工程材料应用

1、工程材料及应用工程材料及应用 多媒体教案 ENGINEERING MATERIALS 五邑大学机电工程学院 第一章第一章 第一章 材料的原子结合方式及性能 内容提要 材料是由原子间通过相互作用力结合而成的。材料是由原子间通过相互作用力结合而成的。 不同原子间作用力不同而形成不同的结合键，根据不同原子间作用力不同而形成不同的结合键，根据 结合键对工程材料进行分类。结合键对工程材料进行分类。 介绍材料在外界环境中（尤其是外力作用下）介绍材料在外界环境中（尤其是外力作用下） 表现出不同的性能特点。表现出不同的性能特点。 学习目标 了解材料的原子结合方式、结合键及分类，掌了解材料的原子结合方式、结合键

2、及分类，掌 握材料的性能的意义及指标和应用。握材料的性能的意义及指标和应用。 第一节第一节固态物质的原子结合键固态物质的原子结合键 （一）、晶体与非晶体（一）、晶体与非晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体晶体 和和非晶体非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定 的的几何规律几何规律作作周期性周期性地排列。非晶体中原子（或分子）地排列。非晶体中原子（或分子） 则是则是无规则无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青） 液态金属中金属原子作不液态金属中金属原子作不 规则

3、运动。在小范围内，原子规则运动。在小范围内，原子 会出现规则排列，称会出现规则排列，称短程有序短程有序。 短程有序的原子集团是不短程有序的原子集团是不 稳定的，瞬时出现瞬时消失。稳定的，瞬时出现瞬时消失。 液态金属结构液态金属结构 通常的固态金属属于晶通常的固态金属属于晶 体材料，金属原子规则排列，体材料，金属原子规则排列， 叫叫长程有序长程有序。 固态金属结构固态金属结构 金属从液态到固体晶态的转变称为金属从液态到固体晶态的转变称为 一次结晶一次结晶。简称。简称金属结晶金属结晶。 原子排列：原子排列：粒子粒子( (原子、离子或分子原子、离子或分子) )在三维空间呈周在三维空间呈周 期性的期性

4、的规则重复规则重复排列。排列。长程有序长程有序 特点：特点： 1. 各向异性各向异性：不同方向原子的排列方式不：不同方向原子的排列方式不 相同，因而其表现的性能也有差异相同，因而其表现的性能也有差异 2. 固定的熔点固定的熔点：排列规律能保持时呈现固：排列规律能保持时呈现固 体，温度升高到某一特定值，排列方式体，温度升高到某一特定值，排列方式 的解体，原子成无规则堆积，这时大多的解体，原子成无规则堆积，这时大多 呈现不能保持自己形状的液体。呈现不能保持自己形状的液体。 晶体晶体 非晶体非晶体 原子排列：原子排列：粒子粒子( (原子、离子或分子原子、离子或分子) )无规则无规则的堆积。的堆积。短

5、短 程有序程有序 特点：特点： 1.1. 各向同性各向同性； 2.2. 能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状 的为液体；的为液体； 3.3. 随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没 有明显的温度界限。有明显的温度界限。 3. 3. 部分晶体部分晶体 常出现在高分子材料或复合材料中常出现在高分子材料或复合材料中 结晶度结晶度 其中晶体所占的比例其中晶体所占的比例 想一想：想一想：我们日常生活中见到有哪些晶我们日常生活中见到有哪些晶 体或非晶体物质，你能举出几个例子来吗？体或非晶体物质，你能举出几个例子来吗？ 原

6、子的原子的电电子排列子排列 薛定谔薛定谔方程方程电电子在核外子在核外运动状态运动状态的的变化规律变化规律，电子运动电子运动 的的轨道轨道是由四是由四个量子数个量子数所所确定确定。 主量子主量子数数 n n确定电子离确定电子离核核远远近和能近和能级级的高低。的高低。 次量子次量子数数 l l能量水能量水平平不同的的不同的的亚壳层亚壳层。s, p, d, fs, p, d, f 磁量子磁量子数数m m确确定定轨轨道的空道的空间间取向。取向。 自旋量子自旋量子数数msms每每个状态个状态下存在自旋方向相反的下存在自旋方向相反的两个电两个电子。子。 服服从从二二个个基本原理基本原理 包立不相容原理；包

