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《機(jī)械工程材料》輔導(dǎo)資料一 主 題：第0章 緒論 學(xué)習(xí)時(shí)間：2014年3月31日--4月6日 內(nèi) 容： 這周我們將學(xué)習(xí)本課程課件的第0章，即緒論部分，希望通過下面內(nèi)容的總結(jié)能使同學(xué)們加深對(duì)本課程的理解。 一、學(xué)習(xí)要求 1.掌握工程材料、材料科學(xué)的基本概念； 2.掌握工程材料的分類及各類材料的性質(zhì)； 3.理解本門課程的教學(xué)目的、性質(zhì)和學(xué)習(xí)要求； 4.了解材料與材料科學(xué)的發(fā)展歷史。 二、主要內(nèi)容 （一）材料與材料科學(xué)的發(fā)展歷史 材料是用來制作有用器件的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。從日常生活用的器具到高技術(shù)產(chǎn)品，從簡(jiǎn)單的手工工具到復(fù)雜的航天器、機(jī)器人，都是用各種材料制作而成或由其加工的零件組裝而成?？v觀人類歷史，每當(dāng)一種新材料出現(xiàn)并得以利用，都會(huì)給社會(huì)生產(chǎn)與人類生活帶來巨大的變化。 歷史學(xué)家按照人類所使用材料的種類將人類歷史劃分為石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志之一。例如，沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)；沒有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空航天工業(yè)；沒有光導(dǎo)纖維，也就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。20世紀(jì)70年代，人們把材料與能源、信息并列，稱為現(xiàn)代文明的三大支柱，而材料又是后兩者的基礎(chǔ)。 中華民族在人類歷史上為材料的發(fā)展和應(yīng)用做出過重大貢獻(xiàn)。 1. 早在公元前6000年至公元前5000年的新石器時(shí)代，中華民族的先人就能用黏土燒制陶器，到東漢時(shí)期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。 2. 4000年前的夏朝時(shí)期，我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時(shí)期，我國(guó)的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。從河南安陽(yáng)晚商遺址出土的司母戊鼎質(zhì)量達(dá)875千克，且飾紋優(yōu)美。從湖北江陵楚墓中發(fā)掘出的兩把越王勾踐的寶劍，至今鋒利異常，是我國(guó)青銅器的杰作。 3. 我國(guó)從春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期便開始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在其所著《天工開物》一書中就記載了古代的滲碳熱處理工藝。這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國(guó)在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。 4. 中華人民共和國(guó)成立后，我國(guó)先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地，鋼產(chǎn)量由1949年的15.8萬(wàn)噸上升到2005年的3.52億噸，成為世界上鋼產(chǎn)量大國(guó)之一。原子彈、氫彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船的上天等都說明了我國(guó)在材料的開發(fā)、研究及應(yīng)用等方面有了飛躍性的發(fā)展，達(dá)到了一定的水平。 從簡(jiǎn)單地利用天然材料、冶銅煉鐵到使用熱處理工藝，人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的。18世紀(jì)歐洲工業(yè)革命后，人們對(duì)材料的質(zhì)量和數(shù)量的要求越來越高，促進(jìn)了材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。 1. 1863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們步入了材料的微觀世界，能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來，標(biāo)志著材料研究從經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)。 2. 1912年發(fā)現(xiàn)了X射線對(duì)晶體的作用并在隨后用于晶體衍射分析，使人們對(duì)固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。 3. 19世紀(jì)末，晶體的230種空間群被確定，至此人們已經(jīng)可以完全用數(shù)學(xué)的方法來描述晶體的幾何特征。 4. 1932年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次。 5. 1934年位錯(cuò)理論的提出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在巨大差別的問題，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的意義。 一些與材料有關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，有力地促進(jìn)了材料研究的深化。 （二）材料與材料科學(xué)的基本概念 1. 材料：用來制作有用器件的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。是現(xiàn)代文明的三大支柱（材料、能源及信息）之一。 2. 材料科學(xué)：以材料為研究對(duì)象的一門科學(xué)。它以凝聚態(tài)物理和物理化學(xué)、晶體學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合冶金、機(jī)械、化工等領(lǐng)域的研究成果，探討材料的成分、工藝、組織結(jié)構(gòu)及性能之間的內(nèi)在規(guī)律，并聯(lián)系具體器件或構(gòu)件的使用功能要求，力求用經(jīng)濟(jì)合理的辦法制備出有效的器件或構(gòu)件。 因此，材料科學(xué)是現(xiàn)代機(jī)械工程、電子技術(shù)和高技術(shù)工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。它的研究?jī)?nèi)容包括：材料的化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，材料的形成機(jī)理和制取方法，材料物理性能的測(cè)試方法和技術(shù)，材料的損壞機(jī)理，材料的合理加工方法和最佳使用方案等。特別是材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，是材料科學(xué)研究的重點(diǎn)。 3. 