高分子材料金属或陶瓷课件

1.课程的内容和目的2.课程的性质、地位和作用3.主要学习方法4.材料的分类5.新材料的发展趋势第一章概论1.课程的内容和目的第一章概论

机械制造是一个将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等）通过制造系统转化为可供人们使用或利用的产品的过程。机械制造业担负着向国民经济各部门提供技术装备的任务，国民经济各部门的生产技术水平和经济效益，在很大程度上取决于机械工业所能提供装备的技术性能、质量和可靠性。因此，机械工业的技术水平和规模是衡量一个国家工业化程度和国民经济综合实力的重要标志。

概论机械制造是一个将制造资源（物料、能源

机械产品质量要好、机械零件要获得所需的性能，材料的选用与成形工艺是基础，本课程机械制造基础主要是指机械制造业中所用的工程材料及材料成形方法（主要指铸造、锻造、焊接等机械零件的毛坯制备方法）。选材料成形制毛坯加工制产品成形制产品机械产品质量要好、机械零件要获得所需的性

由于不同的材料具有不同的性能，因此它们的应用场合也就不同。如在航天工业中铝及铝合金得到了广泛应用，是因为铝合金具有重量轻强度高的特性。而在电子工业中银、铜、铝得到了广泛的应用，是因为它们具有优良的导电性。在机械工业中，由于机械产品在使用过程中，主要承受各种力的作用。因此，主要要求所使用的金属材料具有良好的机械性能，而碳钢和合金钢具备上述性能要求，所以得到了广泛应用。耐高温的内燃机需要用高温性能好的陶瓷，宇宙飞船上要用到形状记忆材料，隐形飞机用到能对电磁波吸收的材料。

由于不同的材料具有不同的性能，因此它们1.1课程的内容及目的：①工程材料：获得有关工程材料的基本理论和基本知识。掌握常用材料成分——组织——性能——应用之间关系的一般规律。熟悉常见的工程材料。

能根据机械零件的服役条件和失效形式，合理选用工程材料的初步能力。②材料成形铸造、锻造、焊接的基本理论和基本方法。毛坯成形方法的合理选择。1.1课程的内容及目的：1.2课程的性质地位和作用①性质：机械类及近机类专业必修的重要技术基础课。②地位：基础知识的地位——工程师的必备知识。③作用：了解机械制造基础的基本内容：工程材料的性能选用及其成形技术（零件毛坯的制造方法）。1.2课程的性质地位和作用1.3主要学习方法①课堂讲授：以大纲为主，兼顾教材。②成绩评定方法：平时成绩占20%（随机点名、作业、提问）；实验成绩占10%，考试成绩占70%。1.3主要学习方法1.4材料的分类

①按材料的化学组成分类：

1）金属材料

2）高分子化合物

3）无机非金属材料

4）复合材料

②按材料的使用性能分类

1）结构材料

2）功能材料1.4材料的分类1.4.1金属材料■公元5000多年前，埃及人学会了冶炼金银，苏美尔人已经会铜器的铸造。■公元前2200年，西亚的赫梯人懂得了冶炼和使用铁器。■公元前2000年我国掌握了青铜冶炼。■工业革命以后，金属材料得到了广泛的应用，走上了工业生产的道路。■随着对金属认识的不断深入，更多的金属材料被开发出来：高温合金、钛合金、金属间化合物、阻尼合金、超导合金、形状记忆合金、储氢合金、纳米金属材料、非晶态金属材料。1.4.1金属材料■公元5000多年前，埃及人学会了冶炼金银司母戊鼎是中国目前已发现的最重的青铜器。司母戊鼎含铜84.77％、锡11.64％、铅27.9％。充分显示出商代青铜铸造业的生产规模和技术水平。青铜器时代司母戊鼎是中国目前已发现的最重的青铜器。司母戊鼎含铜84.7秦陵铜车马严格按真车马的１／２制作。造型精美，比例恰当，装饰华丽，工艺精湛，形体庞大，所以很多专家学者把它称之为“青铜之冠”。

秦陵铜车马严格按真车马的１／２制作。造型精美，比例恰当，装一架波音767大型飞机约由70%的铝及其合金构成。20世纪，铝和铝合金的应用一架波音767大型飞机约由70%的铝及其合金构成。20世纪，二十一世纪的金属材料—钛和钛合金可作人造骨的钛合金二十一世纪的金属材料—钛和钛合金可作人造骨的钛合金应用广泛的金属材料应用广泛的金属材料1.4.2非金属材料■旧石器时代人们用来制作工具的天然石材是最早的无机非金属材料。■东汉时期的青瓷是迄今发现的最早瓷器，古代中国掌握了高超的陶瓷制造技术。■工业革命以后，随着建筑、机械、钢铁、运输等工业的兴起，无机非金属材料有了较快的发展。■20世纪以来，随着电子技术、航天、能源等新技术的兴起，对材料提出了更高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅速发展。■未来科学技术的发展，使无机非金属材料向复合材料、定向结晶材料、增韧陶瓷以及各种类型的表面处理和涂层的使用发展。1.4.2非金属材料■旧石器时代人们用来制作工具的天然石材15采用聚碳酸脂透明件的战斗机座舱盖玻璃幕墙大厦古代陶器非金属材料的发展现代建材玻璃杯采用聚碳酸脂透明件的战斗机座舱盖玻璃幕墙大厦古代陶器非金属材16a.高分子化合物——有机非金属材料有机高分子有天然的和合成的两种。工程中使用的主要是人工合成的高分子聚合物，简称高聚物。高聚物由一种或几种简单的低分子化合物聚合而成。聚合成高聚物的低分子化合物称为单体。大分子链中结构重复的单元称为链节，链节的重复数量称为聚合度。高聚物的性能主要取决于其结构，即大分子链的结构和大分子的聚集态结构。a.高分子化合物——有机非金属材料有机高分子有天然的

