第1章工程材料的分类与键合方式
材料的结构
图 布拉菲点阵
图 简单三斜
图 体心立方
思考题
体心单斜点阵是不是一个新的点阵？
体心单斜点阵晶胞为ABCD-EFHG。 可以连成底心单斜点阵，其晶胞为JABD-KEFG
。
提示：空间点阵虽然只可能有14种，但晶体结构则是无 限多的。
图 结构相似的不同点阵
图 几种晶体结构的点阵分析 (a) γ-Fe (b) NaCl (c) CaF2 (d) ZnS
最强
金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力
分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
较强
无方向性键、配位数高、 塑性较好、有光泽、好 的导热、导电性
无方向性键、结构密堆、 高熔点、绝缘
最弱
思考题
为什么金属具有良好的塑性,而共价晶体一般硬而且脆?
图 金属的变形
图 共价键的断裂
§1.1.2 工程材料的键性
相之间的夹角。
2.晶面指数的标定 ①建立坐标系: 坐标原点的选取要便于
确定截距。
②求待定晶面在坐标系中的截距x、y、 z。 ③将截距求倒数1/x, 1/y, 1/z，并化为最 小正整数h、k、l，放入( )中。则(h k l)
• 离子键是没有方向性和饱和性的。
• 只要空间允许，一个阳离子周围都尽可能多地排列阴离子。 • 在NaCl晶体中，一个Na+周围等距离的只有 6个Cl-，是因为阴阳离子 半径 比例关系。 • 同样是碱金属的 Cs+ ，半径更大，因此一个Cs+周围等距离的Cl-就 可以有8个。 • 至于说方向性，因为阴阳离子可以看做一个刚性小球，与带异种电荷 的离子在任何方向上都有静电作用。 • 而不像共价键那样，必须按照一定的方向成键。 ‘ • 至于说晶体内部的离子的排列方式确定，还是与半径比有关， • 阴阳离子尽可能紧密排列，又受制于半径的大小比例，因此相互之间 的位置都是确定，不能随意排列 • 如CsCl中，8个Cl-形成正方体，Cs+填充其间的空隙，体对角线上的 Cl-和中心的Cs+是相切的
土建工程基础第一章工程材料
容重[kg/m3]
导热系数[W/（m·K）]
加气混凝土砌块 烧结实心砖 烧结多孔砖 蒸压灰砂砖 钢筋混凝土
400～700 1600 1200 1400 2300
0.12～0.18 0.81 0.43 0.44～0.64 1.75
1.1.3 工程材料的力学性质
(一) 强度
强度指材料抵抗外力破坏的能力，即材料达到破坏前所能承受的极限应力值。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度几种。
式中： ——体积吸水率，％； ——干操材料体积，cm3； ——水的密度， g/cm3 。
（2）吸湿性
吸湿性指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，以含水率表示。含水率是指材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比。
式中： ——材料的含水率，％； ——材料在干燥状态下的质量，g； ——材料含水状态下的质量，g。
硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。
物理作用：干湿变化、温度变化及冻融变化等
化学作用：酸、碱、盐等
生物作用：细菌、微生物等 材料的耐久性是指材料在长期使用过程中，抵抗周围环境各种介质的侵蚀，能长期保持材料原有性质的能力。
材料的含水率受环境影响，随空气的温度和湿度的变化而变化。当材料中的湿度与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。
3．耐水性
软化系数的范围波动在0～1之间。通常将软化系数大于等于0 .85的材料看作是耐水材料。
材料的耐水性是指材料长期在水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。材料耐水性用软化系数 表示。
工程材料中的原子排列
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1.1.1.5 氢键
它是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与
1.1.2 材料的分类
1.1.2.1 材料按化学组成（或基本组成）分类 1.1.2.2 根据材料的性能分类 1.1.2.3 材料按服役的领域来分类
高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。 按高分子材料来源分为天高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶
粘剂等。
4. 复合材料
复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的 材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增 强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材 料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力 （结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复
1.1.2.4 材料按结晶状态分类
按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半
导体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、
高温材料、超硬材料等。
按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电
材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、 声光材料、激光材料等。
按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、
晶向指数的意义：
立方晶格中几个重要的晶向
2. 晶面指数
晶面指数标定步骤如下： （1）在点阵中设定参考坐标系（原点不在待定晶面上），设 置方法与确定晶向指数时相同； （2）求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某轴 平行，则在此轴上截距为无穷大；若该晶面与某轴负方向相截， 则在此轴上截距为一负值； （3）取各截距的倒数； （4）将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该 晶面的指数，记为(hkl)。 晶面族：在晶体内晶面间距和晶面上原子的分布完全相同， 只是空间位向不同的所有晶面，以{hkl}表示，它代表由对称性 相联系的若干组等效晶面的总和。 遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。
第一章工程材料类型及金属的晶体结构
（b）致密度 致密度 K 等于晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，
即：
r 3a 4
K
nv V
2 4 r 3
3 a3
3 0.68
8
可见，体心立方结构的金属晶体中，有68%的体积为原子 所占据，其余32%为空隙体。Cr、Mo、W、V、Nb.
