材料科学与工程导论bgzt.docx

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1、材料科学学与工程程导论一、材料料的定义义与分类类材料是人人类用于于制造机机器、构构件和产产品的物物质，是是人类赖赖以生存存和发展展的物质质基础新材料，主主要是指指那些正正在发展展，且具具有优异异性能和和应用前前景的一一类材料料。为了了规范新新材料的的含义，一一般把具具备以下下三个条条件之一一的材料料称为新新(1.新出现现或正在在发展中中的具有有传统材材料所不不具备的的优良性性能的材材料。如：C600 2.高技术术发展需需要，具具有特殊殊性能的的材料。如：形状记记忆合金金 3.由于采采用新技技术（工工艺、装装备）明明显提高高了性能能，或者出现现了新的的功能的的材料。如如：超级级钢、纳纳米、超超导

2、材料料、智能能材料、生生物医用用材料）分类一：按组成成与结构构划分（金属材料 无机非金属材料 高分子材料 复合材料）分类二：按用途分（电子信息材料 航空航天材料 能源材料 生物医用材料等）分类三：按性能分 结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金） 功能材料（吸波材料、单晶硅、形状记忆材料）分类四：按应用与发展分（传统材料 新材料如纳米铜、超导电缆）二、材料料的地位位和作用用当代文明明：能源源 材料料 信息息新技术革革命：信信息技术术 新材材料 生生物技术术材料是人人类社会会发展的的基础和和先导1 新材料技技术是工工业革命命和产业业发展的的先导两次

3、工业业革命都都是以新新材料的的发明和和广泛应应用为先先导􀂋第一一次工业业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。􀂋第二二次工业业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。2 新材料技技术是社社会现代代化的先先导􀂋211世纪重重点发展展的高技技术领域域的进展展与趋势势􀂋211世纪重重点发展展的高技技术领域域的材料料选择􀂋新材材料技术术是高技技术发展展的基础础21世纪纪重点发发展的高高技术领领域的进进展与趋趋势环境科学学技术：探求人人类与环环境和谐谐共

4、存方方式空间科学学技术：探索宇宇宙空间间（多种种用途的的人货分分离的新新一代航航天飞行行器、小小卫星技技术、太太空攻防防技术）新材料科科学技术术：探索物物质结构构（纳米米技术、光光电子材材料、光光子材料料、新型型功能材材料、新新型结构构材料）新能源与与再生能能源：实现人人类可持持续发展展（化石能能源高效效清洁利利用技术术、新能能源核能、氢氢能和可再再生能源源技术、天天然气水水合物的的开发）信息科学学技术：信网络络技术、宽宽带通信信技术、半半导体技技术、计计算机智智能技术术生物科学学技术：探索生生命本质质（基因因组学、蛋蛋白质科科学、干干细胞及及再生医医学）海洋科学学技术：探索海海洋奥秘秘七大高

5、新新技术领领域1.信息息科学技技术：正正在发生生结构性性变革，仍仍然是经经济持续续增长的的主导力力量。1）通信信网络技技术为信信息产业业注入强强大活力力；2）宽带带通信已已成为国国际上应应用最广广的通信信技术；3）半导导体技术术进入纳纳米时代代；4）计算算机智能能技术日日新月异异。2.生物物技术：正经历历着一场场前所未未有的技技术革命命，一个个庞大的的生物产产业正在在孕育和和形成。1）基因因组学、蛋蛋白质科科学、干干细胞及及再生医医学的研研究成为为生命科科学的前前沿与热热点；2）干细细胞及再再生医学学的研究究及应用用为人类类健康开开辟了新新道路；3）生物物芯片在在医疗和和科研领领域发挥挥巨大作

6、作用；4）转基基因技术术及应用用呈现出出高速发发展的态态势。3.航天天技术：快速发发展，不不断开辟辟人类探探索的新新空间。1）太空空探索带带动太空空探索技技术加速速发展；2）研制制多种用用途的人人货分离离的新一一代航天天飞行器器成未来来趋势；3）小卫卫星技术术日趋成成熟并将将广泛应应；4）太空空攻防技技术成为为未来航航天技术术发展的的重要领领域。4.能源源技术：将变革革未来社社会的动动力基础础，促进进人类实实现可持持续发展展。1）煤炭炭的高效效清洁利利用成为为化石能能源技术术研发热热点；2）核能能技术酝酝酿新的的突破；3）氢能能技术研研发和商商业应用用加速；4)新能能源和可可再生能能源技术术展

7、现良良好前景景；5)天然然气水合合物的开开发受到到重视用用能技术术发展前前景广阔阔。5.先进进制造技技术：向向绿色制制造、高高技术化化、信息息化、极极端制造造方向发发展，成成为提升升产业竞竞争力的的关键技技术。1)光机机电一体体化技术术；2）微电电子光刻刻技术；3）重大大装备制制造技术术。6. 新材料技技术：出出现群体体性突破破，将对对21世世纪基础础科学和和几乎所所有工业业领域产产生革命命性影响响。（新新材料技技术是高高技术发发展的基基础）1）纳米米技术是是前沿技技术中最最具前瞻瞻性和带带动性的的领域之之一；2）光电电子材料料、光子子材料将将成为发发展最快快和最有有前途的的电子信信息材料料；

