工程材料培訓(xùn)課程課件

“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《工程材料》第5版配套課件緒論第5版“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《工程材料》第5版配套課件緒論第51工程材料培訓(xùn)課程2前

言

工程材料課程是高等院校機(jī)械類專業(yè)的一門十分重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。

課程的任務(wù)是從機(jī)械工程的應(yīng)用角度出發(fā)，闡明機(jī)械工程材料的基本理論，了解材料的成分、加工工藝、組織、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；介紹常用機(jī)械工程材料及其應(yīng)用等基本知識(shí)。前

言3課程的目的是使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，在掌握機(jī)械工程材料的基本理論及基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，具備根據(jù)機(jī)械零件使用條件和性能要求，對(duì)結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行合理選材及制訂零件工藝路線的初步能力。由于能源、材料和信息是現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，學(xué)習(xí)并掌握工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于工科院校機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生是十分必要的。課程的目的是使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，在掌握機(jī)械工程材料的基本4

緒論第1章材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)第2章金屬材料組織和性能的控制第3章金屬材料第4章高分子材料第5章陶瓷材料第6章復(fù)合材料第7章功能材料及新材料第8章零件失效分析與選材原則第9章典型工件的選材及工藝路線設(shè)計(jì)第10章工程材料的應(yīng)用課程目錄緒論課程目錄5緒

論內(nèi)容提要介紹中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)、新材料新工藝的發(fā)展現(xiàn)狀。介紹材料的結(jié)合鍵和性能。根據(jù)結(jié)合鍵對(duì)工程材料進(jìn)行分類。

學(xué)習(xí)目標(biāo)了解材料的結(jié)合鍵，了解工程材料的分類。了解工程材料課程的任務(wù)和學(xué)習(xí)目的。緒

論60.1

中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)

材料是人類用來(lái)制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

人類社會(huì)的發(fā)展伴隨著材料的發(fā)明和發(fā)展。材料的發(fā)展歷史石器—陶器—青銅器—鐵器—高分子材料—復(fù)合材料0.1

中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)材料是人類用來(lái)70.1.1中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)一、石器的制造和使用在人類的發(fā)展史上，最先使用的工具是石器。中華民族的祖先用堅(jiān)硬的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石鋤。石器石斧0.1.1中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)一、石器的制8

二、陶器與瓷器的發(fā)明和使用

新石器時(shí)代(公元前6000年～公元前5000年)，中華民族的先人們用粘土燒制成陶器。甘肅馬家窯文化時(shí)期的陶器表面彩繪條帶紋、波紋和舞蹈紋等，制品有炊具、食具、盛儲(chǔ)器皿等。陶器二、陶器與瓷器的發(fā)明和使用甘肅馬家窯文化時(shí)期9

瓷器——中國(guó)文化的象征最早生產(chǎn)瓷器的國(guó)家。東漢時(shí)期發(fā)明了瓷器。于9世紀(jì)傳到非洲東部和阿拉伯國(guó)家，13世紀(jì)傳到日本，15世紀(jì)傳到歐洲。瓷器成為中國(guó)文化的象征，對(duì)世界文明產(chǎn)生了極大的影響。

中國(guó)瓷器暢銷全球，名譽(yù)四海。瓷器

瓷器——中國(guó)文化的象征瓷器10

三、我國(guó)勞動(dòng)人民創(chuàng)造了燦爛的青銅文化

夏朝(公元前2140年始)以前我國(guó)青銅的冶煉就開(kāi)始。

殷、西周時(shí)期已發(fā)展到很高的水平。制造各種工具、食器、兵器。兵器三、我國(guó)勞動(dòng)人民創(chuàng)造了燦爛的青銅文化兵器11

●從河南安陽(yáng)晚商遺址出土的司母戊鼎（又稱后母戊鼎）重約832kg,長(zhǎng)1.33m、寬0.78m、高1.10m。是迄今世界上最古老的大型青銅器。司母戊鼎●從河南安陽(yáng)晚商遺址出土的司母戊鼎（又稱后母戊鼎）重12

●從湖北隨縣出土的戰(zhàn)國(guó)青銅編鐘共計(jì)六十四枚，分三層懸掛。造型壯觀、音頻準(zhǔn)確。鑄造精美，音律齊全，音域?qū)拸V，音色和美，樂(lè)律銘文珍貴。是我國(guó)古代文化藝術(shù)高度發(fā)達(dá)的見(jiàn)證。

編鐘●從湖北隨縣出土的戰(zhàn)國(guó)青銅編鐘共計(jì)六十四枚，分三層懸13

●世界上最古老的青銅成分的文字記載春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期《周禮·考工記》：六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊(劑）；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，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒燧之齊。我們的祖先已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了青銅的成分、性能與應(yīng)用之間的密切關(guān)系。●世界上最古老的青銅成分的文字記載六分其金而錫居一，14

四、鐵器的生產(chǎn)和應(yīng)用

●青秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前770年～公元前221年)開(kāi)始大量使用鐵器。

從興隆戰(zhàn)國(guó)鐵器遺址中發(fā)掘出了澆鑄農(nóng)具用的鐵模。冶鑄技術(shù)已由泥砂造型水平進(jìn)入鐵模鑄造的高級(jí)階段。