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
5.常见的金属晶格类型 （二）面心立方结构
► 缺点：目前性能高的价贵。
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1. 1. 3 原子间键合 一、离子键：正离子与负离子静电吸引产生的化
学结合力
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1. 1. 3 原子间键合 二、共价键：原子间共用电子对产生的化学结合力
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
1.1. 3 原子间键合 三、金属键：金属正离子与“自由电子气”静电吸
图1-6 密排六方晶胞
（a）钢球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数
第一章 工程材料类型及金属的晶体结构
5.常见的金属晶格类型
（三）密排六方结构 (Mg、Zn、-Co)
（1）点阵常数
正六边形边长a ，晶胞高度 c ; 理想轴比c/a=1.633
（2）原子
(1/6)×12 + (1/2) × 2+3 = 6
三个棱边作x、y、z三个坐标轴，以晶胞边长 （即晶格常数）作为晶轴长度的度量单位。
特别应当注意，坐标原点应选在待定晶面之外。 （2）求出特定晶面在三个坐标轴上的截距（如果晶面与某一坐标轴平
行，则其截距为∞），设分别为m、n、p。 （3）求出三个截距的倒数，并把它们化为最小的简单整数，即1/m、
1/n、1/p化为h=E/m，k=E/n，l=E/p，E为最小公倍数。 （4）将这组最小整数加上圆括号，并且不用标点分开各数，即得晶面
工程材料与机械制造基础第二版答案
工程材料与机械制造基础第二版答案第一章：工程材料的概述1.定义：工程材料是指用于制造各种工程产品和构件的原料，包括金属材料、非金属材料和合成材料。
2.金属材料分类：金属材料按照基本组织可分为晶体、多晶体和非晶体。
按照化学成分可分为金属元素和合金。
按照制备方式可分为熔炼和粉末冶金方法。
3.非金属材料分类：非金属材料包括陶瓷材料、高分子材料和复合材料。
陶瓷材料可分为无机非金属材料和有机非金属材料。
高分子材料是由高分子化合物制成的材料。
复合材料由两种或以上的基础材料组成。
4.合成材料分类：合成材料指人工合成的新材料，包括金属基复合材料、陶瓷基复合材料和高分子基复合材料。
第二章：金属材料的组织和性能1.金属的晶体结构：金属的晶体结构可分为体心立方结构、面心立方结构和六方最密堆积结构。
2.晶体缺陷：晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷包括金属原子的不可替代缺陷和可替代缺陷。
线缺陷包括位错和抱线。
3.金属的力学性能：金属的力学性能包括强度、硬度、韧性、可塑性和延展性等。
4.金属的热学性能：金属的热学性能包括热膨胀系数、热导率和比热容等。
第三章：金属材料的制备与加工1.金属的提炼和精炼：金属的提炼过程包括冶炼和精炼。
冶炼是将矿石中的金属氧化物还原为金属的过程。
精炼是去除金属中的杂质，提高金属纯度的过程。
2.金属的凝固：金属的凝固过程包括液相凝固、凝固过程中的晶体生长和固相变形。
3.金属的成形加工：金属的成形加工包括锻造、压力加工、热处理和冷加工等。
4.金属的热处理：金属的热处理包括退火、淬火、回火和时效等。
第四章：非金属材料的组织和性能1.陶瓷材料的组织和性能：陶瓷材料的组织包括晶体和非晶体结构，性能包括强度、硬度和热稳定性等。
2.高分子材料的组织和性能：高分子材料的组织包括聚合物链和结晶结构，性能包括高分子材料的强度、弹性和耐热性等。
3.复合材料的组织和性能：复合材料的组织包括增强相和基体相，性能包括强度、刚度和耐热性等。
《工程材料》第一章第二节 材料的结合方式及工程材料键性
要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。
下晶体和非晶体iO2的结构
非晶态
第二节 材料的结合方式 及工程材料键性
一 、结合键
● ●
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。
1. 离子键 正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们 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。NaCl、CaO、Al2O3等由离子键组成。
2. 共价键
由共用价电子对产生的结合键叫共价键。最具有代 表性的共价晶体为金刚石。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、沸点高和挥发性低。
3. 金属键
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。
二、工程材料的键性
1. 金属材料
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。
2. 陶瓷材料
存在有一定成分的共价键，但离子
键是主要的。
3. 高分子材料
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斯力。
