材料的原子结合

关于材料的原子结合第1页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/32第一节固态物质的原子结合键

材料的组成：原子、离子或分子动能＞＞势能气态动能＜势能液态动能＜＜势能固态第2页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/33原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。一般可把结合键分为离子键、共价健、金属键和分子键四种。

固态物质晶体：长程有序排列

有固定的熔点

性能具有各向异性非晶体：短程有序排列

无固定的熔点

性能各向同性按其原子聚集的组态晶体和非晶体在一定的条件下可以相互转化第3页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/34离子键正离子和负离子由静电引力相互吸引；当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。代表物质：NaCl、CaO、Al2O3第4页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/35离子键的特点：结合力很大，晶体的硬度高，强度大，热膨胀系统小，但脆性大。离子键中很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体。但在熔融状态时，因整个离子容易运动，又易于导电。离子键结合中，离子的外层电子比较牢固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，典型的离子晶体是无色透明的。第5页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/36处于周期表中间位置的三、四、五价元素当这些元素原子之间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现结合。这种由共用价电子对产生的结合键叫共价键。共价键金刚石第6页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/37

硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体。属于共价晶体的还有SiC、Si3N4、BN等化合物。共价键的结合力很大，所以共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、导电性能差。Si的共价键极其排列方式第7页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/38周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子原子很容易丢失其价电子而成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公有--------电子气正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。金属键第8页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/39金属具有下列特性：

良好的导电性和导热性。正的电阻温度系数。不透明并呈现特有的金属光泽。良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。第9页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/310原子状态形成稳定电子壳体的惰性气体元素，在低温下可结合成固体。分子键甲烷结构在它们的结合过程中没有电子的得失、共有或公有化，价电子的分布几乎不变，原子或分子之间是靠范特瓦尔力结合起来，这种结合键叫分子键。第10页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/311在含氢的物质中，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(如F、O、N等)相结合,形成氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范特瓦尔斯键。范特瓦尔斯力很弱，固体材料熔点低、硬度也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。第11页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/312不同结合能极其材料的特性

结合键种类结合能/KJ/mol熔点硬度导电性键的方向性金属键113-660有高有低有高有低良好无共价键150-712高高不导电有离子键586-1047高高固态不导电无范德瓦尔键＜42低低不导电有第12页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/313按用途分：建筑材料、电工材料、结构材料等按结晶状态分：单晶体材料、多晶体材料、非晶体材料按物理性能和效应分：半导体材料、磁性材料、激光材料、热电材料、光电材料按材料的化学成分、结合健的特点：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料。第二节工程材料的分类固体材料的分类第13页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/314按结合键的性质，工程材料分类如下：第14页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/315

金属材料金属材料：包括金属和以金属为基的合金，最简单的金属材料是纯金属。工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，皆为金属晶体材料。

工业上把金属及其合金分为两大部分：（1）钢铁材料铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)；（2）非铁金属材料钢铁材料以外的所有金属及其合金。第15页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/316高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。特点：较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等优良性能。

高分子材料主要元素：C、H、O,还有N、S、Cl、F、Si高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子化合物组成，每个大分子皆包含有大量结构相同、相互连接的链节。大分子内的原子之间由很强的共价键结合，而大分子与大分子之间的结合力为较弱的范特瓦尔力。

第16页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/317陶瓷材料非金属元素原子同金属原子化合时形成很强的离子键，同时也存在有一定成分的共价键。例如MgO晶体中,离子键占84%,共价键占16%。也有一些特殊陶瓷以共价键为主。陶瓷的硬度很高，但脆性很大。陶瓷材料第17页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/318陶瓷材料普通陶瓷特种陶瓷陶器日用和建筑陶瓷电瓷（绝缘瓷）化工陶瓷：耐酸、耐碱材料多孔陶瓷：隔热保温材料工程陶瓷：高强陶瓷、超硬陶瓷、高温陶瓷功能陶瓷：电子陶瓷、超导陶瓷、磁性陶瓷第18页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/319复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能优于它的组成材料。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成，所以它的结合键非常复杂。特点：强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，具有广阔的发展前景。复合材料第19页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/320工程材料按结合键的性质可分为四类金属材料主要以金属键结合；高分子材料以分子键和共价键结合；陶瓷材料以离子键、共价键结合；复合材料可由多种结合键组成。第20页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/321使用性能力学性能指材料在外力或能量以及环境因素（温度、介质）作用下所表现的变形和破断的特性。包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等

第三节材料的性能材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两大类。第21页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/322强度

拉伸试样

拉伸实验材料在外力作用下抵抗塑性变形或破断的能力。拉伸试验是测定材料强度的最常用实验。l0=10d0

和l0=5d0

第22页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/323σ=P/S0ε=△L/L0（%）金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个：铸铁等材料没有明显的屈服现象,则用条件屈服点（σ0.2

