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1、Unit 1 材料的种类 （1）材料的分类方法很多。科学家常用的典型的方法是根据它们的状态分类：固体，液态或气态。材料也分为有机（可再生）和无机材料（不可再生）。（2）工业上，材料划分为工程材料或非工程材料。工程材料用于制造和加工成零件的材料。非工程材料是化学药品，燃料，润滑剂和其它用于制造又不用来加工成零件的材料。（3）工程材料可进一步细分为：金属，陶瓷，复合材料，聚合材料，等。Metals and Metal Alloys 金属和金属合金（4）金属有好的导电好导热性，很多金属有高的强度，高硬度和高的延展性。象铁，钴，镍这些金属有磁性。在非常低的温度下，一些金属和金属互化物变成超导体。（5）
2、合金和纯金属有什么区别？纯金属在元素周期表的特殊区域。例如用于制造电线的铜和做锅和饮料罐的铝。合金含有两种以上的金属元素。改变金属元素的比例可以改变合金的性质。例如，合金金属的不锈钢，是由铁，镍，和铬组成。而黄金珠宝含有金镍合金。（6）为什么要使用金属和合金？很多金属和合金有很高密度并用在要求质量与体积比高的的场合。一些金属合金，象铝基合金，密度低，用在航空领域可以节省燃料。很多合金有断裂韧度，可以承受冲击，且耐用。金属有哪些重要属性？（7）【密度】 质量除以体积叫做密度。很多金属有相对高的密度,特别的，象聚合体。高密度的材料常是原子量很大，象金或铅。然而一些金属，像铝或镁密度低，就常常用在要
3、求有金属特性而又要求低质量的场合。（8）【断裂韧性】 断裂韧度用来描述金属抗断裂的能力，特别的，当有裂纹时。金属通常都有无关紧要的刻痕和凹坑，且有耐冲击性。足球队员关注这一点当他确信面罩不会被击碎的时候。（9）【塑形变形】 塑性变形表述的是材料在断裂之前弯曲变形的能力。作为工程师，我们通常设计材料使得能够在正常情况下不变形。你不会想要一阵强烈的西风就把你的车刮得往东倾斜。然而，有时，我们可以利用塑性变形。汽车的承受极限就是在彻底破坏之前靠塑形变形来吸收能量。（10）金属的原子键也影响它们的性质。金属中，外层电子属于所有原子，并且可自由移动。因为这些电子的属能导电，导热，所以可以用这些金属做烹饪
4、锅、电线。透过金属不可能看的见，因为这些价电子吸收到达金属的光之。没有光子通过。（11）【合金】 合金有两种以上金属组成。增加其他金属可以影响密度，强度，断裂韧度，塑性变形，导电性和导致环境退化。例如增加少量的铁到铝中可以增加它的强度。还有，在钢中添加铬可以减缓生锈，但是这将使它更脆。Ceramics and Glasses陶瓷和玻璃（12）广义上说，陶瓷是指所有无机非金属材料。根据这个定义，陶瓷材料包括玻璃。然而，有些材料科学家给陶瓷加了定语，陶瓷要是晶体的。（13）玻璃是无机非金属材料，但是它没有晶体结构。这种材料被称作非晶体。Properties of Ceramics and Gass
5、es陶瓷和玻璃的特性（14）高熔点，低密度，高强度，高刚度，高硬度，高耐磨性和抗腐蚀性是陶瓷和玻璃的常用特性。一些陶瓷是电和热的绝缘体。一些陶瓷有特别的性质：有些是磁性材料；有些是压电材料；而有些特殊陶瓷在低温下是超导体。陶瓷和玻璃有一个主要的缺点是脆性高。（15）陶瓷不是典型的从融化状态形成的。这是因为在冷却温度以上时，陶瓷会大面积出现裂纹。因此用于玻璃产品生产的简单有效的方法，象铸造和吹塑，这些要设计融融状态的方法都不能用于晶体陶瓷产品的生产。取而代之，烧结或烘烤方式是典型的工艺。烧结时，陶瓷粉末被加工成有紧密形体，并且接着把温度升到熔点一下。在这个温度下，粉末立即反应，去除空隙，并得到严