三、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件
金属键无所谓饱和性和方向性。
金属键的特性
1. 良好的导电性和导热性。 2. 正的电阻温度系数。
绝大多数金属具有超导性，即 在温度接近于绝对零度时电阻 突然下降，趋近于零。
3.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
材料科学基础.第一章
3.标准投影图
以晶体的某个晶面平行于投影 面，作出全部主要晶面的极射投影 图称为标准投影图（图1.16）。立方 系中，相同指数的晶面和晶向互相 垂直，所以立方系标准投影图的极 点既代表了晶面又代表了晶向。
4.吴/乌氏网（Wulff net）
吴氏网是球网坐标的 极射平面投影，具有保 角度的特性，如右下图。
立方系 六方系
对复杂点阵(体心立方，面心立方等)，要考虑晶面层数的增加。 体心立方(001)面之间还有一同类的晶面（002），因此间距减半。
1.2.4 晶体的极射赤面投影
通过投影图可将立体图表现于平面上。晶体投影方法很多， 包括球面投影和极射赤面投影。 1.参考球与球面投影 将立方晶胞置于一个大圆球的中 心，由于晶体很小，可认为各晶面均 过球心。由球心作晶面的法线， 晶面法线与球面的交点称为极点，每 个极点代表一个晶面；大圆球称为 参考球，如图1.14所示。用球面上的 极点表示相应的晶面，这种方法称为 球面投影；两晶面的夹角可在参考球 上量出。
6.晶面间距
晶面族不同，其晶面间距也不同。通常低指数晶面的面间距 较大，高指数晶面的面间距较小；原子密集程度越大，面间距 越大。可用数学方法求出晶面间距：
d hkl ( d hkl d hkl 1 h 2 k l ) ( )2 ( )2 a b c a 正交系
h2 k 2 l 2 1 4 h 2 hk k 2 l ( ) ( )2 3 c a2
图1.12 六方系中的一些晶面与晶向
（2）用四轴坐标确定晶向指数的方法如下： 当晶向OP通过原点时，把OP沿四个轴分解成四个分量（由 晶向上任意一点向各轴做垂线，求出坐标值），可表示为 OP=u a1+v a2+l a3+w C 晶向指数用[u v l w]表示，其中t=-(u + v)。 原子排列相同的晶向属于同一晶向族。在图1.12中
工程材料第一章wu
工程材料第一章1.1 工程材料的概念工程材料是指在工程建设中用作建筑构件和工程设备制造所需材料的统称。
它们的种类、性能、用途大不相同，主要包括金属材料、非金属材料和复合材料等。
1.2 工程材料的分类1.2.1 金属材料金属材料是指具有金属特性的材料。
主要包括铁、钢、铜、铝、锌、镁、钛、铅、锡、金、银等常用的金属材料。
金属材料的特点是具有良好的导电、导热、塑性、韧性等性能，可用于制造各种类型的构件和零部件。
1.2.2 非金属材料非金属材料是指除金属以外的所有材料。
主要包括玻璃、陶瓷、塑料、橡胶、木材、纤维等。
不同种类的非金属材料具有不同的特性，如硬度、韧性、透明度、阻燃性等。
它们被广泛地应用于建筑、交通、电子、化工等领域。
1.2.3 复合材料复合材料是指两种或两种以上不同材料通过各种方法结合而成的材料。
复合材料通常具有很高的强度和刚度，同时可以降低材料的密度。
它们被广泛地应用于航空、汽车、体育器材等领域。
1.3 工程材料的应用工程材料的应用非常广泛，从建筑到交通，从电子到化工等等。
以下是其中一些应用范围的简介：1.3.1 建筑工程材料在建筑中的应用范围非常广泛。
例如，钢材、水泥、玻璃、木材等等都是建筑中常用的材料，它们被用来制造房屋的结构、墙体、窗户等等。
1.3.2 交通工程材料在交通领域也有广泛的应用，例如，汽车、火车、飞机等交通工具的制造都离不开各种金属、塑料等工程材料。
此外，道路、桥梁、隧道等交通建筑也需要大量的工程材料来建造。
1.3.3 电子在电子领域中，工程材料被用于制造电路板、元器件、电池等设备。
例如，半导体材料、导体材料、绝缘材料等等都是电子领域中重要的工程材料。
1.3.4 化工化工领域是工程材料的重要应用领域之一，例如，工程塑料、橡胶材料、高分子材料等等都被广泛地应用于化工生产中的制造设备、管道、容器等等。
1.4 工程材料的发展趋势随着科学技术的不断进步，工程材料的种类越来越多，性能越来越优越。
第1章工程材料的基本知识
第1章工程材料的基本知识第1章工程材料的基本知识主要内容：1.1金属材料1.2非金属材料的力学性能一、工程材料的种类：工程材料：金属材料、非金属材料和复合材料；1、金属材料：黑色金属、有色金属2、非金属材料：高分子材料、陶瓷材料3、复合材料：金属基复合材料、非金属基复合材料1、使用性能：力学性能、物理性能、化学性能；2、工艺性能：铸成性能、切削性能、冲压性能、焊接加工性能、热处理性能；二、工程材料的主要性能：1.1金属材料金属材料的力学性能也表示机械性能，指金属材料出外载荷1.1.1金属材料的力学性能促进作用下，其抵抗变形和毁坏的能力；特别注意：材料在相同的外部条件和载荷促进作用下，可以呈现相同的特性；例如：常温状态下和低、低温状态下金属材料的力学性能就不一样；静载荷和动载荷促进作用下金属材料的力学性能也不一样；常见的金属材料的力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等；1、强度和塑性(1)强度强度就是指金属材料出外(静)载荷促进作用下抵抗塑性变形和脱落的能力。
