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 1.3 金属的晶体结构
机械工程材料
第1章
工程材料的分类与键合方式
晶面族与晶向族
• (hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶 面。 • 指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和 晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和 <uvw>表示。
1.1 工程材料的分类
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第 1章
工程材料的分类与键合方式
学习要点：
1.1
1.2 1.3 1.4
工程材料的分类
材料的键合方式 金属的晶体结构 合金的相结构
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第1章
工程材料的分类与键合方式
学习要点：
1.1
1.2 1.3 1.4
工程材料的分类
材料的键合方式 金属的晶体结构 合金的相结构
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第1章
• 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。
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• 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。
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世博意大利馆透明混凝土
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工程材料的分类与键合方式
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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。
工程材料的分类与键合方式
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
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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
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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。
1.2 材料的键合方式
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工程材料的分类与键合方式
1. 金属键

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。
4
原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68
常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
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
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工程材料的分类与键合方式
2. 面心立方晶格
图1-5 面心立方晶格的晶胞示意图
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

溶质。

固溶体是合金的重要组成相,实际合金多是单相固溶
体合金或以固溶体为基的合金。

按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。
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
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（1）间隙固溶体
溶质元素原子处于溶剂元素原子组成的晶格空
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1.2 材料的键合方式
C
• 工程材料通常是固态材料， 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。
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1.1 工程材料的分类
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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。
常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
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• 锌合金水龙头 • 镁合金滚梯踏板
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1.3.5 合金的晶体结构

合金是由两种或两种以上的 金属元素或金属元素与非金 属元素通过冶炼等方法结合 而成的具有金属特性的物质。 所谓相是指金属或合金中凡 成分相同、结构相同，并与 其它部分有界面分开的均匀
1.1 工程材料的分类
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1.1.4 复合材料

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
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1.1 工程材料的分类
1.2 材料的键合方式
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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
1.1 工程材料的分类
1.2 材料的键合方式
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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。
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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
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1) 晶面指数
图1-2 常见晶面指数的确定示意图
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
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2）晶向指数
图1-3 常见晶向指数的确定示意图

1.1 工程材料的分类
1.2 材料的键合方式
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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。
黄铜

组成部分。

固态合金中的相分为固溶体 和金属化合物两类。
Al-Cu两相合金
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
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1. 固溶体

合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称固溶体。用、、表示。 与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称

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1.2 材料的键合方式 1.3 金属的晶体结构
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工程材料的分类与键合方式
立方晶系常见的晶向为：
100 : [100]、 [010]、 [001] 110 : [110]、 [101]、 [011]、 [1 10]、 [1 01]、 [0 1 1] 111 : [111]、 [1 11]、 [1 1 1]、 [111]

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1.2 材料的键合方式 1.3 金属的晶体结构
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1.3.4 三种常见的金属晶格类型
• 原子半径：晶胞中原子密度最 大方向上相邻原子间距的一半。 • 晶胞原子数：一个晶胞内所包 含的原子数目。 • 配位数: 晶格中与任一原子距 离最近且相等的原子数目. • 致密度：晶胞中原子本身所占 的体积百分数。
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面心立方晶格
晶格常数：a
2 = a 原子半径：r
4
原子个数：4
配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等
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1.2 材料的键合方式 1.3 金属的晶体结构
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工程材料的分类与键合方式
立方晶系常见的晶面为：
{100} : (100)、 (010)、 (001) {110} : (110)、 (101)、 (011)、 (1 10)、 (1 01)、 (0 1 1) {111} : (111)、 (1 11)、 (1 1 1)、 (111)
隙位置所形成的固溶体。
形成间隙固溶体的溶质元
素是原子半径较小的非金
属元素，如H、B、C、O、
N等。
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（1）置换固溶体

溶质元素原子取代了溶剂元素原子组成的晶格中某 些位置上的溶剂元素原子所形成的固溶体。
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1.3.2．晶格与晶胞
图1-1 晶格与晶胞
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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； • 晶胞在三维空间中重复 排列便可构成晶格和晶 体。 • 晶格尺寸（晶格常数 ）： a、b、c、α、β、γ；
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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
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3. 密排六方晶格
图1-6 密排六方晶格的晶胞示意图
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
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工程材料的分类与键合方式
密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，c/a=1.633 1 原子半径 ： r = a 2 原子个数：6
配位数： 12
致密度：0.74
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
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1.3.3．晶面和晶向表示法
晶面: 晶体中各方位上的原子面称晶面。 晶向: 各方向上的原子列称晶向。 晶面指数：表示晶面的符号称晶面指数。 晶向指数：表示晶向的符号称晶向指数。
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1.2 材料的键合方式 1.3 金属的晶体结构
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1. 体心立方晶格
图1-4 体心立方晶格的晶胞示意图
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1.2 材料的键合方式 1.3 金属的晶体结构
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工程材料的分类与键合方式
体心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c) 3 = a 原子半径：r