8、3）新型型功能材材料（超超导材料料、智能能材料、生生物医用用材料）及及其应用用技术面面临新的的突破；4）新型型结构材材料（高高温合金金、难熔熔金属、金金属间化化合物、金金属基复复合材料料、高分分子材料料、钛合合金、镁镁合金）发发展前景景乐观。3 新材料技技术是一一切工业业发展的的关键共共性基础础新材料技技术出现现群体性性突破，将将对211世纪所所有工业业领域产产生革命命性的影影响，成成为一切切工业的的关键共共性基。（纳纳米材料料 特特点之一一:表面效效应特点点之二：小尺寸寸效应 特点点之三:量子效效应）是人类社社会进步步的里程程碑和划划时代的的标志。人类利用用材料的的历史，就就是一部部人类进进

9、化和进进步的历历史。三、材料料科学与与工程的的形成和和发展科学驱动动：科学学技术的的发展 需求求牵引：社会经经济的需需求材料科学学与工程程的定义义材料科学学与工程程就是指指出研究究有关材材料的组组成、结结构、制制备工艺艺流程与与材料性性能和用用途关系系的知识识和它的的应用。材料科学学与工程程的三个个重要属属性一是多学学科交叉叉。它是是物理学学、化学学、冶金金学、金金属学、陶陶瓷学、高高分子化化学及计计算科学学相互融融合和交交叉的结结果；二是一种种与实际际使用结结合非常常紧密的的科学。发发展材料料科学的的目的在在于开发发新材料料，提高高材料的的性能和和质量，合合理使用用材料，同同时降低低材料成成

10、本和减减少污染染；三是材料料科学是是一个正正在发展展中的科科学。不不像物理理学、化化学已有有很成熟熟的体系系，它将将随着各各有关学学科的发发展而得得到充实实和发展展。材料科学学家和材材料工程程师的使使命􀂾从电电子和原原子尺寸寸微观尺尺度、到到介观和和宏观尺尺度去研研究材料料􀂾材料料研究工工作者形形成共识识:四个要要素缺一一不可􀂾需要要多学科科多领域域材料工工作者的的团结协协作,共同推推动材料料的不断断进步四、材料料“四要素素”1.什么么是材料料的“四要素素”？使用性能能1） 材料性能能的定义义在某种环环境或条条件作用用下，为为描述材材料的行

11、行为或结结果，按按照特定定的规范范所获得得的表征征参量力学性能能1.强度度表征弹弹性极限限、屈服服强度、比比例极限限2.塑性性表征延延伸率、断面面收缩率率、冲杯杯深度hh 3.硬度表表征布氏氏硬度、洛洛氏硬度度、维氏氏硬度44.刚度度表征弹弹性模量量、杨氏氏模量、剪剪切模量量5. 疲劳强强度表征征（1.疲劳极极限材料料能经受受“无限”次循环环而不发发生疲劳劳破坏的的最大应应力值，称称为材料料的疲劳劳极限或或持久极极限。22.疲劳劳寿命材材料发生生疲劳破破坏时的的应力循循环次数数，或从从开始受受载到发发生断裂裂所经过过的时间间称为该该材料的的疲劳寿寿命）6. 抗蠕变变性表征征（1.蠕变极极限表示

12、示材料抵抵抗蠕变变能力大大小的指指标，一一般用规规定温度度下和规规定时间间内达到到一定总总变形量量的应力力值表示示。2.持久强强度材料料在给定定温度经经过一定定时间破破坏时所所能承受受的恒定定应力。）7.韧性表征断裂韧性KIC、断裂韧性JIC物理性能能1.电学学性能表表征电导导率、电电阻率、介介电常数数2.磁学学性能表表征 磁导率率（F=0LI2/2a）、矫顽力力（磁记录录介质的的一个重重要磁性性参数（Hc），是指使剩磁降低为零所需要的磁场强度）、磁化率(物质在外磁场作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化而感应出一个附加磁场。磁化率是用来表征物质被磁化程度的物理量)3. 光学性能表征光反射率

13、、光折射率、光损耗率2）材料料使用性性能与性性质的区区别与联联系性能是包包括材料料在内的的整个系系统特征征的体现现；性质质则是材材料本身身特征的的体现性能是随随着外因因的变化化而不断断变化，是是个渐变变过程，在在这个过过程中发发生量变变的积累累，而性性质保持持质的相相对稳定定性；当当量变达达到一个个“度”时，将将发生质质变，材材料的性性质发生生根本的的变化。3） 材料使用用性能的的设计与与实际应应用在材料使使用性能能（产品品）设计计的同时时，力求求改变传传统的研研究及设设计路线线，将材材料性质质同时考考虑进去去，采取取并行设设计的方方法。材料人员员应具备备这样一一种能力力 能针针对不同同的使用

