工程材料課件(清華)

緒論前

言

工程材料課程是高等院校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)十分重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。

課程的任務(wù)是從機(jī)械工程的應(yīng)用角度出發(fā)，闡明機(jī)械工程材料的基本理論，了解材料的成分、加工工藝、組織、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；介紹常用機(jī)械工程材料及其應(yīng)用等基本知識(shí)。課程的目的是使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，在掌握機(jī)械工程材料的基本理論及基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，具備根據(jù)機(jī)械零件使用條件和性能要求，對(duì)結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行合理選材及制訂零件工藝路線的初步能力。由于能源、材料和信息是現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，學(xué)習(xí)并掌握工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于工科院校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生是十分必要的。

緒論第1章材料的結(jié)構(gòu)與性能第2章金屬材料組織和性能的控制第3章金屬材料第4章高分子材料第5章陶瓷材料第6章復(fù)合材料第7章功能材料第8章機(jī)械零件的失效與選材原則第9章典型工件的選材及工藝路線設(shè)計(jì)第10章工程材料的應(yīng)用課程目錄緒

論內(nèi)容提要介紹中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)、新材料新工藝的發(fā)展現(xiàn)狀。根據(jù)結(jié)合鍵對(duì)工程材料進(jìn)行分類(lèi)，一般介紹各類(lèi)材料的性能特點(diǎn)。

學(xué)習(xí)目標(biāo)了解材料的結(jié)合鍵，了解各類(lèi)工程材料的性能特點(diǎn)。0.1

中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)

材料是人類(lèi)用來(lái)制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類(lèi)生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展伴隨著材料的發(fā)明和發(fā)展。材料的發(fā)展歷史石器—陶器—青銅器—鐵器—高分子材料—復(fù)合材料0.1.1中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)一、石器的制造和使用在人類(lèi)的發(fā)展史上，最先使用的工具是石器。中華民族的祖先用堅(jiān)硬的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石鋤。石器

二、陶器與瓷器的發(fā)明和使用

新石器時(shí)代(公元前6000年～公元前5000年)，中華民族的先人們用粘土燒制成陶器。甘肅馬家窯文化時(shí)期的陶器表面彩繪條帶紋、波紋和舞蹈紋等，制品有炊具、食具、盛儲(chǔ)器皿等。陶器

瓷器——中國(guó)文化的象征最早生產(chǎn)瓷器的國(guó)家。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(guó)家，13世紀(jì)傳到日本，15世紀(jì)傳到歐洲。瓷器成為中國(guó)文化的象征，對(duì)世界文明產(chǎn)生了極大的影響。

中國(guó)瓷器暢銷(xiāo)全球，名譽(yù)四海。瓷器

三、我國(guó)勞動(dòng)人民創(chuàng)造了燦爛的青銅文化

夏朝(公元前2140年始)以前我國(guó)青銅的冶煉就開(kāi)始。

殷、西周時(shí)期已發(fā)展到很高的水平。制造各種工具、食器、兵器。

●從河南安陽(yáng)晚商遺址出土的司母戊鼎重8750N,長(zhǎng)1.33m、寬0.78m、高1.10m。是迄今世界上最古老的大型青銅器。司母戊鼎兵器

●從湖北隋縣出土的戰(zhàn)國(guó)青銅編鐘共計(jì)六十四枚，分三層懸掛。造型壯觀、音頻準(zhǔn)確。鑄造精美，音律齊全，音域?qū)拸V，音色和美，樂(lè)律銘文珍貴。是我國(guó)古代文化藝術(shù)高度發(fā)達(dá)的見(jiàn)證。

編鐘

●世界上最古老的青銅成分的文字記載春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期《周禮·考工記》：六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊(劑）；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒燧之齊。我們的祖先已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了青銅的成分、性能與應(yīng)用之間的密切關(guān)系。

四、鐵器的生產(chǎn)和應(yīng)用

●青秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前770年～公元前221年)開(kāi)始大量使用鐵器。

從興隆戰(zhàn)國(guó)鐵器遺址中發(fā)掘出了澆鑄農(nóng)具用的鐵模。冶鑄技術(shù)已由泥砂造型水平進(jìn)入鐵模鑄造的高級(jí)階段。

