材料的原子結(jié)合

關(guān)于材料的原子結(jié)合第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/172第一節(jié)固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合鍵

材料的組成：原子、離子或分子動能＞＞勢能氣態(tài)動能＜勢能液態(tài)動能＜＜勢能固態(tài)第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/173原子、離子或分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。一般可把結(jié)合鍵分為離子鍵、共價健、金屬鍵和分子鍵四種。

固態(tài)物質(zhì)晶體：長程有序排列

有固定的熔點

性能具有各向異性非晶體：短程有序排列

無固定的熔點

性能各向同性按其原子聚集的組態(tài)晶體和非晶體在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/174離子鍵正離子和負離子由靜電引力相互吸引；當(dāng)它們十分接近時發(fā)生排斥，引力和斥力相等即形成穩(wěn)定的離子鍵。代表物質(zhì)：NaCl、CaO、Al2O3第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/175離子鍵的特點：結(jié)合力很大，晶體的硬度高，強度大，熱膨脹系統(tǒng)小，但脆性大。離子鍵中很難產(chǎn)生可以自由運動的電子，所以離子晶體都是良好的絕緣體。但在熔融狀態(tài)時，因整個離子容易運動，又易于導(dǎo)電。離子鍵結(jié)合中，離子的外層電子比較牢固地被束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因而不吸收可見光，典型的離子晶體是無色透明的。第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/176處于周期表中間位置的三、四、五價元素當(dāng)這些元素原子之間或與鄰近元素原子形成分子或晶體時，以共用價電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實現(xiàn)結(jié)合。這種由共用價電子對產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價鍵。共價鍵金剛石第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/177

硅、鍺、錫等元素也可構(gòu)成共價晶體。屬于共價晶體的還有SiC、Si3N4、BN等化合物。共價鍵的結(jié)合力很大，所以共價晶體強度高、硬度高、脆性大、熔點高、沸點高、揮發(fā)性低、導(dǎo)電性能差。Si的共價鍵極其排列方式第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/178周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子原子很容易丟失其價電子而成為正離子。被丟失的價電子為全體原子所公有--------電子氣正離子和電子氣之間產(chǎn)生強烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來。這種結(jié)合力就叫做金屬鍵。金屬鍵第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/179金屬具有下列特性：

良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。正的電阻溫度系數(shù)。不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。良好的塑性變形能力，金屬材料的強韌性好。第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1710原子狀態(tài)形成穩(wěn)定電子殼體的惰性氣體元素，在低溫下可結(jié)合成固體。分子鍵甲烷結(jié)構(gòu)在它們的結(jié)合過程中沒有電子的得失、共有或公有化，價電子的分布幾乎不變，原子或分子之間是靠范特瓦爾力結(jié)合起來，這種結(jié)合鍵叫分子鍵。第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1711在含氫的物質(zhì)中，一個氫原子可同時和兩個與電子親合能力大的、半徑較小的原子(如F、O、N等)相結(jié)合,形成氫鍵。氫健是一種較強的、有方向性的范特瓦爾斯鍵。范特瓦爾斯力很弱，固體材料熔點低、硬度也很低，因無自由電子，因此材料有良好的絕緣性。第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1712不同結(jié)合能極其材料的特性

結(jié)合鍵種類結(jié)合能/KJ/mol熔點硬度導(dǎo)電性鍵的方向性金屬鍵113-660有高有低有高有低良好無共價鍵150-712高高不導(dǎo)電有離子鍵586-1047高高固態(tài)不導(dǎo)電無范德瓦爾鍵＜42低低不導(dǎo)電有第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1713按用途分：建筑材料、電工材料、結(jié)構(gòu)材料等按結(jié)晶狀態(tài)分：單晶體材料、多晶體材料、非晶體材料按物理性能和效應(yīng)分：半導(dǎo)體材料、磁性材料、激光材料、熱電材料、光電材料按材料的化學(xué)成分、結(jié)合健的特點：金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料。第二節(jié)工程材料的分類固體材料的分類第13頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1714按結(jié)合鍵的性質(zhì)，工程材料分類如下：第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1715

金屬材料金屬材料：包括金屬和以金屬為基的合金，最簡單的金屬材料是純金屬。工程應(yīng)用的金屬材料，原子間的結(jié)合鍵基本上為金屬鍵，皆為金屬晶體材料。

工業(yè)上把金屬及其合金分為兩大部分：（1）鋼鐵材料鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)；（2）非鐵金屬材料鋼鐵材料以外的所有金屬及其合金。第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1716高分子材料為有機合成材料，亦稱聚合物。特點：較高的強度，良好的塑性，較強的耐腐蝕性能，很好的絕緣性，以及重量輕等優(yōu)良性能。

