材料力学 第0章 材料的绪论

工程材料

EngineeringMaterials

朱张校主编，工程材料，高等教育出版社，2006

材料课程的性质和任务课程性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课课程任务：

⑴

了解工程材料的一般知识；

⑵建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系：①化学成分(成分)：组成材料各元素在材料中的组织结构和浓度。②组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属内部的情景。习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组织或宏观组织。放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织.在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组织。钢的宏观组织、显微组织和电镜组织钢锭的宏观组织显微组织电镜组织③结构：材料中各原子的具体组合状态.一般通过X-射线衍射或透射电镜研究.Al的高分辨透射电镜象

绪论

“组织结构”⑶了解常用材料的用途和加工工艺。⑷初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。课程特点：基本概念多，与实际联系紧密,是一门应用科学。在Au-Pa薄膜上用AFM探针的纳米雕刻（北大）课程的主要目的获得有关材料与材料科学方面的基本理论知识；掌握控制工程材料性能的途径、基本原理与方法；熟悉常用机械工程材料的性能特点：使学生具有合理选用机械工程材料并妥善安排其加工工艺路线的初步能力。

绪论

贯穿全课程的“纲”

绪论

第0章绪论主要内容0.2工程材料的分类0.1中华民族对材料发展的贡献绪论

内容提要

本章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。

材料与人类文明材料结合键与分类学习目标

本章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

结合课程内容，浏览相关网站，对工程材料的应用有所了解。

材料与人类文明是怎样的关系？材料应用的发展是人类发展的里程碑材料是发展高科技的先导和基石什么是材料？材料是人类作来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，为人类生活和生产的物质基础。绪论

1.1、材料与人类文明人类的文明进程是依据什么而划分的？一、材料应用的发展是人类发展的里程碑：人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：石器时代→陶器→青铜器→铁器→钢铁（资本主义大工业时期）→合成材料（20世纪）→复合材料（20世纪40年代）……——发展得越来越快。绪论

400,000BC——4,500BC

石器时代（StoneAge）燧石：神奇的石头绪论

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火燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。陶器陶器的出現是人類跨入新石器時代的重要標誌之一，據目前已知的考古資料，中國的陶器製作至少已有8000年以上的歷史。早在新石器时代(公元前6000-5000年)，中华民族的先人们用粘土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。西安半坡人面网纹陶盆战国陶制四通水管绪论

华夏文明的独特贡献瓷器則是中國先民的偉大發明，要比國外出現早1500年以上，它是中華民族的寶貴歷史遺產之一.世界四大文明古國對於掌握製陶技術與生產陶器都是獨立發明的，發展時間上也相差不遠。從原始瓷器到成熟瓷器的提高幾乎經歷了1500年之久，至遲在東漢晚期，中國已能燒製出成熟的青瓷，完成了由原始瓷器向標準瓷器的過渡。這件江蘇南京出土的吳國青瓷羊是成熟青瓷的代表作。绪论

4,500BC——1,000BC

青铜时代（BronzeAge）从矿石中提炼铜——冶金业的黎明这张埃及古墓壁画是

人类冶金业的最早纪录之一绪论

青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。保守的估计，这一时期主要从夏商周直至秦汉，时间跨度约为两千年左右，这也是青铜器从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。到春秋戰國時期，齊國工匠總結科技經驗寫成的《考工記》一書中，提出了「金有六齊」，這是世界科技史上最早的冶銅經驗總結。青铜：第一种合金夏钺戈绪论

越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图三星堆立人像铸于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上最大的青铜立人像，被尊称为“世界铜像之王”。突目面具铸于商代晚期，原件高64.5厘米，宽138厘米，眼球柱状外突长达13.5厘米，其造型在世界上亦属首见。绪论

备注司母戊鼎司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133厘米，重875公斤。為已知的中國古代體量最大的青銅器。銅禁，中國已知最早應用失蜡法铸造的作品，春秋時代的楚國王子午墓出土的，年代為公元前6世紀。绪论

1450BC——铁制车轮

1000BC——

铁器时代（IronAge）绪论

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。1500AD——廉价的冶铁业

1000BC——铁器时代（IronAge）绪论

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。黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)

1000BC——铁器时代（IronAge）绪论

●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。铁人

材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。

材料的发展与人类社会简图想一想：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？当代材料1855AD—HenryBessemer(1813-1898，Britishinventor)拥有钢铁冶炼的专利—当代钢铁冶炼的出现。当代材料1855AD——HenryBessemer(1813-1898)拥有钢铁冶炼的专利——当代钢铁冶炼的出现。

