第一章 材料的原子结合方式及性能

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1、工程材料工程材料第一章第一章 材料的原子结合方式及性能材料的原子结合方式及性能工程材料工程材料1.1 固态物质的原子结合方式及结合键固态物质的原子结合方式及结合键1.2 工程材料的分类工程材料的分类1.3 材料的性能材料的性能章章 节节工程材料工程材料1.1 1.1 固态物质的原子结合方式及结合键固态物质的原子结合方式及结合键原子、分子或离子等粒子是构成材料的基本单元。原子、分子或离子等粒子是构成材料的基本单元。工程材料工程材料外观外观光泽光泽硬度硬度导电性导电性用途用途金刚石金刚石无色透明正无色透明正八面晶状体八面晶状体加工琢磨后加工琢磨后夺目光泽夺目光泽自然界中最硬自然界中最硬的物质的物质

2、无无钻头、切刀、刻钻头、切刀、刻刀、装饰品等刀、装饰品等石墨石墨深灰色鳞片深灰色鳞片状固体状固体略有金属光略有金属光泽泽最软矿物质之最软矿物质之一一良好良好电极、铅笔芯、电极、铅笔芯、润滑剂润滑剂决定材料性质最为本质的是材料的内在因素决定材料性质最为本质的是材料的内在因素金刚石金刚石石墨石墨工程材料工程材料性能性能内部构造内部构造原子种类和原子种类和数量数量原子的排列原子的排列方式和空间方式和空间分布分布成分成分组织组织结结构构1.1 1.1 固态物质的原子结合方式及结合键固态物质的原子结合方式及结合键工程材料工程材料晶体与非晶体晶体与非晶体特点：特点： 1）结构有序）结构有序（排列紧密、高对

3、称性）；排列紧密、高对称性）； 2）物理性质表现为各向异性；）物理性质表现为各向异性； 3）有固定的熔点；）有固定的熔点； 4）在一定的条件下有规则的几何外形；）在一定的条件下有规则的几何外形；金刚石金刚石晶体晶体固态下，原子或分子在空间上呈有序排列结构。固态下，原子或分子在空间上呈有序排列结构。工程材料工程材料特点：特点： 1）结构无序；）结构无序； 2）物理性质表现为各向同性；）物理性质表现为各向同性； 3）没有固定的熔点；）没有固定的熔点； 4）热导率和热膨胀性小；）热导率和热膨胀性小； 5）组成的变化范围大；）组成的变化范围大；玻璃玻璃晶体与非晶体晶体与非晶体非晶体非晶体原子无序排列的

4、结构。原子无序排列的结构。工程材料工程材料 晶体和非晶体间的相互转化晶体和非晶体间的相互转化 在某些条件下在某些条件下可以相互转化可以相互转化。金属液体在高速冷却的条件下，可以得到非晶态金属（金属金属液体在高速冷却的条件下，可以得到非晶态金属（金属玻璃）。玻璃）。玻璃经过适当处理可以形成晶态玻璃。玻璃经过适当处理可以形成晶态玻璃。 晶体和非晶体的两大性能区别晶体和非晶体的两大性能区别 晶体晶体非晶体非晶体熔点熔点固定熔点固定熔点熔化范围熔化范围方向性方向性各向异性各向异性各向同性各向同性晶体与非晶体晶体与非晶体工程材料工程材料硅表面原子排列硅表面原子排列 准晶体准晶体晶体与非晶体晶体与非晶体碳

5、表面原子排列碳表面原子排列 晶体晶体 非晶体非晶体 工程材料工程材料原子间的结合力与结合能原子间的结合力与结合能A工程材料工程材料晶体中结合键的类型晶体中结合键的类型化学键化学键物理键物理键工程材料工程材料 依靠正离子与构成电依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静子气的自由电子之间的静电引力而使各原子结合到电引力而使各原子结合到一起的方式。一起的方式。金属键与金属晶体金属键与金属晶体金属键金属键工程材料工程材料金属键示意图金属键示意图金属离子与金属原子最外层的自由电子结合形成。金属离子与金属原子最外层的自由电子结合形成。金属钠的晶体结构金属钠的晶体结构金属键与金属晶体金属键与金属晶体工程材料

