本次课内容 00课程概述 0 0.1材料的结合键 ●0工程材料的分类 离子键 共价键 金属 分子 氢键 键 1材料的结构与性能 0.2工程材料的分类 1.1金属材料的结构与组织 1.1.1 纯金属的晶体结构 晶格、晶面、晶向等概念 三种常见的金属晶体结构 立方晶系晶面、晶向的求法 实际晶体中的三种晶体缺陷 晶体缺陷对晶体性能的影响
1.1.1 纯金属的晶体结构 晶格、晶面、晶向等概念 三种常见的金属晶体结构 立方晶系晶面、晶向的求法 实际晶体中的三种晶体缺陷 晶体缺陷对晶体性能的影响 00 课程概述 0 工程材料的分类 0.1 材料的结合键 0.2 工程材料的分类 本次课内容 1 材料的结构与性能 离 子 键 共 价 键 金 属 键 分 子 键 氢 键 1.1 金属材料的结构与组织
What is Materials Science and Engineering? Performance or Properties to Cost Ratio Synthesis and Composition Processing Macro-Seale Structure Engine Block ≡upto1 meter Performance Criteria ·Power generated Micrastructure .Efficiency Grains Cnit Cell Durability 兰1-10 millimeters 5m -Cost Properties affected Microstructure ·High cycle fatigue -Dendrites Phases ·Ductility =50-500 micrometers Nano-structure Properiies affected -Precipitates Essentials of Materials ·Yield strength 兰3-100 nanometers 50 Ultimate tensile strength Science and Engineering ·High cycle fatigue ·Low cyele fatigue Properties affected ·Thermal Growth ·Yield strength Atomie-seale structure DonaldR.Askeland Ductility Ultimate tensile strength =1-100 Angstroms ·Low cycle fatigue Property affected Pradeep P.Phule Ductility .Young's modulus .Thermal Growth A real-world example of important microstructural features at different length-scales,resulting from the sophisticated synthesis and processing used,and the properties they influence.The atomic,nano,micro,and macro-scale structures of cast aluminum alloys(for engine blocks)in relation to the properties affected and performance are shown.The materials science and engineering (MSE)tetrahedron that represents this approach is shown in the upper right corner. (Illustrations Courtesy of John Allison and William Donlon,Ford Motor Company)
Ⅰ— 工程材料 Ⅱ— 机械制造技术 Ⅲ— 公差与配合 从机械工程的应用角度出发，阐明机械工程材料的 基本理论，了解材料的成分、工艺、组织与性能之间的 关系，介绍常用机械工程材料及其应用等基础知识。 在掌握机械工程材料的基本理论及基础知识的基础 上，具备根据机械零件使用条件和性能要求，对结构零 件进行合理选材及制订零件工艺路线的初步能力。 工程材料 课程任务(理论知识) 课程目的(应用能力) 00 课程概述 Essentials of Materials Science and Engineering Donald R. Askeland Pradeep P. Phulé
0绪论工程材料的分类 0.1材料的结合键 。化学键 结合键：在固体状态下， 当原子（离子或分子） 1、离子键 聚集为晶体时，原子 (离子或分子)间产生 2、共价键 较强的结合力称为结合 键。 3、金属键 物理键 化学键：由电子运动使 原子产生聚集的结合力。 4、分子键 物理键：聚集过程中不 发生电子运动的结合力。 5、氢键
结合键：在固体状态下， 当原子（离子或分子） 聚集为晶体时，原子 （离子或分子）间产生 较强的结合力称为结合 键。 化学键：由电子运动使 原子产生聚集的结合力。 物理键：聚集过程中不 发生电子运动的结合力。 0.1 材料的结合键 化学键 物理键 2、共价键 1、离子键 3、金属键 4、分子键 5、氢键 0 绪论 工程材料的分类
0.1材料的结合键 1离子键(ionic bond) 。正电性强的原子和负电性强 因电子交换而出现正、负离 相互吸引，直到被斥力所平《 离子键的特性：没有饱和性与方向性。力很大 由离子键结合而成的晶体为离子晶体。 ○离子晶体的特性：强度高、硬度高、脆性大、 导电性差、热膨胀系数小、无色透明。 典型的离子键晶体：NaCl
离子键的特性：没有饱和性与方向性。力很大 1 离子键 (ionic bond) 正电性强的原子和负电性强的原子接触时， 因电子交换而出现正、负离子，正、负离子 相互吸引，直到被斥力所平衡，形成离子键。 由离子键结合而成的晶体为离子晶体。 典型的离子键晶体：NaCl 离子晶体的特性：强度高、硬度高、脆性大、 导电性差、热膨胀系数小、无色透明。 0.1 材料的结合键
0.1材料的结合键 10928 2共价键(covalent bond) 5×101 元素周期表中三、四、五价 元素之间的原子形成晶体时 0 子被其周围的原子所共有， 子对产生的结合键，叫共价 ○共价键的特性：强烈的饱和性与方向性。 ○由共价键结合而成的晶体为共价晶体。 ○共价晶体的特性：强度高、硬度高、脆性大 、 导电性差、熔点高、沸点高、挥发性低。 典型的共价键晶体：金刚石