大分子链的结构①结构单元的化学组成②结构单元的键接方式和链的构型③大分子链的形态1）大分子链的几何形态：线型结构体型结构2）大分子链的构象及柔顺性大分子链的结构

高聚物的聚集态结构高聚物的聚集态结构主要是指高分子材料内部大分子链之间的几何排列方式，也称超分子结构：①晶态高聚物（结晶度为50%-80%）②非晶态高聚物高聚物的聚集态结构高聚物的人工合成低分子化合物通过加聚反应和缩聚反应形成.1、加聚反应：一种或多种单体相互叠加成形成聚合物的反应。无低分子副产物生成。单体为一种的叫均加聚，如乙烯加聚成聚乙烯。单体为一种或两种以上的称为共加聚。如ABS工程塑料就是有丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚合成。高聚物的人工合成低分子化合物通过加聚反应和缩聚反应形成.2、缩聚反应：一种或多种单体相互作用而形成高聚物，同时析出新的低分子副产物的反应。其单体是含有两种或两种以上活泼官能团的低分子化合物。按照参加反应的单体不同，缩聚反应分为均缩聚和共缩聚两种。酚醛树脂（电木），聚酰胺（尼龙），环氧树脂等都是缩聚反应产物。2、缩聚反应：一种或多种单体相互作用而形成高聚物有机高分子材料的组成及性能特点1、有机高分子材料的组成：基料:高聚物（树脂、生橡胶），决定性能辅料:(添加剂)填充剂、增塑剂、软化剂、固化剂、稳定剂、防老化剂、润滑剂、发泡剂、着色剂等目的：改善性能，补充性能有机高分子材料的组成及性能特点1、有机高分子材料的组成：基料2、有机高分子材料的性能特点：1）与金属材料相比，性能特点：A、比强度高：强度/密度B、高弹性和低弹性模量C、高耐磨性和低硬度2、有机高分子材料的性能特点：1）与金属材料相比，性能特点：2）物理性能特点：A、电绝缘性优良：共价键，不易电离，导电能力低B、耐热性差：分子间力弱，受热、受力易软化、熔化C、导热性低：线膨胀系数是金属的3-4倍，机械中会因膨胀变形过量，引起开裂，脱落，松动等2）物理性能特点：A、电绝缘性优良：共价键，不易电离，导电能3）化学性能特点：

化学稳定性高，在碱、酸、盐中耐蚀性强，如聚四氟乙烯在沸腾的王水中仍很稳定，但某些高聚物在某些特定的溶剂和油中会发生软化、熔胀等现象。3）化学性能特点：化学稳定性高，在碱、酸、盐中耐蚀性4）有机高分子化合物的老化：

高聚物在长期的使用和存放过程中，由于外界物理、化学及生物因素的影响（如热、光、辐射、氧和臭氧、酸碱、微生物的作用等），使得聚合物内部结构发生变化，从而导致聚合物的性能随时间延长逐渐恶化，直至丧失使用功能，这个过程成为老化。橡胶：龟裂、变软、变粘塑料：脱色、失去光泽、开裂防止方法：表面防护，抗老化剂4）有机高分子化合物的老化：高聚物在长期的使用和存放工程常见无机高分子材料1、塑料①塑料的组成：基料:合成树脂，对塑料性能起决定性作用辅料:(添加剂)填充剂、增塑剂、固化剂稳定剂（防老化剂）。此外还有阻燃剂、发泡剂、着色剂、抗静电剂等目的：改善性能，补充性能工程常见无机高分子材料1、塑料基料:合成树脂，对塑料性能起决②塑料的分类：1）按树脂的热性能分为热塑性塑料和热固性塑料：（1）为热塑性塑料：加热时软化、熔融、冷却时凝固，变硬，可反复进行。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龙）、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、有机玻璃等。（2）热固性塑料：密网型分子链结构。酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯树脂。不可再生使用。②塑料的分类：1）按树脂的热性能分为热塑性塑料和热固性塑料：2）按应用范围分为通用塑料，工程塑料和其他塑料（如耐热塑料）：A、通用塑料：产量大，用途广，价格低。聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料B、工程塑料：主要用于制作工程结构，机器零件，工业容器和设备。有聚酰胺（尼龙）、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯C、其他塑料：如耐热塑料，工作温度>100℃，有聚四氟乙烯（F-4）、聚三氟乙烯、环氧树脂、有机硅树脂2）按应用范围分为通用塑料，工程塑料和其他塑料（如耐热塑料）2、合成橡胶①橡胶的特性和应用：A室温下处于高弹态B弹性模量低，只有1-10MPaC弹性变形量很大：100-1000%D具有优良的伸缩性和积储能量的能力E良好的耐磨性，隔音性，阻尼性和绝缘性F可做密封件，减震、防震件，传动件，运输胶带绝缘材料。2、合成橡胶①橡胶的特性和应用：②橡胶的组成：（1）生胶：未加配合剂的天然或合成的橡胶（2）配合剂：为提高和改善橡胶制品的各种性能而加入的物质称为配合剂。硫化剂：相当于固化剂，为硫磺和硫化物填料：提高力学性能，降低成本，主要是碳黑，纤维，金属丝，织品或金属编织物等硫化促进剂，增塑剂，防老化剂等。②橡胶的组成：（1）生胶：未加配合剂的天然或合成的橡胶③常用橡胶：按来源分为：天然橡胶NR和合成橡胶按用途分为：通用橡胶和特种橡胶天然橡胶属于通用橡胶，广泛用于制造轮胎、胶带、胶管等。常量最大的是丁苯橡胶SBR，60-70%，发展最快的是顺丁橡胶BR。特种橡胶主要用于要求耐热、耐寒、耐蚀的特殊环境，价格较贵。③常用橡胶：按来源分为：天然橡胶NR和合成橡胶3、胶粘剂