1886AD——电化学方法冶炼铝-使铝成为一种常用金属。1939AD——尼龙的发明与商业发展，合成高分子材料发展的关键时期。绪论

鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由49年的15.8万吨上升到现在的一亿吨。

中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。中国的航天事业-“神舟”号飞船“神舟二号”飞船运往发射工位“神舟”一号飞船

“神舟”一号发射成功“神舟”二号发射成功中国的航天事业-“神舟”号飞船“神舟”三号发射成功“神舟”四号发射成功“神舟”三号飞船

“神舟”四号飞船

中国的航天事业-“神舟”五号载人飞船杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱1.3.3我国机械制造业面临的机遇和挑战神州6号1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。灰铸铁的显微组织光学显微镜Pb-Sn共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。

Si表面的重构图象X-射线衍射仪1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）.

透射电子显微镜

扫描电子显微镜

光镜下电镜下1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。金属钛中的位错二、材料与人类现代文明支撑人类现代文明大厦的四大支柱技术：材料科学与技术生物科学与技术能源科学与技术信息科学与技术

绪论

－－材料是发展高科技的先导和基石其中材料是基础！材料－技术大厦的砖石材料是所有科技进步的核心建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破。没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦；没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞机旅行的今天；没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船；没有固体微电子电路，就没有计算机。建筑交通没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术.

龙芯没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。

在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。

前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料.可见，高技术需要先进材料的支持.前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭新的石器时代即至今日，当由硅石（SiO2）提纯的单晶硅在信息技术（IT）应用中占绝对主导地位，到发现大有前途的高温超导材料竞然也是陶瓷材料时，材料科学家们不免惊呼：新的石器时代来临了。1960’s：硅芯片。1980’s：高温超导体复合碳化硅刀具加工坚硬的高铬铸铁器件绪论

三极电子管所用材料：钨、钼做电极。早期的三极晶体管（Transistor）所用材料：锗、硅半导体。集成电路所用材料：单晶硅片，高纯钛、SiO2和铬等薄膜电子管——晶体管——集成电路绪论

电子管——晶体管——集成电路由大量电子管组成的第一台计算机重达30吨，用电相当于一个小的城市。右图就是由电子管组成的一个16K内存器。图中的女士要用显微镜才看得到现在的集成电路16K内存器（NationalGeographicVol.162,No.4,1982）。绪论

1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。由大量电子管组成的第一台计算机重达30吨，用电相当于一个小的城市。ENIAC两位发明人莫奇来和爱克特

由原料到集成电路：

硅石－多晶硅－单晶硅棒－单晶晶园－集成电路绪论

航空材料高温材料掺镍合金促进了喷气发动机的发展。轻质材料机身材料：铝合金（钢加固关键部位）——钛合金（喷气式高温）——碳、硼纤维复合材料绪论

300F600F1，200F2，000F3，500F飞机发动机绪论

水冷式（1‘stwar）涡轮喷气燃烧冲压（超音速）涡扇式喷气气冷式（30’s）发动机温度（华氏度）

718合金——一种掺镍化合物，于30年前开发。广泛地用于飞机发动机压缩机和涡轮部件等。高温合金图示为GE90-92B发动机在车间起重机上接受最后的检查。这种发动即将装备在新型的波音777客机上。绪论

实例材料强度范围

MPa比强度

MPa

压气机叶片铝合金150-45055－160

压气机机匣钛合金350-110080－245

飞机尾翼碳纤维复合材料1000－1200（顺纤维方向）625－750轻质材料绪论

飞机中的复合材料epoxy环氧的;Aramid芳族聚酸胺;Nomex一种轻质耐高温芳香族聚酰胺;绪论

在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的（穿梭机）。它是人类高技术的结晶。它应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料（本照片选自美国KennedySpaceCenter的Tourbook）。航天飞机绪论

能源材料新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料Si半导体材料为代表的太阳能电池材料铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。绪论

