工程材料绪论优秀PPT.ppt

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1、工程材料课程介绍工程材料课程介绍 工程材料课程是高等院校机械类专业的一门特别重要的技术基础课。课程的任务是从机械工工程材料课程是高等院校机械类专业的一门特别重要的技术基础课。课程的任务是从机械工程的应用角度动身，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、结构与程的应用角度动身，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学问。性能之间的关系；介绍常用机械工程材料及其应用等基本学问。本课程的目的是使学生通过学习，在驾驭机械工程材料的基本理论及基本学问的基础上，具本课程的目的是使学生通过学习，在驾驭机械工程材

2、料的基本理论及基本学问的基础上，具备依据机械零件运用条件和性能要求，对结构零件进行合理选材及制订零件工艺路途的初步实力备依据机械零件运用条件和性能要求，对结构零件进行合理选材及制订零件工艺路途的初步实力。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，学习并驾驭工程材料的基础由于能源、材料和信息是现代社会和现代科学技术的三大支柱，学习并驾驭工程材料的基础学问，对于工科院校机械类专业的学生是特别必要的。学问，对于工科院校机械类专业的学生是特别必要的。1绪绪 论论内容提要内容提要 本节课介绍中华民族对材料发展的重大贡献，新材料新工艺的发呈现状。依据结合键对工程本节课介绍中华民族对材料发展的

3、重大贡献，新材料新工艺的发呈现状。依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。材料进行分类，并介绍每一类材料的性能特点。学习目标学习目标 本节课重点驾驭材料的结合键，了解各类工程材料的性能特点。本节课重点驾驭材料的结合键，了解各类工程材料的性能特点。学习建议学习建议 1.1.结合课程内容，阅读相关网站，对工程材料的应用有所了解。结合课程内容，阅读相关网站，对工程材料的应用有所了解。2.2.建议本节学时：建议本节学时：1 1 学时。学时。2 绪论主要内容uu 中华民族对材料发展的重大贡献中华民族对材料发展的重大贡献uu 新材料新工艺重大成果新材料新工艺重大成果uu 材料的结合键材料

4、的结合键uu 程材料的分类程材料的分类3一一.中华民族对材料发展的重大贡献中华民族对材料发展的重大贡献 在人类的发展史上，最先运用的工具是石器。我们的祖先用坚硬的简洁纵裂成薄片的燧石和在人类的发展史上，最先运用的工具是石器。我们的祖先用坚硬的简洁纵裂成薄片的燧石和石英石等自然材料制成石刀、石斧、石锄。石英石等自然材料制成石刀、石斧、石锄。早在新石器时代（公元前早在新石器时代（公元前60006000年公元前年公元前50005000年），中华民族的先人们用粘土（主要成分为年），中华民族的先人们用粘土（主要成分为SiO2SiO2，Al2O3Al2O3）烧制成陶器。马家窑（甘肃）文化时期的陶器以砂质和

5、泥质红陶为主，表面彩绘）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，表面彩绘有有条带纹、水纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等。条带纹、水纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等。我国在东汉时期独创了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。瓷器于我国在东汉时期独创了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。瓷器于 9 9世纪传到非洲东部和阿拉世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，伯国家，1313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。直到今日，中国瓷器仍畅销全球，名誉四海。大的影响

6、。直到今日，中国瓷器仍畅销全球，名誉四海。石器石器陶器陶器瓷器瓷器4 我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就起先了，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，

7、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相识到了青铜的性能与成分之间的亲密关系。我国劳动人民创建了绚丽的青铜文化。我国从青秋战国时期(公元前770年公元前221年)已起先大量运用铁器。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。青铜器青铜器5 到了西汉时期,炼铁技术又有了很大的提高，接受煤作为炼铁的燃料，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。炉型浩大，结构困难，并有鼓风装置和铸造坑。可见当年生产规模之

