工程材料及應用課件：第1章 緒論

工程材料及應用

EngineeringMaterialsandtheirApplications緒論Introduction公元前10萬年公元前8000年公元前3000年公元前1000年公元0年1800年1950年1990年石器時代陶器時代青銅器時代鐵器時代水泥時代鋼時代硅時代新材料

材料科學的重要地位

人類使用材料八個時代的起始時間[*]*AndrewBraggs,TheScienceofNewMaterials,Oxford,Blackwell,1992舊石器時代原始社會：石器、木器骨器、草編

緒論Introduction新石器時代原始社會晚期到封建社會初期：陶器（原始社會晚期）紅陶（奴隸社會初期）薄胎黑陶和白陶（龍山文化時期）釉陶（三千年前殷周時期）瓷器（東漢時期）紅陶繩紋碗，大地灣文

化，容器，甘肅秦安大

地灣1期遺址出土，高7

厘米，口徑17.8厘米，

甘肅省博物館藏緒論Introduction

青銅器時代青銅冶煉技術(shù)始于埃及和西亞，我國在夏、殷、西周時期發(fā)展達到很高水平青銅制品：河南安陽出土的思母戊方鼎、江陵楚王墓越王勾踐寶劍春秋戰(zhàn)國時期《考工計》青銅“六齊”學說：六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊，五分其金而錫居二，謂之削殺之齊；金錫半，謂之鑒燧之齊。緒論Introduction緒論Introduction商朝銅鼎(1600–1046BC).中歐(1300–700BC）

鐵器時代春秋戰(zhàn)國開始大量使用鐵器—鑄鐵西漢時期有了煉鋼技術(shù)，并傳入歐洲工業(yè)革命使得合金在西方長足發(fā)展，并且伴隨物理學的發(fā)展及顯微鏡的出現(xiàn)，金屬學理論成形緒論Introduction

鋼時代緒論Introduction

日本英國

1952700萬噸1700萬噸

19622755萬噸2082萬噸

19729690萬噸2500萬噸

英國、日本鋼產(chǎn)量

由于鋼鐵的發(fā)展推動了日本的汽車工業(yè)以及相關的應用鋼鐵產(chǎn)品的發(fā)展

硅時代緒論Introduction

新材料時代緒論Introduction

新材料時代緒論Introduction

新材料時代材料的人工合成：新合金材料的人工合成：高分子材料：新型陶瓷材料：復合材料緒論Introduction緒論Introduction公元前10萬年公元前8000年公元前3000年公元前1000年公元0年1800年1950年1990年石器時代陶器時間青銅器時代鐵器時代水泥時代鋼時代硅時代新材料

材料科學的重要地位

人類使用材料八個時代的起始時間[*]*AndrewBraggs,TheScienceofNewMaterials,Oxford,Blackwell,1992

日本英國

1952700萬噸1700萬噸

19622755萬噸2082萬噸

19729690萬噸2500萬噸

IntroductiontoMaterialsScience英國、日本鋼產(chǎn)量

由于鋼鐵的發(fā)展推動了日本的汽車工業(yè)以及相關的應用鋼鐵產(chǎn)品的發(fā)展

緒論發(fā)達國家都認識到材料科學的重要性1990年美國總統(tǒng)布什的科學顧問AllanyBromley明確指出：“材料科學在美國是最重要的學科”1981年日本選擇了三個優(yōu)先發(fā)展領域：新材料、新裝備和生物技術(shù)各種材料使用情況IntroductiontoMaterialsScience增強的碳-碳（RCC）高溫表面絕緣材料（HRSI）Nomex涂層低溫表面絕緣材料金屬或玻璃波音767飛機上所使用材料的比例IntroductiontoMaterialsScience

1970年以后，日本認識到硅時代的重要，在保持鋼鐵技術(shù)的基礎上，大力發(fā)展硅材料，發(fā)展半導體工業(yè)，使得其家用電器產(chǎn)品很快在國際上占住絕對優(yōu)勢。