●西漢時(shí)期煉鐵技術(shù)提高采用煤作為煉鐵的燃料，比歐洲早1700多年。在河南鞏縣漢代冶鐵遺址中，發(fā)掘出20多座冶鐵爐和鍛爐。爐型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并有鼓風(fēng)裝置和鑄造坑。生產(chǎn)規(guī)模壯觀。

鐵人黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開(kāi)元12年鑄)

●我國(guó)古代創(chuàng)造了三種煉鋼方法

●從礦石中直接煉出自然鋼。用這種鋼做的劍在東方各國(guó)享有盛譽(yù)，東漢時(shí)傳入了歐洲；

●西漢時(shí)期的經(jīng)過(guò)“百次”冶煉鍛打的百煉鋼；

●南北朝時(shí)期生產(chǎn)的灌鋼。先煉鐵后煉鋼的兩步煉鋼技術(shù)我國(guó)要比其它國(guó)家早1600多年。●鋼的熱處理技術(shù)達(dá)到相當(dāng)高的水平

●西漢《史記·天官書(shū)》：淬火工藝要點(diǎn)

“水與火合為淬”鋼鐵生產(chǎn)工具的發(fā)展，對(duì)社會(huì)進(jìn)步起了巨大的推動(dòng)作用。

●《漢書(shū)·王褒傳》：制劍技術(shù)

“巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒”

●明代科學(xué)家宋應(yīng)星《天工開(kāi)物》:

論述鋼鐵的退火、淬火、滲碳工藝。

五、絲綢——天然高分子材料

絲綢是一種天然高分子材料，在我國(guó)有著悠久的歷史。我國(guó)絲綢質(zhì)地柔軟，色彩鮮艷，美觀華麗，光彩奪目。

于十一世紀(jì)傳到波斯、阿拉伯、埃及，于1470年傳到意大利的威尼斯，進(jìn)入歐洲。

中國(guó)絲綢，名揚(yáng)四海。

歷史充分說(shuō)明，我們勤勞智慧的祖先，在材料的創(chuàng)造和使用上有著輝煌的成就，為人類(lèi)文明、世界進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。想一想：中華民族對(duì)材料發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)，你能再舉出幾個(gè)例子來(lái)嗎？0.1.2新材料新工藝重大成果

一、新材料新工藝迅速發(fā)展

在當(dāng)代，科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)飛躍發(fā)展。材料、能源與信息作為現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，發(fā)展格外迅猛。

●高分子材料迅速發(fā)展從20世紀(jì)60年代到70年代，高分子材料每年以14％的速度增長(zhǎng)。到70年代中期，全世界的高分子材料和鋼的體積產(chǎn)量已經(jīng)相等；

滌綸安全帶尼龍齒輪高分子材料用作結(jié)構(gòu)材料代替鋼鐵外，目前正在研究和開(kāi)發(fā)具有良好導(dǎo)電性能和耐高溫的高分子材料。

●陶瓷材料引人注目

陶瓷材料已用于制造機(jī)器零件和工程結(jié)構(gòu)。陶瓷具有許多特殊性能作為重要的功能材料(例如可作光導(dǎo)纖維、激光晶體等)。陶瓷脆性和抗熱震性正在逐步獲得改善，是最有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。耐磨陶瓷絕緣陶瓷

●復(fù)合材料前途廣闊

技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料性能提出越來(lái)越高的要求。單一材料不能滿(mǎn)足某些使用要求。復(fù)合材料越來(lái)越得到人們的重視。

玻璃纖維樹(shù)脂復(fù)合材料碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中用于制造衛(wèi)星殼體、飛機(jī)機(jī)身、螺旋槳等；玻璃鋼賽車(chē)殼體在交通運(yùn)輸工業(yè)中制造汽車(chē)車(chē)身、輕型船艇等；在石油化工工業(yè)中制造耐酸、耐堿、耐油容器、管道等。玻璃鋼儲(chǔ)液罐●功能材料發(fā)展很快

超導(dǎo)材料、磁性材料、形狀記憶材料、信息材料等各種功能材料有很大的發(fā)展。

光纜磁浮列車(chē)（時(shí)速430公里）二、我國(guó)在新材料新工藝的研究和應(yīng)用方面取得重大成果

●研制成功性能優(yōu)越、用途廣泛的新型結(jié)構(gòu)鋼—貝氏體鋼；

●研制出零電阻溫度為128.7K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超導(dǎo)體(鉈系超導(dǎo)體)；