14、用环境，提提取出关关键的材材料性质质并选择择优良性性能的材材料。传统方式式：结构构与功能能确定材材料的性性质（选选择材料料）先进方式式：结构构与功能能/材料的的性质4）材料料与环境境的关系系三类主要要的材料料失效形形式断裂裂、磨损、腐蚀5）材料料性能数数据材料性能能数据库库是材料料选择的的先决条条件；材材料性能能数据库库是实现现计算机机辅助选选材（CCAMSS）、计计算机辅辅助设计计（CAAD）、计计算机辅辅助制造造（CAAM）的的基础。成分/结结构1） 材料成分分结构的的分类键合结构构-五种种键合结结构(注注：1.有些陶陶瓷材料料属共价价键化合合物，如如SiCC陶瓷；2.分子子键又称称德瓦尔

15、尔斯力;3.实实际晶体体并非只只有一种种键合结结构，如如冰晶。）晶体结构构 晶体 原子排排列长程程有序，有有周期；非晶体体 原子子排列短短程有序序，无周周期；准准晶体 原子排排列长程程有序，无无周期组织结构构 组组成材料料的不同同物质表表示出的的某种形形态特征征（1.结构特特征 马马氏体组组织、索索氏体组组织、贝贝氏体组组织 22.组合合特征 单相组组织、两两相组织织、多相相组织）2）材料料结构的的特点多尺度效效应(小尺度度效应：特殊的的光学性性质特殊殊的热学学性质特特殊的磁磁学性质质特殊的的力学性性质) 稳定性性有序与与无序材材料的缺缺陷(点缺陷陷线缺陷陷面缺陷陷) 表面面和界面面(由于纳纳

16、米粒子子尺寸减减小造成成表层原原子数目目和比表表面积巨巨增，使使纳米粒粒子表现现出特殊殊的性质质。材料料纳米化化后，发发生了三三种变化化􀂋晶体体的周期期性遭到到破坏􀂋表面面原子的的悬空键键增多􀂋表层层原子数数剧增)3）材料料成分结结构的表表征方法法现代材料料科学家家对材料料成分、结结构的认认识是由由分析、检检测实现现成分分析析(物理分分析：物物理量间间接测定定谱学分分析：红红外光谱谱分析等等化学分分析：化化验)结构分析析(体视视显微镜镜 mmm(毫米米)-m（微米米）光学学显微镜镜m（微米米）电子子扫描显显微微米米-纳米米（nmm）达0.7

17、nmm透射电电镜观察察到原子子排列面面，达00.2nnm场离离子显微微镜形貌貌观察 0.22-00.3nnm隧道道扫描显显微镜观观察到原原子结构构0.005-0.22nm)4）材料料成分、结结构数据据库X衍射数数据库：建立了了结构测测定参数数的关系系相图数据据库：建建立了成成分相的的关系相的定义义:把系统统中物理理性质及及化学性性质均匀匀的部分分称为相相5）材料料成分结结构与其其它要素素的关系系结构是材材料性能能的原因因：1、按统计计学原理理计算单单位面积积上的位位错缺陷陷数目，由由于截面面减小而而不能满满足大样样本空间间时，这这个数值值不再恒恒定2、晶体体结构越越来越接接近无缺缺陷理想想晶体

18、，强强度值也也就越接接近于理理论强度度值。结构是合合成加工工的结果果金属材材料随塑塑性加工工量的增增大，组组织结构构发生明明显的变变化：等等轴晶-带带状组织织-细晶组组织材料的强强韧化-位错理理论的建建立：固溶强强化、弥散强强化、复相强强化、加工硬硬化相变变增韧制备/加加工1）材料料制备与与加工的的定义“制备”与“加工”是指建建立原子子、分子子和分子子团的新新排列，在在所有尺尺度上（从从原子尺尺寸到宏宏观尺度度）对结结构的控控制，以以及高效效而有竞竞争力地地制造材材料与元元件的演演化过程程制备是指指把各种种原子或或分子结结合起来来制成材材料所采采用的各各种化学学方法和和物理方方法。FFe2OO

19、3+33H2=2Fee+3HH2O加加工可以以同样的的方式使使用，还还可以指指较大尺尺度上的的改变，包包括材料料制造。􀂋在材材料科学学与工程程中，制制备和加加工之间间的区别别变得越越来越模模糊􀂋制备备是新技技术开发发和现有有技术改改进的关关键性要要素􀂋现代代材料制制备技术术是人造造材料的的唯一实实现途径径2）材料料制备与与加工的的主要内内容材料制备备冶金过程程冶金物物理化学学目的:从从原料中中提取出出金属内内容: 火法法冶金炼铁铁、炼铜铜熔盐电冶冶金电解铝铝、镁 湿法法冶金水溶溶液电解解锌熔炼与凝凝固凝固学学理论目的: 1.金金属的精精练提