四、鐵器的生產(chǎn)和應(yīng)用15古代煉鐵圖古代煉鐵圖16

●西漢時(shí)期煉鐵技術(shù)提高采用煤作為煉鐵的燃料，比歐洲早1700多年。在河南鞏縣漢代冶鐵遺址中，發(fā)掘出20多座冶鐵爐和鍛爐。爐型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并有鼓風(fēng)裝置和鑄造坑。生產(chǎn)規(guī)模壯觀。

鐵人黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開(kāi)元12年鑄)●西漢時(shí)期煉鐵技術(shù)提高17

●我國(guó)古代創(chuàng)造了三種煉鋼方法

●從礦石中直接煉出自然鋼。用這種鋼做的劍在東方各國(guó)享有盛譽(yù)，東漢時(shí)傳入了歐洲；

●西漢時(shí)期的經(jīng)過(guò)“百次”冶煉鍛打的百煉鋼；

●南北朝時(shí)期生產(chǎn)的灌鋼。先煉鐵后煉鋼的兩步煉鋼技術(shù)我國(guó)要比其它國(guó)家早1600多年。●我國(guó)古代創(chuàng)造了三種煉鋼方法18●鋼的熱處理技術(shù)達(dá)到相當(dāng)高的水平

●西漢《史記·天官書》：淬火工藝要點(diǎn)

“水與火合為淬”鋼鐵生產(chǎn)工具的發(fā)展，對(duì)社會(huì)進(jìn)步起了巨大的推動(dòng)作用。

●《漢書·王褒傳》：制劍技術(shù)

“巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒”

●明代科學(xué)家宋應(yīng)星《天工開(kāi)物》:

論述鋼鐵的退火、淬火、滲碳工藝?！皲摰臒崽幚砑夹g(shù)達(dá)到相當(dāng)高的水平鋼鐵生產(chǎn)工具19

五、絲綢——天然高分子材料

絲綢是一種天然高分子材料，在我國(guó)有著悠久的歷史。我國(guó)絲綢質(zhì)地柔軟，色彩鮮艷，美觀華麗，光彩奪目。

于11世紀(jì)傳到波斯、阿拉伯、埃及，于1470年傳到意大利的威尼斯，進(jìn)入歐洲。

中國(guó)絲綢，名揚(yáng)四海。五、絲綢——天然高分子材料

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歷史充分說(shuō)明，我們勤勞智慧的祖先，在材料的創(chuàng)造和使用上有著輝煌的成就，為人類文明、世界進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。想一想：中華民族對(duì)材料發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)，你能再舉出幾個(gè)例子來(lái)嗎？歷史充分說(shuō)明，我們勤勞智慧的祖先，在材料的創(chuàng)造和使用210.1.2新材料新工藝重大成果

一、新材料新工藝迅速發(fā)展

在當(dāng)代，科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)飛躍發(fā)展。材料、能源與信息作為現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，發(fā)展格外迅猛。

●高分子材料迅速發(fā)展從20世紀(jì)60年代到70年代，高分子材料每年以14％的速度增長(zhǎng)。到70年代中期，全世界的高分子材料和鋼的體積產(chǎn)量已經(jīng)相等。滌綸安全帶尼龍齒輪高分子材料用作結(jié)構(gòu)材料代替鋼鐵外，目前正在研究和開(kāi)發(fā)具有良好導(dǎo)電性能和耐高溫的高分子材料。0.1.2新材料新工藝重大成果●高分子材料22

●陶瓷材料引人注目

陶瓷材料已用于制造機(jī)器零件和工程結(jié)構(gòu)。陶瓷具有許多特殊性能作為重要的功能材料(例如可作光導(dǎo)纖維、激光晶體等)。陶瓷脆性和抗熱震性正在逐步獲得改善，是最有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。耐磨陶瓷絕緣陶瓷●陶瓷材料引人注目耐磨陶瓷23

●復(fù)合材料前途廣闊

技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料性能提出越來(lái)越高的要求。單一材料不能滿足某些使用要求。復(fù)合材料越來(lái)越得到人們的重視。

玻璃纖維樹(shù)脂復(fù)合材料碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中用于制造衛(wèi)星殼體、飛機(jī)機(jī)身、螺旋槳等。玻璃鋼賽車殼體在交通運(yùn)輸工業(yè)中制造汽車車身、輕型船艇等。在石油化工工業(yè)中制造耐酸、耐堿、耐油容器、管道等。玻璃鋼儲(chǔ)液罐●復(fù)合材料前途廣闊玻璃纖維樹(shù)脂復(fù)合材料玻璃鋼24●功能材料發(fā)展很快

超導(dǎo)材料磁性材料信息材料形狀記憶材料

各種功能材料有很大的發(fā)展。光纜磁浮列車（時(shí)速430公里）●功能材料發(fā)展很快光25二、我國(guó)在新材料新工藝的研究和應(yīng)用方面取得重大成果

●研制成功性能優(yōu)越、用途廣泛的新型結(jié)構(gòu)鋼—貝氏體鋼。

●研制出零電阻溫度為128.7K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超導(dǎo)體(鉈系超導(dǎo)體)。鎂鋁合金葉輪鎂鋁合金手機(jī)殼

●鎂鋁合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究取得重大成果。二、我國(guó)在新材料新工藝的研究和應(yīng)用●研制出零26●材料快速成型技術(shù)和材料表面處理技術(shù)在我國(guó)得到迅速發(fā)展。