）来表示:产生0.2%残余应变时的应力值。a.弹性极限（σe）

b.屈服点/屈服强度/屈服极限（σs）

c.强度极限(抗拉强度σb)

表示金属受拉时所能承受的最大应力。表示材料在拉伸条件下，发生破断前所能承受的最大应力，或者材料产生最大均匀变形的的抗力。第23页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/324塑性

断裂前材料产生永久变形的能力,用伸长率和断面收缩率来表示。

a.伸长率（δ）

在拉伸试验中,试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。

b.断面收缩率（ψ）

试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。第24页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/325伸长率断面收缩率伸长率和断面收缩率越大，材料的塑性越好。伸长率与试样的长短有关。第25页，共56页，2023年，2月20日，星期四例题：现有标准圆柱形的长短两根试样各一根，原始直径d。=10mm，经拉伸试验测得其伸长率δ5、δ10均为25%，求两试样拉断时的标距长度。第26页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/327材料表面抵抗局部塑性变形的能力叫硬度，衡量材料软硬程度的指标。硬度布氏硬度（HB)球面压痕单位表面积上所承受的平均压力第27页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/328根据被测试样的种类和试样厚度，选用不同大小的球体直径、施加载荷P和载荷保持时间，按GB231—84规定：球体直径有10mm、5mm、2.5mm、2mm和1mm等五种；载荷与球体直径平方的比值(P／D2)有30、15、10、5、2.5、1.25和1等七种，可根据金属材料的种类和布氏硬度范围按下表选定。第28页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/329压头：淬火刚球（<450）、硬质合金（450~650）例如：150HBS10/1000/30

直径为10的钢球在9.8KN载荷下保持30s测得的HB为150500HBW5/750直径为5的硬质合金球在9.8KN载荷下保持10~15S测得的HB为500第29页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/330洛氏硬度第30页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/331

洛氏硬度计的使用第31页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/332在同一硬度标尺上测定软、硬不同金属材料的硬度。金刚石正四棱锥压头，用显微镜测量压痕对角线的平均长度。维氏硬度

如640HV30640HV30/20

第32页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/333第33页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/334想一想：此三种硬度测试方法的异同压头不同：形状，材质计算方式不同适用范围不同用布氏硬度试验测材料的硬度值，其测试数据比较准确，但不能测太薄的试样和硬度较高的材料。用洛氏硬度计可以测量从软到硬的各种不同材料，压痕小，可测成品。维氏硬度法适用范围宽，尤其适用于测定金属镀层、薄片金属及化学热处理后的表面硬度，其结果精确可靠。三者之间可以换算第34页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/335肖氏硬度莫氏硬度第35页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/336材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号Ak

表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0,即得到材料的冲击韧度

ak。

冲击韧度（ak）第36页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/337在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。疲劳强度第37页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/338材料承受的交变应力(σ)与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用σ-1

表示。

第38页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/339桥梁、船舶、大型轧辊、转子等在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。原因是构件或零件内部存在或大或小的裂纹造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。

裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子称为临界应力场强度因子,用K1C表示,单位为MN/m3/2，它代表了材料的断裂韧性。断裂韧性第39页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/340第40页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/341材料对磨损的的抵抗能力称为耐磨性。可用磨损量的表示。耐磨性第41页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/34220mm5mm第42页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/343密度

单位体积物质的质量称为该物质的密度。

密度小于3.5×103kg/m3

的金属称为轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。

密度大于3.5×103kg/m3的金属称为重金属,如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。金属材料的物理性能第43页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/344熔点

金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。

纯金属都有固定的熔点。

熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。

熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。第44页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/345导热性

导热性通常用热导率来衡量。

热导率越大,导热性越好。

金属的导热性以银为最好,铜、铝次之。

合金的导热性比纯金属差。

在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。

导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。第45页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/346导电性

传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。

电阻率越小，金属材料导电性越好。

金属导电性以银为最好，铜、铝次之。

合金的导电性比纯金属差。

电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。

电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬、铝)适于做电热元件。第46页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/347热膨胀性

金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。

由膨胀系数大的材料制造的零件,在温度变化时,尺寸和形状变化较大。

轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；

在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响,以减少工件的变形和开裂。第47页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/348磁性

●铁磁性材料

在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。

●顺磁性材料

在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。

●抗磁性材料

能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。第48页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/349金属材料的化学性能

主要指耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。

耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性。

碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；

钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。

铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。第49页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/3/350抗氧化性

金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。

加入Cr、Si等元素,可提高钢的抗氧化性。