强度指标通常用单位面积所忍受的载荷(即力)则表示，符号为σ,单位为mpa。
工程中常用的强度指标存有屈服强度和抗拉强度。
屈服强度就是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的形变，或已经开始发生塑性变形时的最高形变值，用σs则表示。
抗拉强度就是指金属材料在拉力的促进作用下，被折断前所能够忍受的最小形变值，用σb则表示。
对于大多数机械零件(例如压力容器),工作时不容许产生塑性变形，所以屈服强度就是零件强度设计的依据；对于因脱落而失灵的零件(例如螺栓),而用抗拉强度做为其强度设计的依据。
(2)塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。
伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。
断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用表示。
伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。
材料科学基础第1章原子结构和键合
原子能量与原子间距的关系
1.2.5 结合键与性能 1.物理性能 熔点的高低代表了材料稳定性程度。共、离子键化合物的Tm较高。 密度与结合键有关。多数金属有高的密度，原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集排列 导热、导电性 2.力学性能 弹性模量与结合能有较好的对应关系。 强度 塑性
原子结构
原子结构(atomic structure) 原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。 原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。
核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauli principle)、Hund规则(Hund ’s rule)。
03
04
金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键
陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合
一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力
05
聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键
1.2.3 混合键 （补充）
1.2.4 结合键的本质及原子间距（补充） 原子间距：两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，两原子便稳定在此相对位置上，这一距离r0相当于原子间的平衡距。 把两个原子平衡距离下的作用能称为原子的结合能（E）。结合能的大小相当于把两原子分开所需做的功，E越大，原子结合越稳定。离子键、共价键的E最大；金属键的次之；范德华力的最小。
1.2.1 化学键（主价键、一次键） 1. 金属键(metallic bond) 1）自由电子—弥漫于金属正离子间 金属原子的外层电子数比较少，且各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。 2）定义：由金属正离子和自由电子之间互相作用所构成的键合称为金属键。 3）特点： 电子共有化，无饱和性，无方向性。 4）可以解释金属的一些特征：
814材料科学基础-第一章 原子结构与键合例题讲解
北京科技大学材料科学与工程专业814 材料科学基础主讲人：薛老师第一章 原子结构与键合典型例题讲解1.金属键（01,04年）答：解题思路：是什么？为什么？怎么样？（1）由金属中自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为为金属键。
其强弱和自由电子的多少、离子半径以及电子层结构等许多因素有关；（2）既无饱和性又无方向性，因而原子趋于与更多原子结合，形成低能量的密堆结构；（3）金属键在金属受外力时不易被破坏，因而使得金属具有良好的延展性；（4）公有化电子，且由于存在自由电子，因此金属导电、导热性良好；（5）密堆结构且相对原子质量大，因此金属密度较大。
2 离子键答：（1）金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起，这种结合力就是离子键。
（2）无饱和性、无方向性；（3）正负离子相间排列（4）大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键方式结合。
（5）离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固，因而导致离子晶体熔点和硬度较高；（6）离子晶体中很难产生自由电子，因此导热、导电性差3 结合键有哪几种？分别有什么特点？答：是由原子结合成分子或固体的方式以及结合力的大小。
结合键主要分为化学键和物理键两类。
（1）金属键。
特点：金属自由电子与正离子相互吸引；键能较强；无饱和性与方向性；导电导热性能好，熔点较高。