20、纯纯2. 材料的的“合金化化”3. 晶体体的生长长内容: 1.平平衡凝固固2. 快速凝凝固3. 定向向凝固44. 区区域熔炼炼5. 玻璃的的熔炼66. 熔熔融法提提拉单晶晶粉末烧结结烧结原原理高分子聚聚合聚合反反应目的: 实现小小分子发发生化学学反应，相相互结合合形成高高分子。高高分子聚聚合是人人工合成成三大类类高分子子材料：塑料、橡橡胶、合合成纤维维的基本本过程。内内容: 1 . 本体体聚合22 . 乳液聚聚合3 . 悬悬浮聚合合4 . 溶液液聚合材料加工工与成型加工：材材料的切切削 车、铣铣、刨、磨磨、切、钻钻材料的成成型 铸造造、拉、拔拔、挤、压压、锻材料的改改性 合金金化、热热处理（典

21、型热热处理工工艺淬火火通过快快速冷却却，获得得远离平平衡态的的不稳定定组织，达达到强化化材料的的目的、正火在奥氏氏体状态态下，空空气或保保护气体体冷却获获得珠光光体均匀匀组织，提提高强度度，改善善韧性、回火火淬火或或正火的的材料重重新加热热,可以松松懈淬火火应力和和使组织织向稳态态过度，改改善材料料的延展展性和韧韧性、退火通过缓缓慢冷却却，获得得接近平平衡态的的组织，达达到均匀匀化、消消除内应应力的目目的）材料的联联接 焊接接、粘接接、铆接接、栓接成型：三三大类材材料的成成型技术术在材料料工程中中是内容容最为丰丰富的一一部分。如如果按材材料的流流变特性性来分析析，则材材料的成成型方法法可分为为

22、三种：1.液态态成型金属属的铸造造、溶液液纺丝（研研究内容容：凝固固过程成成型工艺艺流变特特性）22.塑变变成型金属属的压力力加工（A冷加工工 高应应力低形形变量实实现加工工硬化BB热加工工 低应应力大形形变量实实现超塑塑性变形形）3.流变变成型金属属、陶瓷瓷、高分分子成型型（金属属的半固固态成型型 高分分材料的的熔融成成型 陶陶瓷泥料料、浆料料成型 玻璃的的熔融浇浇注）表面工程程表面改性性-改变变材料表表面的性性质1.三束束表面改改性（激光束束组织变变化；电子束束组织变变化；离子束束成分、组组织变化化）2.化学学表面改改性（化化学热处处理）33.表面面淬火（高频淬淬火、火焰淬淬火）从工艺机机

23、理上分分析，表表面改性性同整体体材料的的改性是是相同的的，即：在表面面实现材材料的成成分、组组织与结结构的变变化，达达到改变变材料表表面性能能的目的的。不同同点就是是采用了了特殊的的能量输输入方式式，使能能量作用用效果或或成分变变化仅发发生在表表面。表面防护护1.腐蚀蚀防护（主动防防护合金金化、非晶化化、高纯度度、表面涂涂镀被动动防护表表面涂镀镀、表面改改性、表面钝化、电化学学保护）2.摩擦擦磨损防防护增加抗抗磨损性性􀂋增加加润滑性性材料复合合金属基复复合材料料陶瓷基基复合材材料高分分子复合合材料材复合的的主要目目的就是是依据不不同材料料性能的的优势互互补、协协调作用用的原则

24、则，进行行材料的的设计与与制备。因因此材料料复合的的过程就就是材料料制备、改改性、加加工的统统一过程程。复合材料料的制备备过程融融合了金金属、陶陶瓷、高高分子材材料制备备的基本本原理。目前材料料科学的的发展，复复合的概概念越来来越重要要，出现现了许多多新型的的复合材材料及制制备方法法3）材料料制备与与加工和和其它要要素的关关系制备与加加工提供供结构与与成分产产生使用用性能具具备材料料性质4）材料料制备与与加工的的主要发发展方向向在极端端化的条条件下，完完成制备备与加工工过程，获获得更多多的功能能特性。超纯条件件-单晶高压压条件-人工金金刚石低低温-超导体体超细-纳米材材料电子材料料制备与与加工

25、的的关键技技术􀂾大尺尺寸、高高均匀性性、高完完整性的的晶体生生长技术术􀂾高精精度晶片片加工技技术MOCCVD、MBEE超薄膜膜生长技技术􀂾高纯纯和超高高纯材料料纯制技技术低维材材料的微微细加工工和制备备技术􀂾电子子陶瓷、磁磁性材料料的焙烧烧和成型型技术􀂾材料料的修饰饰或改性性技术性质 是功能能特性和和效用的的描述符符，是材材料对电电、磁、光光、热、机机械载荷荷的反应应。1.力学学性质（强强度、硬硬度、刚刚度、塑塑性、韧韧性）强度：材材料在载载荷作用用下抵抗抗明显的的塑性变变形或破破坏的最最大能力力。塑性：