分層實(shí)體快速成形減速機(jī)箱體原型熔融沉積快速成形葉輪原型

●材料快速成型技術(shù)和材料表面處理技術(shù)在我國(guó)得到迅速發(fā)27●激光表面淬火、激光熔涂技術(shù)已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、凸輪軸、紡織用錠桿等零件的表面強(qiáng)化上得到應(yīng)用。

●化學(xué)氣相沉積技術(shù)制造高硬度、高耐磨性的金黃色TiN薄膜,用于耐磨零件和裝飾件的表面處理?！窦す獗砻娲慊?、激光熔涂技術(shù)已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、凸輪28

●我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。

汽車材料需求迅速增加。除金屬材料外，高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料在汽車中得到重要應(yīng)用。

新型轎車電動(dòng)汽車●我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。新型轎29

●航空、航天事業(yè)迅速崛起，帶動(dòng)航空、航天材料的發(fā)展。

人造衛(wèi)星1966年我國(guó)成功發(fā)射人造衛(wèi)星。神舟”五號(hào)飛行成功

1999年我國(guó)載人航天工程試驗(yàn)飛船“神舟”一號(hào)飛行成功。2003年中國(guó)第一艘載人飛船“神舟”五號(hào)飛行成功?！窈娇?、航天事業(yè)迅速崛起，帶動(dòng)航空、航天材料的發(fā)展。30

2005年中國(guó)第二艘載人飛船“神舟”六號(hào)飛行成功。2007年中國(guó)探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”成功發(fā)射。2008年中國(guó)載人飛船“神舟”七號(hào)飛行成功?！吧裰邸逼咛?hào)飛行航天服

31嫦娥一號(hào)衛(wèi)星傳回的月面圖像嫦娥一號(hào)衛(wèi)星傳回的月面圖像32研制成功超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)，2003年8月30日首飛成功。超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)研制成功殲7E、殲10戰(zhàn)斗機(jī)。加強(qiáng)了國(guó)防力量。

殲10戰(zhàn)斗機(jī)研制成功超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)，2003年8月30日首飛成功33導(dǎo)彈核潛艇

1983年8月加入海軍服役。裝有12枚兩級(jí)彈道導(dǎo)彈。常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇

1999年5月首艇交付海軍使用，裝有導(dǎo)彈。我國(guó)海軍裝備的最新一代國(guó)產(chǎn)常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇。常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇導(dǎo)彈核潛艇●研制潛艇、導(dǎo)彈核潛艇，加強(qiáng)海軍力量導(dǎo)彈核潛艇常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇

常規(guī)動(dòng)力攻擊潛34利用碳納米管作為襯底,制備出均勻、致密的金剛石薄膜。用碳納米管作為晶須增強(qiáng)復(fù)合材料，制作納米復(fù)合材料?！裉技{米管的研究取得新成果碳納米管碳納米管的結(jié)構(gòu)利用碳納米管作為襯底,制備出均勻、致密的金剛石薄膜35材料科學(xué)和材料工程發(fā)展很快。我們需要掌握材料科學(xué)的基本理論和基本知識(shí)，研究和發(fā)明新的材料和新的工藝，合理地使用各種工程材料，為四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

想一想：說(shuō)出二個(gè)有關(guān)新材料、新工藝的實(shí)際事例。材料科學(xué)和材料工程發(fā)展很快。想一想：說(shuō)出二個(gè)36課程目的

通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，同學(xué)們應(yīng)當(dāng)掌握工程材料的基本理論及基本知識(shí)，具備根據(jù)機(jī)械零件使用條件、性能要求和失效形式，進(jìn)行合理選材及制訂零件工藝路線的初步能力。課程目的37化學(xué)成分加工工藝

組織結(jié)構(gòu)性能選擇材料使用材料零件微觀組成材料工程材料課程綱領(lǐng)——課程主線失效分析

0.45%C+Fe機(jī)加工熱處理回火索氏體強(qiáng)度高韌性好車用螺栓45號(hào)鋼40Cr鋼0.40%C+1%Cr+Fe化學(xué)成分加工工藝380.2材料的結(jié)合鍵結(jié)合鍵分為：

離子鍵共價(jià)健金屬鍵分子鍵各種工程材料是由各種不同的元素組成，由不同的原子、離子或分子結(jié)合而成。結(jié)合鍵

原子、離子或分子之間的結(jié)合力。0.2材料的結(jié)合鍵結(jié)合鍵分為：各種工程材料39一、離子鍵正電性元素原子失去最外層價(jià)電子變成正離子，負(fù)電性元素原子后者獲得電子變成負(fù)離子。正離子和負(fù)離子由靜電引力相互吸引，形成穩(wěn)定的離子鍵。NaCl、MgO、Al2O3等由離子鍵組成。離子鍵示意圖氧化鎂結(jié)構(gòu)一、離子鍵離子鍵示意圖40