胶粘剂是一种将同种或不同种材料粘合在一起，并在胶接面有足够强度的物质，它能起胶接、固定、密封、浸渗、补漏和修复的作用。3、胶粘剂胶粘剂是一种将同种或不同种材料粘合在一起，①胶粘剂的组成：（1）粘料：树脂、橡胶、淀粉、蛋白质等高分子材料；无机胶粘剂有硅酸盐类，磷酸盐类、陶瓷类（2）固化剂：胺、酸酐、咪唑。（3）该性剂：增塑剂、增韧剂、增粘剂、填料、稀释剂、稳定剂、分散剂、偶联剂、触变剂，阻燃剂、抗老化剂、发泡剂、消泡剂、着色剂、防腐蚀剂等，有利于胶粘剂的配制、储存、加工工艺及性能等方面的改进①胶粘剂的组成：（1）粘料：树脂、橡胶、淀粉、蛋白质等高分子②胶粘剂的分类原则和表示方法：按应用性能分为：（1）结构胶：强度要求较高（2）非（半）结构胶：强度要求较低（3）密封胶：承受一定压力，不泄漏（4）浸渗胶：填塞微孔沙眼，渗透性好（5）功能胶：具有导电、导磁、导热、耐热、耐超低温应变及点焊胶接等，以及有特殊的固化反应，如厌氧性、热熔性、光敏性等②胶粘剂的分类原则和表示方法：按应用性能分为：GB/T13553-1996×××—×

×—

ABC被粘物材质胶粘剂的硬化方法胶粘剂的物理形态胶粘剂的主要粘料GB/T13553-1996×××—××—AB③常用胶粘剂：（1）结构胶粘剂：该性环氧胶粘剂、该性酚醛树脂胶粘剂、无机胶粘剂（2）非（半）结构胶粘剂：聚氨酯胶粘剂、丙烯酸酯胶、有机硅胶粘剂、橡胶胶粘剂、热熔胶粘剂、厌氧胶粘剂等（3）密封胶粘剂：以合成树脂或橡胶为基料，防止渗漏，机械松动，冲击损伤等，起密封作用。③常用胶粘剂：（1）结构胶粘剂：该性环氧胶粘剂、该b.陶瓷材料——无机非金属材料陶瓷的组织结构主要由晶体相、玻璃相和气相组成：晶体相：硅酸盐（传统陶瓷），氧化物（典型陶瓷特别是特种陶瓷），非氧化物如碳化物、氮化物及硼化物（金属陶瓷）玻璃相：非晶态物质，主要作用是将分散的晶相粘结在一起，抑制晶粒长大及填充气孔使陶瓷致密。气相：陶瓷结构中存在5%-10%的气孔，使组织致密性下降，产生应力集中，导致力学性能下降，脆性增加，并使介电损耗增大，抗电击穿强度下降b.陶瓷材料——无机非金属材料陶瓷的组织结构主要由晶体相、玻陶瓷的性能特点

同金属材料相比，大多数陶瓷的硬度高，弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性，抗拉强度低，抗压强度高。1、力学性能陶瓷的性能特点

同金属材料相比，大多数陶瓷的硬度高，

熔点高，抗蠕变能力强，热硬性可达1000℃。但陶瓷的热膨胀系数和导热系数小，承受温度快速变化的能力差，在温度剧变时会开裂。2、热性能熔点高，抗蠕变能力强，热硬性可达1000℃。但陶瓷3、化学性能

化学稳定性高，有良好的抗氧化能力，在强腐蚀介质高温共同作用下有良好的抗蚀性能。4、其他物理性能

大多数是电绝缘体，功能陶瓷材料具有光、电、瓷、声等特殊性能。3、化学性能化学稳定性高，有良好的抗氧化能力，在强

采用纯度较高的人工合成原料，如氧化物，氮化物，硅化物，硼化物，氟化物等制成的具有各种特殊力学，物理，化学性能。2、特种陶瓷1、普通陶瓷

以天然硅酸盐矿物如黏土、长石、石英、高岭土等为原料烧结而成的。有日用陶瓷，卫生瓷，建筑瓷，电工瓷，化工瓷等。

采用纯度较高的人工合成原料，如氧化物，氮化物，硅化常用工程结构陶瓷的种类、性能和用途普通陶瓷普通工业陶瓷化工陶瓷绝缘子，绝缘的机械支撑件，静电纺织导纱器受力不大，工作温度低的酸碱容器，反应塔，管道常用工程结构陶瓷的种类、性能和用途普通陶瓷普通工业陶瓷化工陶特种陶瓷氧化铝瓷氧化硅瓷氮化硼瓷氧化镁瓷氧化铍瓷火花塞，轴承，密封环，刀具耐磨，耐腐蚀，耐高温零件坩埚、绝缘零件，高温轴承熔化高纯度铀、钍及其合金的坩埚高温绝缘电子元件，核反应堆中子减速剂和反射材料，高频电炉坩埚特种陶瓷氧化铝瓷氧化硅瓷氮化硼瓷氧化镁瓷氧化铍瓷火花塞，轴承