（2）离子键。
特点：正负离子相互吸引而成；键能很强；无饱和性与方向性；导电导热性能差，熔点、硬度很高。
（3）共价键。
特点：相邻原子的共用电子对结合而成；键能强，有饱和性和方向性；导电导热性差，熔点、硬度较高。
（4）范德瓦尔斯力。
特点：近邻原子间瞬时的电偶极矩作用；键能较弱，大小与相对分子质量有关；无饱和性和方向性；（5）氢键。
特点：氢原子核与相邻分子的引力作用；键能弱；有方向性和饱和性、是一种介于化学键和范德瓦尔斯力之间的键。
材料科学基础第一章
5）晶体中原子的堆垛方式
39
40
6）晶体结构的多晶型性
多晶型性:有些金属（如Fe， Mn，Ti，Co，Sn，Zr等） 固 态下在 不同温 度或不 同 范 围内具 有不同 的晶体 结 构的性质。 同素异构转变：多晶型的金属在温度或压力变 化时，由一种结构转变为另一种结构的过程称 为多晶型性转变，也称为同素异构转变。
晶胞－空间点阵中反映晶格特征的最小的几何 单元。
10
通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为 晶胞。 晶胞参数： 点阵常数晶胞大小 晶轴夹角晶胞形状
11
晶胞选取原则：
a 能够充分反映空间点阵的对称性；
b 相等的棱和角的数目最多；
c 具有尽可能多的直角；
d 体积最小。
12
结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分 的晶胞。 特点:空间重复堆垛，就得到晶体结构。
44
SiC型：类似于金刚石型 SiO2型：面心立方 点阵，1个硅原子 被4个氧原子所包 围，每个氧原子则 介于两个硅原子之 间，起着连接两个 四面体的作用。单 胞共有24个原子。
45
第三节 原子的不规则排列
原子的不规则排列产生晶体缺陷（在晶体中所 占比例低）。 晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现 不完整性的区域。 晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律 产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能 和物理化学变化有重要的影响。
53
2）螺型位错 screw dislocation
模型：滑移面//位错线。（位错线//晶体滑移方 向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位 错运动方向。） 分类：左螺型位错,右螺型位错。 左螺型位错和右螺型位错有着本质的区别。 无论位置如何摆放也不会改变其类型。 螺型位错特征：滑移方向//位错线
工程材料分类(整理).pptx
l）牌号中化学元素采用国际化学元素表示。 2）产品名称、用途、特性和工艺 方法等，通常采用代表该产品汉字的汉语拼音 的缩写字母表示。 3）钢铁产品 中的主要化学元素含量（％）采用阿拉伯数字表示。 合金结构钢的牌号按下列规则编制。数字表示含碳量的平均值。合金结构钢和弹 簧钢用二位数宇表示平均含碳量的万分之几，不锈耐酸钢和耐热钢含碳量用千分 数表示。平均含碳量＜0.1％（用“0”表示；平均含碳量＜0.03％，用“00” 表 示＝。合金工具钢平均含碳量＞1.00％时，不标合碳量，否则用千分数表示。 高 速工具钢和滚珠轴承钢不标含碳量，滚珠轴承钢标注用途符号“C”。平均 合金 含量＜1.5％者，在牌号中只标出元素符号，不注其含量。
1
学海无涯
（4）陶瓷材料。
（三）高分子材料 高分子材料种类很多，工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类： 1 塑料。分热塑性塑料和热固性塑料两种。 2 橡胶。 3 合成纤维。
（四）复合材料 复合材料就是用两种或两种以上不同材料组合的材料。
二、常用工程材料的性能和特点 （一）金属材料
1、黑色金属 含碳量小于 2．11％（重量）的合金称为钢，合碳量大于 2．11％（重量）的合 金称为生铁。 1 钢及其合金的分类。 钢的力学性能决定于钢的成分和金相组织。钢中碳的含量对钢的性质有决定性影 响。 在 工 程 中 更 通 用 的 分 类 为 ： l）按化学成分分 类。可分为碳素钢、低合金钢和合金钢。 2）按主要质量等 级分类： ①普通碳素钢、优质碳素钢和特殊质量碳素钢； ②普通低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢； ③普通合金钢、优质合金钢和特殊质量合金钢。
工程材料分类及三种晶格类型
根据材料尺寸：一维（纤维及晶须）、二维（薄膜）、三
请举出几个新材料的例子。
超纯硅、砷化镓、隐身材料、碳纤维
Engineering Materials
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0.1 材料与人类文明
人类的文明进程是依 据什么而划分的？
一、材料应用的发展是人类 发展的里程碑：
人们按照在使用中占主导地位的 材料划分历史：
石器时代→陶器→青铜器→铁器 →钢铁（资本主义大工业时期） →合成材料（20世纪）→复合 材料（20世纪40年代）……
Engineering Materials
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绪论