2 共价键 (covalent bond) 共价键的特性：强烈的饱和性与方向性。 由共价键结合而成的晶体为共价晶体。 典型的共价键晶体：金刚石。 共价晶体的特性：强度高、硬度高、脆性大 、导电性差、熔点高、沸点高、挥发性低。 元素周期表中三、四、五价元素本身或相邻 元素之间的原子形成晶体时，原子上的价电 子被其周围的原子所共有，这种由共用价电 子对产生的结合键，叫共价键。 0.1 材料的结合键
0.1材料的结合键 3金属键(metallic)★ ●周期表中I、Ⅱ、Ⅲ族元 失去。当这样原子聚集为 被全体原子所公有而形成 正离子间相互吸引所产生 ●金属键的特性：没有饱和性与方向性。 ●由金属键结合而成的晶体为金属晶体。 ○金属晶体的特性： 良好的导电、热性和塑性，吸收 可见光，不透明，有金属光泽，正的电阻温度系数。 典型的金属键晶体：金属钠
周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素，其原子的价电子易 失去。当这样原子聚集为固体时，丢失的价电子 被全体原子所公有而形成自由电子气，电子气与 正离子间相互吸引所产生的结合力，称为金属键 金属晶体的特性：良好的导电、热性和塑性，吸收 可见光，不透明，有金属光泽，正的电阻温度系数。 金属键的特性：没有饱和性与方向性。 由金属键结合而成的晶体为金属晶体。 典型的金属键晶体：金属钠。 3 金属键 (metallic ~) 0.1 材料的结合键
0.1材料的结合键 4分子键(van der Waals bond) Johannes Diderik van der Waals 。原子或分子在结合过程中没有电子的 或公有化，结合力为很弱的范德华力， C02晶体 ●范德华力：分子偶极间的结合力。 ○取向力：极性分子永久偶极间的吸引力 ○诱导力：极性分子与非极性分子诱导偶极产生的吸引力 ○色散力：非极性分子的瞬时偶极产生的吸引力 ●分子键的特性：力很小，没有方向性和饱和性。 ③分子晶体的特性：熔点低，硬度低，绝缘性好。 ○典型的分子晶体：固体C02和H等
4 分子键(van der Waals bond) 原子或分子在结合过程中没有电子的得失、共有 或公有化，结合力为很弱的范德华力，即分子键。 范德华力：分子偶极间的结合力。 色散力：非极性分子的瞬时偶极产生的吸引力 诱导力：极性分子与非极性分子诱导偶极产生的吸引力 取向力：极性分子永久偶极间的吸引力 分子键的特性：力很小，没有方向性和饱和性。 分子晶体的特性：熔点低，硬度低，绝缘性好。 0.1 材料的结合键 典型的分子晶体：固体CO2 和H2等。 CO2 晶体 Johannes Diderik van der Waals
2013年11月22日，裘晓辉研究员 0.1材料 及其团队世界上首次观察到的氢键 氢 ○在 的 房 水分子间的氢键 带正电，因此可被相邻 分子中的价电子吸引。 氢键 这种吸引力即为氢键。 氢键是结合力较大、有方向性和饱和性分子键。 氢键的特性：结合力比化学键小，比分子键大
5 氢键 (hydrogen bond) 氢键的特性：结合力比化学键小，比分子键大。 氢键是结合力较大、有方向性和饱和性分子键。 0.1 材料的结合键 O H H O H H O H H 氢键 水分子间的氢键 在C-H、O-H或N-H共价键 的端点，共价电子偏离H 原子端点，使H原子端点 带正电，因此可被相邻 分子中的价电子吸引。 这种吸引力即为氢键。 2013年11月22日，裘晓辉研究员 及其团队世界上首次观察到的氢键
● 0.2工程材料的分类 Aerospace C-C composites SiO2.Am orphous silicon,Al-alloys. Structura Biomedical Steels, Hydroxyapatite Aluminum alloys. Titanium alloys. Concrete. Stainless steels Fiberglass Shape-memory Plastics,Wood alloys.Plastics. PZT Smart Electronic Materials Materials PZT. Si,GaAs,Ge Ni-Ti shape- Classification of BaTiO3.PZT. memory alloys. Functional Materials YBazCu3O-Al. MR fluids, Cu,W.Conducting Polymer gels polymers Optical Energy Materials Technology and Environmental SiO2,GaAs, UO2.Ni-Cd,ZrO2. Glasses,Al2O3. Magnetic YAG.ITO LiCoO2.Amorphous Materials Si:H Fe,Fe-Si,NiZn and MnZn ferrites Co-Pt-Ta-Cr, Y-Fe203 Figure 1-6 Functional classification of materials.Notice that metals,plastics,and ceramics occur in different categories.A limited number of examples in each category are provided
有色金属及其合金 金属基复合材料 高分子材料 金属材料 陶瓷材料 复合材料 铸铁 钢 工程塑料 合成纤维 合成橡胶 粘结剂 非金属基复合材料 普通陶瓷 特殊陶瓷 0.2 工程材料的分类
1材料的结构与性能 1.1金属材料的结构与组织 ○材料的性能决定于其化学成分和其内部的结构组织。 质点排列有规律 ●晶体 ○固体材料 (Crystals) 恒定的熔点 ●非晶体 质点排列无规律 (Non-crystals) 熔点有一个范围 ○固态金属一般情况下均为晶体。 ○液晶是晶体吗？
1.1 金属材料的结构与组织 材料的性能决定于其化学成分和其内部的结构组织。 固体材料 晶体 （Crystals） 非晶体 （Non-crystals） 质点排列有规律 恒定的熔点 质点排列无规律 熔点有一个范围 1 材料的结构与性能 固态金属一般情况下均为晶体。 液晶是晶体吗？