鎂鋁合金葉輪鎂鋁合金手機(jī)殼

●鎂鋁合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究取得重大成果?！癫牧峡焖俪尚图夹g(shù)和材料表面處理技術(shù)在我國(guó)得到迅速發(fā)展?！窦す獗砻娲慊?、激光熔涂技術(shù)已在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、凸輪軸、紡織用錠桿等零件的表面強(qiáng)化上得到應(yīng)用。

分層實(shí)體快速成形減速機(jī)箱體原型熔融沉積快速成形葉輪原型

●化學(xué)氣相沉積技術(shù)制造高硬度、高耐磨性的金黃色TiN薄膜,用于耐磨零件和裝飾件的表面處理。

●我國(guó)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅猛。

汽車(chē)材料需求迅速增加。除金屬材料外，高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料在汽車(chē)中得到重要應(yīng)用。新型轎車(chē)電動(dòng)汽車(chē)

●航空、航天事業(yè)迅速崛起，帶動(dòng)航空、航天材料的發(fā)展。

1966年我國(guó)成功發(fā)射人造衛(wèi)星。

人造衛(wèi)星

1999年我國(guó)載人航天工程試驗(yàn)飛船“神舟”一號(hào)飛行成功。

2003年中國(guó)第一艘載人飛船“神舟”五號(hào)飛行成功。

2005年中國(guó)第二艘載人飛船“神舟”六號(hào)飛行成功。神舟”五號(hào)飛行成功

研制成功超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)，2003年8月30日首飛成功。超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)殲7E戰(zhàn)斗機(jī)研制成功殲7E、殲10戰(zhàn)斗機(jī)。加強(qiáng)了國(guó)防力量。●研制潛艇、導(dǎo)彈核潛艇，加強(qiáng)海軍力量。

導(dǎo)彈核潛艇

1983年8月加入海軍服役。裝有12枚兩級(jí)彈道導(dǎo)彈。常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇

1999年5月首艇交付海軍使用。裝有潛艦導(dǎo)彈，是我國(guó)海軍裝備的最新一代國(guó)產(chǎn)常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇。常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇導(dǎo)彈核潛艇新型碳材料的研究方面取得許多新的成果，利用碳納米管作為襯底,制備出均勻、致密的金剛石薄膜，并用碳納米管作為晶須增強(qiáng)復(fù)合材料，制作納米復(fù)合材料?！裉技{米管的研究取得新成果碳納米管碳納米管的結(jié)構(gòu)材料科學(xué)和材料工程發(fā)展很快。我們需要掌握材料科學(xué)的基本理論和基本知識(shí)，研究和發(fā)明新的材料和新的工藝，合理地使用各種工程材料，為四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)作出貢獻(xiàn)。想一想：說(shuō)出二個(gè)有關(guān)新材料、新工藝的實(shí)際事例。0.2.1材料的結(jié)合鍵

各種工程材料是由各種不同的元素組成，由不同的原子、離子或分子結(jié)合而成。結(jié)合鍵原子、離子或分子之間的結(jié)合力。結(jié)合鍵分為：

離子鍵共價(jià)健金屬鍵分子鍵一、離子鍵正電性元素原子失去最外層價(jià)電子變成正離子，負(fù)電性元素原子后者獲得電子變成負(fù)離子。正離子和負(fù)離子由靜電引力相互吸引，形成穩(wěn)定的離子鍵。

NaCl、MgO、Al2O3等由離子鍵組成。離子鍵示意圖氧化鎂結(jié)構(gòu)

離子鍵特點(diǎn)：結(jié)合力很大。離子晶體的硬度高，強(qiáng)度大，熱膨脹系統(tǒng)小，但脆性大。離子鍵中很難產(chǎn)生可以自由運(yùn)動(dòng)的電子，離子晶體都是良好的絕緣體。離子外層電子被束縛，可見(jiàn)光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因而不吸收可見(jiàn)光，典型的離子晶體是無(wú)色透明的。二、共價(jià)鍵處于周期表中間位置的三、四、五價(jià)元素原子之間或與鄰近元素原子形成分子或晶體時(shí)，以共用價(jià)電子形成穩(wěn)定的電子滿(mǎn)殼層的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)合。由共用價(jià)電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價(jià)鍵。