26、外外力作用用下，材材料发生生不可逆逆的永久久性变形形而不破破坏的能能力硬度：材材料在表表面上的的小体积积内抵抗抗变形或或破裂的的能力。刚度：外外应力作作用下材材料抵抗抗弹性变变形能力力。疲劳强度度：材料料抵抗交交变应力力作用下下断裂破破坏的能能力。蠕变性：固体材材料在保保持应力力不变的的条件下下，应变变随时间间延长而而增加的的现象。韧性：材材料从塑塑性变形形到断裂裂全过程程吸收能能量的能能力2.物理理性质（电电学性质质导电性性、绝缘缘性、介介电性、磁学学性质抗磁性性、顺磁磁性、铁铁磁性、光学学性质光反射射、光折折射、光光学损耗耗、光透透性、热学学性质导热性性、热膨膨胀、热热容、熔熔化）巨磁阻效

27、效应:是指磁磁性材料料的交变变阻抗随随外磁场场显著变变化的效效应。电致发光光：在电电场的作作用下电电子在发发光层内内高速运运动，激激活发光光材料原原子使其其发生能能级跃迁迁而发光光。3.化学学性质（催催化性质质、腐蚀蚀性质）材料的腐腐蚀:材料受受环境介介质的化化学、电电化学作作用而引引起的变变质或破破环现象象，分为为化学腐腐蚀和电电化学腐腐蚀。催化性质质：能够够加速化化学反应应，且在在反应前前后材料料自身不不被消耗耗。2.材料料研究手手段和方方法1） 成分、结结构表征征仪器（如 卢卢瑟福背背散射、射线线衍射、电子探探针）2）材料料性能的的检测仪仪器 如：陶陶瓷高温温疲劳实实验机3）制备备与加工

28、工过程中中使用的的设备（空间条条件：各各类反应应容器、坩坩埚、熔熔炼炉外外力条件件：气压压、液压压、机械械压制、冲冲击力（波波）介质质环境：真空设设备、不不同的气气氛条件件能量供供给：电电力、加加热、辐辐照装置置、激光光发生器器物质输输送：气气、液管管路、机机械进给给装置）4）过程程控制的的探测元元件及装装置过程程控制的的探测元元件和装装置􀂋传感感器是控控制系统统“感知”加工过过程的“器官”。􀂋传感感器从过过程中获获得的信信号主要要包括：声、光光、电、磁磁、热、压压力、流流速、浓浓度，等等。“材料设设计”构想始始于500年代，880年代代后实现现“材料设设计

29、”的条件件渐趋成成熟。表表现在以以下三个个方面：（1）基基础理论论的形成成和发展展量子力力学，统统计力学学，能带带理论，化化学键理理论等理理论科学学的发展展使人们们对材料料的结构构和性质质的关系系有了系系统的了了解；（2）计计算机科科学技术术的发展展，计算机机高速运运算，模模式识别别，数据据库技术术等技术术的发展展，为材材料设计计与过程程仿真的的实施提提供了手手段；（3）制制备与加加工新技技术的涌涌现，各种新新型材料料制备加加工技术术为材料料设计方方案的实实施提供供了条件件，同时时材料智智能加工工又为制制备加工工的优化化开辟了了新方向向2）材料料设计的的内容􀂋成分分结构设设计

30、性质性性能预测测􀂋制备备加工过过程的控控制与优优化（如如 杂化化材料、晶体结结构计算算、相图计计算-预报报新化合合物、超晶格格结构设设计、陶瓷纤纤维增韧韧的设计计方案）材料的智智能加工工优点（实现材材料加工工的自动动化、提高材材料的质质量、提高性性能的重重现性、降低产产品的废废品）2） 材料设计计的计算算机基础础：物理场场的数值值模拟方方法常用用工程数数学的计计算机处处理几种种重要的的数学软软件计算算机过程程控制3） 全过程、全全因素优优化设计计全过程材材料的设设计、制备与与加工、支持与与维护、废弃与与回收全因素性性能指标标、加工性性、环境因因素、失效分分析、成本指指标材料“

31、四四要素” 的典型型案例分分析2）铝合合金材料料1.密度度低、比比强度高高。纯铝铝的密度度为27700kkg/mm3，仅仅为铁的的1/44。2.优良良的物理理、化学学性能。导导电性能能好、磁磁化率低低、耐腐腐蚀等。3.加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形，经热处理后还具有很高的强度铝中加入入合金元元素后，可可提高合合金的强强度，并并保持良良好的加加工性能能。（时效强强化固溶溶强化弥弥散强化化细晶强强化）2） 掺杂钨丝丝的设计计与研制制纯钨丝在在使用时时，会发发生再结结晶过程程，最后后形成等等轴状组组织结构构。材料中有有大量的的均匀分分布的孔孔洞，深深入研究究发现是是钾元素素的富集集区五、结构构

