第0章绪论工程材料

栗慧机械工程材料常州工学院机电学院2

材料(Materials)是国民经济的物质基础。广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)

材料无处不在，无处不有

绪论工程材料：材料科学的实用部分主要阐述结构材料的成分、组织、性能应用的一般规律。3

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0.1我国材料的历史进程漫长而又曲折的历程：5

石器时代(前400,000~4500)石斧、凿、刀、铲、箭头、

纺轮、钵等（西安半坡遗址）

石斧石器6

粘土烧制成陶器

瓷器东汉时期发明了瓷器。于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，13世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。

陶器新石器时代(前6000年～前5000年)7

巨型司母戊鼎(河南安阳晚商遗址)青铜器时代(前5000年)青铜器8

湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑9

中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄铁器时代(前1200年)半导体材料的发展和微电子技术的提高，使CPU体积更小，性能更高，价格更便宜。

高分子时代半导体时代先进陶瓷时代复合材料时代20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异作为“发明之母”和“产业的粮食”的新材料研制更是异常活跃“材料革命”的新时代

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古代科技名著：

“考工记”（先秦）

“梦溪笔谈”（宋代沈括）

天工开物”（明代宋应星）明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展停滞状态解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。一整套材料体系门类全齐数量质量钢铁突破亿吨大关世界第一原子弹、氢弹、人造卫星、火箭12

长征三号运载火箭在发射架上的图片宝钢高炉材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。

材料的发展与人类社会简图龙芯联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。

没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。

在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。

二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。

前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术需要先进材料的支持。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。早在公元前6000~5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。

4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。

司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高133厘米重875kg饰纹优美越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发古代剑刃制造中的特殊技术梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子黄石铜矿遗址春秋晚期矿井深达50m炼铜炉渣多达40万吨实属罕见我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。

生铁炒熟铁图宋应星鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由49年的15.8万吨上升到现在的一亿吨。

中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。中国的航天事业-“神舟”号飞船“神舟二号”飞船运往发射工位“神舟”一号飞船

“神舟”一号发射成功“神舟”二号发射成功中国的航天事业-“神舟”号飞船“神舟”三号发射成功“神舟”四号发射成功“神舟”三号飞船

“神舟”四号飞船

中国的航天事业-“神舟”五号载人飞船杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。灰铸铁的显微组织光学显微镜Pb-Sn共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。

Si表面的重构图象X-射线衍射仪1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）

透射电子显微镜

扫描电子显微镜

光镜下电镜下1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。

金属钛中的位错33

0.2工程材料的分类物质都由一百多种元素组成原子—电子-原子核离子、原子或分子势能(结合能)和动能物质的状态取决于粒子之间的相互作用和它们的热运动等离子态气态液态固态超固态中子态0.2.1物质的状态34

0.2.2固体中的结合键原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。

离子键共价键化学键金属键分子键物理键氢键35

一、离子键(Ionicbonding)多数盐类、碱类和金属氧化物实质：金属原子→正离子非金属原子→负离子特点：以离子为结合单元，正负离子相间排列，无方向性，无饱和性性质：硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大，良好电绝缘体离子键示意图氯化钠结构36

二、共价键(Covalentbonding)亚金属（C,Si,Sn,Ge），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子通过共用电子对而成特点：饱和性，配位数较小，方向性性质：强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高和挥发性低，导电能力差共价键示意图金刚石结构37

三、金属键(Metallicbonding)金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键实质：金属，最外层电子数很少→价电子→自由电子→电子云特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性性质：良好导电、导热性能，延展性好金属键示意图钼的结构38

四、分子键(Vander

waalsbonding)实质：分子偶极之间的作用力，无电子的得失，共（公）有化特点：属物理键，次价键，不如化学键强大，但能在很大程度上改变材料性质性质：熔点和硬度均较低，良好绝缘性分子键示意图甲烷结构39

1、金属材料：黑色金属、有色金属2、高分子材料：有机合成材料，又叫聚合物。

ex:塑料、橡胶、合成纤维、胶粘剂

3、陶瓷材料：是由一种或几种金属材料同一种非金属元素的化合物而制成的材料。

ex:无机玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷三类4、复合材料：由各种不同性质的材料复合而成的材料。在强度、刚度和耐蚀性方面较优越。0.2.3工程材料的分类40

工程材料金属材料碳钢合金钢钢铸铁有色金属及合金高分子材料工程塑料合成纤维合成橡胶胶粘剂陶瓷材料普通陶瓷特种陶瓷复合材料非金属基复合材料金属基复合材料材料发展的历程示意图金属材料以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛黑色金属有色金属—轻金属,重金属,贵金属,稀有金属

铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。

带材异形材板材管材金属材料制品陶瓷材料以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。

特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷发动机高分子材料

以分子键和共价键为主塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小包括塑料、橡胶及合成纤维等

分子键共价键高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。

烯丙酰氯-苯乙烯复合材料包括：金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料

是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。航空发动机航空发动机53

0.2.4本课程的性质、目的和任务1、性质：机类和近机类各专业的一门技术基础课。2、目的（1）掌握工程材料的基本理论