共價(jià)鍵示意圖

金剛石為共價(jià)晶體。由碳原子組成，構(gòu)成正四面體：一個(gè)碳原子在中心，另外4個(gè)碳原子在4個(gè)頂角上。硅、鍺、錫等元素也可構(gòu)成共價(jià)晶體。屬于共價(jià)晶體的有SiC、Si3N4、BN等化合物。

共價(jià)鍵特點(diǎn)：結(jié)合力很大。共價(jià)晶體強(qiáng)度高、硬度高、脆性大、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高和揮發(fā)性低。金剛石結(jié)構(gòu)

三、金屬鍵周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子丟失價(jià)電子成為正離子。被丟失的價(jià)電子為全體原子所公有，叫自由電子，在正離子之間自由運(yùn)動(dòng)，形成電子氣。正離子在三維空間規(guī)則分布。正離子和電子氣之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來(lái)。這種結(jié)合力叫金屬鍵。

金屬鍵示意圖

鉬的結(jié)構(gòu)

金屬由金屬鍵結(jié)合，金屬具有下列特性：

1.良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。金屬中存在大量自由電子，外加電場(chǎng)時(shí)電子可以定向地流動(dòng)。金屬的導(dǎo)熱性很好。自由電子的活動(dòng)性很強(qiáng)，金屬離子振動(dòng)作用導(dǎo)熱。

2.正的電阻溫度系數(shù)。隨溫度升高電阻增大。

3.不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。

自由電子能吸收并隨后輻射出大部分投射到表面的光能。

4.良好的塑性變形能力，金屬材料的強(qiáng)韌性好。

金屬鍵沒(méi)有方向性，受外力作用發(fā)生原子位置的相對(duì)移動(dòng)時(shí)，結(jié)合鍵不會(huì)遭到破壞。四、分子鍵甲烷分子在固態(tài)能相互結(jié)合成為晶體。結(jié)合過(guò)程中沒(méi)有電子的得失、共有或公有化?？糠短赝郀査沽Y(jié)合起來(lái)，這種結(jié)合鍵叫分子鍵。分子鍵示意圖

甲烷結(jié)構(gòu)在含氫的物質(zhì)，特別是含氫的聚合物中，一個(gè)氫原子可同時(shí)和兩個(gè)與電子親合能力大的、半徑較小的原子(F、O、N)相結(jié)合,形成氫鍵。氫健是一種較強(qiáng)的、有方向性的范德瓦爾斯鍵。尼龍66的結(jié)構(gòu)

分子鍵特點(diǎn)：范德瓦爾斯力很弱，由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點(diǎn)低、硬度也很低。因無(wú)自由電子，材料有良好的絕緣性。0.2.2工程材料的分類(lèi)工程材料

用于機(jī)械、車(chē)輛、船舶、建筑、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中的材料，用來(lái)制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件。包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蝕、耐高溫等)的材料。

按結(jié)合鍵的性質(zhì)，工程材料分類(lèi)如下：一、金屬材料

金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。

最簡(jiǎn)單的金屬材料是純金屬。工程應(yīng)用的金屬材料，原子間的結(jié)合鍵基本上為金屬鍵，通常為金屬晶體材料。

（1）黑色金屬鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)；

（2）有色金屬黑色金屬以外的所有金屬及其合金。金屬材料

想一想：結(jié)合工程實(shí)際，說(shuō)說(shuō)金屬材料的實(shí)際應(yīng)用。

二、高分子材料

高分子材料為有機(jī)合成材料，亦稱(chēng)聚合物。

由大量相對(duì)分子質(zhì)量特別大的大分子化合物組成。大分子內(nèi)的原子之間由很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，大分子與大分子之間的結(jié)合力為較弱的范特瓦爾斯力。

高分子材料耐蝕性、絕緣性好，密度小，加工成型性好，強(qiáng)度不高、硬度較低，耐熱性較差。在工程上是發(fā)展最快的一類(lèi)新型結(jié)構(gòu)材料。

根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)高分子材料分為三大類(lèi)：

塑料合成纖維橡膠高分子材料制品

三、陶瓷材料

陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素形成的化合物。