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1、材料是有用的物质。一般将人们去开掘的对象称为材料是有用的物质。一般将人们去开掘的对象称为“原料原料”，将经过加工后的原料称为将经过加工后的原料称为“材料材料”。二二.材料的重要性材料的重要性 1。材料是人类赖以生存和发展，折服及改造自然的物质基材料是人类赖以生存和发展，折服及改造自然的物质基 础。础。2。材料是社会生产力发展的标记。材料是社会生产力发展的标记 远古时代：远古时代：石头，兽骨，木材石头，兽骨，木材 原始社会：原始社会：火烧陶器火烧陶器 一一.什么是材料什么是材料第一节第一节 材料及材料的重要性材料及材料的重要性 商商商商.周：周：周：周：冶金术，青铜冶金术，青铜冶金术，青铜冶金术
2、，青铜 春秋战国：春秋战国：春秋战国：春秋战国：铁器、铜器铁器、铜器铁器、铜器铁器、铜器(越王勾践剑）越王勾践剑）越王勾践剑）越王勾践剑）18 18世纪：世纪：世纪：世纪：钢、铁钢、铁钢、铁钢、铁 20 20世纪世纪世纪世纪5050年头：年头：年头：年头：高分子材料，先进陶瓷高分子材料，先进陶瓷高分子材料，先进陶瓷高分子材料，先进陶瓷 60 60年头：年头：年头：年头：半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料 80 80年头：年头：年头：年头：液晶，光纤液晶，光纤液晶，光纤液晶，光纤 90 90年头：年头：年头：年头：纳米材料（小尺寸效应，纳米材料（小尺寸效应，纳米材料（小尺寸效应，纳米材料（
3、小尺寸效应，表面效应，表面效应，表面效应，表面效应，量子尺寸效应）量子尺寸效应）量子尺寸效应）量子尺寸效应）3.3.一个国家的实力主要取决于它的能源、材料、信息的发展一个国家的实力主要取决于它的能源、材料、信息的发展一个国家的实力主要取决于它的能源、材料、信息的发展一个国家的实力主要取决于它的能源、材料、信息的发展水平，如隐身飞机，大规模集成电路。水平，如隐身飞机，大规模集成电路。水平，如隐身飞机，大规模集成电路。水平，如隐身飞机，大规模集成电路。越王勾践剑越王勾践剑2400年前主要的成份：主要的成份：青铜（铜青铜（铜-锡合金），还含有少量的铅、铁、镍和硫等，锡合金），还含有少量的铅、铁、镍和
4、硫等，剑身的黑色菱形花纹是经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同现剑身的黑色菱形花纹是经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同现在精密磨床生产的产品相媲美在精密磨床生产的产品相媲美 吴王夫差矛吴王夫差矛其次节其次节 材料分类材料分类 按材料用途分按材料用途分按材料用途分按材料用途分1.1.工程材料：主要利用其工程材料：主要利用其工程材料：主要利用其工程材料：主要利用其力学性能力学性能力学性能力学性能，制造，制造，制造，制造结构件结构件结构件结构件的一类材料。的一类材料。的一类材料。的一类材料。主要有主要有主要有主要有：建筑材料、结构材料：建筑材料、结构材料：建筑材料、结构材料：建筑材料、结构材料 力
5、学性能力学性能力学性能力学性能：强度、塑性、硬度：强度、塑性、硬度：强度、塑性、硬度：强度、塑性、硬度2.2.功能材料：主要利用其功能材料：主要利用其功能材料：主要利用其功能材料：主要利用其物理、化学物理、化学物理、化学物理、化学性能制造器件的一类性能制造器件的一类性能制造器件的一类性能制造器件的一类 材料材料材料材料.主要有主要有主要有主要有：半导体材料：半导体材料：半导体材料：半导体材料 （SiSi）磁性材料磁性材料磁性材料磁性材料 压电材料压电材料压电材料压电材料 光电材料光电材料光电材料光电材料 超导材料超导材料超导材料超导材料二、按材料成分分二、按材料成分分二、按材料成分分二、按材料
6、成分分 金属材料金属材料金属材料金属材料 高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料 陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料 复合材料复合材料复合材料复合材料 1 1。金属材料：金属材料：金属材料：金属材料：纯金属和合金纯金属和合金纯金属和合金纯金属和合金 纯金属纯金属纯金属纯金属：在元素周期表中带在元素周期表中带在元素周期表中带在元素周期表中带“金金金金”旁的元素都是金属旁的元素都是金属旁的元素都是金属旁的元素都是金属 合合合合 金金金金：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有 一