離子鍵特點(diǎn)：結(jié)合力很大。離子晶體的硬度高，強(qiáng)度大，熱膨脹系數(shù)小，但脆性大。離子鍵中很難產(chǎn)生可以自由運(yùn)動(dòng)的電子，離子晶體都是良好的絕緣體。離子外層電子被束縛，可見(jiàn)光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因而不吸收可見(jiàn)光，典型的離子晶體是無(wú)色透明的。離子鍵特點(diǎn)：結(jié)合力很大。41二、共價(jià)鍵處于周期表中間位置的三、四、五價(jià)元素原子之間或與鄰近元素原子形成分子或晶體時(shí)，以共用價(jià)電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)合。由共用價(jià)電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價(jià)鍵。

共價(jià)鍵示意圖二、共價(jià)鍵共價(jià)鍵示意圖42

金剛石為共價(jià)晶體。由碳原子組成，構(gòu)成正四面體。1個(gè)碳原子在中心，另外4個(gè)碳原子在4個(gè)頂角上。硅、鍺、錫等元素也可構(gòu)成共價(jià)晶體。屬于共價(jià)晶體的有SiC、Si3N4、BN等化合物。

共價(jià)鍵特點(diǎn)：結(jié)合力很大。

共價(jià)晶體強(qiáng)度高、硬度高、脆性大、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高和揮發(fā)性低。金剛石結(jié)構(gòu)金剛石為共價(jià)晶體。共價(jià)鍵特點(diǎn)：結(jié)合力很大。金43

三、金屬鍵周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子丟失價(jià)電子成為正離子。被丟失的價(jià)電子為全體原子所公有，叫自由電子，在正離子之間自由運(yùn)動(dòng)，形成電子氣。正離子在三維空間規(guī)則分布。正離子和電子氣之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來(lái)。這種結(jié)合力叫金屬鍵。

金屬鍵示意圖

鉬的結(jié)構(gòu)三、金屬鍵金屬鍵示意44

金屬由金屬鍵結(jié)合，金屬具有下列特性：

1.良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。金屬中存在大量自由電子，外加電場(chǎng)時(shí)電子可以定向地流動(dòng)。金屬的導(dǎo)熱性很好。自由電子的活動(dòng)性很強(qiáng)，金屬離子振動(dòng)作用導(dǎo)熱。

2.正的電阻溫度系數(shù)。隨溫度升高電阻增大。

3.不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。

自由電子能吸收并隨后輻射出大部分投射到表面的光能。

4.良好的塑性變形能力，金屬材料的強(qiáng)韌性好。

金屬鍵沒(méi)有方向性，受外力作用發(fā)生原子位置的相對(duì)移動(dòng)時(shí)，結(jié)合鍵不會(huì)遭到破壞。金屬由金屬鍵結(jié)合，金屬具有下列特性：2.正的45四、分子鍵甲烷分子在固態(tài)能相互結(jié)合成為晶體。結(jié)合過(guò)程中沒(méi)有電子的得失、共有或公有化?？糠兜峦郀査沽Y(jié)合起來(lái)，這種結(jié)合鍵叫分子鍵。分子鍵示意圖

甲烷結(jié)構(gòu)四、分子鍵分子鍵示意圖46在含氫的物質(zhì)，特別是含氫的聚合物中，一個(gè)氫原子可同時(shí)和兩個(gè)與電子親合能力大的、半徑較小的原子(F、O、N)相結(jié)合,形成氫鍵。氫健是一種較強(qiáng)的、有方向性的范德瓦爾斯鍵。尼龍66的結(jié)構(gòu)

分子鍵特點(diǎn)：范德瓦爾斯力很弱，由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點(diǎn)低、硬度也很低。因無(wú)自由電子，材料有良好的絕緣性。在含氫的物質(zhì)，特別是含氫的聚合物中，一個(gè)氫原子可同時(shí)470.3工程材料的分類工程材料

用于機(jī)械、車輛、船舶、建筑、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中的材料，用來(lái)制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件。包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蝕、耐高溫等)的材料。0.3工程材料的分類工程材料

48

按結(jié)合鍵的性質(zhì)，工程材料分類如下：按結(jié)合鍵的性質(zhì)，工程材料分類如下：49一、金屬材料

金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。

最簡(jiǎn)單的金屬材料是純金屬。工程應(yīng)用的金屬材料，原子間的結(jié)合鍵基本上為金屬鍵，通常為金屬晶體材料。

（1）黑色金屬鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)。

（2）有色金屬黑色金屬以外的所有金屬及其合金。一、金屬材料（1）黑色金屬鐵和以鐵為基的50金屬材料

想一想：結(jié)合工程實(shí)際，說(shuō)說(shuō)金屬材料的實(shí)際應(yīng)用。

金屬材料想一想：結(jié)合工程實(shí)際，說(shuō)說(shuō)金屬材料的實(shí)際應(yīng)用。51二、高分子材料

高分子材料為有機(jī)合成材料，亦稱聚合物。

由大量相對(duì)分子質(zhì)量特別大的大分子化合物組成。大分子內(nèi)的原子之間由很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，大分子與大分子之間的結(jié)合力為較弱的范特瓦爾斯力。

高分子材料耐蝕性、絕緣性好，密度小，加工成型性好，強(qiáng)度不高、硬度較低，耐熱性較差。在工程上是發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材料。二、高分子材料高分子材料耐蝕性、絕緣性好，密52

根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)高分子材料分為三大類：

塑料合成纖維橡膠高分子材料制品根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)高分子材料分為三大類：