7、立不相容原理； 最低能量原理最低能量原理 原子的结构原子的结构 电子云、化学键 二、原子间的结合能 吸引作用与 排斥作用。 库仑引力 电子云 势能具有最 低值E。即原 子间的结合 能 三、三、原子原子结合键的类型结合键的类型 原原子子间间的的结合结合力可力可根据强弱根据强弱分成分成 一次一次键键金属键金属键、共、共价键价键、离子键离子键 倚倚赖电赖电子的子的转转移或共享移或共享 二次二次键键范德华键范德华键和和氢键（氢键（分子键分子键） 倚倚赖赖于原子之于原子之间间的偶的偶极极吸引力吸引力 各种工程材料是由各种不同的元素组成，由各种工程材料是由各种不同的元素组成，由 不同的原子、离子或分子结合

8、而成。不同的原子、离子或分子结合而成。 结合键结合键 原子、离子或分子之间的结合力。原子、离子或分子之间的结合力。 元素性质的周期性 各各个个元素所表元素所表现现的行的行为为或或性性质质一定一定会会呈呈现现同同样样的的周期性周期性 变化变化，因为因为原子原子架构从架构从根本上根本上決決定了原于定了原于间间的的结合键结合键， 从从而而影响影响元素的元素的性质性质。实验数据实验数据已已证实证实了了这这一一点点。 1、金属键 周期表中周期表中、族元素的原子丢失价电族元素的原子丢失价电 子成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公子成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公 有，叫有，叫自由电子自由电子，

9、在正离子之间自由运动，形成，在正离子之间自由运动，形成 电子云。电子云。 通过正离子与电子之间的相互吸引，使所有的通过正离子与电子之间的相互吸引，使所有的 离子结合在一起。这种结合方式就是离子结合在一起。这种结合方式就是金属键金属键。 金属键示意图金属键示意图 钼的结构钼的结构 金属由金属键结合，金属具有下列特性：金属由金属键结合，金属具有下列特性： 1.1.良好的导电性和导热性。良好的导电性和导热性。 金属中存在大量自由电子，外加电场时金属中存在大量自由电子，外加电场时 电子可以定向地流动。电子可以定向地流动。 金属的导热性很好。自由电子的活动性金属的导热性很好。自由电子的活动性 很强，金属

10、离子振动作用导热。很强，金属离子振动作用导热。 2.2.不透明并呈现特有的金属光泽。不透明并呈现特有的金属光泽。 自由电子能吸收并随后辐射出大部分自由电子能吸收并随后辐射出大部分 投射到表面的光能。投射到表面的光能。 3.3.良好的塑性变形能力，金属材料的良好的塑性变形能力，金属材料的 强韧性好。强韧性好。 金属键金属键没有方向性没有方向性，受外力作用发生，受外力作用发生 原子位置的相对移动时，结合键不会遭到原子位置的相对移动时，结合键不会遭到 破坏。破坏。 二、共价键 处于周期表中间位置的三、四、五价元素处于周期表中间位置的三、四、五价元素 原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时，原子之间

11、或与邻近元素原子形成分子或晶体时， 以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实 现结合。现结合。 由共用价电子对产生的结合键叫共价键。由共用价电子对产生的结合键叫共价键。 共价键示意图共价键示意图 共享共享电电子子对对 SiSi晶体为晶体为 共价晶体。共价晶体。 一个一个4 4价价 的的SiSi原子，与原子，与 另外另外4 4个个SiSi原原 子共享最外层子共享最外层 电子。电子。 共共价键价键的主要特的主要特点点是具有是具有饱饱和性和性和和方向性方向性。 共价键晶体特点：结合力很大。共价晶体强共价键晶体特点：结合力很大。共价晶体强 度高、硬度高、脆性大、

12、熔点高、沸点高和挥度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥 发性低。发性低。 共价键的方向性 SiSi原子相互结合的原子相互结合的 共价键之间形成固共价键之间形成固 定的角度定的角度 三、离子键 正电性元素原子失去最外层价电子变成正正电性元素原子失去最外层价电子变成正 离子，负电性元素原子后者获得电子变成负离离子，负电性元素原子后者获得电子变成负离 子。正离子和负离子由静电引力相互吸引，形子。正离子和负离子由静电引力相互吸引，形 成稳定的离子键。成稳定的离子键。 NaClNaCl、MgOMgO、AlAl2 2O O3 3等由离子键组成。等由离子键组成。 离子键特点：离子键特点： 结合力很大。离