7、种是金属元素，组成具有一种是金属元素，组成具有一种是金属元素，组成具有一种是金属元素，组成具有金属性金属性金属性金属性的材料的材料的材料的材料：金属性：金属性：金属性：金属性：导电性（自由电子）导电性（自由电子）导电性（自由电子）导电性（自由电子）金属材料有两大类金属材料有两大类金属材料有两大类金属材料有两大类：钢、铁（黑色金属）：钢、铁（黑色金属）：钢、铁（黑色金属）：钢、铁（黑色金属）非铁金属材料（有色金属非铁金属材料（有色金属非铁金属材料（有色金属非铁金属材料（有色金属）非铁金属材料：非铁金属材料：轻金属（轻金属（NiNi以前）以前）重金属（重金属（NiNi以后）以后）贵金属（贵金属（A
8、gAg，AuAu，PtPt，PdPd）稀有金属（稀有金属（ZrZr，NbNb，TaTa）放射性金属（放射性金属（RaRa，U U）2 2、高分子材料：高分子材料：由低分子化合物依靠分子键聚合而成的有机聚合物由低分子化合物依靠分子键聚合而成的有机聚合物 主要组成：主要组成：C C，H H，OO，N N，S S，ClCl，F F，SiSi 三大类：三大类：塑料（低分子量）：塑料（低分子量）：聚丙稀聚丙稀 树脂（中等分子量）：酚醛树脂，环氧树脂树脂（中等分子量）：酚醛树脂，环氧树脂 橡胶（高分子量）：橡胶（高分子量）：自然橡胶，合成橡胶自然橡胶，合成橡胶3 3.陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料：由一
9、种或多种金属或非金属的由一种或多种金属或非金属的由一种或多种金属或非金属的由一种或多种金属或非金属的氧化物氧化物氧化物氧化物，碳化物碳化物碳化物碳化物，氮化物氮化物氮化物氮化物，硅化物硅化物硅化物硅化物及及及及硅酸盐硅酸盐硅酸盐硅酸盐组成的无机非金属材料。组成的无机非金属材料。组成的无机非金属材料。组成的无机非金属材料。陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷：结构陶瓷：结构陶瓷：结构陶瓷：结构陶瓷 Al Al2 2OO3 3，Si Si3 3NN4 4，SiCSiC等等等等 功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷 铁电铁电铁电铁电 压电压电压电压电4.4.复合材料复合材料复合材料复合材料：由两种或两种以上由两种或两种以上
10、由两种或两种以上由两种或两种以上性质不同性质不同性质不同性质不同的材料组合起来的一种固体材料。的材料组合起来的一种固体材料。的材料组合起来的一种固体材料。的材料组合起来的一种固体材料。如：如：如：如：金属金属金属金属C C纤维、树脂纤维、树脂纤维、树脂纤维、树脂C C纤维、纤维、纤维、纤维、金属陶瓷金属陶瓷金属陶瓷金属陶瓷 特点特点特点特点：密度小、强度高、耐磨损，耐腐蚀：密度小、强度高、耐磨损，耐腐蚀：密度小、强度高、耐磨损，耐腐蚀：密度小、强度高、耐磨损，耐腐蚀 应用应用应用应用：航空航天、化工、机械等领域：航空航天、化工、机械等领域：航空航天、化工、机械等领域：航空航天、化工、机械等领域
11、树脂树脂C纤维纤维第三节第三节 材料的性能材料的性能 材料的性能主要包含以下几个方面：材料的性能主要包含以下几个方面：1.1.力学性能力学性能2.物理性能物理性能3.化学性能化学性能4.工艺性能工艺性能材料的性能：材料的性能：力学性能力学性能力学性能力学性能 材料在外力或能量以及环境因素（温度、材料在外力或能量以及环境因素（温度、材料在外力或能量以及环境因素（温度、材料在外力或能量以及环境因素（温度、介质）作用下表现出抗拒变形或破坏的介质）作用下表现出抗拒变形或破坏的介质）作用下表现出抗拒变形或破坏的介质）作用下表现出抗拒变形或破坏的 实力。实力。实力。实力。材料的主要力学性能有材料的主要力学
12、性能有：弹性弹性 强度强度 塑性塑性 硬度硬度 韧性韧性 疲惫特性疲惫特性 耐磨性耐磨性下面以拉伸试验为例说明材料的力学性能下面以拉伸试验为例说明材料的力学性能下面以拉伸试验为例说明材料的力学性能下面以拉伸试验为例说明材料的力学性能过程：过程：外力增加，试样伸长。得到外力增加，试样伸长。得到F F L L曲线，换算为曲线，换算为 曲线。材料表现为弹性变形、匀整塑性变形、颈缩、断裂。曲线。材料表现为弹性变形、匀整塑性变形、颈缩、断裂。应力：应力：F/S,应变：应变：=L/LL/L0 01.弹性与刚度弹性与刚度弹性变形：弹性变形：弹性模量：弹性模量：线性部分斜率线性部分斜率 E Ee/e 材料变形
