工程材料课件 绪论Word格式文档下载.docx
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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。
人类社会的发展伴随着材料的发明和发展。
0.1.1中华民族对材料发展的重大贡献
●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容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。
石器
●陶器与瓷器的发明和使用
瓷器——中国文化的象征。
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(主要成分为SiO2,Al2O3)烧制成陶器。
马家窑(甘肃)文化时期的陶器表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等,制品有炊具、食具、盛储器皿等。
陶器
最早生产瓷器的国家。
东汉时期发明了瓷器。
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,十五世纪传到欧洲。
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,名誉四海。
瓷器
●我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化
青铜器
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。
青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。
●从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重达8750N,外型尺寸为1.33m×
0.78m×
1.10m,是迄今世界上最古老的大型青铜器。
●从湖北隋县出土的战国青铜编钟是我国古代文化艺术高度发达的见证。
●世界上最古老的关于青铜合金成分的文字记载:
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性能与成分之间的密切关系。
●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。
西汉时期
炼铁技术有很大的提高,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。
生产规模壮观。
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。
铁人黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)
●钢的热处理技术达到相当高的水平
●西汉《史记·
天官书》中有“水与火合为淬”一说,正确地说出了钢铁加热、水冷的淬火热处理工艺要点。
●《汉书·
王褒传》中记载有“巧冶铸干将之朴,清水淬其锋”的制剑技术。
●明代科学家宋应星在《天工开物》一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺作了详细的论述。
钢铁生产工具的发展,对社会进步起了巨大的推动作用。
●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史,我国丝绸质地柔软,色彩鲜艳,美观华丽,光彩夺目。
于十一世纪传到波斯、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。
老师提示
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,而金属材料的年增长率仅为4%。
到70年代中期,全世界的高分子材料和钢的体积产量已经相等;
除了用作结构材料代替钢铁外,目前正在研究和开发具有良好导电性能和耐高温的高分子材料。
涤纶安全带尼龙齿轮
●陶瓷材料引人注目
陶瓷材料除了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)以外,其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。
机器零件和工程结构已不再只使用金属材料制造了。
耐磨陶瓷绝缘陶瓷
●复合材料前途广阔
随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、化工、能源等工业的发展,对材料的性能提出越来越高、越来越多的要求。
传统的单一材料已不能满足使用要求。
复合材料的研究和应用引起了人们的重视。
如玻璃纤维树脂复合材料(即玻璃钢)、碳纤维树脂复合材料已应用于宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身、螺旋桨等、发动机叶轮等;
在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船艇等;
在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。
玻璃钢赛车壳体玻璃钢储液罐
●功能材料发展很快
近年来超导材料、磁性材料、形状记忆材料、信息材料等各种功能材料有很大的发展。
光缆磁浮列车(时速430公里)
二、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128.7K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体);
●镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。
镁铝合金叶轮镁铝合金手机壳
●
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、石油抽油管、纺织用锭杆等零件的表面强化上得到应用。
●化学气相沉积(CVD)可制造出高硬度、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。
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。
1966年我国成功发射人造卫星;
1999年11月21日我国载人航天工程第一艘试验飞船“神舟”一号飞行成功;
2003年10月15日中国第一艘载人飞船“神舟”五号飞行成功。
人造卫星运载火箭
飞船“神舟”五号飞行成功
研制了超7隐形战斗机,2003年8月30日首飞成功。
超7隐形战斗机歼7E战斗机
●在C60和碳纳米管新型碳材料的研究方面取得许多新的成果,利用碳纳米管作为衬底,制备出均匀、致密的金刚石薄膜,并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
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。
说出二个有关新材料、新工艺的实际事例。
1.2工程材料的分类
0.2.1材料的结合键