高分53

三、陶瓷材料

陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素形成的化合物。非金屬元素原子同金屬原子化合時(shí)形成很強(qiáng)的離子鍵，也存在有一定成分的共價(jià)鍵。

陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，主要為硅酸鹽材料、金屬氧化物、金屬非氧化合物。陶瓷的硬度很高，但脆性很大。莫來(lái)石復(fù)相陶瓷三、陶瓷材料陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬莫來(lái)石復(fù)相54

四、復(fù)合材料

復(fù)合材料

兩種或兩種以上不同材料的組合材料，其性能優(yōu)于它的組成材料。

復(fù)合材料可以由各種不同種類的材料復(fù)合組成，結(jié)合鍵復(fù)雜。強(qiáng)度、剛度和耐蝕性比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越。具有廣闊的發(fā)展前景。鈦基復(fù)合材料四、復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料55老師提示

工程材料按結(jié)合鍵分為四類：金屬材料主要以金屬鍵結(jié)合

高分子材料以分子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合

陶瓷材料以離子鍵、共價(jià)鍵結(jié)合

復(fù)合材料由多種結(jié)合鍵組成老師提示56小

結(jié)

1、中華民族對(duì)材料發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)

中華民族在材料的創(chuàng)造和使用上有著輝煌的成就，為人類文明、世界進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。新材料、新工藝發(fā)展很快。掌握材料科學(xué)的基本理論和基本知識(shí)，研究和發(fā)明新材料新工藝，合理地使用各種工程材料是十分重要的。小

結(jié)572、根據(jù)結(jié)合鍵工程材料分為四類

金屬材料主要以金屬鍵結(jié)合，其強(qiáng)韌性好，塑性變形能力強(qiáng)，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，為主要的工程材料。

高分子材料以分子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合，耐蝕性、絕緣性好，密度小，加工成型性好，強(qiáng)度不高、硬度較低，耐熱性較差。

陶瓷材料以離子鍵、共價(jià)鍵結(jié)合，熔點(diǎn)高，硬度高，耐熱耐磨，脆性大，難以加工。

復(fù)合材料可由多種結(jié)合鍵組成，強(qiáng)韌性好，比強(qiáng)度、比剛度高，抗疲勞性好。2、根據(jù)結(jié)合鍵工程材料分為四類58演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！59“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《工程材料》第5版配套課件緒論第5版“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《工程材料》第5版配套課件緒論第560工程材料培訓(xùn)課程61前

言

工程材料課程是高等院校機(jī)械類專業(yè)的一門十分重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。

課程的任務(wù)是從機(jī)械工程的應(yīng)用角度出發(fā)，闡明機(jī)械工程材料的基本理論，了解材料的成分、加工工藝、組織、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系；介紹常用機(jī)械工程材料及其應(yīng)用等基本知識(shí)。前

言62課程的目的是使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，在掌握機(jī)械工程材料的基本理論及基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，具備根據(jù)機(jī)械零件使用條件和性能要求，對(duì)結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行合理選材及制訂零件工藝路線的初步能力。由于能源、材料和信息是現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，學(xué)習(xí)并掌握工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于工科院校機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生是十分必要的。課程的目的是使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，在掌握機(jī)械工程材料的基本63

緒論第1章材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)第2章金屬材料組織和性能的控制第3章金屬材料第4章高分子材料第5章陶瓷材料第6章復(fù)合材料第7章功能材料及新材料第8章零件失效分析與選材原則第9章典型工件的選材及工藝路線設(shè)計(jì)第10章工程材料的應(yīng)用課程目錄緒論課程目錄64緒

論內(nèi)容提要介紹中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)、新材料新工藝的發(fā)展現(xiàn)狀。介紹材料的結(jié)合鍵和性能。根據(jù)結(jié)合鍵對(duì)工程材料進(jìn)行分類。

學(xué)習(xí)目標(biāo)了解材料的結(jié)合鍵，了解工程材料的分類。了解工程材料課程的任務(wù)和學(xué)習(xí)目的。緒

論650.1

中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)

材料是人類用來(lái)制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

人類社會(huì)的發(fā)展伴隨著材料的發(fā)明和發(fā)展。材料的發(fā)展歷史石器—陶器—青銅器—鐵器—高分子材料—復(fù)合材料0.1

中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)材料是人類用來(lái)660.1.1中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)一、石器的制造和使用在人類的發(fā)展史上，最先使用的工具是石器。中華民族的祖先用堅(jiān)硬的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石鋤。石器石斧0.1.1中華民族對(duì)材料發(fā)展的重大貢獻(xiàn)一、石器的制67

二、陶器與瓷器的發(fā)明和使用

新石器時(shí)代(公元前6000年～公元前5000年)，中華民族的先人們用粘土燒制成陶器。甘肅馬家窯文化時(shí)期的陶器表面彩繪條帶紋、波紋和舞蹈紋等，制品有炊具、食具、盛儲(chǔ)器皿等。陶器二、陶器與瓷器的發(fā)明和使用甘肅馬家窯文化時(shí)期68

瓷器——中國(guó)文化的象征最早生產(chǎn)瓷器的國(guó)家。東漢時(shí)期發(fā)明了瓷器。于9世紀(jì)傳到非洲東部和阿拉伯國(guó)家，13世紀(jì)傳到日本，15世紀(jì)傳到歐洲。瓷器成為中國(guó)文化的象征，對(duì)世界文明產(chǎn)生了極大的影響。