8、壮丽。我国古代创建了三种炼钢方法。第一种是从矿石中干脆炼出自然钢。用这种钢作的剑在东方各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲；其次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、渗碳工艺作了具体的论述。钢铁生产工具的发展，对社会进步起了巨大的推动作用。在材料领域中还应当提到的是丝绸。

9、丝绸是一种自然高分子材料，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，我们勤劳才智的祖先，在材料的创建和运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。6二二.新材料新工艺重大成果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，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，发展特别迅猛。发展特别迅猛。从从2020世纪世纪6060年头到年头到7070年头年头 ，高分子材料每年以，高分子材料每年以1414的

10、速度增长，而金属材料的年增长率仅为的速度增长，而金属材料的年增长率仅为4 4。到。到7070年头中期，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年头中期，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，目前正在探讨和开发具有良好导电性能和耐高温的高分子材料。外，目前正在探讨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特别引人注目，它除了具有很多特殊性能作为重要的功能材料陶瓷材料的发展同样特别引人注目，它除了具有很多特殊性能作为重要的功能材料(例如可作例如可作光导纤维、激光晶体等）以外光导纤维、激光晶体等）以外 ，其脆性和抗热震性正

11、在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材，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运用金属材料制造了。料。机器零件和工程结构已不再只运用金属材料制造了。涤纶安全带涤纶安全带 尼龙齿轮尼龙齿轮 耐磨陶瓷耐磨陶瓷 绝缘陶瓷绝缘陶瓷 铁人铁人 黄河镇河大铁牛黄河镇河大铁牛(唐开元唐开元1212年铸年铸)7 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运用要求。复合材料的探讨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

12、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、形态记忆材料、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探讨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探讨取得重大成果。材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到快速发展。飞机飞机 磁浮列车（时速磁浮列车（时速430430里）里）光纤光纤 8 激光表面淬火、激光熔涂

13、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，汽车材料需求快速增加。航空、航天事业快速崛起，带动航空、航天材料的发展。1966年我国成功放射人造卫星；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探讨方面取得很多新的成果,利用碳纳米管作为衬底,制备出匀整、致密的金刚石薄膜，并用碳纳米管作为晶须增加复合材料，制作纳米复合材料

14、。总之，材料科学和材料工程发展很快。我们须要驾驭材料科学的基本理论和基本学问，探讨和独创新的材料和新的工艺，合理地运用各种工程材料，为四个现代化建设事业作出贡献。快速成型样品快速成型样品 镁铝合金手机壳镁铝合金手机壳 奥迪刹车钳体精铸件奥迪刹车钳体精铸件 碳纳米管碳纳米管9三工程材料的分类三工程材料的分类材料的结合键材料的结合键 工程材料可以有不同的分类方法。比较科学的方法是依据材料的结合键进行分类。各种工程工程材料可以有不同的分类方法。比较科学的方法是依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、离子或分子之间的材料是由各种不同的元素组

15、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。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 1、离子键、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；同时当它们特别接近时发生排斥，引力

16、和斥力相等即形成稳定的离子键。相互吸引；同时当它们特别接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。NaClNaCl、CaOCaO、Al2O3Al2O3等由离子键组成。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坚固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸取可见光，所以

17、的外层电子比较坚固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸取可见光，所以典型的离子晶体是无色透亮的。典型的离子晶体是无色透亮的。离子键示意图离子键示意图 氯化钠结构氯化钠结构102 2、共价键、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

18、键叫共价键。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 4个价电子与个价电子与四周的四周的4 4个碳原子共有，形成个碳原子共有，形成 4 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 4个碳原子在个碳原子在4 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SiCSiC、Si3N4

19、Si3N4、BNBN等化合物。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。低。共价键示意图共价键示意图 金刚石结构金刚石结构113 3、金属键、金属键 周期表中周期表中、族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。原子很简洁丢失其价电族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。原子很简洁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