6、实的物品。（16）光导纤维有三层：核心有高纯玻璃制成，该玻璃是高折射指数光传输材料；中间层是低折射指数玻璃，是保护核心玻璃表面不被擦伤或表面完整性被破坏的所谓覆层；最后外层是塑料（聚合体）护套，可以保护光导纤维不受损。为了使核心玻璃表面的折射率高于覆层，核心玻璃掺少量的，可控的杂质，用来减慢光的传播，但是不吸收光。因为核心玻璃的折射率高于覆层，只要光在核心玻璃和覆层分界面的角度大于临界角，会一直在核心玻璃中传播。全部的内部反射和高纯的核心玻璃能是光传播很远的距离而强度降低很少。【复合材料】 （17）复合材料由两种或多种材料组成。如包括聚合物陶瓷和金属陶瓷复合材料，复合材料被使用，因为复合材料的
7、所有性能比单一元素高，例如聚合物陶瓷复合材料比聚合物复合材料的模量大，但它没有陶瓷脆（18）两种符合材料为：纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料（19）（纤维增强复合材料） 纤维增强复合材料由金属、陶瓷、玻璃和已经碳化的聚合物构成，因也被称为碳纤维。纤维增大了材料基质的模量，沿纤维长度方向的较强的共价键在这个方向上产生了较高的模量，因为要打断或拉伸纤维，共价键必须被破坏或移动。（20）纤维很难加工成复合材料，制造纤维增强复合材料非常昂贵。他被用于一些先进的因此也很昂贵的体育器材如赛车有热固性的聚合物基质中的碳纤构成。赛车和许多汽车的车身由具有热固性基质的玻璃纤维复合而成。（21）纤维沿他的轴线有
8、较高的模量，但沿轴线垂直方向模量较低，为了避免各个方向模量不同，纤维复合材料制造者经常旋转纤维层以避免模量定向变化。（22）（颗粒增强复合材料） 被用来增强的颗粒包括陶瓷和玻璃如小的矿物颗粒，金属粒子如铝及非晶体材料包括聚合物和碳黑。（23）粒子被用来增加基质的模量，减少基质渗固性和延展性粒子增强复合材料的一个例子汽车轮胎，在他有碳黑粒子在聚异丁烯，弹性聚合物基质中。（24）(聚合物) 聚合物有重复的结构，通常以碳的结构骨架做为基本单元。这种重复结构产生了三大链状分子，聚合物非常有用，因为他们质轻，抗腐蚀，在低温下易加工而且通常比较便宜。（25）聚合物的一些重要特征包括：尺寸（分子量），软化和
9、熔点，结晶度以及结构。聚合物的机械性能包括低强度，高韧性，通过使用增强复合材料结构，他们的强度被改善。（26）聚合物的重要特征尺寸大小：单一聚合物分子量在10000克每摩尔和1000000克每摩尔之间，根据聚合物结构他有超过2000个重复单元，分子量对聚合物的机械性能有重要影响，分子量大的机械性能较好。热传递：聚合物软化点和融化点决定他的使用场合，这些温度通常决定聚合物使用的上限温度，例如许多重要工业聚合物有玻璃转化温度接近水的沸点（100摄氏度，212华氏温度）。他们通常在室温下使用，一些特殊工程聚合物能承受300摄氏度（572华氏温度）的高温。晶状结构：聚合物可能是晶体或非晶体，但是他们通
10、常是晶体和非晶体的混合结构（半结晶）。内部链相互反应：聚合物链能够自由滑到另一个（热塑性材料）或是彼此十字交叉连接（热固性或弹性材料），热塑性材料能从新成型回收，而热固性材料和弹性材料不能。Unit 2 金属热处理（1）金属热处理包含在广义的冶金学研究领域里。冶金学是综合化学，物理和从矿石提取到最后产品相关的金属工程的一门学科。热处理是对固态金属进行加热和冷却处理来改变金属物理性能的一种工艺。根据使用的场合的，提高钢的强度可以它的耐切削性和耐磨性，或者使钢软化以便于机械加工。正确的热处理可以去掉内应力，减小晶粒大小，韧性增加或者在较好的材料表面给形成一个高强度的表面。分析钢的成分是很有必要的，
11、因为小百分比的某种元素就会对钢的物理性能产生很大的影响，特别地，碳这种元素。（2）合金钢的性质取决于含有的除碳以外的其它的一种或几种元素，如：镍，铬，锰，钼，钨，硅，钒和铜。 改善了性能的钢可以有很多的商业用途，碳钢是不能比的。（3）下面主要介绍普通商业用钢像总所周知的普通碳素钢的热处理。在这个过程中冷却速率是关键因素，在临界温度以上时快速冷却可得到坚固的结构，然而，非常慢的冷却会有相反的影响。一张简化的铁-碳相图（4）我们经常用一张简单的相图来研究钢这种材料，对工程人员来说，铁-碳相图中的近铁素体区和含碳量大于2%的部分并不重要，所以这两部分被删掉。如表2-1所示；它表述的是共析区，这张图对