中國(guó)瓷器暢銷全球，名譽(yù)四海。瓷器

瓷器——中國(guó)文化的象征瓷器69

三、我國(guó)勞動(dòng)人民創(chuàng)造了燦爛的青銅文化

夏朝(公元前2140年始)以前我國(guó)青銅的冶煉就開(kāi)始。

殷、西周時(shí)期已發(fā)展到很高的水平。制造各種工具、食器、兵器。兵器三、我國(guó)勞動(dòng)人民創(chuàng)造了燦爛的青銅文化兵器70

●從河南安陽(yáng)晚商遺址出土的司母戊鼎（又稱后母戊鼎）重約832kg,長(zhǎng)1.33m、寬0.78m、高1.10m。是迄今世界上最古老的大型青銅器。司母戊鼎●從河南安陽(yáng)晚商遺址出土的司母戊鼎（又稱后母戊鼎）重71

●從湖北隨縣出土的戰(zhàn)國(guó)青銅編鐘共計(jì)六十四枚，分三層懸掛。造型壯觀、音頻準(zhǔn)確。鑄造精美，音律齊全，音域?qū)拸V，音色和美，樂(lè)律銘文珍貴。是我國(guó)古代文化藝術(shù)高度發(fā)達(dá)的見(jiàn)證。

編鐘●從湖北隨縣出土的戰(zhàn)國(guó)青銅編鐘共計(jì)六十四枚，分三層懸72

●世界上最古老的青銅成分的文字記載春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期《周禮·考工記》：六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊(劑）；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，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒燧之齊。我們的祖先已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了青銅的成分、性能與應(yīng)用之間的密切關(guān)系。●世界上最古老的青銅成分的文字記載六分其金而錫居一，73

四、鐵器的生產(chǎn)和應(yīng)用

●青秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前770年～公元前221年)開(kāi)始大量使用鐵器。

從興隆戰(zhàn)國(guó)鐵器遺址中發(fā)掘出了澆鑄農(nóng)具用的鐵模。冶鑄技術(shù)已由泥砂造型水平進(jìn)入鐵模鑄造的高級(jí)階段。

四、鐵器的生產(chǎn)和應(yīng)用74古代煉鐵圖古代煉鐵圖75

●西漢時(shí)期煉鐵技術(shù)提高采用煤作為煉鐵的燃料，比歐洲早1700多年。在河南鞏縣漢代冶鐵遺址中，發(fā)掘出20多座冶鐵爐和鍛爐。爐型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并有鼓風(fēng)裝置和鑄造坑。生產(chǎn)規(guī)模壯觀。

鐵人黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開(kāi)元12年鑄)●西漢時(shí)期煉鐵技術(shù)提高76

●我國(guó)古代創(chuàng)造了三種煉鋼方法

●從礦石中直接煉出自然鋼。用這種鋼做的劍在東方各國(guó)享有盛譽(yù)，東漢時(shí)傳入了歐洲；

●西漢時(shí)期的經(jīng)過(guò)“百次”冶煉鍛打的百煉鋼；

●南北朝時(shí)期生產(chǎn)的灌鋼。先煉鐵后煉鋼的兩步煉鋼技術(shù)我國(guó)要比其它國(guó)家早1600多年?！裎覈?guó)古代創(chuàng)造了三種煉鋼方法77●鋼的熱處理技術(shù)達(dá)到相當(dāng)高的水平

●西漢《史記·天官書》：淬火工藝要點(diǎn)

“水與火合為淬”鋼鐵生產(chǎn)工具的發(fā)展，對(duì)社會(huì)進(jìn)步起了巨大的推動(dòng)作用。

●《漢書·王褒傳》：制劍技術(shù)

“巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒”

●明代科學(xué)家宋應(yīng)星《天工開(kāi)物》:

論述鋼鐵的退火、淬火、滲碳工藝?！皲摰臒崽幚砑夹g(shù)達(dá)到相當(dāng)高的水平鋼鐵生產(chǎn)工具78

五、絲綢——天然高分子材料

絲綢是一種天然高分子材料，在我國(guó)有著悠久的歷史。我國(guó)絲綢質(zhì)地柔軟，色彩鮮艷，美觀華麗，光彩奪目。

于11世紀(jì)傳到波斯、阿拉伯、埃及，于1470年傳到意大利的威尼斯，進(jìn)入歐洲。

中國(guó)絲綢，名揚(yáng)四海。五、絲綢——天然高分子材料

79

歷史充分說(shuō)明，我們勤勞智慧的祖先，在材料的創(chuàng)造和使用上有著輝煌的成就，為人類文明、世界進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。想一想：中華民族對(duì)材料發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)，你能再舉出幾個(gè)例子來(lái)嗎？歷史充分說(shuō)明，我們勤勞智慧的祖先，在材料的創(chuàng)造和使用800.1.2新材料新工藝重大成果

一、新材料新工藝迅速發(fā)展

在當(dāng)代，科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)飛躍發(fā)展。材料、能源與信息作為現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，發(fā)展格外迅猛。

