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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,工程材料,長春理工大學機電工程學院,張文濤 電話,1,工程材料課程介紹,工程材料課程是高等院校機械類專業(yè)的一門十分重要的技術基礎課。課程的任務是從機械工,程的應用角度出發(fā)，闡明機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,性能之間的關系；介紹常用機械工程材料及其應用等基本知識。,本課程的目的是使學生通過學習，在掌握機械工程材料的基本理論及基本知識的基礎上，具,備根據(jù)機械零件使用條件和性能要求，對結(jié)構(gòu)零件進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)代社會和現(xiàn)代科

2、學技術的三大支柱，學習并掌握工程材料的基礎,知識，對于工科院校機械類專業(yè)的學生是十分必要的。,2,緒 論,內(nèi)容提要,本節(jié)課介紹中華民族對材料發(fā)展的重大貢獻，新材料新工藝的發(fā)展現(xiàn)狀。根據(jù)結(jié)合鍵對工程,材料進行分類，并介紹每一類材料的性能特點。,學習目標,本節(jié)課重點掌握材料的結(jié)合鍵，了解各類工程材料的性能特點。,學習建議,1.結(jié)合課程內(nèi)容，瀏覽相關網(wǎng)站，對工程材料的應用有所了解。,2.建議本節(jié)學時：1 學時。,3,緒論主要內(nèi)容,中華民族對材料發(fā)展的重大貢獻,新材料新工藝重大成果,材料的結(jié)合鍵,程材料的分類,4,一.中華民族對材料發(fā)展的重大貢獻,在人類的發(fā)展史上，最先使用的工具是石器。我們的祖先用堅

3、硬的容易縱裂成薄片的燧石和,石英石等天然材料制成石刀、石斧、石鋤。,早在新石器時代（公元前6000年公元前5000年），中華民族的先人們用粘土（主要成分為,SiO,2,，Al,2,O,3,）燒制成陶器。馬家窯（甘肅）文化時期的陶器以砂質(zhì)和泥質(zhì)紅陶為主，表面彩繪有,條帶紋、波紋和舞蹈紋等，制品有炊具、食具、盛儲器皿等。,我國在東漢時期發(fā)明了瓷器，成為最早生產(chǎn)瓷器的國家。瓷器于 9世紀傳到非洲東部和阿拉,伯國家，13世紀傳到日本，十五世紀傳到歐洲。瓷器成為中國文化的象征，對世界文明產(chǎn)生了極,大的影響。直到今天，中國瓷器仍暢銷全球，名譽四海。,石器,陶器,瓷器,5,我國青銅的冶煉在夏朝(公元前214

4、0年始)以前就開始了，到殷、西周時期已發(fā)展到很高的水,平。青銅主要用于制造各種工具、食器、兵器。從河南安陽晚商遺址出土的司母戊鼎重達8750 N,外型尺寸為1.33 m0.78 m1.10 m,是迄今世界上最古老的大型青銅器。從湖北隋縣出土的戰(zhàn),國青銅編鐘是我國古代文化藝術高度發(fā)達的見證。,春秋戰(zhàn)國時期周禮考工記中記載了鐘鼎、斧斤等六類青銅器中的錫含量，稱為“六齊,（劑）”。書中寫道：“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，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒燧之齊”。這是世界上最古老的

5、關于青銅合金成分的文,字記載。這表明我們的祖先已經(jīng)認識到了青銅的性能與成分之間的密切關系。,我國勞動人民創(chuàng)造了燦爛的青銅文化。,我國從青秋戰(zhàn)國時期(公元前770年公元前221年)已開始大量使用鐵器。,從興隆戰(zhàn)國鐵器遺址中發(fā)掘出了澆鑄農(nóng)具用的鐵模，說明冶鑄技術已由泥砂造型水平進入鐵,模鑄造的高級階段。,青銅器,6,到了西漢時期,煉鐵技術又有了很大的提高，采用煤作為煉鐵的燃料，這要比歐洲早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)復雜，并有鼓風,裝置和鑄造坑?？梢姰斈晟a(chǎn)規(guī)模之壯觀。,我國古代創(chuàng)造了三種煉鋼方法。第一種是從礦石中直接煉出自然鋼。用這種鋼作的

6、劍在東方,各國享有盛譽，東漢時傳入了歐洲；第二種是西漢時期的經(jīng)過“百次”冶煉鍛打的百煉鋼；第三,種是南北朝時期生產(chǎn)的灌鋼。先煉鐵后煉鋼的兩步煉鋼技術我國要比其它國家早1600多年。,同時鋼的熱處理技術也達到了相當高的水平。西漢史記天官書中有“水與火合為淬”,一說，正確地說出了鋼鐵加熱、水冷的淬火熱處理工藝要點。漢書王褒傳中記載有“巧冶,鑄干將之樸，清水淬其鋒”的制劍技術。明代科學家宋應星在天工開物一書中對鋼鐵的,退,火、淬火、滲碳,工藝作了詳細的論述。鋼鐵生產(chǎn)工具的發(fā)展，對社會進步起了巨大的推動作用。,在材料領域中還應該提到的是絲綢。絲綢是一種天然高分子材料，它在我國有著悠久的歷,史，于十一世

