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1、“十一五”国家级规划教材工程材料第5版配套课件,绪 论,第5版,前 言 工程材料课程是高等院校机械类专业的一门十分重要的技术基础课。 课程的任务是从机械工程的应用角度出发，阐明机械工程材料的基本理论，了解材料的成分、加工工艺、组织、结构与性能之间的关系；介绍常用机械工程材料及其应用等基本知识。,课程的目的是使学生通过学习，在掌握机械工程材料的基本理论及基本知识的基础上，具备根据机械零件使用条件和性能要求，对结构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初步能力。 由于能源、材料和信息是现代社会和现代科学技术的三大支柱，学习并掌握工程材料的基础知识，对于工科院校机械类专业的学生是十分必要的。,绪 论
2、第1章 材料的结构与性能特点 第2章 金属材料组织和性能的控制 第3章 金属材料 第4章 高分子材料 第5章 陶瓷材料 第6章 复合材料 第7章 功能材料及新材料 第8章 零件失效分析与选材原则 第9章 典型工件的选材及工艺路线设计 第10章 工程材料的应用,课 程 目 录,绪 论 内容提要 介绍中华民族对材料发展的重大贡献、新材料新工艺的发展现状。 介绍材料的结合键和性能。 根据结合键对工程材料进行分类。 学习目标 了解材料的结合键，了解工程材料的分类。了解工程材料课程的任务和学习目的。,0.1 中华民族对材料发展的重大贡献,材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生活和生产的物质基础。 人
3、类社会的发展伴随着材料的发明和发展。,材料的发展历史 石器陶器青铜器铁器高分子材料复合材料,0.1.1 中华民族对材料发展的重大贡献,一、石器的制造和使用 在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。 中华民族的祖先用坚硬的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。,石器,石斧,二、陶器与瓷器的发明和使用 新石器时代(公元前6000年公元前5000年)，中华民族的先人们用粘土烧制成陶器。,瓷器中国文化的象征 最早生产瓷器的国家。 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，15世纪传到欧洲。 瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。 中国瓷器畅销全球
4、，名誉四海。,瓷器,三、我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化 夏朝(公元前2140年始)以前我国青铜的冶炼就开始。 殷、西周时期已发展到很高的水平。制造各种工具、食器、兵器。,兵器,从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎（又称后母戊鼎）重约832 kg, 长1.33 m、宽0.78 m、高1.10 m。是迄今世界上最古老的大型青铜器。,司母戊鼎,从湖北随县出土的战国青铜编钟共计六十四枚，分三层悬挂。 造型壮观、音频准确。铸造精美，音律齐全，音域宽广，音色和美，乐律铭文珍贵。 是我国古代文化艺术高度发达的见证。,编钟,世界上最古老的青铜成分的文字记载 春秋战国时期周礼考工记：,六分其金而锡居一，谓之钟鼎之
5、齐(剂）； 五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐； 四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐； 三分其金而锡居一，谓之大刃之齐； 五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐； 金、锡半，谓之鉴燧之齐。,我们的祖先已经认识到了青铜的成分、性能与应用之间的密切关系。,四、铁器的生产和应用 青秋战国时期(公元前770年公元前221年)开始大量使用铁器。 从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用的铁模。 冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸造的高级阶段。,古代炼铁图,西汉时期炼铁技术提高 采用煤作为炼铁的燃料，比欧洲早1700多年。 在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20多座冶铁炉和锻炉。炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑。生
6、产规模壮观。,铁人 黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸),我国古代创造了三种炼钢方法 从矿石中直接炼出自然钢。用这种钢做的剑在东方各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲； 西汉时期的经过“百次”冶炼锻打的百炼钢； 南北朝时期生产的灌钢。先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早1600多年。,钢的热处理技术达到相当高的水平 西汉史记天官书：淬火工艺要点 “水与火合为淬”,钢铁生产工具的发展，对社会进步起了巨大的推动作用。,汉书王褒传：制剑技术 “巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”,明代科学家宋应星天工开物: 论述钢铁的退火、淬火、渗碳工艺。,五、丝绸天然高分子材料 丝绸是一种天然高分子材料，在我国有着悠久的历
7、史。 我国丝绸质地柔软，色彩鲜艳，美观华丽，光彩夺目。 于11世纪传到波斯、阿拉伯、埃及，于1470年传到意大利的威尼斯，进入欧洲。 中国丝绸，名扬四海。,历史充分说明，我们勤劳智慧的祖先，在材料的创造和使用上有着辉煌的成就，为人类文明、世界进步作出了巨大贡献。,想一想：中华民族对材料发展作出了重大贡献，你能再举出几个例子来吗？,0.1.2 新材料新工艺重大成果 一、新材料新工艺迅速发展 在当代，科学技术和生产飞跃发展。 材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。,高分子材料迅速发展 从20世纪60年代到70年代，高分子材料每年以14的速度增长。到70年代中期，全世界的高
8、分子材料和钢的体积产量已经相等。,陶瓷材料引人注目 陶瓷材料已用于制造机器零件和工程结构。 陶瓷具有许多特殊性能作为重要的功能材料(例如可作光导纤维、激光晶体等)。 陶瓷脆性和抗热震性正在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材料。,耐磨陶瓷 绝缘陶瓷,复合材料前途广阔 技术和工业的发展对材料性能提出越来越高的要求。单一材料不能满足某些使用要求。复合材料越来越得到人们的重视。,玻璃纤维树脂复合材料 碳纤维树脂复合材料 在航空航天工业中用于制造卫星壳体、飞机机身、螺旋桨等。,功能材料发展很快 超导材料 磁性材料 信息材料 形状记忆材料 各种功能材料有很大的发展。,光缆 磁浮列车（时速430公里）,二