在工程结构上使用的陶瓷。主要在高温下使用，因此也称为高温陶瓷。具有在高温下优越的力学，物理和化学性能，在某些科技场合和工作环境往往是唯一可用的材料。有氧化铝，氮化硅，碳化硅和增韧氧化物等材料。3、工程陶瓷

在工程结构上使用的陶瓷。主要在高温下使用，因此也称

利用陶瓷特有的物理性能制造出的用途各异的功能陶瓷材料。例如导电陶瓷，半导体陶瓷，压电陶瓷，绝缘陶瓷，磁性陶瓷，光学陶瓷以及利用某些精密陶瓷对声，光，电，热，磁，力，湿度，射线及各种气氛等信息显示的敏感特性而制得的各种陶瓷传感器材料。4、功能陶瓷

利用陶瓷特有的物理性能制造出的用途各异的功能陶瓷材c.复合材料定义：由两种或多种不同性能的材料用某种工艺方法合成的多相材料。

复合材料既保持组成材料各自的特性，有具有复合后的新特性，其性能往往超过组成材料的性能之和或平均值组成材料的种类、性能、比例、形态不同，复合方法不同，会得到不同的强化效果。c.复合材料定义：由两种或多种不同性能的材料用某种工艺方法合①工程中常见的复合材料

1）玻璃纤维-树脂复合材料

以玻璃纤维和热塑性树脂复合的玻璃纤维增强材料比普通塑料具有更高的强度和冲击韧度。玻璃纤维和塑料基体组成的复合材料通常叫做玻璃钢。按所用基体可分为热固性玻璃钢（以环氧树脂、酚醛树脂等为基体）和热塑性玻璃钢（以尼龙，聚苯乙烯等为基体）两种。强度较高，接近或超过铜铝合金，而密度只有钢的1/4-1/5。因此其比强度甚至高于合金钢。此外，还具有良好的耐蚀性。①工程中常见的复合材料1）玻璃纤维-树脂复合材料2）碳纤维-树脂复合材料

碳纤维通常和环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等组成复合材料。它在保持了玻璃钢许多性能优点的基础上，还有一些优异的性能。它的强度和弹性模量都高于铝合金，接近高强度钢；它的密度比玻璃钢还小，因此比强度和比模量在现有复合材料中居第一位。此外，它还有优良的耐磨、减摩及自润滑、耐蚀、耐热等优点。在机械工业中，碳纤维复合材料可用作承载零件和耐磨零件，如齿轮、连杆、活塞和轴承等。它也可用作耐蚀化工零件，如容器、管道、泵等。2）碳纤维-树脂复合材料碳纤维通常和环氧树脂、②复合材料的性能特点1）比模量高、比强度大

比模量是弹性模量与密度之比；比强度是抗拉强度和密度之比。实质是单位质量所提供的变形抗力和承载能力，这对要求自重小，运转速度高的结构零件很重要。

②复合材料的性能特点1）比模量高、比强度大

比模量是

由于纤维增强复合材料对缺口、应力集中敏感小，纤维-基体界面能阻止疲劳裂纹扩展，使裂纹扩展改变方向。实验测定表明，碳纤维复合材料的疲劳极限可达抗拉强度的70-80%，而金属的疲劳极限只有其抗拉强度的一半左右。纤维增强复合材料中有大量独立的纤维，平均每平方厘米面积上有几千到几万根，当少数纤维断裂后载荷就会重新分配到其它未破断的纤维上使构件不致发生突然破坏。

2）良好的抗疲劳和破断安全性由于纤维增强复合材料对缺口、应力集中敏感小，纤维-基3）优良的高温性能

大多数增强纤维在高温下仍保持高的强度，用其增强金属和树脂时能显著提高高温性能。例如铝合金在400℃时弹性模量大幅度下降，强度也显著降低，而用碳纤维增强后，在此温度下弹性模量可基本保持不变。3）优良的高温性能大多数增强纤维在高温下仍保持高的强③复合材料的分类

以高分子材料、陶瓷材料、金属材料为基体，以粒子、纤维和片状为增强体组成。

按基体材料的不同可将复合材料分为两类：非金属基复合材料（塑料基、橡胶基、陶瓷基等）和金属基复合材料（如铝基、铜基等）。③复合材料的分类以高分子材料、陶瓷材料、金属材料为基

按增强材料的不同可将复合材料分为三类：①纤维增强橡胶（橡胶轮胎、传动皮带）、纤维增强塑料（如玻璃钢）；②颗粒增强复合材料（如金属陶瓷、烧结弥散硬化合金等）；③叠层复合材料，如双层金属（巴氏合金—钢双金属滑动轴承材料）等。按增强材料的不同可将复合材料分为三类：①纤维增强橡胶1.5新材料的发展趋势