7、紀傳到波斯、阿拉伯、埃及，并于1470年傳到意大利的威尼斯，進入歐洲。中國絲,綢，名揚四海。,歷史充分說明，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、世界進步作出了巨大貢獻。,7,二.新材料新工藝重大成果,在當代，科學技術和生產(chǎn)飛躍發(fā)展。材料、能源與信息作為現(xiàn)代社會和現(xiàn)代技術的三大支柱，,發(fā)展格外迅猛。,從20世紀60年代到70年代，高分子材料每年以14的速度增長，而金屬材料的年增長率僅為,4。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；除了用作結(jié)構(gòu)材料代替鋼鐵,外，目前正在研究和開發(fā)具有良好導電性能和耐高溫的高分子材料。,陶瓷材料的發(fā)展同樣十分引人注

8、目，它除了具有許多特殊性能作為重要的功能材料(例如可作,光導纖維、激光晶體等）以外，其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。機器零件和工程結(jié)構(gòu)已不再只使用金屬材料制造了。,滌綸安全帶 尼龍齒輪 耐磨陶瓷 絕緣陶瓷,鐵人 黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄),8,隨著航空、航天、電子、通訊等技術以及機械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展，對材料的性能提,出越來越高、越來越多的要求。傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求。復合材料的研究和應用引,起了人們的重視。如玻璃纖維樹脂復合材料(即玻璃鋼)、碳纖維樹脂復合材料已應用于宇航和航,空工業(yè)中制造衛(wèi)星殼體、宇宙飛器外殼、飛機機身、螺旋槳等、發(fā)動機葉

9、輪等；在交通運輸工業(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、耐油的容器、管道等。,近年來超導材料、磁性材料、形狀記憶材料、信息材料等各種功能材料有很大的發(fā)展。,我國在新材料新工藝的研究和應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128.7 K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超導體(鉈系超導體)；,鎂鋁合金的開發(fā)和應用研究取得重大成果。,材料快速成型技術和材料表面處理技術在我國得到迅速發(fā)展。,飛機 磁浮列車（時速430里）光纖,9,激光表面淬火、激光熔涂技術已在汽車發(fā)動機缸套、凸輪軸、石油抽油管、紡織用錠桿等零,件的表面強化上得

10、到應用。,化學氣相沉積(CVD)可制造出高硬度、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。,我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，汽車材料需求迅速增加。,航空、航天事業(yè)迅速崛起，帶動航空、航天材料的發(fā)展。1966年我國成功發(fā)射人造衛(wèi)星；,1999年11月21日我國載人航天工程第一艘試驗飛船“神舟”一號飛行成功；2003年10月15日,中國第一艘載人飛船“神舟”五號飛行成功。,在C60和碳納米管新型碳材料的研究方面取得許多新的成果,利用碳納米管作為襯底,制備出,均勻、致密的金剛石薄膜，并用碳納米管作為晶須增強復合材料，制作納米復合材料。,總之，材料科學和材料工程發(fā)展很快。我們需要掌握材料科學

11、的基本理論和基本知識，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，為四個現(xiàn)代化建設事業(yè)作出貢獻。,快速成型樣品 鎂鋁合金手機殼 奧迪剎車鉗體精鑄件 碳納米管,10,三工程材料的分類,材料的結(jié)合鍵,工程材料可以有不同的分類方法。比較科學的方法是根據(jù)材料的結(jié)合鍵進行分類。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。原子、離子或分子之間的,結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。一般可把結(jié)合鍵分為離子鍵、共價健、金屬鍵和分子鍵四種。,1、離子鍵,當周期表中相隔較遠的正電性元素原子和負電性元素原子接觸時，前者失去最外層價電子變,成帶正電荷的正離子，后者獲得電子變成帶負電荷的滿殼層負離

12、子。正離子和負離子由靜電引力,相互吸引；同時當它們十分接近時發(fā)生排斥，引力和斥力相等即形成穩(wěn)定的離子鍵。NaCl、CaO,、Al,2,O,3,等由離子鍵組成。,離子鍵的結(jié)合力很大，因此離子晶體的硬度高，強度大，熱膨脹系統(tǒng)小，但脆性大。離子鍵,中很難產(chǎn)生可以自由運動的電子，所以離子晶體都是良好的絕緣體。在離子鍵結(jié)合中，由于離子,的外層電子比較牢固地被束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因而不吸收可見光，所以,典型的離子晶體是無色透明的,。,離子鍵示意圖 氯化鈉結(jié)構(gòu),11,2、共價鍵,處于周期表中間位置的三、四、五價元素，原子既可能獲得電子變?yōu)樨撾x子，也可能丟失電,子變?yōu)檎x子。當這些元素原子