6、工程材料方向性方向性：按照一定的方向形成作用力；：按照一定的方向形成作用力；饱和性饱和性：形成特定数目的作用力；：形成特定数目的作用力；金属晶体特点：金属晶体特点：导电性、导热性、延展性好，正导电性、导热性、延展性好，正的电阻温度系数，熔点较高，有金属光泽。的电阻温度系数，熔点较高，有金属光泽。绝大部分金属均以绝大部分金属均以金属键金属键结合。结合。金属键与金属晶体金属键与金属晶体金属键金属键无所谓饱和性和方向性无所谓饱和性和方向性。 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning工程材料工程材料原子结合：原子结合：电子共用，结合力大电子共用，结合

7、力大；共价晶体：共价晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、 脆性大、导电性差。如陶瓷材料。脆性大、导电性差。如陶瓷材料。共价键与原子晶体共价键与原子晶体共价键共价键有饱和性和方向性有饱和性和方向性。 工程材料工程材料原子间共用电子对形成。原子间共用电子对形成。共价键示意图共价键示意图金刚石结构金刚石结构共价键与原子晶体共价键与原子晶体工程材料工程材料原子结合：原子结合：电子转移，结合力大；电子转移，结合力大；离子晶体：离子晶体：硬度高，脆性大，熔点高、热胀系数小、导硬度高，脆性大，熔点高、热胀系数小、导电性差。电性差。 如如NaCl。离子键与离子晶体离子键与

8、离子晶体离子键离子键无饱和性和方向性无饱和性和方向性。 氯化钠结构氯化钠结构正负电荷相互吸引形成。正负电荷相互吸引形成。工程材料工程材料在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固在离子键结合中，由于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，所以典型的离子晶体是而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色透明无色透明的。的。 NaCl晶体晶体离子键与离子晶体离子键与离子晶体工程材料工程材料分子键分子键：分子偶极结合力分子偶极结合力（范德瓦尔力）（范德瓦尔力）分子晶体分子晶体：外层电子稳定的原子或分子之间通过偶极：

9、外层电子稳定的原子或分子之间通过偶极之间的库伦相互作用结合在一起的晶体。之间的库伦相互作用结合在一起的晶体。特点：弹性模量、强度、硬度、熔点均很低。特点：弹性模量、强度、硬度、熔点均很低。石墨石墨CH4分子晶体分子晶体分子键和分子晶体分子键和分子晶体He原子原子工程材料工程材料各种结合键比较各种结合键比较结合键结合键类型类型结构结构特点特点热力学性能热力学性能力学性能力学性能电学性电学性能能结合能结合能（KJ/mol）金属键金属键无方无方向性向性熔点范围，导热性好，熔点范围，导热性好，结晶温度范围宽结晶温度范围宽硬度、强度硬度、强度范围，塑性范围，塑性导电性导电性能好能好113-660共价键共

10、价键有方有方向性向性熔点高、熔点高、热膨胀系数小热膨胀系数小强度高、强度高、硬度大硬度大绝缘体绝缘体150-712离子键离子键无方无方向性向性熔点高、熔点高、热膨胀系数小热膨胀系数小强度高、硬强度高、硬度大、劈裂度大、劈裂性好性好绝缘体，绝缘体，溶体为溶体为导体导体586-1047分子键分子键有方有方向性向性熔点低、熔点低、热膨胀系数大热膨胀系数大强度、强度、硬度低硬度低绝缘体绝缘体2.11%)钢钢(C%2.11%)普通灰铸铁普通灰铸铁白口铸铁白口铸铁可锻铸铁可锻铸铁球墨铸铁球墨铸铁特殊性能铸铁特殊性能铸铁碳素钢碳素钢合金钢合金钢轻金属轻金属(密度小于密度小于3.5g/cm3，铝，铝(Al)、

11、镁、镁(Mg)、钠、钠(Na)、钙、钙(Ga) 重金属重金属(密度大于密度大于3.5g/cm3，铜，铜(Cu)、镍、镍(Ni)、锡、锡(Sn)、铅、铅(Pb)、锌、锌(Zn)贵金属贵金属(金金(Au)、银、银(Ag)、铂、铂(Pt)稀有金属稀有金属(钨钨(W)、钛、钛(Ti)、锂、锂(Li)、铍铍(Be)、钽、钽(Ta)稀土金属稀土金属(钪钪(Sc)、钇、钇(Y)、镧、镧(La)放射性金属放射性金属(镭镭(Ra)、铀、铀(U)、钍、钍(Tb)金属材料金属材料工程材料工程材料金属材料金属材料主主要要特特点点性能好性能好能获得优良的综合力学性能，特能获得优良的综合力学性能，特殊的物理、化学性能及满