高分子材料主要元素：C、H、O,還有N、S、Cl、F、Si高分子材料由大量相對分子質(zhì)量特別大的大分子化合物組成，每個大分子皆包含有大量結(jié)構(gòu)相同、相互連接的鏈節(jié)。大分子內(nèi)的原子之間由很強的共價鍵結(jié)合，而大分子與大分子之間的結(jié)合力為較弱的范特瓦爾力。

第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1717陶瓷材料非金屬元素原子同金屬原子化合時形成很強的離子鍵，同時也存在有一定成分的共價鍵。例如MgO晶體中,離子鍵占84%,共價鍵占16%。也有一些特殊陶瓷以共價鍵為主。陶瓷的硬度很高，但脆性很大。陶瓷材料第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1718陶瓷材料普通陶瓷特種陶瓷陶器日用和建筑陶瓷電瓷（絕緣瓷）化工陶瓷：耐酸、耐堿材料多孔陶瓷：隔熱保溫材料工程陶瓷：高強陶瓷、超硬陶瓷、高溫陶瓷功能陶瓷：電子陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、磁性陶瓷第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1719復(fù)合材料就是兩種或兩種以上不同材料的組合材料，其性能優(yōu)于它的組成材料。復(fù)合材料可以由各種不同種類的材料復(fù)合組成，所以它的結(jié)合鍵非常復(fù)雜。特點：強度、剛度和耐蝕性方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，具有廣闊的發(fā)展前景。復(fù)合材料第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1720工程材料按結(jié)合鍵的性質(zhì)可分為四類金屬材料主要以金屬鍵結(jié)合；高分子材料以分子鍵和共價鍵結(jié)合；陶瓷材料以離子鍵、共價鍵結(jié)合；復(fù)合材料可由多種結(jié)合鍵組成。第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1721使用性能力學(xué)性能指材料在外力或能量以及環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)）作用下所表現(xiàn)的變形和破斷的特性。包括強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等

第三節(jié)材料的性能材料的性能一般分為使用性能和工藝性能兩大類。第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1722強度

拉伸試樣

拉伸實驗材料在外力作用下抵抗塑性變形或破斷的能力。拉伸試驗是測定材料強度的最常用實驗。l0=10d0

和l0=5d0

第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1723σ=P/S0ε=△L/L0（%）金屬材料的強度指標根據(jù)其變形特點分下列幾個：鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象,則用條件屈服點（σ0.2

）來表示:產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時的應(yīng)力值。a.彈性極限（σe）

b.屈服點/屈服強度/屈服極限（σs）

c.強度極限(抗拉強度σb)

表示金屬受拉時所能承受的最大應(yīng)力。表示材料在拉伸條件下，發(fā)生破斷前所能承受的最大應(yīng)力，或者材料產(chǎn)生最大均勻變形的的抗力。第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1724塑性

斷裂前材料產(chǎn)生永久變形的能力,用伸長率和斷面收縮率來表示。

a.伸長率（δ）

在拉伸試驗中,試樣拉斷后,標距的伸長與原始標距的百分比稱為伸長率。

b.斷面收縮率（ψ）

試樣拉斷后,縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1725伸長率斷面收縮率伸長率和斷面收縮率越大，材料的塑性越好。伸長率與試樣的長短有關(guān)。第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月例題：現(xiàn)有標準圓柱形的長短兩根試樣各一根，原始直徑d。=10mm，經(jīng)拉伸試驗測得其伸長率δ5、δ10均為25%，求兩試樣拉斷時的標距長度。第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1727材料表面抵抗局部塑性變形的能力叫硬度，衡量材料軟硬程度的指標。硬度布氏硬度（HB)球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1728根據(jù)被測試樣的種類和試樣厚度，選用不同大小的球體直徑、施加載荷P和載荷保持時間，按GB231—84規(guī)定：球體直徑有10mm、5mm、2.5mm、2mm和1mm等五種；載荷與球體直徑平方的比值(P／D2)有30、15、10、5、2.5、1.25和1等七種，可根據(jù)金屬材料的種類和布氏硬度范圍按下表選定。第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1729壓頭：淬火剛球（<450）、硬質(zhì)合金（450~650）例如：150HBS10/1000/30

直徑為10的鋼球在9.8KN載荷下保持30s測得的HB為150500HBW5/750直徑為5的硬質(zhì)合金球在9.8KN載荷下保持10~15S測得的HB為500第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1730洛氏硬度第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1731

洛氏硬度計的使用第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1732在同一硬度標尺上測定軟、硬不同金屬材料的硬度。金剛石正四棱錐壓頭，用顯微鏡測量壓痕對角線的平均長度。維氏硬度

