工程材料绪论幻灯片

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工程材料,长春理工大学机电工程学院,张文涛 电话,1,工程材料课程介绍,工程材料课程是高等院校机械类专业的一门十分重要的技术基础课。课程的任务是从机械工,程的应用角度出发，阐明机械工程材料的基本理论，了解材料的成分、加工工艺、组织、结构与,性能之间的关系；介绍常用机械工程材料及其应用等基本知识。,本课程的目的是使学生通过学习，在掌握机械工程材料的基本理论及基本知识的基础上，具,备根据机械零件使用条件和性能要求，对结构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初步能力,。,由于能源、材料和信息是现代社会和现代科学技术的三大支柱，学习并掌握工程材料的基础,知识，对于工科院校机械类专业的学生是十分必要的。,2,绪 论,内容提要,本节课介绍中华民族对材料发展的重大贡献，新材料新工艺的发展现状。根据结合键对工程,材料进行分类，并介绍每一类材料的性能特点。,学习目标,本节课重点掌握材料的结合键，了解各类工程材料的性能特点。,学习建议,1.结合课程内容，浏览相关网站，对工程材料的应用有所了解。,2.建议本节学时：1 学时。,3,绪论主要内容,中华民族对材料发展的重大贡献,新材料新工艺重大成果,材料的结合键,程材料的分类,4,一.中华民族对材料发展的重大贡献,在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。我们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。,早在新石器时代（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,SiO,2,，Al,2,O,3,）烧制成陶器。马家窑（甘肃）文化时期的陶器以砂质和泥质红陶为主，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。,我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。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。直到今天，中国瓷器仍畅销全球，名誉四海。,石器,陶器,瓷器,5,我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到殷、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8750 N,外型尺寸为1.33 m0.78 m1.10 m,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。,春秋战国时期周礼考工记中记载了钟鼎、斧斤等六类青铜器中的锡含量，称为“六齐,（剂）”。书中写道：“六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；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”。这是世界上最古老的关于青铜合金成分的文,字记载。这表明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。,我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化。,我国从青秋战国时期(公元前770年公元前221年)已开始大量使用铁器。,从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用的铁模，说明冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁,模铸造的高级阶段。,青铜器,6,到了西汉时期,炼铁技术又有了很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早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。可见当年生产规模之壮观。,我国古代创造了三种炼钢方法。第一种是从矿石中直接炼出自然钢。用这种钢作的剑在东方,各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲；第二种是西汉时期的经过“百次”冶炼锻打的百炼钢；第三,种是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。,同时钢的热处理技术也达到了相当高的水平。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。,在材料领域中还应该提到的是丝绸。丝绸是一种天然高分子材料，它在我国有着悠久的历,史，于十一世纪传到波斯、阿拉伯、埃及，并于1470年传到意大利的威尼斯，进入欧洲。中国丝,绸，名扬四海。,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。,7,二.新材料新工艺重大成果,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。,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。,陶瓷材料的发展同样十分引人注目，它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。,涤纶安全带 尼龙齿轮 耐磨陶瓷 绝缘陶瓷,铁人 黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸),8,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。,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。,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128.7 K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。,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。,飞机 磁浮列车（时速430里）光纤,9,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。,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。,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。,总之，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。,快速成型样品 镁铝合金手机壳 奥迪刹车钳体精铸件 碳纳米管,10,三工程材料的分类,材料的结合键,工程材料可以有不同的分类方法。比较科学的方法是根据材料的结合键进行分类。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。,1、离子键,当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；同时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,、Al,2,O,3,等由离子键组成。,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。在离子键结合中，由于离子,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，所以,典型的离子晶体是无色透明的,。,离子键示意图 氯化钠结构,11,2、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。,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、Si,3,N,4,、,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。,共价键示意图 金刚石结构,12,3、金属键,周期表中、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。被丢失的价电子不为某个或某两个原子所专有或共有，而是为全体原子所公有,。这些公有化的电子叫做自由电子，它们在正离子之间自由运动，形成所谓电子气。正离子在三,维空间或电子气中呈高度对称的,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。,在金属晶体中，价电子弥漫在整个体积内，所有的金属离子皆处于相同的环境之中，全部离,子(或原子)均可被看成是具有一定体积的圆球，所以金属键无所谓饱和性和方向性。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,金属中有大量自由电子存在，当金属的两端存在电势差或外加电场时，电子可以定向地流动,，使金属表现出优良的导电性。金属的导热性很好，一是由于自由电子的活动性很强，二是依靠,金属离子振动的作用而导热。,金属键示意图 钼的结构,13,(2)正的电阻温度系数,即随温度升高电阻增大。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然下,降，趋近于零。,(3)不透明并呈现特有的金属光泽,金属中的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，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发生原子位置的相对移动时,，结合键不会遭到破坏。,4、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,14,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,形成所谓氢键。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。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。,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。,四.工程材料的分类,工程材料主要是指用于机械、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