20、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。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猛烈的静电吸引力，使全部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猛烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。在金属晶体中，价电子充溢在整个体积内，全部的金属离子皆处于相同的环境之中，全部离在金属晶体中，价电子充溢在整个体积内，全部的金属离子皆处于相同的环境之中，全部离子子(或原子或原子)均可被看成是具有确定

21、体积的圆球，所以金属键无所谓饱和性和方向性。金属由金属均可被看成是具有确定体积的圆球，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：键结合，因此金属具有下列特性：(1)(1)良好的导电性和导热性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，电子可以定向地流淌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，电子可以定向地流淌，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，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

22、离子振动的作用而导热。金属键示意图金属键示意图 钼的结构钼的结构 12(2)(2)正的电阻温度系数正的电阻温度系数 即随温度上升电阻增大。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于确定零度时电阻突然下即随温度上升电阻增大。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于确定零度时电阻突然下降，趋近于零。降，趋近于零。(3)(3)不透亮并呈现特有的金属光泽不透亮并呈现特有的金属光泽 金属中的自由电子能吸取并随后辐射出大部分投射到表面的光能。金属中的自由电子能吸取并随后辐射出大部分投射到表面的光能。(4)(4)良好的塑性变形实力，金属材料的强韧性好良好的塑性变形实力，金属材料的强韧性好 金属键没有方向性，原子间

23、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。，结合键不会遭到破坏。4 4、分子键、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。变，

24、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。分子键示意图分子键示意图 甲烷结构甲烷结构13 在含氢的物质，特殊是含氢的聚合物中，一个氢原子可同时和两个与电子亲合实力大的、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。其产生的缘由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猛烈偏移，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

25、，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。四四.工程材料的分类工程材料的分类 工程材料主要是指用于机械、车辆、船舶、建筑、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，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）的材工具的材料和具有特殊性能（如耐蚀、耐高温等）的材料。料。按结合键的性质，工程材料分类如下：按结合键的性质，工程材料分类如下：14小小 结结 1

26、1中华民族对材料发展作出了重大贡献。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。驾驭材料科学的基本理论和基本学问，探讨和独创新近几年来，新材料、新工艺发展很快。驾驭材料科学的基本理论和基本学问，探讨和独创新材料新工艺，合理地运用各种工程材料是特别重要的。材料新工艺，合理地运用各种工程材料是特别重要的。2 2依据结合键可将工程材料分为四类：依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，塑性变形实力强，导电、导热性好，为主要的工金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形实力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。程材料。高分子材料以分子键和共价键结

27、合，耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高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。、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。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，抗疲惫性好。复合材料可由多种结合键组成，强韧性好，比强度、比刚度高，抗疲惫性好。参考书：工程材料参考书：工程材料 清华高校出版社，朱张校等清华高校出版社，朱张校等 15材料的结构可分为四个层次：材料的结构可分为四

28、个层次：第一个层次：材料的原子结构第一个层次：材料的原子结构其次个层次：原子在空间的排列其次个层次：原子在空间的排列第三个层次：材料的显微组织（组织）第三个层次：材料的显微组织（组织）第四个层次：材料的多相结构第四个层次：材料的多相结构16课时支配课时支配第第1 1周周 绪论绪论 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构第第2 2周周 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 合金的晶体结构合金的晶体结构 第第3 3周周 合金的晶体结构合金的晶体结构 第第4 4周周 金属材料的组织与性能金属材料的组织与性能 纯金属的结晶纯金属的结晶 第第5 5周周 合金的结晶合金的结晶 铁碳相图铁碳相图第第6 6周周 铁碳相图铁碳相图第第7 7周周 钢的热处理钢的热处理 第第8 8周周 钢的热处理钢的热处理 合金钢合金钢第第9 9周周 合金钢合金钢第第1010周周 合金钢合金钢 金属材料金属材料第第1111周周 第第1212周周 第第1313周周 第第1414周周 17