材料科學(xué)的研究?jī)?nèi)容： l 材料的化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。 l 材料的形成機(jī)理和制取方法。 l 材料物理性能的測(cè)試方法和技術(shù)。 l 材料的損壞機(jī)理。 l 材料的合理加工方法和最佳使用方案等。 4. 材料的化學(xué)成分：組成材料的各元素在材料中的濃度，簡(jiǎn)稱“成分”。 5. 材料的組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬內(nèi)部的狀態(tài)，簡(jiǎn)稱“組織”。 6. 材料的結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組合狀態(tài)，一般通過X射線或透射電子顯微鏡來研究。 （三）工程材料的分類及應(yīng)用 工程材料是指在機(jī)械、船舶、化工、建筑、車輛、儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中用于制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件的材料。 按照材料的組成、結(jié)合鍵的特點(diǎn)，可將工程材料分為四大類。具體內(nèi)容如表1所示。 1. 金屬材料鍵合方式為“金屬鍵”，分為黑色金屬和有色金屬兩大類。鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料。其它金屬通稱為有色金屬。其中，黑色金屬用量占工程金屬的60％以上。黑色金屬之外的所有金屬及其合金稱為有色金屬。有色金屬的種類很多，根據(jù)其特性的不同又可分為輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬等。 2. 陶瓷材料是以共價(jià)鍵和離子鍵結(jié)合為主的材料，其性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆性大。陶瓷材料分為：傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷以及金屬陶瓷三類。 傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷，是以天然材料為原料的陶瓷，主要用做建筑材料；特種陶瓷又稱精細(xì)陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，常用做工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件；金屬陶瓷是金屬與各種化合物粉末的燒結(jié)體，主要用做工具和模具。 3. 高分子材料是以分子鍵和共價(jià)鍵為主結(jié)合的材料，具有塑性好、耐蝕性好、電絕緣性好、減震性好及密度小等特點(diǎn)。 工程上使用的高分子材料主要包括塑料、橡膠及合成纖維等，在機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。 4. 復(fù)合材料是把兩種（或兩種以上）不同性質(zhì)（或不同結(jié)構(gòu)）的材料以微觀（或宏觀）的形式組合在一起而形成的材料，以進(jìn)一步提高材料的性能。復(fù)合材料分為金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和高分子復(fù)合材料等。 如現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中耐熱溫度最高的材料就是通過粉末冶金法制備的氧化物粒子彌散強(qiáng)化的鎳基合金復(fù)合材料。很多高級(jí)游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復(fù)合材料制成的，它們具有密度低、彈性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。 表1 材料按其組成與結(jié)合鍵特點(diǎn)分類 材料名稱 材料組成 結(jié)合鍵 金屬材料（黑色金屬、有色金屬） 金屬為主 金屬鍵為主 陶瓷材料 金屬和非金屬的化合物為主 共價(jià)鍵和離子鍵為主 高分子材料 碳?xì)浠衔餅橹? 共價(jià)鍵和分子鍵為主 復(fù)合材料 兩種或兩種以上上述材料的組合 混合鍵 （四）機(jī)械工程材料課程的目的、性質(zhì)和學(xué)習(xí)要求 隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)材料的要求越來越苛刻，工程材料向高比強(qiáng)、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展，新材料也在不斷地涌現(xiàn)。 機(jī)械工程材料課程是機(jī)械類和近機(jī)類各專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，它主要是應(yīng)用晶體學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)等學(xué)科理論和實(shí)驗(yàn)的最新成就，課程內(nèi)容以定性描述為主，具體表現(xiàn)為“三多”：內(nèi)容中名詞、概念、術(shù)語(yǔ)“多”，定性描述、經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)“多”，需記憶性的內(nèi)容、規(guī)律“多”。 作為一名機(jī)械工程技術(shù)人員，時(shí)刻都會(huì)遇到有關(guān)材料及其制造加工方面的問題。無(wú)論設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)器設(shè)備、機(jī)械零件，還是改造、加工一套工夾具，都將面臨材料的選擇、應(yīng)用與零件加工工藝路線的制定等問題，這一切都涉及材料及其成形技術(shù)方面的問題。 課程的目的是使學(xué)生獲得工程材料的基本理論知識(shí)，掌握材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系，了解常用材料的應(yīng)用范圍和加工工藝，初步具備合理選用材料、正確確定加工方法、妥善安排加工工藝路線的能力。 本科課程理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，基本概念多，與實(shí)際聯(lián)系密切。學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)注意聯(lián)系物理、化學(xué)、工程力學(xué)及金屬工藝學(xué)等課程的相關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，注重分析、理解前后知識(shí)的整體聯(lián)系及綜合應(yīng)用。 三、重要考點(diǎn) 多項(xiàng)選擇題 （1）在下列各項(xiàng)學(xué)科中，與材料科學(xué)有關(guān)的是（）。 A．凝聚態(tài)物理 B．物理化學(xué) C．晶體學(xué) D．冶金、機(jī)械、和化工學(xué) 答案：ABCD （2）工程材料被劃分為金屬材料、陶瓷材料等的依據(jù)是（）。 A．用途 B．組成 C．結(jié)合鍵特點(diǎn) D．質(zhì)量 答案：BC （3）有色金屬的種類很多，根據(jù)其特性的不同可以分為（）等。 A．輕金屬 B．重金屬 C．貴金屬 D．稀有金屬 答案：ABCD （4）下列各項(xiàng)屬于陶瓷材料性能特點(diǎn)的是（）。 A．熔點(diǎn)高 B．硬度高 C．耐腐蝕 D．脆性大 答案：ABCD