工程材料应用.

工程材料及应用多媒体教案ENGINEERINGMATERIALS五邑大学机电工程学院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。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。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。学习目标了解材料的原子结合方式、结合键及分类，掌握材料的性能的意义及指标和应用。第一节固态物质的原子结合键（一）、晶体与非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）液态金属中金属原子作不规则运动。在小范围内，原子会出现规则排列，称短程有序。短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。液态金属结构通常的固态金属属于晶体材料，金属原子规则排列，叫长程有序。固态金属结构金属从液态到固体晶态的转变称为一次结晶。简称金属结晶。原子排列：粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性的规则重复排列。长程有序特点：1.各向异性：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2.固定的熔点：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。晶体非晶体原子排列：粒子(原子、离子或分子)无规则的堆积。短程有序特点：1.各向同性；2.能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状的为液体；3.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。3.部分晶体常出现在高分子材料或复合材料中结晶度其中晶体所占的比例想一想：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？•原子的电子排列•薛定谔方程──电子在核外运动状态的变化规律，电子运动的轨道是由四个量子数所确定。•主量子数n︰确定电子离核远近和能级的高低。•次量子数l︰能量水平不同的的亚壳层。s,p,d,f•磁量子数m︰确定轨道的空间取向。–自旋量子数ms︰每个状态下存在自旋方向相反的两个电子。•服从二个基本原理︰包立不相容原理；最低能量原理原子的结构电子云、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、原子结合键的类型•原子间的结合力可根据强弱分成•一次键──金属键、共价键、离子键倚赖电子的转移或共享•二次键──范德华键和氢键（分子键）倚赖于原子之间的偶极吸引力各种工程材料是由各种不同的元素组成，由不同的原子、离子或分子结合而成。结合键原子、离子或分子之间的结合力。元素性质的周期性各个元素所表现的行为或性质一定会呈现同样的周期性变化，因为原子架构从根本上決定了原于间的结合键，从而影响元素的性质。实验数据已证实了这一点。1、金属键周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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有，叫自由电子，在正离子之间自由运动，形成电子云。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。这种结合方式就是金属键。金属键示意图钼的结构金属由金属键结合，金属具有下列特性：1.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。自由电子的活动性很强，金属离子振动作用导热。2.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投射到表面的光能。3.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。金属键没有方向性，受外力作用发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。二、共价键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，以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。由共用价电子对产生的结合键叫共价键。共价键示意图共享电子对●●Si晶体为共价晶体。一个4价的Si原子，与另外4个Si原子共享最外层电子。共价键的主要特点是具有饱和性和方向性。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、熔点高、沸点高和挥发性低。共价键的方向性Si原子相互结合的共价键之间形成固定的角度三、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，形成稳定的离子键。NaCl、MgO、Al2O3等由离子键组成。离子键特点：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。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。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。结合过程中没有电子的得失、共有或公有化。它们是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。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，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(F、O、N)相结合,形成氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。尼龙66的结构分子键特点：范德瓦尔斯力很弱，由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。因无自由电子，材料有良好的绝缘性。想一想：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？第二节工程材料的分类工程材料用于机械、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殊性能(如耐蚀、耐高温等)的材料。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，通常为金属晶体材料。（1）黑色金属铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)；（2）有色金属黑色金属以外的所有金属及其合金。金属材料想一想：结合工程实际，说说金属材料的实际应用。二、高分子材料高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。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。高分子材料耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热性较差。在工程上是发展最快的一类新型结构材料。根据机械性能和使用状态高分子材料分为三大类：塑料合成纤维橡胶高分子材料制品三、陶瓷材料陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素形成的化合物。非金属元素原子同金属原子化合时形成很强的离子键，也存在有一定成分的共价键。陶瓷材料属于无机非金属材料，主要为硅酸盐材料、金属氧化物、金属非氧化合物。陶瓷的硬度很高，但脆性很大。莫来石复相陶瓷四、复合材料复合材料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，结合键复杂。强度、刚度和耐蚀性比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越。具有广阔的发展前景。钛基复合材料老师提示工程材料按结合键分为四类：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（由多种结合键组成）