然而，英國卻忽視了硅時代的到來，沒有相應的技術(shù)政策和戰(zhàn)略眼光，其結(jié)果使英國2000名硅材料的技術(shù)人員流入美國硅谷，1988年英國僅信息技術(shù)產(chǎn)品而言，英國對日本的貿(mào)易赤字就達到2.2億英磅，這還不包括利用硅片控制的自動聚焦照相機之類的產(chǎn)品。

英國人抱怨：“沒有硅工業(yè)，英國從第一流的經(jīng)濟大國變?yōu)榈诙鞯慕?jīng)濟發(fā)達國家，而日本由第二流的經(jīng)濟發(fā)達國家變?yōu)榈谝涣鞯慕?jīng)濟大國。英國就好似仍停留在石器時代的國家，而還沒有進展到青銅器時代”IntroductiontoMaterialsScienceIntroductiontoMaterialsScience1、產(chǎn)業(yè)革命后的鋼鐵大量消費——鋼鐵

2、第二次世界大戰(zhàn)后的塑料高速發(fā)展——高分子3、現(xiàn)代化社會的新材料革命——新材料三大材料革命：IntroductiontoMaterialsScience三大材料革命：鳥巢水立方IntroductiontoMaterialsScience三大材料革命：電子管晶體管集成電路IntroductiontoMaterialsScience三大材料革命：一張小小CD光盤可以存儲比爾.蓋茨身下厚達55英尺（約330,000頁）的一張張資料。太陽能板材料科學：

材料性能制備加工工藝成分/組織結(jié)構(gòu)材料固有性能

是研究材料的組織（結(jié)構(gòu)）、制備加工工藝與性能之間關系的科學。IntroductiontoMaterialsScience第一章

IntroductiontoMaterialsScience材料的結(jié)合方式及性能

第一節(jié)固體物質(zhì)的原子結(jié)合鍵一、晶體與非晶體晶體：

固態(tài)物質(zhì)中其原子（離子、分子）在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復排列的狀態(tài)，則稱該物質(zhì)為晶體。晶體具有固定的熔點。非晶體：

固態(tài)物質(zhì)中原子（離子、分子）在三維空間呈無規(guī)則的排列狀態(tài)的物質(zhì)，稱為非晶體。Almandine（鐵鋁榴礦）Calcite（方解石）Quartz（石英）Azurite(蘭銅礦石)

第一節(jié)固體物質(zhì)的原子結(jié)合鍵

第一節(jié)固體物質(zhì)的原子結(jié)合鍵二、原子間的結(jié)合能

第一節(jié)固體物質(zhì)的原子結(jié)合鍵作用力f(作用能E)距離f吸f斥f總E總f總E0

第一節(jié)固體物質(zhì)的原子結(jié)合鍵三、原子間的結(jié)合鍵的類型

金屬鍵共價鍵離子鍵分子鍵（范德瓦爾鍵）

第一節(jié)固體物質(zhì)的原子結(jié)合鍵

第二節(jié)工程材料的分類金屬材料黑色金屬鑄鐵白口鑄鐵灰口鑄鐵球墨鑄鐵鋼碳素鋼合金鋼有色金屬輕金屬重金屬貴金屬稀有金屬稀土金屬放射性金屬陶瓷材料普通陶瓷陶器日用、建筑陶瓷電子陶瓷化工陶瓷多孔陶瓷特種陶瓷工程陶瓷功能陶瓷

第二節(jié)工程材料的分類高分子材料熱塑性塑料縮聚物加聚物共聚物熱固性塑料縮聚物共聚物彈性材料天然橡膠人工合成橡膠

第二節(jié)工程材料的分類

復合材料顆粒復合材料纖維復合材料

第二節(jié)工程材料的分類第三節(jié)材料的性能

ThePropertiesofMaterialsTensileexperiments=E

e一、力學性能應力應變A‘ABCDEdeEEssssbsepsE第三節(jié)材料的性能

ThePropertiesofMaterialsTensileexperiments=E

e一、力學性能應力應變A‘ABCDEdeEEssssbsepsE第三節(jié)材料的性能ThePropertiesofMaterials一、力學性能(MechanicsProperties)1拉伸性能