一、材料的结合键
金属
Way?
复合材料
材料
陶瓷
高分子
无机材料
有机材料
Engineering Materials
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0.2 工程材料的分类
根据材料组成：金属材料、无机非金属材料、有机高分子 材料（聚合物）、复合材料。
离子键示意图
氯化钠结构
离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高，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，所以离子晶
体都是良好的绝缘体。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，因而不吸收可见 光，所以典型的离子晶体是无色透明的。
2014-2-27
北京邮电大学自动化学院 李端玲
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一点学习方法
德国有一位著名的心理学家名叫艾宾浩斯 (Hermann Ebbinghaus，1850-1909)，他在 1885年发表了他的实验报告后，记忆研究就成 了心理学中被研究最多的领域之一，而艾宾浩 斯正是发现记忆遗忘规律的第一人。 根据我们所知道的，记忆的保持在时间上 是不同的，有短时的记忆和长时的记忆两种。 而我们平时的记忆的过程是这样的 。
第一章 工程材料中的原子排列课件
不依靠电子的转移 或共享，靠原子间 的偶极吸引力结合
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一次键 价电子转移或共用电子云
包括
离子键
价电子的转移 正负离子相互吸引 键合很强 无方向性 熔点高，硬度高 固态不导电 导热差
NaCl、CrO2、Al2O3
共价键
相邻原子 共用电子对 键合强 有方向性 熔点高，硬度高 不导电 导热性有好有差 金刚石、SiO2
金属键
自由电子为 所有阳离子共有 键合较强 无方向性
熔点、硬度有高有低
导电性好 导热性好
Fe、Al、Cu、Hg
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二次键 原子间的偶极吸引力结合
包括
分子键
分子或分子团的 弱电性相互吸引 键合很弱 无方向性 熔点低、硬度低 不导电 导热性差 塑料、石蜡
氢键
类似分子键 氢原子起关键作用
键合弱 有方向性 熔点、硬度低 不导电 导热性好 水、冰、DNA
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总目的
有效使用现有材料，发展新型材料
需要
了解决定材料性能的本质（内在）因素
即
了解材料内部的微观结构
首先掌握
本章目的 晶体结构——键合、原子排列方式及相互作用
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材料的性能
取决于
内部结构包括
显微组织
晶 体
包括
非晶体
完整
不完整
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原子键合
分为
一次键
即
二次键
即
价电子转移或 共用电子云达 到稳定结构
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陶瓷材料 ——— 共价键＋离子键
天然蓝宝石 MgSO4晶须
Al2O3晶体
蓝宝石头罩
镁铝尖晶石MgAl2O4
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2. 两种或多种键合独立存在
气体 ——分子内为共价键，分子间为分子键 高分子材料 ——分子内为共价键，分子间为分子键或氢键
(戴)第1章 材料的结构
单斜晶系
a≠b≠c， a≠b≠c，α＝γ＝90°≠β 90°
三斜晶系
a≠b≠c， 90° a≠b≠c，α≠β≠γ≠ 90°
7、布拉菲（A.Bravais)点阵 布拉菲（A.Bravais)点阵 ——14 14种空间点阵 ——14种空间点阵
简单三斜
简单单斜
底心单斜
简单正交
底心正交
体心正交 面心正交
表：物质的键能与熔融温度
材料 键的类型
结合能 kJ/mol
熔点 ℃
MgO NaCl C SiC Al Cu Fe
离子键 离子键 共价键 共价键 金属键 金属键 金属键
1000 640 713 1230 324 339 406
2800 800 >3500 2600 660 1083 1538
1.2 晶体学基础
1、空间点阵 、
2、晶格 、
将点阵用一系列平行的直线连接起 构成的空间格架。 来，构成的空间格架。
3、晶胞 、
从晶格中选取一个能完全反映晶格特征的 基本单元作为点阵的组成单元， 基本单元作为点阵的组成单元，这种最小 的几何单元称晶胞。 的几何单元称晶胞。
材料科学基础
第一章
空间点阵 空间点阵与晶胞
晶胞
4、晶胞大小和形状表示方法 晶胞的棱边长度ａ 晶胞的棱边长度ａ、ｂ、ｃ，称为点阵常数、晶格常数； 称为点阵常数、晶格常数； 棱边的夹角为α 棱边的夹角为α、β、γ（称为晶轴间夹角）。 称为晶轴间夹角）
z
y x