13、曲线中的材料变形曲线中的线性部分线性部分（OA）。线性部分的应变）。线性部分的应变弹弹性大小，即弹性极限。性大小，即弹性极限。弹弹性性模模量量（刚刚度度）表表示示材材料料反反抗抗弹弹性性变变形形实实力力，是是材材料料的的刚刚度度指指标标。这这是是材材料料的的固固有有特特性性，反反映映了材料内部原子结合键的强弱。了材料内部原子结合键的强弱。2.强度与塑性强度与塑性屈服强度：屈服强度：s 0.2s 0.2在在BCBC段，段，不变，但不变，但持续持续增加。发生匀整塑性变形的增加。发生匀整塑性变形的起先应力，即起先应力，即B B点时对应的点时对应的应力应力 ，称为屈服强度。称为屈服强度。屈服强度反映了
14、材料反抗塑屈服强度反映了材料反抗塑性变形的实力，但事实上很性变形的实力，但事实上很多材料没有明显的屈服。此多材料没有明显的屈服。此时，将残余形变量为时，将残余形变量为0.20.2处的应力定义为屈服强度。处的应力定义为屈服强度。记为：记为：0.2=s 0.2=s 塑性变形：塑性变形：当当超超过过AA点后，点后，试样试样除除发发生生弹弹性性变变形外，形外，还发还发生塑性生塑性变变形，当形，当外力卸外力卸载载后，材料仍保持部分残后，材料仍保持部分残余余变变形形塑性塑性变变形形。强度与塑性强度与塑性抗拉强度：抗拉强度：b b 塑性：断裂前可发生永久变塑性：断裂前可发生永久变形的实力。塑性大小用断形的实
15、力。塑性大小用断裂时的伸长率（裂时的伸长率（）和断）和断面收缩率（面收缩率（）来表示。）来表示。材料屈服后，材料屈服后，随随增加而增加。增加而增加。这这一一现现象称象称为为加工硬化加工硬化。到达的最大。到达的最大应应力点力点 D D。此。此处处对应对应的的应应力的力的抗拉抗拉强强度度，记为记为b b。抗拉抗拉强强度反度反应应材料在破断之材料在破断之前前所承受的最大所承受的最大应应力力。材料材料发生断裂发生断裂前能承受的最大应力。前能承受的最大应力。硬硬 度度硬度硬度 是衡量材料软硬程度的指标，反映材料反抗局部是衡量材料软硬程度的指标，反映材料反抗局部塑性变形的实力。塑性变形的实力。布氏硬度布氏
16、硬度洛氏强度洛氏强度维氏强度维氏强度莫氏硬度莫氏硬度依据测量方法不同分：依据测量方法不同分：布氏硬度布氏硬度 用直径用直径D D钢球在力钢球在力P P的作的作用下压在试样上确定时间用下压在试样上确定时间,压压痕直径为痕直径为d d。好用于较软的塑。好用于较软的塑性材料。性材料。硬度符号：硬度符号：HBHB洛氏强度洛氏强度：用用120120圆锥圆锥金刚石金刚石压头，以一定的压头，以一定的压力压力P P压入材料，以压入材料表面的深度压入材料，以压入材料表面的深度来度量材料的硬度。用于硬度较高的材来度量材料的硬度。用于硬度较高的材料。料。硬度符号：硬度符号：HRCHRC 用面夹角用面夹角136136
17、四棱锥金刚石压头，在四棱锥金刚石压头，在力力P P作用下压入材料，用压痕单位面积上作用下压入材料，用压痕单位面积上承受的力作为材料硬度的度量。力的大承受的力作为材料硬度的度量。力的大小从小从980N980N、490N490N、297N297N到到0.192N0.192N不等。不等。压痕小用显微镜来视察，用于测量表层压痕小用显微镜来视察，用于测量表层或微区。或微区。硬度符号：硬度符号：HVHV维氏强度：维氏强度：冲击韧性冲击韧性冲击韧性是材料在冲击载荷作用下反抗变形和断裂的实力。冲击韧性是材料在冲击载荷作用下反抗变形和断裂的实力。用用akak表示。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。表示。冲
18、击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。ak=mg(H2-H1)/sak=mg(H2-H1)/s试样尺寸试样尺寸试验方法试验方法疲惫强度疲惫强度 零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下，零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下，而发生的断裂现象称为疲惫断裂。疲惫断裂是损伤的而发生的断裂现象称为疲惫断裂。疲惫断裂是损伤的积累过程，包括疲惫裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三积累过程，包括疲惫裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三各阶段。应力大小和循环次数有关。各阶段。应力大小和循环次数有关。疲惫极限，疲惫极限，是指材料在无限是指材料在无限次次(107)(107)交变应力作用下交变应力作用下而不断裂的最大应力，即而