如640HV30640HV30/20

第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1733第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1734想一想：此三種硬度測試方法的異同壓頭不同：形狀，材質(zhì)計算方式不同適用范圍不同用布氏硬度試驗測材料的硬度值，其測試數(shù)據(jù)比較準確，但不能測太薄的試樣和硬度較高的材料。用洛氏硬度計可以測量從軟到硬的各種不同材料，壓痕小，可測成品。維氏硬度法適用范圍寬，尤其適用于測定金屬鍍層、薄片金屬及化學(xué)熱處理后的表面硬度，其結(jié)果精確可靠。三者之間可以換算第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1735肖氏硬度莫氏硬度第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1736材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊韌性。用擺錘沖擊彎曲試驗來測定。測得試樣沖擊吸收功,用符號Ak

表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積S0,即得到材料的沖擊韌度

ak。

沖擊韌度（ak）第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1737在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作而產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程稱為金屬的疲勞。軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等零件，在工作過程中各點的應(yīng)力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力)。疲勞強度第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1738材料承受的交變應(yīng)力(σ)與材料斷裂前承受交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)(N)之間的關(guān)系可用疲勞曲線來表示。金屬承受的交變應(yīng)力越大,則斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時,試樣可以經(jīng)受無限周期循環(huán)而不破壞,此應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限(亦叫疲勞強度)，用σ-1

表示。

第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1739橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等在設(shè)計時保證了足夠的延伸率、韌性和屈服強度，但仍不免破壞。原因是構(gòu)件或零件內(nèi)部存在或大或小的裂紋造成的。裂紋在應(yīng)力作用下可失穩(wěn)而擴展，導(dǎo)致機件破斷。材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展斷裂的能力叫斷裂韌性。

裂紋擴展的臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力場強度因子稱為臨界應(yīng)力場強度因子,用K1C表示,單位為MN/m3/2，它代表了材料的斷裂韌性。斷裂韌性第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1740第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1741材料對磨損的的抵抗能力稱為耐磨性。可用磨損量的表示。耐磨性第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/174220mm5mm第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1743密度

單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度。

密度小于3.5×103kg/m3

的金屬稱為輕金屬,如鋁、鎂、鈦及它們的合金。

密度大于3.5×103kg/m3的金屬稱為重金屬,如鐵、鉛、鎢等。輕金屬多用于航天航空器上。金屬材料的物理性能第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1744熔點

金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為熔點。

純金屬都有固定的熔點。

熔點高的金屬稱為難熔金屬，如鎢、鉬、釩等，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導(dǎo)彈、燃氣輪機和噴氣飛機等方面得到廣泛應(yīng)用。

熔點低的金屬稱為易熔金屬如錫、鉛等，可用于制造保險絲和防火安全閥零件等。第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1745導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率來衡量。

熱導(dǎo)率越大,導(dǎo)熱性越好。

金屬的導(dǎo)熱性以銀為最好,銅、鋁次之。

合金的導(dǎo)熱性比純金屬差。

在熱加工和熱處理時，必須考慮金屬材料的導(dǎo)熱性，防止材料在加熱或冷卻過程中形成過大的內(nèi)應(yīng)力，以免零件變形或開裂。

導(dǎo)熱性好的金屬散熱也好，在制造散熱器、熱交換器與活塞等零件時，要選用導(dǎo)熱性好的金屬材料。第45頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1746導(dǎo)電性

傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性，用電阻率來衡量。

電阻率越小，金屬材料導(dǎo)電性越好。

金屬導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之。

合金的導(dǎo)電性比純金屬差。

電阻率小的金屬(純銅、純鋁)適于制造導(dǎo)電零件和電線。

電阻率大的金屬或合金(如鎢、鉬、鐵、鉻、鋁)適于做電熱元件。第46頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1747熱膨脹性

金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。

由膨脹系數(shù)大的材料制造的零件,在溫度變化時,尺寸和形狀變化較大。

軸和軸瓦之間要根據(jù)其膨脹系數(shù)來控制其間隙尺寸；

在熱加工和熱處理時也要考慮材料的熱膨脹影響,以減少工件的變形和開裂。第47頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1748磁性

●鐵磁性材料

在外磁場中能強烈地被磁化，如鐵、鈷等。鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動機、測量儀表等。

●順磁性材料

在外磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等。

●抗磁性材料

能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用，如銅、鋅等。抗磁性材料則用于要求避免電磁場干擾的零件和結(jié)構(gòu)材料，如航海羅盤。第48頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1749金屬材料的化學(xué)性能

主要指耐腐蝕性和抗氧化性。金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱化學(xué)穩(wěn)定性。在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。

耐腐蝕性

金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱耐腐蝕性。

碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差；

鈦及其合金、不銹鋼的耐腐蝕性好。

鋁合金和銅合金有較好的耐腐蝕性。第49頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/1750抗氧化性

金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力稱抗氧化性。

加入Cr、Si等元素,可提高鋼的抗氧化性