5、选取晶胞的原则 ①应反映出点阵的高度对称性； 应反映出点阵的高度对称性； ②棱和角相等的数目最多； 棱和角相等的数目最多； ③棱边夹角为直角时，直角数目最多； 棱边夹角为直角时，直角数目最多； ④晶胞体积最小。 晶胞体积最小。
第一章工程材料的分类与性能PPT课件
蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特种陶
瓷和金属陶瓷三类
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陶瓷材料
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高聚物材料
以分子键和共价键为主
塑性、耐蚀性、电绝缘 性、减振性好，密度小
包括塑料、橡胶及合成
纤维等
共价键
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高聚物材料
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复合材料
是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以 微观或宏观的形式组合
标准锉刀：其形状、大小、刀纹都应当一致，每两把锉 刀相差5HRC。如果工件能被55HRC的锉刀锉削，而不 能被50HRC的锉刀锉削，便可确定该工件的硬度在 50HRC～55HRC之间。
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5) 超声波硬度 是用一根镶有金刚石锥体压头 的超声波传感器杆，在固定试验力作用下与试 件接触，压头压入试件后，杆的谐振频率发生 改变，通过测量传感器杆谐振频率的变化即可 测定试样硬度。
承受的最大应力值。
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说明：
机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所 以屈服强度是大多数机械零件设计时选材的主要依 据也是评定金属材料承载能力的重要机械性能指标。 材料的屈服强度越高，允许的工作应力越高，零件 所需的截面尺寸和自身重量就可以较小。
屈服强度与抗拉强度的比值σS/σb称为屈强比。屈 强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载或某 些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但屈 强比过小，则材料强度的有效利用率太低。
在一起而形成的材料。 包括：
金属基复合材料
陶瓷基复合材料
高分子复合材料
玻璃纤维增强高分子复合材料
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复合材料
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材料的性能
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括 力学性能、物理性能和化学性能。
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第1章 工程材料的分类与键合方式
1.3.2．晶格与晶胞
图1-1 晶格与晶胞
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式 1.3 金属的晶体结构
第1章 工程材料的分类与键合方式
晶胞
• 晶格中能代表晶体原子 排列规律的最小几何单 元称为晶胞；
1.1 工程材料的分类
1.1.1 金属材料 金属材料是以金属键结合为主的材 料，具有良好的导电性、导热性、延 展性和金属光泽。
金属材料分为黑色金 属和有色金属两类 。
1.1 工程材料的分类
金属材料
• 有色金属有许多优良的物理、化学、低温、 断裂等性能，已成为现代工业中非常重要 的材料。主要包括铝及铝合金、镁及镁合 金、锌及锌合金、铜及铜合金、钛及钛合 金，以及镍、铌、钽、贵金属材料(金、银、 铂)等
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
ห้องสมุดไป่ตู้ 第1章 工程材料的分类与键合方式
4. 分子键
分子键又叫范德瓦尔斯键，是最弱的一种结合 键。它是靠原子各自内部电子分布不均匀产生 较弱的静电引力，由这种分子力结合起来的键 叫做分子键。
由于结合力很弱，因而由分子键结合的固体材 料的熔点和硬度都比较低。因无电子存在，都 是良好的绝缘材料。
第1章 工程材料的分类与键合方式
1.1.2．陶瓷材料
陶瓷材料属于无机非金属材料，是以共价键和离子键结合 为主的材料，其性能特点是熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大。 陶瓷材料分为传统陶瓷（普通陶瓷）、特种陶瓷（精细
陶瓷）和金属陶瓷三类 。
1.1 工程材料的分类
世博意大利馆透明混凝土
第1章 工程材料的分类与键合方式
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
第1章 工程材料的分类与键合方式
3. 共价键
• 共价键是一种强吸引力的结合键。当两个相同 原子或性质相近的原子接近时，价电子不会转 移，原子间借共用电子对所产生的力而结合， 形成共价键。