●高分子材料迅速發(fā)展從20世紀(jì)60年代到70年代，高分子材料每年以14％的速度增長(zhǎng)。到70年代中期，全世界的高分子材料和鋼的體積產(chǎn)量已經(jīng)相等。滌綸安全帶尼龍齒輪高分子材料用作結(jié)構(gòu)材料代替鋼鐵外，目前正在研究和開(kāi)發(fā)具有良好導(dǎo)電性能和耐高溫的高分子材料。0.1.2新材料新工藝重大成果●高分子材料81

●陶瓷材料引人注目

陶瓷材料已用于制造機(jī)器零件和工程結(jié)構(gòu)。陶瓷具有許多特殊性能作為重要的功能材料(例如可作光導(dǎo)纖維、激光晶體等)。陶瓷脆性和抗熱震性正在逐步獲得改善，是最有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。耐磨陶瓷絕緣陶瓷●陶瓷材料引人注目耐磨陶瓷82

●復(fù)合材料前途廣闊

技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料性能提出越來(lái)越高的要求。單一材料不能滿足某些使用要求。復(fù)合材料越來(lái)越得到人們的重視。

玻璃纖維樹(shù)脂復(fù)合材料碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中用于制造衛(wèi)星殼體、飛機(jī)機(jī)身、螺旋槳等。玻璃鋼賽車殼體在交通運(yùn)輸工業(yè)中制造汽車車身、輕型船艇等。在石油化工工業(yè)中制造耐酸、耐堿、耐油容器、管道等。玻璃鋼儲(chǔ)液罐●復(fù)合材料前途廣闊玻璃纖維樹(shù)脂復(fù)合材料玻璃鋼83●功能材料發(fā)展很快

超導(dǎo)材料磁性材料信息材料形狀記憶材料

各種功能材料有很大的發(fā)展。光纜磁浮列車（時(shí)速430公里）●功能材料發(fā)展很快光84二、我國(guó)在新材料新工藝的研究和應(yīng)用方面取得重大成果

●研制成功性能優(yōu)越、用途廣泛的新型結(jié)構(gòu)鋼—貝氏體鋼。

●研制出零電阻溫度為128.7K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超導(dǎo)體(鉈系超導(dǎo)體)。鎂鋁合金葉輪鎂鋁合金手機(jī)殼

●鎂鋁合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究取得重大成果。二、我國(guó)在新材料新工藝的研究和應(yīng)用●研制出零85●材料快速成型技術(shù)和材料表面處理技術(shù)在我國(guó)得到迅速發(fā)展。

分層實(shí)體快速成形減速機(jī)箱體原型熔融沉積快速成形葉輪原型

●材料快速成型技術(shù)和材料表面處理技術(shù)在我國(guó)得到迅速發(fā)86●激光表面淬火、激光熔涂技術(shù)已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、凸輪軸、紡織用錠桿等零件的表面強(qiáng)化上得到應(yīng)用。

●化學(xué)氣相沉積技術(shù)制造高硬度、高耐磨性的金黃色TiN薄膜,用于耐磨零件和裝飾件的表面處理。●激光表面淬火、激光熔涂技術(shù)已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、凸輪87

●我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。

汽車材料需求迅速增加。除金屬材料外，高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料在汽車中得到重要應(yīng)用。

新型轎車電動(dòng)汽車●我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。新型轎88

●航空、航天事業(yè)迅速崛起，帶動(dòng)航空、航天材料的發(fā)展。

人造衛(wèi)星1966年我國(guó)成功發(fā)射人造衛(wèi)星。神舟”五號(hào)飛行成功

1999年我國(guó)載人航天工程試驗(yàn)飛船“神舟”一號(hào)飛行成功。2003年中國(guó)第一艘載人飛船“神舟”五號(hào)飛行成功。●航空、航天事業(yè)迅速崛起，帶動(dòng)航空、航天材料的發(fā)展。89

2005年中國(guó)第二艘載人飛船“神舟”六號(hào)飛行成功。2007年中國(guó)探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”成功發(fā)射。2008年中國(guó)載人飛船“神舟”七號(hào)飛行成功。“神舟”七號(hào)飛行航天服

90嫦娥一號(hào)衛(wèi)星傳回的月面圖像嫦娥一號(hào)衛(wèi)星傳回的月面圖像91研制成功超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)，2003年8月30日首飛成功。超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)研制成功殲7E、殲10戰(zhàn)斗機(jī)。加強(qiáng)了國(guó)防力量。

殲10戰(zhàn)斗機(jī)研制成功超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)，2003年8月30日首飛成功92導(dǎo)彈核潛艇

1983年8月加入海軍服役。裝有12枚兩級(jí)彈道導(dǎo)彈。常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇

1999年5月首艇交付海軍使用，裝有導(dǎo)彈。我國(guó)海軍裝備的最新一代國(guó)產(chǎn)常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇。常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇導(dǎo)彈核潛艇●研制潛艇、導(dǎo)彈核潛艇，加強(qiáng)海軍力量導(dǎo)彈核潛艇常規(guī)動(dòng)力攻擊潛艇

常規(guī)動(dòng)力攻擊潛93利用碳納米管作為襯底,制備出均勻、致密的金剛石薄膜。用碳納米管作為晶須增強(qiáng)復(fù)合材料，制作納米復(fù)合材料。●碳納米管的研究取得新成果碳納米管碳納米管的結(jié)構(gòu)利用碳納米管作為襯底,制備出均勻、致密的金剛石薄膜94材料科學(xué)和材料工程發(fā)展很快。我們需要掌握材料科學(xué)的基本理論和基本知識(shí)，研究和發(fā)明新的材料和新的工藝，合理地使用各種工程材料，為四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