随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料比强度随时间的进展3工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。左图为材料比强度随时间的进展的示意图，该图表明今日先进材料强度比早期材料增长50倍。1.5新材料的发展趋势随着社会的发展和科新材料主要在以下几方面获得发展：

①先进复合材料由基体材料（高分子材料、金属或陶瓷）和增强材料（纤维、颗粒）复合而成的具有优异性能的新型材料。

②光电子信息材料

光电子信息材料包括量子材料、生物光电子材料、非线性光电子材料等。

③低维材料指超微粒子（零维）、纤维（一维）和薄膜（二维）材料，这是近年来发展最快的材料领域。

④新型金属材料

如镍基高温合金、非晶态合金、微晶合金、Al-Li合金金属间化合物等。新材料主要在以下几方面获得发展：1.6其它新型材料①高温材料

在600℃,甚至1000℃以上能满足工作要求的材料，可承受较高的应力及具有相应的使用寿命。应用于锅炉、蒸汽机、石油化工用各种高温物理化学反应装置、原子反应堆的热交换器、喷气涡轮发动机和航天部件。

高温合金主要有铁基高温合金、镍基高温合金和高温陶瓷材料等。新型高温合金主要有定向凝固高温合金、单晶高温合金、粉末冶金高温合金、快速凝固高温合金、金属间化合物高温合金和其它难熔金属高温合金等。1.6其它新型材料①高温材料在600℃,甚至10②形状记忆材料

1963年，美国海军一个研究所奉命研制一种新式装备。在一次试验中他们需要一些镍-钛合金丝，然而当他们将合金丝领回来时，却发现这些镍钛合金丝是弯弯曲曲的，使用起来不方便。于是他们就将这些细丝一根根地拉直，并用在试验中。在试验过程中，奇怪的现象出现了：当温度升到一定值的时候，这些已经被拉得直直的镍钛合金丝，突然又全部恢复到原来弯弯曲曲的形状，而且丝毫不差，和原来一模一样。

②形状记忆材料1963年，美国海军一个研究所奉命研谢谢！谢谢！1.课程的内容和目的2.课程的性质、地位和作用3.主要学习方法4.材料的分类5.新材料的发展趋势第一章概论1.课程的内容和目的第一章概论

机械制造是一个将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等）通过制造系统转化为可供人们使用或利用的产品的过程。机械制造业担负着向国民经济各部门提供技术装备的任务，国民经济各部门的生产技术水平和经济效益，在很大程度上取决于机械工业所能提供装备的技术性能、质量和可靠性。因此，机械工业的技术水平和规模是衡量一个国家工业化程度和国民经济综合实力的重要标志。

概论机械制造是一个将制造资源（物料、能源

机械产品质量要好、机械零件要获得所需的性能，材料的选用与成形工艺是基础，本课程机械制造基础主要是指机械制造业中所用的工程材料及材料成形方法（主要指铸造、锻造、焊接等机械零件的毛坯制备方法）。选材料成形制毛坯加工制产品成形制产品机械产品质量要好、机械零件要获得所需的性

由于不同的材料具有不同的性能，因此它们的应用场合也就不同。如在航天工业中铝及铝合金得到了广泛应用，是因为铝合金具有重量轻强度高的特性。而在电子工业中银、铜、铝得到了广泛的应用，是因为它们具有优良的导电性。在机械工业中，由于机械产品在使用过程中，主要承受各种力的作用。因此，主要要求所使用的金属材料具有良好的机械性能，而碳钢和合金钢具备上述性能要求，所以得到了广泛应用。耐高温的内燃机需要用高温性能好的陶瓷，宇宙飞船上要用到形状记忆材料，隐形飞机用到能对电磁波吸收的材料。

由于不同的材料具有不同的性能，因此它们1.1课程的内容及目的：①工程材料：获得有关工程材料的基本理论和基本知识。掌握常用材料成分——组织——性能——应用之间关系的一般规律。熟悉常见的工程材料。

能根据机械零件的服役条件和失效形式，合理选用工程材料的初步能力。②材料成形铸造、锻造、焊接的基本理论和基本方法。毛坯成形方法的合理选择。1.1课程的内容及目的：1.2课程的性质地位和作用①性质：机械类及近机类专业必修的重要技术基础课。②地位：基础知识的地位——工程师的必备知识。③作用：了解机械制造基础的基本内容：工程材料的性能选用及其成形技术（零件毛坯的制造方法）。1.2课程的性质地位和作用1.3主要学习方法①课堂讲授：以大纲为主，兼顾教材。②成绩评定方法：平时成绩占20%（随机点名、作业、提问）；实验成绩占10%，考试成绩占70%。1.3主要学习方法1.4材料的分类

