兰州交通大学：《工程化学》课程教学课件（PPT讲稿）第八章 化学与工程材料

维峰一入理时界 使用教材：许力等编著，《工程化学》， 兰州大学出版社 授课对象：非化学类各专业学生 主耕教师： 董文魁、许力、李静萍等

使用教材：许力等编著，《工程化学》，兰州大学出版社 授课对象：非化学类各专业学生 主讲教师：董文魁、许力、李静萍等

第八章化学与工程材料 材料是指经过某种加工（包括开采和运 输)，具有一定的组分、结构和性能，适合于 一 定用途的物质，它是人类生活和生产活动的 重要物质基础，一切工业过程都离不开材料， 在工程技术中应用的材料，通称工程材料

第八章 化学与工程材料 材料是指经过某种加工（包括开采和运 输），具有一定的组分、结构和性能，适合于 一定用途的物质，它是人类生活和生产活动的 重要物质基础，一切工业过程都离不开材料， 在工程技术中应用的材料，通称工程材料

第一节 材料性能的内在依据 材料的重要性和分类 分类的方法很多，按材料的化学组成分类是基本方法， 即根据材料的化学组成及结构，分为金属材料、无机非金属 材料和有机高分子材料三大类。各类材料在制备、性能和应 用上，都有许多共性。本章将对这三大类工程材料及由它们 组合的复合材料，分别进行讨论

第一节 材料性能的内在依据 一、材料的重要性和分类 分类的方法很多，按材料的化学组成分类是基本方法， 即根据材料的化学组成及结构，分为金属材料、无机非金属 材料和有机高分子材料三大类。各类材料在制备、性能和应 用上，都有许多共性。本章将对这三大类工程材料及由它们 组合的复合材料，分别进行讨论

二、材料的组成、结构与性能 材料的组成和性能 以化学观点看，所有的材料都是由己知的112种元素单质 和它们的化合物组成的。组成不同，便会得到物理、化学性 质迥异的物质，这是人们熟知的事实。材料内部某种或某些 化学成份在含量上的变化，引起材料性能变化的典型例子是 钢铁。钢铁的性质与其中碳含量密切相关。不含碳或含碳极 少(0.04%以下)的铁称熟铁，其质很软，不能作结构材料 使用。含碳量在2.0%以上时称铸铁，其质硬而脆。含碳量在 上述两者(0.7%~1.8%)之间，则称钢。钢兼有较高的强度 和韧性，因此在工程上获得广泛的应用，主要机器零部件和 工程结构都是由钢材制成的。与此相似，合金钢的性能是以 合金元素的一定含量为条件的

二、材料的组成、结构与性能 1. 材料的组成和性能 以化学观点看，所有的材料都是由己知的112种元素单质 和它们的化合物组成的。组成不同，便会得到物理、化学性 质迥异的物质，这是人们熟知的事实。 材料内部某种或某些 化学成份在含量上的变化，引起材料性能变化的典型例子是 钢铁。钢铁的性质与其中碳含量密切相关。不含碳或含碳极 少（0.04%以下）的铁称熟铁，其质很软，不能作结构材料 使用。含碳量在2.0%以上时称铸铁，其质硬而脆。含碳量在 上述两者（0.7％～1.8%）之间，则称钢。钢兼有较高的强度 和韧性，因此在工程上获得广泛的应用，主要机器零部件和 工程结构都是由钢材制成的。与此相似，合金钢的性能是以 合金元素的一定含量为条件的

2.化学键类型与材料性能 化学键类型是决定材料性能的主要依据，三大类工程材料 的划分，就是按各类材料起主要作用的化学键类型。 金属材料，以金属键为其中的基本结合方式，并以固溶体 和金属化合物合金形式出现。其特性如金属光泽、良好的导热 导电性，较高的强度、硬度和良好的机械加工性能。但金属材 料也表现出与金属相联系的两大缺点：①易受周围介质作用而 产生程度不同的腐蚀。尽管人们采取了各种防蚀措施，每年全 世界范围因腐蚀而损失的金属，仍数以千万吨计；②高温强度 差。因为温度升高，使金属中原子间距变大，作用力减弱，机 械强度迅速下降。一般金属及其合金的使用温度不超过1000℃。 因此，金属材料的应用受到限制