32、材料结构材料料是主要要利用材材料的强强度、韧韧性、弹弹性等力力学性能能，用于于制造在在不同环环境下工工作时承承受载荷荷的各种种结构件件和零部部件的一一类材料料，即机机械结构构材料和和建筑结结构材料料。1.钢铁铁材料1)纯铁铁:工业业纯铁强强度低、硬硬度低、塑塑性好，一一般不用用于结构构材料。2)铸铁铁:碳的的质量分分数大于于2.111%的的铁碳合合金称之之为铸铁铁，通常常还含有有较多的的Si、Mn、S、P等元素素。1.根据据石墨化化程度的的不同，铸铸铁的类类型和组组织也不不同。白口铸铁铁：完全全按照FFe-FFe3CC 相图图进行结结晶而得得到的铸铸铁。其其中碳全全部以渗渗碳体(Fe33C)形

33、形式存在在，断口口呈银白白色。灰口铸铁铁：其中中碳主要要以片状状石墨形形状存在在，断口口为暗灰灰色，常常见的铸铸铁件多多数是灰灰口铸铁铁。可锻铸铁铁：由一一定成分分的白口口铸铁经经石墨化化退火处处理而获获得，其其中碳大大部分或或全部以以团状石石墨形式式存在，由由于具有有较灰口口铸铁高高得多的的塑性和和韧性，习习惯上称称为可锻锻铸铁，实实际上并并不可锻锻。球墨铸铁铁：铁水水在浇注注前经球球化处理理，其中中碳大部部分或全全部以球球状石墨墨形式存存在，机械械性能高高，生产产工艺比比可锻铸铸铁简单单，近年年来日益益得到广广泛的应应用。蠕墨铸铁铁：碳以以蠕虫状状石墨形形式存在在，介于于片状和和球状石石墨

34、之间间此外，为为了满足足一些特特殊要求求，向铸铸铁中加加入一些些合金元元素，如如Cr、Cu、Al、B等，可可得到耐耐蚀、耐热热及耐磨磨等特性性的合金金铸铁。2.石墨墨对铸铁铁的作用用：切削削加工性性能优，铸铸造性能能良好，良良好的减减振性，具具有耐磨磨性，对对缺口不不敏感。3)碳钢钢1. 按碳的质质量百分分数分类类低碳钢,中碳钢钢,高碳碳钢,铸铸铁(含含碳量越越高，硬硬度、强强度越高高，但塑塑性降低低。)2. 按钢的质质量分类类(主要是是杂质硫硫、磷的的含量)普通碳素素钢，优优质碳素素钢，高高级优质质碳素钢钢3. 按用途分分类碳素结构构钢（主主要用于于桥梁、船船舶、建建筑构件件、机器器零件等等

35、），碳碳素工具具钢（主主要用于于刀具、模模具、量量具等）4.碳钢钢的常规规热处理理1）退火火：将钢钢加热到到适当温温度，保保温一定定时间，然然后缓慢慢冷却（随随炉冷却却），以以获得接接近于平平衡状态态组织的的热处理理工艺。2）正火火：将钢钢件加热热到ACC3和Acmm以上30050度，保保持适当当时间后后，在空空气中冷冷却，得得到珠光光体类组组织的热热处理工工艺。3）淬火火：将钢钢件加热热到奥氏氏体化后后，快速速冷却，使使组织转转变为马马氏体的的热处理理工艺。所所得的马马氏体的的形态与与钢的成成分、原原始奥氏氏体晶粒粒的大小小以及形形成条件件有密切切关系。奥奥氏体晶晶粒越小小，马氏氏体越细细。

36、4）回火火：淬火火或正火火的材料料重新加加热,可以松松懈淬火火应力和和使组织织向稳态态过度，改改善材料料的延展展性和韧韧性。4）合金金钢1.按所所含合金金元素的的多少分分低合金钢钢（总质质量分数数低于55），中中合金钢钢（总质质量分数数5100），高高合金（总总质量分分数高于于10）2. 按主要合合金元素素种类分分铬钢 锰锰钢 铬铬镍钢 硅锰钢钢 3. 按用途分分结构钢，工工具钢，特特殊性能能钢4.合金金元素与与铁的作作用合金元素素加入钢钢中，首首先溶于于铁形成成固溶体体，超过过溶解度度极限时时与碳形形成化合合物。合合金元素素溶与铁铁，形成成合金铁铁素体或或合金奥奥氏体。合合金元素素溶于铁铁素

37、体会会使钢的的室温强强度提高高，这种种作用称称为固溶溶强化。5.合金金元素与与碳的作作用对于与碳碳的亲和和力较弱弱的合金金元素，不不与碳发发生作用用，只溶溶于铁素素体或奥奥氏体中中；对于于与碳的的亲和力力较强的的合金元元素，当当质量分分数较低低时，与与铁形成成合金渗渗碳体，当当质量分分数较高高时，形形成合金金碳化物物。6.不锈锈钢：能能在大气气和一般般腐蚀性性介质中中具有很很高耐蚀蚀性的钢钢种。主主要用来来制造在在各种腐腐蚀性介介质中工工作并具具有较高高抗腐蚀蚀能力的的零件或或结构件件。广泛泛用于石石油、化化工、原原子能、海海洋开发发、国防防和一些些先端科科学技术术领域。不锈钢中中合金元元素的

