多種。
• 面心立方架構(fcc)
– 立方晶胞的八個頂角及六個側面的中心。
– Al、Cu、Ni、Au、Ag、γ-Fe等約20種
• 密排六方架構(hcp)
– 原子分佈在六方晶胞的十二個頂角，上下底面的中心
及晶胞體內兩底面中間三個間隙裡
– Mg、Zn、Cd、Be、a-Ti等20多種。
金屬晶體結構
• 體心立方
金屬晶體結構
• 面心立方
金屬晶體結構
• 六方立方
晶胞原子數
• 晶胞原子數是指一個晶胞內所包含的原子數
目。
• 體心立方晶胞每一個角上的原子是同屬於與其相
鄰的8個晶胞所共有。
晶胞原子數
• 體心立方晶胞原子數為2個
• 面心立方晶胞中的原子數為4個
• 六方密晶胞中原子數為6個
原子半徑
• 原子半徑r通常是指晶胞中原子密度最大的方向
上相鄰兩原子之間平衡距離的一半，與晶格常數
a有一定的關係。
• 晶格常數與半徑間可換算關係。
配位數
• 配位數是指晶格中任一原子最鄰近、等距離的原
子數。
• 晶體中原子配位數愈大，晶體中的原子排列愈緊
密。
配位數
• bcc_8
• fcc_12
• hcp_12
致密度
• 常用致密度對晶體原子排列緊密程度進行定量比
較。
• 致密度是指晶胞中所含全部原子的體積總和與該
晶胞體積之比。
– bcc_0.68
– fcc_0.74
– hcp_0.74
各向性
• 異向性(anisotropy)
– 晶體
• 等向性(isotropy)
– 非晶體
多晶型
• 金屬材料由很多晶粒(crystal grain)組成
合金相結構
• 純金屬的強度通常較低，所以工程上廣泛應用的
是合金。
– 元素
– 化合物
– 物理化學作用下_相(phase)
• 相是合金中具有同一聚集狀態、相同晶體結構，
成分和性能均一，並以界面相互分開的組成部
分。
固溶體
• 溶質原子完全溶於固態溶劑中，並能保持溶劑元
素的晶格類型，根據溶質原子在溶劑中的位置，
可將其分為：
– 置換式固溶體。
– 間隙式固溶體。
置換式固溶體
• 置換式固溶體是指溶質原子佔據了溶劑原子晶格
結點位置而形成的固溶體 。
• 金屬元素
間隙式固溶體
• 一些原子半徑小於0.1nm的非金屬元素如C、N等
作為溶質原子時，通常處於溶劑晶格的某些間隙
位置而形成間隙式固溶體
晶格畸變
固溶體
• 對CuAu有序固溶體, 銅原子和金原子按層排列
（001）晶面上。
• 由於銅原子比金原子小，故使原來的面心立方晶
格畸變為正方晶格
中間相
• 溶質含量超過其溶解度時，便可能形成新相，其
成分處於A在B中和B在A中的最大溶解度之間，
故稱為中間相。
– 化合物
– 化合固溶體
• 金屬間化合物一般具有較高的熔點、高的硬度和
脆性，通常作為合金的強化相。
小常識
• 18K玫瑰金：75%純金＋25%銅(黃銅、紅銅)
• 18K黃金：75%純金＋15.5%銅＋9.5%銀
• 18K白金：75%純金＋10%青銅 ＋15%銀
• 含金量應該使用“Ｋ金”（不含24Ｋ金）、“足
金”（含金量不少於99％）、“千足金”（含金
量不少於99.9％）。