2. 化学键类型与材料性能 化学键类型是决定材料性能的主要依据，三大类工程材料 的划分，就是按各类材料起主要作用的化学键类型。 金属材料，以金属键为其中的基本结合方式，并以固溶体 和金属化合物合金形式出现。其特性如金属光泽、良好的导热 导电性，较高的强度、硬度和良好的机械加工性能。但金属材 料也表现出与金属相联系的两大缺点：①易受周围介质作用而 产生程度不同的腐蚀。尽管人们采取了各种防蚀措施，每年全 世界范围因腐蚀而损失的金属，仍数以千万吨计；②高温强度 差。因为温度升高，使金属中原子间距变大，作用力减弱，机 械强度迅速下降。一般金属及其合金的使用温度不超过1000℃。 因此，金属材料的应用受到限制

无机非金属材料多由非金属元素或非金属元 素与金属元素所组成。以离子键或共价键为结合 方式，以氧化物、碳化物等非金属化合物为存在 形式，因而具有许多独特的性能，如硬度大、熔 点高、耐热性好、耐酸碱侵蚀能力强，是热和电 良好的绝缘体。但存在脆性大和成型加工困难等 缺点，尚需进一步解决若干理论和技术问题，才 能扩大其应用范围

无机非金属材料多由非金属元素或非金属元 素与金属元素所组成。以离子键或共价键为结合 方式，以氧化物、碳化物等非金属化合物为存在 形式，因而具有许多独特的性能，如硬度大、熔 点高、耐热性好、耐酸碱侵蚀能力强，是热和电 良好的绝缘体。但存在脆性大和成型加工困难等 缺点，尚需进一步解决若干理论和技术问题，才 能扩大其应用范围

有机高分子材料（或称有机高聚物），主要是由以共 价键结合的烃及其衍生物以“大分子链”组成的聚合物为 基础的材料。这些“大分子链”长而柔曲，相互间以范德 华力结合，或以共价健相“交联”产生网状或体型结构： 或以线型分子链整齐排列而形成高聚物晶体。正是由于这 类化合物结构上的复杂性，赋予有机高分子材料多样化的 性能。它们质轻、有弹性、韧性好、耐磨、自润滑、耐腐 蚀、电绝缘性好，不易传热，成型性能好，其比强度（材 料的强度与密度之比)可达到或超过钢铁。因此，发展十 分迅速，应用日益广泛。这类材料的主要缺点是：

有机高分子材料（或称有机高聚物），主要是由以共 价键结合的烃及其衍生物以“大分子链”组成的聚合物为 基础的材料。这些“大分子链”长而柔曲，相互间以范德 华力结合，或以共价健相“交联”产生网状或体型结构； 或以线型分子链整齐排列而形成高聚物晶体。正是由于这 类化合物结构上的复杂性，赋予有机高分子材料多样化的 性能。它们质轻、有弹性、韧性好、耐磨、自润滑、耐腐 蚀、电绝缘性好，不易传热，成型性能好，其比强度（材 料的强度与密度之比）可达到或超过钢铁。因此，发展十 分迅速，应用日益广泛。这类材料的主要缺点是：

①结合力较弱、耐热性差，大多数有机高分子材料 的使用不超过200℃。 ②在溶剂、空气和光线作用下，易产生老化现象， 表现为变软发黏或变硬发脆，性能恶化。在选择、 使用材料时，必须注意这些主要特性

②在溶剂、空气和光线作用下，易产生老化现象， 表现为变软发黏或变硬发脆，性能恶化。在选择、 使用材料时，必须注意这些主要特性。 ①结合力较弱、耐热性差，大多数有机高分子材料 的使用不超过200℃

3.晶体结构与材料性能 晶体结构与物质性质的关系，已在第五章中讨论过。四 大晶体类型：离子、原子、分子和金属晶体的区分，主要是 从晶格结点上的粒子和化学健类型不同这两方面考虑的。 除晶体外，固体材料的另一大类是非晶体。近代研究指 出，非晶态的结构可用“远程无序、近程有序”来概括。由 此产生了非晶态固体材料的许多重要特性

3. 晶体结构与材料性能 晶体结构与物质性质的关系，已在第五章中讨论过。四 大晶体类型：离子、原子、分子和金属晶体的区分，主要是 从晶格结点上的粒子和化学健类型不同这两方面考虑的。 除晶体外，固体材料的另一大类是非晶体。近代研究指 出，非晶态的结构可用“远程无序、近程有序”来概括。由 此产生了非晶态固体材料的许多重要特性

4.结构缺陷与材料性能系 (1)点缺陷：是在晶格结点上的粒子和粒子间隙处产生的 偏离理想晶体的缺陷，是实际晶体中最常见、最简单的结构 缺陷

4. 结构缺陷与材料性能系 （1）点缺陷：是在晶格结点上的粒子和粒子间隙处产生的 偏离理想晶体的缺陷，是实际晶体中最常见、最简单的结构 缺陷