38、作作用（1）耐耐腐蚀性性要求越越高，碳碳的质量量分数应应越低；（2）加加入主要要的合金金元素CCr。Cr能提提高基体体的电极极电位。在在氧化性性介质中中极易钝钝化，形形成致密密的氧化化膜，提提高耐腐腐蚀性；（3）加加入合金金元素NNi。可可获得单单项的奥奥氏体组组织，显显著提高高耐腐蚀蚀性并改改善钢的的塑性，通通过热处处理还可可以改善善钢的强强度；（4）加加入合金金元素MMo、Cu等：提高钢钢在非氧氧化性酸酸中的耐耐腐蚀能能力。（5）加加入合金金元素TTi、Nb等：能优先先同C形成稳稳定的碳碳化物，使使Cr保留留在基体体中，避避免晶界界贫Crr，提高高钢的耐耐腐蚀性性。（6）加加入合金金元素M

39、Mn、N等：部部分替代代Ni以获获得奥氏氏体组织织，并能能提高铬铬不锈钢钢在有机机酸中的的耐腐蚀蚀性。2.有色色金属材材料1）铝及及铝合金金1.铝及及铝合金金特点:（1）密密度低、比比强度高高。纯铝铝的密度度为27700kkg/mm3，约约为铁的的1/33。（2）优优良的物物理、化化学性能能。导电电性能好好、磁化化率低、耐耐腐蚀等等。（3）加加工性能能好。铸铸造性能能好、易易于塑性性变形，经经热处理理后还具具有很高高的强度度。2.合金金元素的的作用铝中加入入合金元元素后，可可提高合合金的强强度，并并保持良良好的加加工性能能。2） 铜及铜合合金1.铜及及铜合金金特点（1）导导电、导导热性能能好、

40、耐耐腐蚀等等，是抗抗磁材料料。（2）加加工性能能好。容容易冷热热成形，铸铸造铜合合金铸造造性能好好。（3）具具有某些些特殊力力学性能能。比如如优良的的减摩性性和耐摩摩性高的的弹性极极限和疲疲劳强度度。（4）色色泽美观观。2.铜合合金铜中中加入合合金元素素后，可可提高合合金的强强度，并并保持良良好的加加工性能能。黄铜;以以Zn为主主要合金金元素。良良好的加加工性能能，优良良的铸造造性能，耐耐腐蚀性性能也好好。青铜;以以Sn为主主要合金金元素。用用于铸造造形状复复杂的零零件。抗抗腐蚀性性比黄铜铜还好。白铜;以以Ni为主主要合金金元素。具具有较好好的强度度和塑性性，能进进行冷加加工变形形，抗腐腐蚀性

41、能能也好。白白铜线是是国际上上应用比比较广泛泛的一种种耐蚀性性材料和和装饰结结构材料料，在仪仪器仪表表、机电电、化工工、卫生生和日用用五金等等工业部部门用于于制作耐耐蚀、弹弹性元件件、医疗疗器械和和日用装装饰品等等。铜铍合金金：属时时效析出出强化的的铜基合合金，经经淬火时时效处理理后具有有高的强强度、硬硬度、弹性性极限，并并且稳定定性好，具具有耐蚀蚀、耐磨磨、耐疲疲劳、耐耐低温、无无磁性、导导电导热热性好等等一系列列优点。3）钛及及钛合金金1.型型：钛中中加铝、硼硼等稳定元元素获得得Ti合金金。室温强度度较低，但但高温强强度很高高。抗氧氧化性、抗抗蠕变性性以及焊焊接性能能良好。2.型型：钛中中

42、加入钼钼、铬、钒钒等元素素后可获获得Ti合金金。强度高，冲冲压性能能好，并并可通过过淬火和和时效热热处理获获得强化化。3.+型塑性好，容容易锻造造、压延延和冲压压，并可可通过固固溶和时时效进行行强化。热热处理后后的强度度可提高高50-1000。4）镁及及镁合金金镁及镁合合金特点点（1）比比重小：铝的22/3，铁铁的1/4（2）比比强度高高:比铝合合金高550MPPa，碳碳钢的22倍（3）减减震性好好：阻尼尼性优于于铸铁（4）抗抗冲击：优于铝铝合金和和软钢（5）切切削性好好：切削削力为铝铝和软钢钢的1/2（6）电电磁屏蔽蔽优良:可屏蔽蔽频率范范围较广广（7）易易再生利利用：可可节约资资源、保保护

