工程材料應(yīng)用

1、工程材料(cilio)及應(yīng)用多媒體教案(jio n)ENGINEERING MATERIALS五邑大學(xué)機電工程學(xué)院第一章共三十三頁第一章 材料的原子結(jié)合方式及性能內(nèi)容提要 材料是由原子間通過相互作用力結(jié)合而成的。不同原子間作用力不同而形成不同的結(jié)合鍵，根據(jù)結(jié)合鍵對工程材料進行分類。 介紹材料在外界環(huán)境中（尤其是外力作用下）表現(xiàn)(bioxin)出不同的性能特點。 學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解材料的原子結(jié)合方式、結(jié)合鍵及分類，掌握材料的性能的意義及指標(biāo)和應(yīng)用。共三十三頁第一節(jié)固態(tài)物質(zhì)的原子(yunz)結(jié)合鍵（一）、晶體與非晶體 固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為晶體和非晶體兩大類。在晶體中，原子（或分子）

2、按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列。非晶體中原子（或分子）則是無規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃(b l)、瀝青） 共三十三頁 液態(tài)金屬中金屬原子作不規(guī)則運動。在小范圍(fnwi)內(nèi)，原子會出現(xiàn)規(guī)則排列，稱短程有序。 短程有序的原子集團是不穩(wěn)定的，瞬時出現(xiàn)瞬時消失。液態(tài)(yti)金屬結(jié)構(gòu) 通常的固態(tài)金屬屬于晶體材料，金屬原子規(guī)則排列，叫長程有序。固態(tài)金屬結(jié)構(gòu) 金屬從液態(tài)到固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶。簡稱金屬結(jié)晶。共三十三頁原子排列(pili)：粒子(原子、離子或分子)在三維空間呈周期性的規(guī)則重復(fù)排列。長程有序特點：各向異性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表現(xiàn)的性能也有差異固定的熔點：排列規(guī)律

3、能保持時呈現(xiàn)固體，溫度升高到某一特定值，排列方式的解體(jit)，原子成無規(guī)則堆積，這時大多呈現(xiàn)不能保持自己形狀的液體。晶體共三十三頁非晶體原子排列：粒子(原子、離子(lz)或分子)無規(guī)則的堆積。短程有序特點：各向同性；能保持自己形狀的為固體，不能保持自己形狀的為液體(yt)；隨溫度的升高黏度減小，在液體和固體之間沒有明顯的溫度界限。3. 部分晶體 常出現(xiàn)在高分子材料或復(fù)合材料中結(jié)晶度 其中晶體所占的比例 共三十三頁 想一想：我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷接心男┚w(jngt)或非晶體(jngt)物質(zhì)，你能舉出幾個例子來嗎？共三十三頁原子的電子排列薛定諤方程電子在核外運動狀態(tài)(zhungti)的變化規(guī)律，

4、電子運動的軌道是由四個量子數(shù)所確定。主量子數(shù) n確定電子離核遠近和能級的高低。次量子數(shù) l能量水平不同的的亞殼層。s, p, d, f磁量子數(shù)m確定軌道的空間取向。自旋量子數(shù)ms每個狀態(tài)下存在自旋方向相反的兩個電子。服從二個基本原理 包立不相容原理； 最低能量原理 原子(yunz)的結(jié)構(gòu)共三十三頁電子云、化學(xué)鍵共三十三頁二、原子間的結(jié)合能吸引作用與排斥作用。庫侖(kln)引力電子云 勢能具有最低值E。即原子間的結(jié)合能共三十三頁三、原子結(jié)合(jih)鍵的類型原子間的結(jié)合力可根據(jù)強弱分成 一次鍵金屬鍵、共價鍵、離子鍵 倚賴電子的轉(zhuǎn)移(zhuny)或共享 二次鍵范德華鍵和氫鍵（分子鍵） 倚賴于原子之

5、間的偶極吸引力 各種工程材料是由各種不同的元素組成，由不同的原子、離子或分子結(jié)合而成。 結(jié)合鍵 原子、離子或分子之間的結(jié)合力。共三十三頁元素(yun s)性質(zhì)的周期性 各個元素所表現(xiàn)的行為或性質(zhì)一定會呈現(xiàn)同樣的周期性變化，因為原子架構(gòu)(ji u)從根本上決定了原于間的結(jié)合鍵，從而影響元素的性質(zhì)。實驗數(shù)據(jù)已證實了這一點。共三十三頁 1、金屬鍵 周期表中、族元素的原子丟失價電子成為正離子。被丟失的價電子為全體原子所公有，叫自由電子(z yu din z)，在正離子之間自由運動，形成電子云。 通過正離子與電子之間的相互吸引，使所有的離子結(jié)合在一起。這種結(jié)合方式就是金屬鍵。 金屬鍵示意圖鉬的結(jié)構(gòu)(ji

6、gu)共三十三頁 金屬由金屬鍵結(jié)合，金屬具有下列特性： 1.良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。 金屬中存在大量自由電子(z yu din z)，外加電場時電子可以定向地流動。 金屬的導(dǎo)熱性很好。自由電子的活動性很強，金屬離子振動作用導(dǎo)熱。 2.不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。 自由電子能吸收并隨后(suhu)輻射出大部分投射到表面的光能。 3.良好的塑性變形能力，金屬材料的強韌性好。 金屬鍵沒有方向性，受外力作用發(fā)生原子位置的相對移動時，結(jié)合鍵不會遭到破壞。共三十三頁 二、共價鍵 處于周期表中間位置的三、四、五價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)(shxi

