第0章緒論工程材料

栗慧機(jī)械工程材料常州工學(xué)院機(jī)電學(xué)院2

材料(Materials)是國民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。廣義的材料包括人們的思想意識(shí)之外的所有物質(zhì)(substance)

材料無處不在，無處不有

緒論工程材料：材料科學(xué)的實(shí)用部分主要闡述結(jié)構(gòu)材料的成分、組織、性能應(yīng)用的一般規(guī)律。3

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0.1我國材料的歷史進(jìn)程漫長而又曲折的歷程：5

石器時(shí)代(前400,000~4500)石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、

紡輪、缽等（西安半坡遺址）

石斧石器6

粘土燒制成陶器

瓷器東漢時(shí)期發(fā)明了瓷器。于9世紀(jì)傳到非洲東部和阿拉伯國家，13世紀(jì)傳到日本，十五世紀(jì)傳到歐洲。

陶器新石器時(shí)代(前6000年～前5000年)7

巨型司母戊鼎(河南安陽晚商遺址)青銅器時(shí)代(前5000年)青銅器8

湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍9

中國古代鐵器的金相組織湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤鐵器時(shí)代(前1200年)半導(dǎo)體材料的發(fā)展和微電子技術(shù)的提高，使CPU體積更小，性能更高，價(jià)格更便宜。

高分子時(shí)代半導(dǎo)體時(shí)代先進(jìn)陶瓷時(shí)代復(fù)合材料時(shí)代20世紀(jì)中葉以來，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，日新月異作為“發(fā)明之母”和“產(chǎn)業(yè)的糧食”的新材料研制更是異?；钴S“材料革命”的新時(shí)代

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古代科技名著：

“考工記”（先秦）

“夢溪筆談”（宋代沈括）

天工開物”（明代宋應(yīng)星）明代后：封建統(tǒng)治、帝國主義侵略束縛了材料的發(fā)展停滯狀態(tài)解放后：材料科學(xué)受到重視和發(fā)展，被列為現(xiàn)代技術(shù)三大支柱之一。一整套材料體系門類全齊數(shù)量質(zhì)量鋼鐵突破億噸大關(guān)世界第一原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星、火箭12

長征三號(hào)運(yùn)載火箭在發(fā)射架上的圖片寶鋼高爐材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。

材料的發(fā)展與人類社會(huì)簡圖龍芯聯(lián)想計(jì)算機(jī)沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)。

沒有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。

在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片波音客機(jī)沒有低消耗的光導(dǎo)纖維，也就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。

二十世紀(jì)七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。

前蘇聯(lián)在1957年把第一顆人造衛(wèi)星送入太空，令美國人震驚不已，認(rèn)識(shí)到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)建立了材料科學(xué)研究中心，并把約2/3大學(xué)的冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學(xué)系或材料科學(xué)與工程系。其涉及的材料由金屬擴(kuò)展到了陶瓷和高分子聚合物材料?？梢?，高技術(shù)需要先進(jìn)材料的支持。前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運(yùn)載火箭中華民族在人類歷史上為材料的發(fā)展和應(yīng)用作出過重大貢獻(xiàn)。早在公元前6000~5000年的新石器時(shí)代，中華民族的先人就能用黏土燒制成陶器，到東漢時(shí)期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。

4000年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時(shí)期，我國的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。

司母戊鼎河南安陽晚商遺址出土青銅鑄造高133厘米重875kg飾紋優(yōu)美越王勾踐劍春秋晚期越國青銅兵器出土于湖北江陵楚墓長55.7厘米劍鍔鋒芒犀利鋒能割斷頭發(fā)古代劍刃制造中的特殊技術(shù)梯度材料古已有之這是古代劍刃截面圖春秋戰(zhàn)國時(shí)代的青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分的青銅組成，是復(fù)合材料很好的例子黃石銅礦遺址春秋晚期礦井深達(dá)50m煉銅爐渣多達(dá)40萬噸實(shí)屬罕見我國從春秋戰(zhàn)國時(shí)期便開始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在《天工開物》一書中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝。這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。

生鐵炒熟鐵圖宋應(yīng)星鞍鋼攀鋼夜景新中國成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地。鋼產(chǎn)量由49年的15.8萬噸上升到現(xiàn)在的一億噸。

中國第一顆人造衛(wèi)星長征火箭大家族中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸原子彈、氫彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船的上天等都說明了我國在材料的開發(fā)、研究及應(yīng)用等方面有了飛躍的發(fā)展。中國的航天事業(yè)-“神舟”號(hào)飛船“神舟二號(hào)”飛船運(yùn)往發(fā)射工位“神舟”一號(hào)飛船

“神舟”一號(hào)發(fā)射成功“神舟”二號(hào)發(fā)射成功中國的航天事業(yè)-“神舟”號(hào)飛船“神舟”三號(hào)發(fā)射成功“神舟”四號(hào)發(fā)射成功“神舟”三號(hào)飛船