①按材料的化学组成分类：

1）金属材料

2）高分子化合物

3）无机非金属材料

4）复合材料

②按材料的使用性能分类

1）结构材料

2）功能材料1.4材料的分类1.4.1金属材料■公元5000多年前，埃及人学会了冶炼金银，苏美尔人已经会铜器的铸造。■公元前2200年，西亚的赫梯人懂得了冶炼和使用铁器。■公元前2000年我国掌握了青铜冶炼。■工业革命以后，金属材料得到了广泛的应用，走上了工业生产的道路。■随着对金属认识的不断深入，更多的金属材料被开发出来：高温合金、钛合金、金属间化合物、阻尼合金、超导合金、形状记忆合金、储氢合金、纳米金属材料、非晶态金属材料。1.4.1金属材料■公元5000多年前，埃及人学会了冶炼金银司母戊鼎是中国目前已发现的最重的青铜器。司母戊鼎含铜84.77％、锡11.64％、铅27.9％。充分显示出商代青铜铸造业的生产规模和技术水平。青铜器时代司母戊鼎是中国目前已发现的最重的青铜器。司母戊鼎含铜84.7秦陵铜车马严格按真车马的１／２制作。造型精美，比例恰当，装饰华丽，工艺精湛，形体庞大，所以很多专家学者把它称之为“青铜之冠”。

秦陵铜车马严格按真车马的１／２制作。造型精美，比例恰当，装一架波音767大型飞机约由70%的铝及其合金构成。20世纪，铝和铝合金的应用一架波音767大型飞机约由70%的铝及其合金构成。20世纪，二十一世纪的金属材料—钛和钛合金可作人造骨的钛合金二十一世纪的金属材料—钛和钛合金可作人造骨的钛合金应用广泛的金属材料应用广泛的金属材料1.4.2非金属材料■旧石器时代人们用来制作工具的天然石材是最早的无机非金属材料。■东汉时期的青瓷是迄今发现的最早瓷器，古代中国掌握了高超的陶瓷制造技术。■工业革命以后，随着建筑、机械、钢铁、运输等工业的兴起，无机非金属材料有了较快的发展。■20世纪以来，随着电子技术、航天、能源等新技术的兴起，对材料提出了更高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅速发展。■未来科学技术的发展，使无机非金属材料向复合材料、定向结晶材料、增韧陶瓷以及各种类型的表面处理和涂层的使用发展。1.4.2非金属材料■旧石器时代人们用来制作工具的天然石材74采用聚碳酸脂透明件的战斗机座舱盖玻璃幕墙大厦古代陶器非金属材料的发展现代建材玻璃杯采用聚碳酸脂透明件的战斗机座舱盖玻璃幕墙大厦古代陶器非金属材75a.高分子化合物——有机非金属材料有机高分子有天然的和合成的两种。工程中使用的主要是人工合成的高分子聚合物，简称高聚物。高聚物由一种或几种简单的低分子化合物聚合而成。聚合成高聚物的低分子化合物称为单体。大分子链中结构重复的单元称为链节，链节的重复数量称为聚合度。高聚物的性能主要取决于其结构，即大分子链的结构和大分子的聚集态结构。a.高分子化合物——有机非金属材料有机高分子有天然的

大分子链的结构①结构单元的化学组成②结构单元的键接方式和链的构型③大分子链的形态1）大分子链的几何形态：线型结构体型结构2）大分子链的构象及柔顺性大分子链的结构

高聚物的聚集态结构高聚物的聚集态结构主要是指高分子材料内部大分子链之间的几何排列方式，也称超分子结构：①晶态高聚物（结晶度为50%-80%）②非晶态高聚物高聚物的聚集态结构高聚物的人工合成低分子化合物通过加聚反应和缩聚反应形成.1、加聚反应：一种或多种单体相互叠加成形成聚合物的反应。无低分子副产物生成。单体为一种的叫均加聚，如乙烯加聚成聚乙烯。单体为一种或两种以上的称为共加聚。如ABS工程塑料就是有丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体共聚合成。高聚物的人工合成低分子化合物通过加聚反应和缩聚反应形成.2、缩聚反应：一种或多种单体相互作用而形成高聚物，同时析出新的低分子副产物的反应。其单体是含有两种或两种以上活泼官能团的低分子化合物。按照参加反应的单体不同，缩聚反应分为均缩聚和共缩聚两种。酚醛树脂（电木），聚酰胺（尼龙），环氧树脂等都是缩聚反应产物。2、缩聚反应：一种或多种单体相互作用而形成高聚物有机高分子材料的组成及性能特点1、有机高分子材料的组成：基料:高聚物（树脂、生橡胶），决定性能辅料:(添加剂)填充剂、增塑剂、软化剂、固化剂、稳定剂、防老化剂、润滑剂、发泡剂、着色剂等目的：改善性能，补充性能有机高分子材料的组成及性能特点1、有机高分子材料的组成：基料2、有机高分子材料的性能特点：1）与金属材料相比，性能特点：A、比强度高：强度/密度B、高弹性和低弹性模量C、高耐磨性和低硬度2、有机高分子材料的性能特点：1）与金属材料相比，性能特点：2）物理性能特点：A、电绝缘性优良：共价键，不易电离，导电能力低B、耐热性差：分子间力弱，受热、受力易软化、熔化C、导热性低：线膨胀系数是金属的3-4倍，机械中会因膨胀变形过量，引起开裂，脱落，松动等2）物理性能特点：A、电绝缘性优良：共价键，不易电离，导电能3）化学性能特点：

化学稳定性高，在碱、酸、盐中耐蚀性强，如聚四氟乙烯在沸腾的王水中仍很稳定，但某些高聚物在某些特定的溶剂和油中会发生软化、熔胀等现象。3）化学性能特点：化学稳定性高，在碱、酸、盐中耐蚀性4）有机高分子化合物的老化：