9、、我国在新材料新工艺的研究和应用 方面取得重大成果 研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢贝氏体钢。,研制出零电阻温度为128.7 K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体)。,材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展。,分层实体快速成形 减速机箱体原型,熔融沉积快速成形 叶轮原型,激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽车发动机缸套、凸轮轴、纺织用锭杆等零件的表面强化上得到应用。,化学气相沉积技术制造高硬度、高耐磨性的金黄色TiN薄膜, 用于耐磨零件和装饰件的表面处理。,我国汽车工业发展迅猛。 汽车材料需求迅速增加。 除金属材料外，高分子材料、陶瓷材料、复合材料在汽车中得到重要应
10、用。,新型轿车 电动汽车,航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料的发展。,人造卫星,1966年我国成功发射人造卫星。,神舟”五号飞行成功,1999年我国载人航天工程试验飞船“神舟”一号飞行成功。 2003年中国第一艘载人飞船“神舟”五号飞行成功。,2005年中国第二艘载人飞船“神舟”六号飞行成功。 2007年中国探月卫星“嫦娥一号”成功发射。 2008年中国载人飞船“神舟”七号飞行成功。,“神舟”七号飞行,航天服,嫦娥一号卫星传回的月面图像,研制成功超7隐形战斗机，2003年8月30日首飞成功。,超7隐形战斗机,研制成功歼7E、歼10 战斗机。加强了国防力量。,歼10战斗机,导弹核潜艇 1
11、983年8月加入海军服役。 装有12枚两级弹道导弹。,导弹核潜艇,研制潜艇、导弹核潜艇，加强海军力量,利用碳纳米管作为衬底, 制备出均匀、致密的金刚石薄膜。 用碳纳米管作为晶须增强复合材料，制作纳米复合材料。,碳纳米管的研究取得新成果,碳纳米管,碳纳米管的结构,材料科学和材料工程发展很快。 我们需要掌握材料科学的基本理论和基本知识，研究和发明新的材料和新的工艺，合理地使用各种工程材料，为四个现代化建设事业作出贡献。,想一想：说出二个有关新材料、新工艺的实际事例。,课程目的 通过本门课程的学习，同学们应当掌握工程材料的基本理论及基本知识，具备根据机械零件使用条件、性能要求和失效形式，进行合理选材
12、及制订零件工艺路线的初步能力。,化学成分 加工工艺,组织结构,性能,选择材料 使用材料 零件,微观组成,材 料,工程材料课程纲领课程主线,失效分析,40Cr钢,0.40%C+1%Cr+Fe,0.2 材料的结合键,结合键分为： 离子键 共价健 金属键 分子键,各种工程材料是由各种不同的元素组成，由不同的原子、离子或分子结合而成。 结合键 原子、离子或分子之间的结合力。,一、离子键 正电性元素原子失去最外层价电子变成正离子，负电性元素原子后者获得电子变成负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引，形成稳定的离子键。 NaCl、MgO、Al2O3等由离子键组成。,离子键示意图 氧化镁结构,离子键特点：
13、结合力很大。 离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大。 离子键中很难产生可以自由运动的电子，离子晶体都是良好的绝缘体。 离子外层电子被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，典型的离子晶体是无色透明的。,二、共价键 处于周期表中间位置的三、四、五价元素原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时，以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。 由共用价电子对产生的结合键叫共价键。,共价键示意图,金刚石为共价晶体。 由碳原子组成，构成正四面体。1个碳原子在中心，另外4个碳原子在4个顶角上。 硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体。属于共价晶体的有SiC、Si3N4、BN等化合
14、物。,共价键特点：结合力很大。 共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。,金刚石结构,三、金属键 周期表中、族元素的原子丢失价电子成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公有，叫自由电子，在正离子之间自由运动，形成电子气。正离子在三维空间规则分布。 正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力叫金属键。,金属键示意图 钼的结构,金属由金属键结合，金属具有下列特性： 1.良好的导电性和导热性。 金属中存在大量自由电子，外加电场时电子可以定向地流动。 金属的导热性很好。自由电子的活动性很强，金属离子振动作用导热。,2.正的电阻温度系数。 随温度升高电阻增大
15、。,3.不透明并呈现特有的金属光泽。 自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。,4.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。 金属键没有方向性，受外力作用发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。,四、分子键 甲烷分子在固态能相互结合成为晶体。结合过程中没有电子的得失、共有或公有化。 靠范德瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。,分子键示意图 甲烷结构,在含氢的物质，特别是含氢的聚合物中，一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、半径较小的原子(F、O、N)相结合, 形成氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。,尼龙66的结构,分子键特点：范德瓦尔斯力很弱，由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。 因无自由电子，材料有良好的绝缘性。,0.3 工程材料的分类,工程材料 用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料，用来制造工程构件和机械零件。 包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蚀、耐高温等)的材料。,按结合键的性质，工程材料分类如下：,一、金属材料 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。 最简单的金属材料是纯金属。 工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，通常为金属晶体材料。,（1）黑色金属 铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)。 （2）有色金属 黑色金属