12、研究钢的性能和钢的结晶过程是相当有用的。（5）这张图表明，一个重要的转变是随着温度的降低，单相的奥氏体分解成两相的铁素体和碳化物。控制这个反应，可以是奥氏体和铁素体的C溶解性有很大的不同，这样通过热处理就可以得到一系列的机械性能。（6）首先研究这个过程，在图2-1中，在含碳0.77%沿着线x-x降低温度，考虑钢的共析化合物。在高温时，只有奥氏体，溶0.77%的碳是溶解在溶体状态铁中。当温度下降到7270C(13410F)时，数个反应同时发生。铁需要从面心立方奥氏体转变成体心立方铁素体结构，但是铁素体只能容纳固溶体状态0.02%的碳。析出的碳形成碳较富裕的渗碳体，也就是形成合成物Fe3C。基本上
13、，这个共析转变是：奥氏体 铁素体 + 渗碳体 0.77%C 0.02%C 6.67%C（7）在固体状态里，碳的成分发生化学分离，形成了有好的机械性能混合物，铁素体和渗碳体。这种结构由两种截然不同的状态组成，但它本身有一系列特性，且因与低倍放大时的珠母层有类同之处而被称为珠光体。（8）亚共析钢比共析钢含碳量要少的多，亚共析钢含碳量少于0.77%。现在考虑在图2-1中沿y-y降温材料特征的转化。在高温时，成分是奥氏体，但在冷却线上进入一个有铁素体和渗碳体组成的稳定的区域。由截线和杠杆定理分析可知，低碳铁素体成核并不断长大，余下含碳量高的奥氏体。温度在7270C(13410F)时，奥氏体发生共析转变
14、，继续降温，奥氏体转化成珠光体。最终的产物是铁素体和珠光体的混合物。（9）过共析钢含碳量比共析钢多。在图2-1中沿z-z线冷却，和亚共析过程差不多。只是其中一相现在是渗碳体而不是铁素体。达到共析温度7270C的时候，随着富碳相的形成，奥氏体含碳量减少。同样的余下的奥氏体在通过这个温度是都要转化成珠光体。（10）相图中表示的转化需要平衡条件，就是近似看作需要缓慢冷却。随着慢慢加热，过程是相反的。然而，合金冷却迅速，将得到完全不同的产物，因为没有足够的时间完成正常的相转化，在这种情况下，相图就不再适用于这个工程分析了。（11）【淬火】 淬火是把钢温度升到临界温度或以上并迅速冷却这样一个过程。如果知
15、道了碳含量，就可以用铁-铁碳化合物相图来选择正确的淬火温度。然而，如果不知道钢的成分，可以用逐步实验的方法来确定温度范围。好的处理工艺是通过对大量试件在各种温度下进行实验，然后对结果进行分析得到的，分析的方式可以是强度测试也可以用精密的测试。用合适的温度对钢进行热处理后，钢的强度和其它的机械性能都有很大的改善。12）热处理效率在热处理中是非产重要的。热以一定的速率从外部传到内部。如果钢将加热的太快，零件的外面比里面温度高，将得不到一致的晶体结构。如果零件的形状是不规则的，考虑到零件的扭曲变形，就要用慢速加热的方式。质量越大的部分，越需要多的时间来加热，从而得到成分均匀的产物。当温度达到恰当的温
16、度后，要保持足够的一段时间，使零件最厚的部的温度是一致的。（13）淬火的速率，含碳量和零件的尺寸决定了淬火获得的硬度。对合金钢来说，金属元素的量和种类决定淬硬的深度（淬透性）。除了未变硬和部分淬硬的钢，不影响硬度。（14）低碳钢的淬硬性好，在含碳量低于0.6%时，随着含碳量的升高，淬硬性也在升高。含碳量高于这个点，淬硬性增加不显著，因为共析温度以上的钢在在退火时是由珠光体和渗碳体组成。珠光体的热处理性比较好，包括珠光体在内的多数钢都可以转化成硬钢。（15）随着零件尺寸的增大，即使所有的条件都一样，表面硬度要降低。钢的热传递速率是有限的。无论冷却液温度有多低，大零件内部的冷却速度比可能快于临界冷却速度，内部硬度有一定的限制。然而，盐水或水冷却液可以迅速把淬火零件表
