機(jī)械工程材料第1章-緒論教學(xué)案例

1機(jī)械工程材料2第一章緒論一、材料的定義二、材料的發(fā)展史三、材料的分類四、材料科學(xué)的形成五、本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容與要求3一、“廣義的材料”（定義）：是人類用來制造各種產(chǎn)品（食品、衣服、器件）的物質(zhì)。今天的定義：可為人類社會接受的、經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)。物質(zhì)成為材料，應(yīng)包括五個判據(jù)：資源判據(jù)、能源判據(jù)、環(huán)保判據(jù)、質(zhì)量判據(jù)、經(jīng)濟(jì)判據(jù)。二、人類文明的發(fā)展史也是一部材料的發(fā)展史包括：石器時代、青銅器時代、鐵器時代、新材料時代5新石器時代：1萬年前-5000年前，能夠打制精美的石器、用黏土制陶、開始玉器加工、用石頭和磚瓦做建筑材料。陶是人類第一個人工制成的合成材料。公元前7000年-4000年，人類意外的發(fā)現(xiàn)了玻璃的制造方法。6青銅器時代：公元前4000年-公元前1200年，學(xué)會用銅礦石煉銅（人類獲得的第二種人造材料），并冶煉出各種成分配比的銅錫合金（人類發(fā)明的第一個的合金）。鐵器時代：公元前1200年-當(dāng)代生鐵煉鋼、百煉成鋼、灌鋼。16世紀(jì)木炭-煤炭-焦炭，冶煉溫度溫度升高漢朝的環(huán)首鐵刀8新材料時代：當(dāng)代近代的四次技術(shù)革命18世紀(jì)后期，蒸汽機(jī)的普及使用造成對煤和鋼的需求大大增加，促進(jìn)了煉鋼技術(shù)的發(fā)展。19世紀(jì)末，電的發(fā)明使遠(yuǎn)距離輸送電材料、通訊照明用材料實現(xiàn)了工業(yè)化，鋼鐵工業(yè)、電氣工業(yè)、飛機(jī)工業(yè)、石油工業(yè)、化學(xué)工業(yè)迅速發(fā)展。20世紀(jì)中期的原子能應(yīng)用，使合成材料和半導(dǎo)體材料大規(guī)模工業(yè)化，民用化（硅材料時代）。20世紀(jì)70年代開始，以微電子技術(shù)、生物工程技術(shù)和空間技術(shù)為主要標(biāo)志，新型材料、新能源、生物工程、航天航空等新興技術(shù)。

1909年第一個人工合成的酚醛塑料算起，高分子材料的發(fā)展僅僅100年。高分子材料的年產(chǎn)量（按體積計）已經(jīng)超過鋼鐵材料。9三、材料的分類1.按使用性能分為結(jié)構(gòu)材料與功能材料；2.按結(jié)合鍵分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料；3.按應(yīng)用領(lǐng)域分為機(jī)械材料、電子材料、建筑材料、能源材料、生物材料、航天航空材料、日用品及辦公用品材料等等；4.按使用的廣泛程度分為傳統(tǒng)材料和新型材料；5.按來源分為天然材料和人工材料；6.按狀態(tài)分為氣、固、液；7.按結(jié)晶狀態(tài)分為單晶體、多晶體、非晶體。下一節(jié)11材料的結(jié)合鍵與其特性1.金屬鍵

在金屬晶體中，正離子在空間規(guī)則分布，和自由電子之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來，這種結(jié)合力叫金屬鍵；特點：沒有飽和性和沒有方向性。

金屬材料主要由金屬鍵結(jié)合而成，因而具有這些特性：1)良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性；2)溫度升高，電阻增大；3)金屬不透明有光澤；4)相對于玻璃、陶瓷，具有良好的延展性（塑性）。問題：結(jié)合金屬鍵的特點解釋金屬材料的性能特點。122.離子鍵（發(fā)生在離子晶體中，如NaCl）正離子與負(fù)離子通過靜電引力相互吸引而形成的鍵合；特點：作用力強(qiáng)，沒有方向性，具有飽和性。離子晶體的熔點高、硬度大、熱膨脹系數(shù)小、脆性大、幾乎沒有塑性；自由電子被束縛，決定了其具有良好的絕緣性和無色透明（可見光）。13概念：最外層的電子能量高，與原子核結(jié)合得弱，這樣的電子通稱為價電子。3.