13、之間或與鄰近元素原子形成分子或晶體時，以共用價電子形成穩(wěn),定的電子滿殼層的方式實現(xiàn)結(jié)合。這種由共用價電子對產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價鍵。,最具有代表性的共價晶體為金剛石。金剛石由碳原子組成，每個碳原子貢獻出 4個價電子與,周圍的4個碳原子共有，形成 4個共價鍵，構(gòu)成正四面體：一個碳原子在中心，與它共價的另外4,個碳原子在4個頂角上。硅、鍺、錫等元素也可構(gòu)成共價晶體。屬于共價晶體的還有SiC、Si,3,N,4,、,BN等化合物。,共價鍵的結(jié)合力很大，所以共價晶體強度高、硬度高、脆性大、熔點高、沸點高和揮發(fā)性,低。,共價鍵示意圖 金剛石結(jié)構(gòu),12,3、金屬鍵,周期表中、族元素的原子在滿殼層外有一個或幾個價

14、電子。原子很容易丟失其價電,子而成為正離子。被丟失的價電子不為某個或某兩個原子所專有或共有，而是為全體原子所公有,。這些公有化的電子叫做自由電子，它們在正離子之間自由運動，形成所謂電子氣。正離子在三,維空間或電子氣中呈高度對稱的,規(guī)則分布,。正離子和電子氣之間產(chǎn)生強烈的靜電吸引力，使全部,離子結(jié)合起來。這種結(jié)合力就叫做金屬鍵。,在金屬晶體中，價電子彌漫在整個體積內(nèi)，所有的金屬離子皆處于相同的環(huán)境之中，全部離,子(或原子)均可被看成是具有一定體積的圓球，所以金屬鍵無所謂飽和性和方向性。金屬由金屬,鍵結(jié)合，因此金屬具有下列特性：,(1)良好的導電性和導熱性,金屬中有大量自由電子存在，當金屬的兩端存

15、在電勢差或外加電場時，電子可以定向地流動,，使金屬表現(xiàn)出優(yōu)良的導電性。金屬的導熱性很好，一是由于自由電子的活動性很強，二是依靠,金屬離子振動的作用而導熱。,金屬鍵示意圖 鉬的結(jié)構(gòu),13,(2)正的電阻溫度系數(shù),即隨溫度升高電阻增大。絕大多數(shù)金屬具有超導性，即在溫度接近于絕對零度時電阻突然下,降，趨近于零。,(3)不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤,金屬中的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，金屬材料的強韌性好,金屬鍵沒有方向性，原子間也沒有選擇性，所以在受外力作用而發(fā)生原子位置的相對移動時,，結(jié)合鍵不會遭到破壞。,4、分子鍵,原子狀態(tài)形成穩(wěn)定電子殼體的惰性氣體

16、元素，在低溫下可結(jié)合成固體。甲烷分子在固態(tài)也能,相互結(jié)合成為晶體。在它們的結(jié)合過程中沒有電子的得失、共有或公有化，價電子的分布幾乎不,變，原子或分子之間是靠范特瓦爾斯力結(jié)合起來，這種結(jié)合鍵叫分子鍵。,分子鍵示意圖 甲烷結(jié)構(gòu),14,在含氫的物質(zhì)，特別是含氫的聚合物中，一個氫原子可同時和兩個與電子親合能力大的、半徑較小的原子(如F、O、N 等)相結(jié)合,形成所謂氫鍵。氫健是一種較強的、有方向性的范特瓦爾斯鍵。其產(chǎn)生的原因是由于氫原子與某一原子形成共價健時，共有電子向那個原子強烈偏移，使氫原子幾乎變成一半徑很小的帶正電荷的核，因而它還可以與另一個原子相吸引。范特瓦爾斯力很弱，因此由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點低、硬度也很低，因無自由電子，因此材料有良好的絕緣性。,提示：工程材料按結(jié)合鍵的性質(zhì)可分為四類：,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鍵結(jié)合，陶瓷材料以離子鍵、共價鍵結(jié)合，復合材料可由多種結(jié)合鍵組成。,四.工程材料的分類,工程材料主要是指用于機械、車輛、船舶、建筑、,化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領域中的材料,，用來制造工程構(gòu)件和機械零件，也包括一些用于制造,工具的材料和具