13、子晶体的硬度高，强度大，热结合力很大。离子晶体的硬度高，强度大，热 膨胀系统小，但脆性大。膨胀系统小，但脆性大。 离子键中很难产生可以自由运动的电子，离子离子键中很难产生可以自由运动的电子，离子 晶体都是良好的绝缘体。晶体都是良好的绝缘体。 离子外层电子被束缚，可见光的能量一般不足离子外层电子被束缚，可见光的能量一般不足 以使其受激发，因而不吸收可见光，典型的离子晶以使其受激发，因而不吸收可见光，典型的离子晶 体是无色透明的。体是无色透明的。 四、分子键 惰性气体在低温下能相互结合成为晶体。惰性气体在低温下能相互结合成为晶体。 结合过程中没有电子的得失、共有或公有化。结合过程中没有电子的得失、

14、共有或公有化。 它们是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种它们是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种 结合键叫分子键。结合键叫分子键。 分子键示意图分子键示意图 范德华键 范德华键示意图 a)理论的电子云分布b)原子偶极矩的产生 c) 原子(或分子)间的范德华键结合 原子间的偶极吸引 在含氢的物质，特别是含氢的聚合物中，在含氢的物质，特别是含氢的聚合物中， 一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、 半径较小的原子半径较小的原子(F(F、O O、N)N)相结合相结合, , 形成形成氢键氢键。 氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦

15、尔斯键。 尼龙尼龙66的结构的结构 分子键特点：分子键特点：范范德德瓦尔斯力很弱，由分瓦尔斯力很弱，由分 子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。 因无自由电子，材料有良好的绝缘性。因无自由电子，材料有良好的绝缘性。 想一想：想一想：物质的结合键有哪些？物质的结合键有哪些？ 你能举说明我们日常生活中物质的结合键吗？你能举说明我们日常生活中物质的结合键吗？ 第二节第二节 工程材料的分类工程材料的分类 工程材料工程材料 用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、 能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中

16、的 材料，用来制造工程构件和机械零件。材料，用来制造工程构件和机械零件。 包括一些用于制造工具的材料和具有特包括一些用于制造工具的材料和具有特 殊性能殊性能( (如耐蚀、耐高温等如耐蚀、耐高温等) )的材料。的材料。 按结合键的性质，工程材料分类如下：按结合键的性质，工程材料分类如下： 一、金属材料 金属材料是最重要的工程材料，包括金属材料是最重要的工程材料，包括 金属和以金属为基的合金。金属和以金属为基的合金。 最简单的金属材料是纯金属。最简单的金属材料是纯金属。 工程应用的金属材料，原子间的结合工程应用的金属材料，原子间的结合 键基本上为金属键，通常为金属晶体材料。键基本上为金属键，通常为

17、金属晶体材料。 （1 1）黑色金属）黑色金属 铁和以铁为基的合金铁和以铁为基的合金 ( (钢、铸铁和铁合金钢、铸铁和铁合金) )； （2 2）有色金属）有色金属 黑色金属以外的所有黑色金属以外的所有 金属及其合金。金属及其合金。 金属材料金属材料 想一想：想一想：结合工程实际，说说金属材料结合工程实际，说说金属材料 的实际应用。的实际应用。 二、高分子材料 高分子材料为有机合成材料，亦称聚合高分子材料为有机合成材料，亦称聚合 物。物。 由大量相对分子质量特别大的大分子化由大量相对分子质量特别大的大分子化 合物组成。大分子内的原子之间由很强的共合物组成。大分子内的原子之间由很强的共 价键结合，大

18、分子与大分子之间的结合力为价键结合，大分子与大分子之间的结合力为 较弱的范特瓦尔斯力。较弱的范特瓦尔斯力。 高分子材料耐蚀高分子材料耐蚀性、绝缘性好，密度小，性、绝缘性好，密度小， 加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热 性较差。性较差。在工程上是发展最快的一类新型结在工程上是发展最快的一类新型结 构材料。构材料。 根据机械性能和使用状态根据机械性能和使用状态高分子材料高分子材料分为分为 三大类：三大类： 塑料塑料 合成纤维合成纤维 橡胶橡胶 高分子材料制品高分子材料制品 三、陶瓷材料 陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属