43、环境境3.陶瓷瓷材料1）陶瓷瓷的物质质结构1.陶瓷瓷材料的的相组成成晶体体相、玻玻璃相、气气相（气气孔）（1）晶晶体相是是陶瓷材材料最主主要的组组成相，主主要是某某些固溶溶体或化化合物，其其结构、形形态、数数量及分分布决定定了陶瓷瓷材料的的特性和和应用。晶晶体相又又分为主主晶相、次次晶相和和第三相相。陶瓷瓷中晶体体相主要要有含氧氧酸盐（硅硅酸盐、钛钛酸盐等等）、氧氧化物（MgO，Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。（2）玻玻璃相的的作用是是将分散散的晶体体相粘结结起来，填填充晶体体之间的的空隙，提提高材料料的致密密度；降降低烧成成温度，加加快烧结结过程；阻止晶晶体转变变、抑止止晶粒

44、长长大。玻玻璃相是是陶瓷材材料中原原子不规规则排列列的组成成部分，其其结构类类似于玻玻璃。玻玻璃相对对陶瓷强强度、介介电常玻玻璃相 数、耐耐热性能能是不利利的。（3）气气相（气气孔）陶陶瓷中气气孔主要要是坯体体各成分分在加热热过程中中单独或或互相发发生物理理、化学学作用所所生成的的空隙。这这些空隙隙可由玻玻璃相来来填充，还还有少部部分残留留下来形形成气孔孔。气孔孔对陶瓷瓷的性能能是不利利的。它它降低材材料的强强度，是是造成裂裂纹的根根源。2.陶瓷瓷材料的的结合键键陶瓷材料料的组成成相的结结合键为为离子键键（MggO、Al22O3）、共共价键（金金刚石、Si3N4）以及离子键与共价键的混合键。（

45、1）以以离子键键结合的的晶体称称为离子子晶体。离离子晶体体在陶瓷瓷材料中中占有很很重要的的地位。它它具有强强度高、硬硬度高、熔熔点高等等特点。但但这样的的晶体脆脆性大，无无延展性性，热膨膨胀系数数小，固固态时绝绝缘，但但熔融态态可导电电等特点点。金属属氧化物物晶体主主要以离离子键结结合，一一般为透透明体。（2）以以共价键键结合的的晶体称称为共价价晶体。共共价晶体体具有方方向性和和饱和性性，因而而共价键键晶体的的原子堆堆积密度度较低。共共价键晶晶体具有有强度高高、硬度度高、熔熔点高、结结构稳定定等特点点。但它它脆性大大，无延延展性，热热膨胀系系数小，固固态、熔熔融态时时都绝缘缘。最硬硬的金刚刚石

46、、SSiC、Si33N4、BN等材材料都属属于共价价晶体。2）陶瓷瓷的性能能特点1.力学学性能（1）硬硬度：陶陶瓷的硬硬度很高高，多为为10000Hvv15000Hvv（普通通淬火钢钢的硬度度50008000Hv）。陶陶瓷硬度度高的原原因是离离子晶体体中离子子堆积密密度大、以以及共价价晶体中中电子云云的重叠叠程度高高引起的的。（2）刚刚度：陶陶瓷的刚刚度很高高。刚度度是由弹弹性模量量衡量的的，而弹弹性模量量又反映映其化学学键的键键能。离离子键和和共价键键的键能能都要高高于金属属键，因因此陶瓷瓷材料的的弹性模模量要高高于金属属材料。（3）强强度：陶陶瓷材料料的强度度取决于于键的结结合力，理理论强

47、度度很高。但但陶瓷中中由于组组织的不不均匀性性，内部部杂质和和各种缺缺陷的存存在，使使得陶瓷瓷材料的的实际强强度要比比理论强强度低1100多多倍。陶陶瓷材料料的强度度也受晶晶粒大小小的影响响。晶粒粒越细，强强度越高高。此外外，陶瓷瓷材料一一般具有有优于金金属材料料的高温温强度，高高温抗蠕蠕变能力力，且有有很高的的抗氧化化性。常常用于高高温材料料。（4）塑塑性与韧韧性：陶陶瓷材料料的塑性性和韧性性较低，这这是陶瓷瓷材料最最大的弱弱点。陶陶瓷材料料受到载载荷时在在不发生生塑性变变形的情情况下，就就发生断断裂。断断裂是裂裂纹形成成和扩展展的过程程。陶瓷瓷内部和和表面所所产生的的微裂纹纹，由于于裂纹尖尖端的应应力集中中，内部部裂纹在在受到外外应力时时扩展很很快，这这是导致致陶瓷材材料断裂裂的根本本原因。2.热学学性能（1）热热容：陶陶瓷材料料在低温温下热容容小，在在高温下下热容增增大。（2）熔熔点：陶陶瓷材料料由离子子键和共共价键结结合，因因此具有有较高的的熔点。（3）热热膨胀：陶瓷材材料的热热膨胀系系数小，这这是由晶晶体结构构和化学学键决定定的。一一般为1105106/KK。3.电学学性能陶瓷材料料是良好好的绝缘缘体。可可用于隔隔电的绝绝缘材料料；陶瓷瓷还具有有介电特特性，可可作为电电器的介介