• 通过共价键结合的材料同 样具有强度高、 熔点高、 脆性大的特点，其导电性 依共价键的强弱不同。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
第1章 工程材料的分类与键合方式
1.3 金属的晶体结构
1.3.1．晶体与非晶体
➢ 晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下 金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向 异性。
➢ 非晶体是指原子呈无序排列的固体。
➢ 在一定条件下晶体 和非晶体可互相转 化。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式 1.3 金属的晶体结构
1.1.3 高分子材料
高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物，是以分子键 和共价键结合为主的材料。 高分子材料具有塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好及 密度小等优良性能。 工程上使用的高分子材料主要包括
塑料、橡胶及合成纤维等。
1.1 工程材料的分类
第1章 工程材料的分类与键合方式
1.1.4 复合材料
1. 金属键
第1章 工程材料的分类与键合方式
周期表中I、Ⅱ、Ⅲ族元素的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,这些公有化的电子叫 做自由电子，它们在正离子之间自由运动，形成所谓电 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。
第1章 工程材料的分类与键合方式
2. 离子键
当元素周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素 原子相接近时，正电性原子失去外层电子变为正离子，负 电性原子获得电子变为负离子。正负离子通过静电引力互 相吸引，当离子间的引力与斥力相等时就形成稳定的离子 键。
离子键结合的材料强度高、 硬度高、熔点高、脆性大， 都是良好的绝缘体，无色透 明。
• 以碳的两种自然形态(石墨与金刚石)说明键合方式的差异如何直接反 映到材料的性质上来。金刚石是纯共价键晶体，有极高硬度，对电、 热的绝缘性很好，具有三维立体结构。石墨同是纯碳元素的固态形式， 却具有层状结构，为六方排列的层(或片)，每一层内的每一个碳原于 以3个电子与邻近的3个碳原子以共价留结合，另一个价电子则为该层 内所有碳原子所共有，形成全属键；层与层之间则以范德华力相互作 用。因此，石墨的碳原子层具有非定域电子，电子在层内是容易移动 的，然而层间却不易。石墨具有一定的金属性质，当然石墨的导电性 是沿层间进行的，具有明显各向异性。由于键合方式的不同带来它们 力学性能的巨大差异，金刚石可作刀具材料。石墨可用作润滑材料。
第1章 工程材料的分类与键合方式
1.2 材料的键合方式
C
• 工程材料通常是固态材料，
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是由各种原子通过原子、离
子或分子结合的特定组合而成的。
• 原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。
• 根据结合力的强弱，可以把结合键分为强键（离子键、 共价键及金属键）和弱键（分子键）两类。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
第1章 工程材料的分类与键合方式
金属由金属键结合，具有下列特性：
①良好的导电性和导热性。 ②正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。 ③金属不透明并呈现特有的金属光泽。 ④金属具有良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
复合材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料 以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。
复合材料分为金属基复合材料、 陶瓷基复合材料和聚合物基复合 材料。
1.1 工程材料的分类
• 不同的材料具有不同的性能。它们所表现的 性能差异，是由其内部原子的结合方式和排 列结构所决定的。作为工程技术人员，要了 解机械工程材料的性能并合理使用材料，要 掌握其性能特点，就必须从本质上了解它们 的内部结构及其在外界条件（如加热、冷却 等）影响下的基本变化规律。
第1章 工程材料的分类与键合方式
学习要点：
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式 1.3 金属的晶体结构 1.4 合金的相结构
第1章 工程材料的分类与键合方式
学习要点：
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式 1.3 金属的晶体结构 1.4 合金的相结构
第1章 工程材料的分类与键合方式