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。
原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。
一般可把结合键分为离子键、共价健、金属键和分子键四种。
一、离子键
周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时,前者失去最外层价电子变成带正电荷的正离子,后者获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。
正离子和负离子由静电引力相互吸引;
当它们十分接近时发生排斥,引力和斥力相等即形成稳定的离子键。
NaCl、CaO、Al2O3等由离子键组成。
离子键示意图氯化钠结构
离子键的结合力很大,因此离子晶体的硬度高,强度大,热膨胀系统小,但脆性大。
离子键中很难产生可以自由运动的电子,所以离子晶体都是良好的绝缘体。
离子键结合中,离子的外层电子比较牢固地被束缚,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,原子既可能获得电子变为负离子,也可能丢失电子变为正离子。
当这些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。
这种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结构
最具有代表性的共价晶体为金刚石。
金刚石由碳原子组成,每个碳原子贡献出4个价电子与周围的4个碳原子共有,形成4个共价键,构成正四面体:
一个碳原子在中心,与它共价的另外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。
属于共价晶体的还有SiC、Si3N4、BN等化合物。
共价键的结合力很大,所以共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。
三、金属键
周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。
原子很容易丢失其价电子而成为正离子。
被丢失的价电子为全体原子所公有。
这些公有化的电子叫做自由电子,在正离子之间自由运动,形成所谓电子气。
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。
这种结合力就叫做金属键。
金属键示意图钼的结构
金属由金属键结合,因此金属具有下列特性:
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。
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
原子状态形成稳定电子壳体的惰性气体元素,在低温下可结合成固体。
甲烷分子在固态也能相互结合成为晶体。
在它们的结合过程中没有电子的得失、共有或公有化,价电子的分布几乎不变,原子或分子之间是靠范特瓦尔斯力结合起来,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(如F、O、N等)相结合,形成氢键。
氢健是一种较强的、有方向性的范特瓦尔斯键。
其产生的原因是由于氢原子与某一原子形成共价健时,共有电子向那个原子强烈偏移,使氢原子几乎变成一半径很小的带正电荷的核,因而它还可以与另一个原子相吸引。
尼龙66的结构
范特瓦尔斯力很弱,因此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,因此材料有良好的绝缘性。
0.2.2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,也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,皆为金属晶体材料。
工业上把金属和其合金分为两大部分
(1)黑色金属铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金);
(2)有色金属黑色金属以外的所有金属及其合金。
金属材料
结合工程实际,说说金属材料的实际应用。
二、高分子材料
高分子材料为有机合成材料,亦称聚合物。
它具有较高的强度,良好的塑性,较强的耐腐蚀性能,很好的绝缘性,以及重量轻等优良性能,在工程上是发展最快的一类新型结构材料。
高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子化合物组成,每个大分子皆包含有大量结构相同、相互连接的链节。
有机物质主要以碳元素(通常还有氢)为其结构组成,在大多数情况下它构成大分子的主链。
大分子内的原子之间由很强的共价键结合,而大分子与大分子之间的结合力为较弱的范特瓦尔斯力。
工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类:
塑料
合成纤维
橡胶
胶粘剂
高分子材料制品
三、陶瓷材料
陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的化合物。
非金属元素原子同金属原子化合时形成很强的离子键,同时也存在有一定成分的共价键。
例如MgO晶体中,离子键占84%,共价键占16%。
也有一些特殊陶瓷以共价键为主。
陶瓷的硬度很高,但脆性很大。
陶瓷材料属于无机非金属材料,主要为金属氧化物和金属非氧化合物。
由于大部分无机非金属材料含有硅和其它元素的化合物,所以又叫做硅酸盐材料。
它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻璃)、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和陶瓷等三类。
莫来石复相陶瓷钛基复合材料
四、复合材料
复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料,其性能优于它的组成材料。
复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成,所以它的结合键非常复杂。
它在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越。
具有广阔的发展前景。
老师提示工程材料按结合键的性质可分为四类:
金属材料主要以金属键结合;
高分子材料以分子键和共价键结合;
陶瓷材料以离子键、共价键结合;
复合材料可由多种结合键组成。
结
1.中华民族对材料发展作出了重大贡献。
近几年来,新材料、新工艺发展很快。
掌握材料科学的基本理论和基本知识,研究和发明新材料新工艺,合理地使用各种工程材料是十分重要的。
2.根据结合键可将工程材料分为四类:
金属材料主要以金属键结合,其强韧性好,塑性变形能力强,导电、导热性好,为主要的工程材料。
高分子材料以分子键和共价键结合,耐蚀性、绝缘性好,密度小,加工成型性好,强度不高、硬度较低,耐热性较差。
陶瓷材料以离子键、共价键结合,熔点高,硬度高,耐热,耐磨,脆性大,难以加工。
复合材料可由多种结合键组成,强韧性好,比强度、比刚度高,抗疲劳性好。
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