(Tensileproperties)OA:彈性拉伸（變形）階段OA‘：線彈性階段A點：開始塑性變形BC：屈服變形CD：硬化與強化DE：“頸縮”階段應力應變A‘ABCDEdeEEssssbsepsE1、拉伸性能斷面收縮率=（原始橫截面積–斷裂時斷口橫斷面積）/原始面積×100% =(A0–Af)/A0×100%

一、力學性能(MechanicsProperties)1、拉伸性能

(Tensileproperties)應力應變A‘ABCDEdeEEssssbsep彈性極限:se比例極限:sp屈服強度：ss抗拉強度：sb彈性模量:E=s/e延伸率：

eE斷面收縮率:yE1、拉伸性能工程應力應變曲線工程應力應變與真應力應變曲線2、硬度衡量材料軟硬程度的指標，反映材料抵抗外力塑性變形的能力。1)布氏硬度：HB、HBS2)洛氏硬度：HRC、HRB、HRA3)維氏硬度：HV4)肖氏硬度：HS5)莫氏硬度：

不同硬度法測量值之間無可比性。2、硬度1)布氏硬度：HB、HBSDdhHB=P/F=

2PD(D–(D2-d2)1/2）P布氏硬度計

2、硬度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計2)洛氏硬度：HRC、HRB、HRA

用120°圓錐金剛石壓頭，或直徑1.588mm的淬火鋼球在1470N(150kgf,HRC)和588N(60kgf,HRA)力或980N(100kgf,HRB)力壓入材料，以壓入材料表面的深度來度量材料的硬度。用于硬度較高的淬火鋼件。3)維氏硬度：HV

用對面夾角136°四棱錐金剛石壓頭，在力P作用下壓入材料，用壓痕單位面積上承受的力作為材料硬度的度量。力的大小從980N、490N、297N到…0.192N不等。壓痕小用顯微鏡來觀察，用于測量表層或微區(qū)硬度。2、硬度HV=P/S=P/[d2/2sin68°]HV=1.8544P/d23、沖擊韌性定義：材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。4、斷裂韌性定義：

含有裂紋的材料在收到應力時，在裂紋尖端處會產(chǎn)生應力集中，當應力達到某一應力值時，裂紋將發(fā)生擴展，材料抵抗裂紋擴展的能力稱為該材料的斷裂韌性。KIc=Ysa(MPa)其中：Y－與裂紋形狀、加載方式及試樣尺寸有關的量

s－應力

a－半裂紋長度5、疲勞性能定義：材料在疲勞載荷條件下抵抗變形和斷裂的能力。疲勞極限：

材料能經(jīng)受無限次(106)交變應力而不發(fā)生疲勞斷裂的最大應力，用s-1表示。6、耐磨性磨損：

一個零件相對與另一個零件發(fā)生相對摩擦，引起表面有微小顆粒分離出來，使接觸面尺寸發(fā)生變化、重量發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磨損。耐磨性：

材料對磨損的抵抗能力稱為材料的耐磨性，可用磨損量表示。在一定條件下的磨損量越小，則耐磨性越高。二、物理化學性能（PhysicalandChemicalProperties）

指材料本身的具有各種物理量(熱、電、光、磁等)以及環(huán)境變化時他們的變化程度。1、材料的物理性能

密度與比容

導熱性

熱膨脹系數(shù)a單位體積物質(zhì)的質(zhì)量Kg/M3單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積M3/Kg物體內(nèi)溫度梯度為1℃/M時，在單位時間、單位面積內(nèi)傳遞的熱量W/(M.K)

溫度上升1℃時，單位長度的伸長量mm/(℃.mm)或℃-1

二、物理化學性能（PhysicalandChemicalProperties）電阻與電導熔點

物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，反映固態(tài)下原子間結(jié)合力。電阻率為單位長度和單位截面積導體的電阻。單位是M，