共價鍵

相鄰原子通過共用它的外部價電子，形成穩(wěn)定的電子滿殼層時產(chǎn)生的鍵合；鍵特點：作用力強(qiáng)，具有方向性和飽和性。由共價鍵結(jié)合生成的晶體成為共價（或原子）晶體，例如：金剛石，SiC。共價晶體具有熔點高、硬度高、脆性大、導(dǎo)電性能差、幾乎沒有塑性等特點。

無機(jī)非金屬材料中原子之間的鍵合方式以離子鍵與共價鍵為主。氫分子，圖中電子出現(xiàn)幾率較大處為共價鍵具有方向性144.分子鍵

原子、分子因為內(nèi)部的正負(fù)電荷中心不重合，而形成偶極子，偶極子之間相互作用所形成的引力（包括范德華力和氫鍵）。特點：非鍵合引力；范德華力無方向性、無飽和性；氫鍵具有方向性和飽和性，相對其他鍵合力它最弱。氫鍵概念：氫原子與電負(fù)性的原子X共價結(jié)合時，共用的電子對強(qiáng)烈地偏向X的一邊，使氫原子帶有部分正電荷，能再與另一個電負(fù)性高而半徑較小的原子Y結(jié)合，形成的X—H┅Y型的鍵。

由于范德華力很弱，造成由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點低、硬度低。另外，無自由電子使其具有良好的絕緣性。高分子材料分子間主要存在的就是這些化學(xué)鍵。15大類材料的特征金屬材料優(yōu)點：兼有良好力學(xué)性能(較高強(qiáng)度、剛度、塑性、韌性)及某些物理化學(xué)性能(良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等)和較好的工藝性，價格便宜或適中。大量用作結(jié)構(gòu)材料，部分用作功能材料。缺點：資源有限；特高溫及特殊介質(zhì)中不能勝任。無機(jī)非金屬材料（也稱為陶瓷材料，金屬與非金屬的化合物，如Al2O3、SiC）優(yōu)點：優(yōu)良物理、化學(xué)性能(耐蝕、光、電、熱學(xué)性能，絕緣性能等)及極好的耐高溫性能，且原料來源廣泛。主要用在特殊場合(特殊陶瓷)及日常(傳統(tǒng)陶瓷)。缺點：脆、難加工，可靠性差。16高分子材料（高聚物）優(yōu)點：重量輕、高彈性、可塑性、耐磨性、絕緣性、耐蝕性、加工性好、原料豐富。缺點：力學(xué)性能中強(qiáng)度低、不耐高溫（≤300℃）、易老化易燃。復(fù)合材料（兩種或多種材料復(fù)合而成）

優(yōu)點：具有單一材料所不具備的優(yōu)異性能；可按需要進(jìn)行人為設(shè)計、制造。缺點：目前性能高的價貴。返回17四、材料科學(xué)的形成

時間：始于20世紀(jì)60年代；美國學(xué)科性質(zhì)：研究材料（主要是制造有用器件的物質(zhì)）的科學(xué)；多學(xué)科交叉的新興學(xué)科；具有很強(qiáng)的目的性，它探討普遍規(guī)律——材料組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系（科學(xué)），通過經(jīng)濟(jì)合理的工藝流程制成材料（工程）。材料的化學(xué)成分、制備與加工工藝、結(jié)構(gòu)與組織、性能四者之間的關(guān)系。結(jié)構(gòu)包括：原子結(jié)構(gòu)、原子的排列、相結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)缺陷電子結(jié)構(gòu)（鍵結(jié)合方式）使材料表現(xiàn)出金屬、無機(jī)非金屬（陶瓷-由ceramics翻譯）、高分子（聚合物）的固有屬性。18性能化學(xué)成分結(jié)構(gòu)與組織制備與加工工藝化學(xué)成分、制備與加工工藝、結(jié)構(gòu)與組織、性能四者之間的關(guān)系19C20碳納米管強(qiáng)度為鋼的100倍，重量只有鋼的1/6。21五、本課程主要內(nèi)容、目的、要求本課程主要涉及的材料：機(jī)械工程領(lǐng)域使用的傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料工程材料：主要是指用于機(jī)械、車輛、船舶、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領(lǐng)域的材料。機(jī)械工程材料：機(jī)械工程中常用的材料。主要內(nèi)容：金屬學(xué)基本原理、Fe-C合金平衡相圖、熱處理原理及工藝、常用鋼鐵與有色金屬的牌號識別與基本性能、選材依據(jù)目的：1.重點掌握鋼鐵材料成分、組織、熱處理工藝與性能之間的關(guān)系；2.能夠合理選材、正確制定熱處理工藝。22要求：課程總成績（100分），由以下四大部分組成：1.平時作業(yè)、課堂測驗，共占25%；作業(yè)要求在指定的課前提交，逾期不計入該項成績。2.實驗（動手技能、實驗報告）占10%。3.期中、期末考試（開卷結(jié)合閉卷筆試）成績分別占15%、40%。4.平時課堂表現(xiàn)：課堂紀(jì)律、上課出勤率占10%。

23如何學(xué)好這門課1.上課認(rèn)真聽講，記下每節(jié)課的知識結(jié)構(gòu)與要點，明確每節(jié)課的重點；2.獨立完成每次課的作業(yè)，及時做好新課內(nèi)容的預(yù)習(xí)。24結(jié)構(gòu)材料以使用材料的力學(xué)性能為基礎(chǔ)，能在常溫下承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。功能材料除具有結(jié)構(gòu)力學(xué)性能外，還具有一種或幾種特定功能（特殊力、電、磁、光、聲、熱、化學(xué)、生物等）的材料。萬里