7、n)結(jié)合。 由共用價電子對產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價鍵。共價鍵示意圖共享電子對 共三十三頁 Si晶體為共價晶體。 一個4價的Si原子，與另外4個Si原子共享最外層(wi cn)電子。共價鍵的主要(zhyo)特點是具有飽和性和方向性。共三十三頁 共價(n ji)鍵晶體特點：結(jié)合力很大。共價(n ji)晶體強度高、硬度高、脆性大、熔點高、沸點高和揮發(fā)性低。共價鍵的方向性Si原子相互結(jié)合的共價鍵之間形成(xngchng)固定的角度共三十三頁 三、離子鍵 正電性元素(yun s)原子失去最外層價電子變成正離子，負電性元素(yun s)原子后者獲得電子變成負離子。正離子和負離子由靜電引力相互吸引，形成穩(wěn)定的離子

8、鍵。 NaCl、MgO、Al2O3等由離子鍵組成。共三十三頁 離子鍵特點： 結(jié)合力很大。離子晶體的硬度高，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，離子晶體都是良好的絕緣體。 離子外層電子被束縛(shf)，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。共三十三頁 四、分子鍵 惰性氣體(duxng q t)在低溫下能相互結(jié)合成為晶體。結(jié)合過程中沒有電子的得失、共有或公有化。 它們是靠范特瓦爾斯力結(jié)合起來，這種結(jié)合鍵叫分子鍵。分子(fnz)鍵示意圖共三十三頁范德華鍵 范德華鍵示意圖 a)理論的電子云分布(fnb)b)原子偶極矩的產(chǎn)生 c

9、) 原子(或分子)間的范德華鍵結(jié)合原子間的偶極吸引(xyn)共三十三頁 在含氫的物質(zhì)，特別是含氫的聚合物中，一個氫原子可同時和兩個與電子親合能力(nngl)大的、半徑較小的原子(F、O、N)相結(jié)合, 形成氫鍵。氫健是一種較強的、有方向性的范德瓦爾斯鍵。尼龍(nlng)66的結(jié)構(gòu) 分子鍵特點：范德瓦爾斯力很弱，由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點低、硬度也很低。 因無自由電子，材料有良好的絕緣性。共三十三頁 想一想：物質(zhì)的結(jié)合鍵有哪些？你能舉說明(shumng)我們?nèi)粘Ｉ钪形镔|(zhì)的結(jié)合鍵嗎？共三十三頁第二節(jié) 工程(gngchng)材料的分類工程(gngchng)材料 用于機械、車輛、船舶、建筑、化工、能源

10、、儀器儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中的材料，用來制造工程構(gòu)件和機械零件。 包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蝕、耐高溫等)的材料。共三十三頁 按結(jié)合鍵的性質(zhì)，工程(gngchng)材料分類如下：共三十三頁 一、金屬材料 金屬材料是最重要的工程材料，包括(boku)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，通常為金屬晶體材料。 （1）黑色金屬 鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)； （2）有色金屬 黑色金屬以外的所有(suyu)金屬及其合金。共三十三頁金屬材料 想一想：結(jié)合(jih)工程實際，說說金屬材料的實際應(yīng)用。 共三十

11、三頁 二、高分子材料 高分子材料為有機合成材料，亦稱聚合物。 由大量相對分子質(zhì)量(zhling)特別大的大分子化合物組成。大分子內(nèi)的原子之間由很強的共價鍵結(jié)合，大分子與大分子之間的結(jié)合力為較弱的范特瓦爾斯力。 高分子材料耐蝕性、絕緣性好，密度小，加工成型性好，強度不高、硬度(yngd)較低，耐熱性較差。在工程上是發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材料。共三十三頁 根據(jù)機械性能和使用狀態(tài)高分子材料分為三大類： 塑料(slio) 合成纖維 橡膠 高分子材料(cilio)制品共三十三頁 三、陶瓷材料 陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素形成(xngchng)的化合物。 非金屬元素原子同金屬原子化合時形成很強

12、的離子鍵，也存在有一定成分的共價鍵。 陶瓷材料屬于無機非金屬材料，主要為硅酸鹽材料、金屬氧化物、金屬非氧化合物。 陶瓷的硬度很高，但脆性很大。莫來石復(fù)相陶瓷共三十三頁 四、復(fù)合材料 復(fù)合材料 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(zhngli)的材料復(fù)合組成，結(jié)合鍵復(fù)雜。強度、剛度和耐蝕性比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越。 具有廣闊的發(fā)展前景。鈦基復(fù)合材料(f h ci lio)共三十三頁老師提示 工程材料按結(jié)合鍵分為四類： 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(f h ci lio) （由多種結(jié)合鍵組成）共三十三頁內(nèi)容摘要工程材料及應(yīng)用。短程有序的原子集團是不穩(wěn)定的，瞬時出現(xiàn)瞬時消失。各向異性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表現(xiàn)的性能也有差異。隨溫度的升高黏度減小，在液體和固體之間沒有明顯的溫度界限(jixin)。次量子數(shù) l能量水平不同的的亞殼