高聚物在长期的使用和存放过程中，由于外界物理、化学及生物因素的影响（如热、光、辐射、氧和臭氧、酸碱、微生物的作用等），使得聚合物内部结构发生变化，从而导致聚合物的性能随时间延长逐渐恶化，直至丧失使用功能，这个过程成为老化。橡胶：龟裂、变软、变粘塑料：脱色、失去光泽、开裂防止方法：表面防护，抗老化剂4）有机高分子化合物的老化：高聚物在长期的使用和存放工程常见无机高分子材料1、塑料①塑料的组成：基料:合成树脂，对塑料性能起决定性作用辅料:(添加剂)填充剂、增塑剂、固化剂稳定剂（防老化剂）。此外还有阻燃剂、发泡剂、着色剂、抗静电剂等目的：改善性能，补充性能工程常见无机高分子材料1、塑料基料:合成树脂，对塑料性能起决②塑料的分类：1）按树脂的热性能分为热塑性塑料和热固性塑料：（1）为热塑性塑料：加热时软化、熔融、冷却时凝固，变硬，可反复进行。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龙）、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、有机玻璃等。（2）热固性塑料：密网型分子链结构。酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯树脂。不可再生使用。②塑料的分类：1）按树脂的热性能分为热塑性塑料和热固性塑料：2）按应用范围分为通用塑料，工程塑料和其他塑料（如耐热塑料）：A、通用塑料：产量大，用途广，价格低。聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料B、工程塑料：主要用于制作工程结构，机器零件，工业容器和设备。有聚酰胺（尼龙）、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯C、其他塑料：如耐热塑料，工作温度>100℃，有聚四氟乙烯（F-4）、聚三氟乙烯、环氧树脂、有机硅树脂2）按应用范围分为通用塑料，工程塑料和其他塑料（如耐热塑料）2、合成橡胶①橡胶的特性和应用：A室温下处于高弹态B弹性模量低，只有1-10MPaC弹性变形量很大：100-1000%D具有优良的伸缩性和积储能量的能力E良好的耐磨性，隔音性，阻尼性和绝缘性F可做密封件，减震、防震件，传动件，运输胶带绝缘材料。2、合成橡胶①橡胶的特性和应用：②橡胶的组成：（1）生胶：未加配合剂的天然或合成的橡胶（2）配合剂：为提高和改善橡胶制品的各种性能而加入的物质称为配合剂。硫化剂：相当于固化剂，为硫磺和硫化物填料：提高力学性能，降低成本，主要是碳黑，纤维，金属丝，织品或金属编织物等硫化促进剂，增塑剂，防老化剂等。②橡胶的组成：（1）生胶：未加配合剂的天然或合成的橡胶③常用橡胶：按来源分为：天然橡胶NR和合成橡胶按用途分为：通用橡胶和特种橡胶天然橡胶属于通用橡胶，广泛用于制造轮胎、胶带、胶管等。常量最大的是丁苯橡胶SBR，60-70%，发展最快的是顺丁橡胶BR。特种橡胶主要用于要求耐热、耐寒、耐蚀的特殊环境，价格较贵。③常用橡胶：按来源分为：天然橡胶NR和合成橡胶3、胶粘剂

胶粘剂是一种将同种或不同种材料粘合在一起，并在胶接面有足够强度的物质，它能起胶接、固定、密封、浸渗、补漏和修复的作用。3、胶粘剂胶粘剂是一种将同种或不同种材料粘合在一起，①胶粘剂的组成：（1）粘料：树脂、橡胶、淀粉、蛋白质等高分子材料；无机胶粘剂有硅酸盐类，磷酸盐类、陶瓷类（2）固化剂：胺、酸酐、咪唑。（3）该性剂：增塑剂、增韧剂、增粘剂、填料、稀释剂、稳定剂、分散剂、偶联剂、触变剂，阻燃剂、抗老化剂、发泡剂、消泡剂、着色剂、防腐蚀剂等，有利于胶粘剂的配制、储存、加工工艺及性能等方面的改进①胶粘剂的组成：（1）粘料：树脂、橡胶、淀粉、蛋白质等高分子②胶粘剂的分类原则和表示方法：按应用性能分为：（1）结构胶：强度要求较高（2）非（半）结构胶：强度要求较低（3）密封胶：承受一定压力，不泄漏（4）浸渗胶：填塞微孔沙眼，渗透性好（5）功能胶：具有导电、导磁、导热、耐热、耐超低温应变及点焊胶接等，以及有特殊的固化反应，如厌氧性、热熔性、光敏性等②胶粘剂的分类原则和表示方法：按应用性能分为：GB/T13553-1996×××—×

×—

ABC被粘物材质胶粘剂的硬化方法胶粘剂的物理形态胶粘剂的主要粘料GB/T13553-1996×××—××—AB③常用胶粘剂：（1）结构胶粘剂：该性环氧胶粘剂、该性酚醛树脂胶粘剂、无机胶粘剂（2）非（半）结构胶粘剂：聚氨酯胶粘剂、丙烯酸酯胶、有机硅胶粘剂、橡胶胶粘剂、热熔胶粘剂、厌氧胶粘剂等（3）密封胶粘剂：以合成树脂或橡胶为基料，防止渗漏，机械松动，冲击损伤等，起密封作用。③常用胶粘剂：（1）结构胶粘剂：该性环氧胶粘剂、该b.陶瓷材料——无机非金属材料陶瓷的组织结构主要由晶体相、玻璃相和气相组成：晶体相：硅酸盐（传统陶瓷），氧化物（典型陶瓷特别是特种陶瓷），非氧化物如碳化物、氮化物及硼化物（金属陶瓷）玻璃相：非晶态物质，主要作用是将分散的晶相粘结在一起，抑制晶粒长大及填充气孔使陶瓷致密。气相：陶瓷结构中存在5%-10%的气孔，使组织致密性下降，产生应力集中，导致力学性能下降，脆性增加，并使介电损耗增大，抗电击穿强度下降b.陶瓷材料——无机非金属材料陶瓷的组织结构主要由晶体相、玻陶瓷的性能特点