想一想：說(shuō)出二個(gè)有關(guān)新材料、新工藝的實(shí)際事例。材料科學(xué)和材料工程發(fā)展很快。想一想：說(shuō)出二個(gè)95課程目的

通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，同學(xué)們應(yīng)當(dāng)掌握工程材料的基本理論及基本知識(shí)，具備根據(jù)機(jī)械零件使用條件、性能要求和失效形式，進(jìn)行合理選材及制訂零件工藝路線的初步能力。課程目的96化學(xué)成分加工工藝

組織結(jié)構(gòu)性能選擇材料使用材料零件微觀組成材料工程材料課程綱領(lǐng)——課程主線失效分析

0.45%C+Fe機(jī)加工熱處理回火索氏體強(qiáng)度高韌性好車用螺栓45號(hào)鋼40Cr鋼0.40%C+1%Cr+Fe化學(xué)成分加工工藝970.2材料的結(jié)合鍵結(jié)合鍵分為：

離子鍵共價(jià)健金屬鍵分子鍵各種工程材料是由各種不同的元素組成，由不同的原子、離子或分子結(jié)合而成。結(jié)合鍵

原子、離子或分子之間的結(jié)合力。0.2材料的結(jié)合鍵結(jié)合鍵分為：各種工程材料98一、離子鍵正電性元素原子失去最外層價(jià)電子變成正離子，負(fù)電性元素原子后者獲得電子變成負(fù)離子。正離子和負(fù)離子由靜電引力相互吸引，形成穩(wěn)定的離子鍵。NaCl、MgO、Al2O3等由離子鍵組成。離子鍵示意圖氧化鎂結(jié)構(gòu)一、離子鍵離子鍵示意圖99

離子鍵特點(diǎn)：結(jié)合力很大。離子晶體的硬度高，強(qiáng)度大，熱膨脹系數(shù)小，但脆性大。離子鍵中很難產(chǎn)生可以自由運(yùn)動(dòng)的電子，離子晶體都是良好的絕緣體。離子外層電子被束縛，可見(jiàn)光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因而不吸收可見(jiàn)光，典型的離子晶體是無(wú)色透明的。離子鍵特點(diǎn)：結(jié)合力很大。100二、共價(jià)鍵處于周期表中間位置的三、四、五價(jià)元素原子之間或與鄰近元素原子形成分子或晶體時(shí)，以共用價(jià)電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)合。由共用價(jià)電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價(jià)鍵。

共價(jià)鍵示意圖二、共價(jià)鍵共價(jià)鍵示意圖101

金剛石為共價(jià)晶體。由碳原子組成，構(gòu)成正四面體。1個(gè)碳原子在中心，另外4個(gè)碳原子在4個(gè)頂角上。硅、鍺、錫等元素也可構(gòu)成共價(jià)晶體。屬于共價(jià)晶體的有SiC、Si3N4、BN等化合物。

共價(jià)鍵特點(diǎn)：結(jié)合力很大。

共價(jià)晶體強(qiáng)度高、硬度高、脆性大、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高和揮發(fā)性低。金剛石結(jié)構(gòu)金剛石為共價(jià)晶體。共價(jià)鍵特點(diǎn)：結(jié)合力很大。金102

三、金屬鍵周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子丟失價(jià)電子成為正離子。被丟失的價(jià)電子為全體原子所公有，叫自由電子，在正離子之間自由運(yùn)動(dòng)，形成電子氣。正離子在三維空間規(guī)則分布。正離子和電子氣之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來(lái)。這種結(jié)合力叫金屬鍵。

金屬鍵示意圖

鉬的結(jié)構(gòu)三、金屬鍵金屬鍵示意103

金屬由金屬鍵結(jié)合，金屬具有下列特性：

1.良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。金屬中存在大量自由電子，外加電場(chǎng)時(shí)電子可以定向地流動(dòng)。金屬的導(dǎo)熱性很好。自由電子的活動(dòng)性很強(qiáng)，金屬離子振動(dòng)作用導(dǎo)熱。

2.正的電阻溫度系數(shù)。隨溫度升高電阻增大。

3.不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。

自由電子能吸收并隨后輻射出大部分投射到表面的光能。

4.良好的塑性變形能力，金屬材料的強(qiáng)韌性好。

金屬鍵沒(méi)有方向性，受外力作用發(fā)生原子位置的相對(duì)移動(dòng)時(shí)，結(jié)合鍵不會(huì)遭到破壞。金屬由金屬鍵結(jié)合，金屬具有下列特性：2.正的104四、分子鍵甲烷分子在固態(tài)能相互結(jié)合成為晶體。結(jié)合過(guò)程中沒(méi)有電子的得失、共有或公有化。靠范德瓦爾斯力結(jié)合起來(lái)，這種結(jié)合鍵叫分子鍵。分子鍵示意圖

甲烷結(jié)構(gòu)四、分子鍵分子鍵示意圖105在含氫的物質(zhì)，特別是含氫的聚合物中，一個(gè)氫原子可同時(shí)和兩個(gè)與電子親