“神舟”四號(hào)飛船

中國的航天事業(yè)-“神舟”五號(hào)載人飛船楊利偉升空返回全人類共同的家園飛天返回艙1863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來。灰鑄鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的。1912年發(fā)現(xiàn)了X-射線對(duì)晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對(duì)固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。

Si表面的重構(gòu)圖象X-射線衍射儀1932年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m）

透射電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡

光鏡下電鏡下1934年位錯(cuò)理論的提出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的意義。

金屬鈦中的位錯(cuò)33

0.2工程材料的分類物質(zhì)都由一百多種元素組成原子—電子-原子核離子、原子或分子勢能(結(jié)合能)和動(dòng)能物質(zhì)的狀態(tài)取決于粒子之間的相互作用和它們的熱運(yùn)動(dòng)等離子態(tài)氣態(tài)液態(tài)固態(tài)超固態(tài)中子態(tài)0.2.1物質(zhì)的狀態(tài)34

0.2.2固體中的結(jié)合鍵原子、離子或分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。

離子鍵共價(jià)鍵化學(xué)鍵金屬鍵分子鍵物理鍵氫鍵35

一、離子鍵(Ionicbonding)多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物實(shí)質(zhì)：金屬原子→正離子非金屬原子→負(fù)離子特點(diǎn)：以離子為結(jié)合單元，正負(fù)離子相間排列，無方向性，無飽和性性質(zhì)：硬度高，強(qiáng)度大，熱膨脹系數(shù)小，但脆性大，良好電絕緣體離子鍵示意圖氯化鈉結(jié)構(gòu)36

二、共價(jià)鍵(Covalentbonding)亞金屬（C,Si,Sn,Ge），聚合物和無機(jī)非金屬材料實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子通過共用電子對(duì)而成特點(diǎn)：飽和性，配位數(shù)較小，方向性性質(zhì)：強(qiáng)度高，硬度高，脆性大，熔點(diǎn)高，沸點(diǎn)高和揮發(fā)性低，導(dǎo)電能力差共價(jià)鍵示意圖金剛石結(jié)構(gòu)37

三、金屬鍵(Metallicbonding)金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵實(shí)質(zhì)：金屬，最外層電子數(shù)很少→價(jià)電子→自由電子→電子云特點(diǎn)：電子共有化，既無飽和性又無方向性性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好金屬鍵示意圖鉬的結(jié)構(gòu)38

四、分子鍵(Vander

waalsbonding)實(shí)質(zhì)：分子偶極之間的作用力，無電子的得失，共（公）有化特點(diǎn)：屬物理鍵，次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能在很大程度上改變材料性質(zhì)性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較低，良好絕緣性分子鍵示意圖甲烷結(jié)構(gòu)39

1、金屬材料：黑色金屬、有色金屬2、高分子材料：有機(jī)合成材料，又叫聚合物。

ex:塑料、橡膠、合成纖維、膠粘劑

3、陶瓷材料：是由一種或幾種金屬材料同一種非金屬元素的化合物而制成的材料。

ex:無機(jī)玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷三類4、復(fù)合材料：由各種不同性質(zhì)的材料復(fù)合而成的材料。在強(qiáng)度、剛度和耐蝕性方面較優(yōu)越。0.2.3工程材料的分類40

工程材料金屬材料碳鋼合金鋼鋼鑄鐵有色金屬及合金高分子材料工程塑料合成纖維合成橡膠膠粘劑陶瓷材料普通陶瓷特種陶瓷復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料材料發(fā)展的歷程示意圖金屬材料以金屬鍵結(jié)合為主良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤用量最大、應(yīng)用最廣泛黑色金屬有色金屬—輕金屬,重金屬,貴金屬,稀有金屬

鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達(dá)10億噸，在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整個(gè)用材的60%以上。

帶材異形材板材管材金屬材料制品陶瓷材料以共價(jià)鍵和離子鍵為主熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆性大分為傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷三類傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、長石等)為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。

特種陶瓷又稱精細(xì)陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)高分子材料

以分子鍵和共價(jià)鍵為主塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小包括塑料、橡膠及合成纖維等

分子鍵共價(jià)鍵高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

烯丙酰氯-苯乙烯復(fù)合材料包括：金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料高分子復(fù)合材料

是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度最高的材料就是通過粉末冶金法制備的氧化物粒子彌散強(qiáng)化的鎳基合金復(fù)合材料。很多高級(jí)游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復(fù)合材料制成的，它們具有重量輕，彈性好，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)53

0.2.4本課程的性質(zhì)、目的和任務(wù)1、性質(zhì)：機(jī)類和近機(jī)類各專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。2、目的（1）掌握工程材料的基本理論