同金属材料相比，大多数陶瓷的硬度高，弹性模量大，脆性大，几乎没有塑性，抗拉强度低，抗压强度高。1、力学性能陶瓷的性能特点

同金属材料相比，大多数陶瓷的硬度高，

熔点高，抗蠕变能力强，热硬性可达1000℃。但陶瓷的热膨胀系数和导热系数小，承受温度快速变化的能力差，在温度剧变时会开裂。2、热性能熔点高，抗蠕变能力强，热硬性可达1000℃。但陶瓷3、化学性能

化学稳定性高，有良好的抗氧化能力，在强腐蚀介质高温共同作用下有良好的抗蚀性能。4、其他物理性能

大多数是电绝缘体，功能陶瓷材料具有光、电、瓷、声等特殊性能。3、化学性能化学稳定性高，有良好的抗氧化能力，在强

采用纯度较高的人工合成原料，如氧化物，氮化物，硅化物，硼化物，氟化物等制成的具有各种特殊力学，物理，化学性能。2、特种陶瓷1、普通陶瓷

以天然硅酸盐矿物如黏土、长石、石英、高岭土等为原料烧结而成的。有日用陶瓷，卫生瓷，建筑瓷，电工瓷，化工瓷等。

采用纯度较高的人工合成原料，如氧化物，氮化物，硅化常用工程结构陶瓷的种类、性能和用途普通陶瓷普通工业陶瓷化工陶瓷绝缘子，绝缘的机械支撑件，静电纺织导纱器受力不大，工作温度低的酸碱容器，反应塔，管道常用工程结构陶瓷的种类、性能和用途普通陶瓷普通工业陶瓷化工陶特种陶瓷氧化铝瓷氧化硅瓷氮化硼瓷氧化镁瓷氧化铍瓷火花塞，轴承，密封环，刀具耐磨，耐腐蚀，耐高温零件坩埚、绝缘零件，高温轴承熔化高纯度铀、钍及其合金的坩埚高温绝缘电子元件，核反应堆中子减速剂和反射材料，高频电炉坩埚特种陶瓷氧化铝瓷氧化硅瓷氮化硼瓷氧化镁瓷氧化铍瓷火花塞，轴承

在工程结构上使用的陶瓷。主要在高温下使用，因此也称为高温陶瓷。具有在高温下优越的力学，物理和化学性能，在某些科技场合和工作环境往往是唯一可用的材料。有氧化铝，氮化硅，碳化硅和增韧氧化物等材料。3、工程陶瓷

在工程结构上使用的陶瓷。主要在高温下使用，因此也称

利用陶瓷特有的物理性能制造出的用途各异的功能陶瓷材料。例如导电陶瓷，半导体陶瓷，压电陶瓷，绝缘陶瓷，磁性陶瓷，光学陶瓷以及利用某些精密陶瓷对声，光，电，热，磁，力，湿度，射线及各种气氛等信息显示的敏感特性而制得的各种陶瓷传感器材料。4、功能陶瓷

利用陶瓷特有的物理性能制造出的用途各异的功能陶瓷材c.复合材料定义：由两种或多种不同性能的材料用某种工艺方法合成的多相材料。

复合材料既保持组成材料各自的特性，有具有复合后的新特性，其性能往往超过组成材料的性能之和或平均值组成材料的种类、性能、比例、形态不同，复合方法不同，会得到不同的强化效果。c.复合材料定义：由两种或多种不同性能的材料用某种工艺方法合①工程中常见的复合材料

1）玻璃纤维-树脂复合材料

以玻璃纤维和热塑性树脂复合的玻璃纤维增强材料比普通塑料具有更高的强度和冲击韧度。玻璃纤维和塑料基体组成的复合材料通常叫做玻璃钢。按所用基体可分为热固性玻璃钢（以环氧树脂、酚醛树脂等为基体）和热塑性玻璃钢（以尼龙，聚苯乙烯等为基体）两种。强度较高，接近或超过铜铝合金，而密度只有钢的1/4-1/5。因此其比强度甚至高于合金钢。此外，还具有良好的耐蚀性。①工程中常见的复合材料1）玻璃纤维-树脂复合材料2）碳纤维-树脂复合材料

碳纤维通常和环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等组成复合材料。它在保持了玻璃钢许多性能优点的基础上，还有一些优异的性能。它的强度和弹性模量都高于铝合金，接近高强度钢；它的密度比玻璃钢还小，因此比强度和比模量在现有复合材料中居第一位。此外，它还有优良的耐磨、减摩及自润滑、耐蚀、耐热等优点。在机械工业中，碳纤维复合材料可用作承载零件和耐磨零件，如齿轮、连杆、活