19、不断裂的最大应力，即 N N曲线起先趋于水平处对曲线起先趋于水平处对应的应力。应的应力。疲惫曲线：测量在不同的交变疲惫曲线：测量在不同的交变应力作用下，材料发生断应力作用下，材料发生断裂的循环次数，即得疲惫裂的循环次数，即得疲惫曲线，记为：曲线，记为：N N曲线。曲线。愈小，愈小，N N愈大愈大物理性能物理性能材料的物理性能：是指材料的具有各种物理量材料的物理性能：是指材料的具有各种物理量(热、电、光、热、电、光、磁等磁等)以及环境变更时他们的变更程度。以及环境变更时他们的变更程度。密度与比容密度与比容导热性导热性 热膨胀系数热膨胀系数单位体积物质的质量单位体积物质的质量 Kg/M3单位质量的
20、物质所占的体积单位质量的物质所占的体积 M3/Kg物体内温度梯度为物体内温度梯度为1/M1/M时，在单位时间、单位时，在单位时间、单位面积内传递的热量面积内传递的热量 W/(M2.K)温度上升温度上升11时，单位长度的伸长量时，单位长度的伸长量 mm/(.mm)或或-1 物理性能物理性能电阻与电导电阻与电导电阻温度系数电阻温度系数熔点熔点 磁导率磁导率物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。合力。电阻率电阻率 为单位长度和单位截面积导体的电阻。为单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是单位是M，其倒数称为电导率，其倒数称为电导率温度上升温
21、度上升11时，电阻率时，电阻率 的变更系数，的变更系数，单位单位-1-1 电子导电的特点是温度上升，电阻率上升；电子导电的特点是温度上升，电阻率上升；离子导电是热激活过程，温度上升，电阻率下降。离子导电是热激活过程，温度上升，电阻率下降。磁通密度随磁场强度的变更率，也是仅与材料性质磁通密度随磁场强度的变更率，也是仅与材料性质有关的固有物理量，是铁合金、铁氧体的有关的固有物理量，是铁合金、铁氧体的 特有性能。特有性能。化学性能化学性能材料的化学性能材料的化学性能反映材料与各种化学试剂反映材料与各种化学试剂发生化学反应发生化学反应的可的可能性和反应速度大小的相关参数。能性和反应速度大小的相关参数。
22、工程材料主要考虑其工程材料主要考虑其耐腐蚀性耐腐蚀性。材料由于四周环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称材料由于四周环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为为 腐蚀。发生腐蚀的化学过程有：腐蚀。发生腐蚀的化学过程有：化学腐蚀化学腐蚀(氧化氧化)、电化学腐蚀电化学腐蚀 应力腐蚀应力腐蚀工艺性能工艺性能材料的工艺性能：材料的工艺性能：主要反映材料生产或零部件加工过程的可主要反映材料生产或零部件加工过程的可 能性或难易程度。能性或难易程度。1.材料可生产性材料可生产性：材料是否易获得或易制备。：材料是否易获得或易制备。2.铸造性：将材料加热得到熔体，注入较困难的型腔后冷却铸造性：将材料加热得到熔体，注入较困
23、难的型腔后冷却 凝固，获得零件的实力。凝固，获得零件的实力。3.锻造性锻造性：材料进行压力加工：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、锻造、压延、轧制、拉拔、挤挤 压等压等)的可能性或难易程度的度量。的可能性或难易程度的度量。4.焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起实力。焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起实力。第四节第四节 课程内容与考试课程内容与考试课程内容课程内容课程内容课程内容(1)(1)晶体结构晶体结构，(2)结晶和相图结晶和相图,(3),(3)材料的形变材料的形变,(4)FeC合合金金,(5)热处理热处理;(6)合金钢合金钢;(7)有色金属材料（有色金属材料（Al，Cu，Ti合金）合金）;(8)陶瓷材料陶瓷材料;(9)高分子材料高分子材料;(10)选材设计选材设计目的目的1.了解现有工程材料的结构和性能了解现有工程材料的结构和性能2.了解现有材料的新工艺、新用途了解现有材料的新工艺、新用途3.培育创建新材料的思路培育创建新材料的思路考试：考试：课堂（课堂（6），作业（），作业（10），试验（），试验（4），笔试（），笔试（80）