备注核能材料NuclearpowerstationatLeibstadt,Switzerland

uraniumoxidebeads

钨钒钢（W-Vsteel）铬钒钢（Cr-Vsteel）镍基高温合金（Hastelloymaterial）核反应堆材料：耐中子辐射、腐蚀、高温烧结后烧结前绪论

材料技术的发展改变我们的生活仿真手臂用高强度碳纤维复合材料（强度高，重量轻）作手臂骨骼，陶瓷作感知元件，安装有可旋转的腕和手指以及微电机。人工关节“自行车发烧友”的首选钛结构自行车架微机械绪论

材料发展趋势简介

高性能的新型金属结构材料

先进的多相复合材料低维材料（零维如纳米材料，一维如纤维材料，二维如薄膜材料）非晶材料（具有合金化程度高、高强度、耐磨、耐腐蚀、良好的磁学性能等）功能材料迅速发展（当代新技术中能源技术、空间技术、信息技术和计算机技术的物质基础）特殊条件下应用的材料（低温、高压、高真空、高温以及辐照条件）材料的设计及选用计算机化绪论

材料的可持续发展在保证满足使用性能条件下，尽量选用节约资源、降低能耗的材料（生态环境材料）开发与选用环境相容性的新材料，并对现有材料进行环境协调性改进尽可能地选用环境降解材料针对积累下来的污染问题，开发门类齐全的生态环境材料，对环境进行修复、净化或替代等处理，逐渐改善地球的生态环境，使之朝可持续发展的方向前进。绪论

材料的“生命周期”绪论

“材料贯穿于工程的始终。”核心关系

绪论

而其核心是围绕:“结构与性能”的相互辩证关系。绪论0.2工程材料的分类材料的结合键工程材料的分类0.1中华民族对材料发展的重大贡献一、材料的结合键复合材料绪论

0.2工程材料的分类根据材料组成：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料（聚合物）、复合材料。根据材料的特性和用途：结构材料和功能材料结构材料工程上要求强度、韧性、塑性等机械性能的材料，主要用于制作工程结构和零件。工程材料主要阐述结构材料的成分、组织、性能以及应用方面的一般规律。功能材料具有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。一般不在工程材料中讨论，而在电工电子材料中阐述。根据材料内部原子排列情况：晶态和非晶态材料根据材料热力学状态：稳态、亚稳态材料根据材料尺寸：一维（纤维及晶须）、二维（薄膜）、三维材料（大块）磁浮列车（时速430公里）

光缆

0.2工程材料的分类0.2.1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、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。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。元素周期表

绪论

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。

绪论

共价键示意图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。第一章绪论

金刚石结构3、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。

第一章绪论

金属键示意图在金属晶体中，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。

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。绪论

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。绪论

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。第一章绪论

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工程材料的分类绪论

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有特殊性能(如耐蚀、耐高温等)的材料。

分类准则按化学结构特点——材料的键合方式

离子键(Ionbond)结合能比较高没有方向性。共价键

(covalentbond)结合能的差别甚大具有方向性金属键（Metallicbond）正离子浸浴在负电子气中，金属键没有方向性。在外加电压作用下，金属内的电子容易移动。在外加应力作用下，金属内的原子容易移动。分子键（Molecularbond）范特瓦尔斯力很弱，熔点低，硬度低。无自由电子，有良好绝缘性。绪论

各类材料的性能特点金属材料——主要为金属键。热和电的良导体具有良好的强度与延展性以及金属光泽陶瓷材料——通常为离子键或共价键。绝缘体而且比较耐热。高分子材料——通常为共价键、分子键和氢键，以共价键为主。分子结构都非常巨大通常密度较低，在高温下不稳定。复合材料——由多种材料复合而成。第一章绪论

绪论

按结合键的性质，工程材料分类如下：

绪论

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)；占整个结构材料和工具材料的90％以上工程性能优越、价格便宜、是最重要的工程金属材料

②有色金属黑色金属以外的所有金属及其合金。铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。

金属材料制品绪论

想一想：结合工程实际，说说金属材料的实际应用。

金属材料

按性能分为轻金属：Be4，Mg12，Al13易熔金属:Zn30,Ga31,Ge32,As33,Cd48,In49,Sn50,Sb51,Hg80,Tl81,Pb82,Bi83,难熔金属:Ti22,V23,Cr24,Zr40,Nb41,Mo42,Tc43,Hg72,Ta73,W74,Re75贵金属:Cu29,Ru44,Rh45,Rd46,Ag47,Os76,Ir77,Pt78,Au79铀金属:Ac89,锕系90-103稀土金属:Y39,La57,镧系58－71碱土金属：Li3,Na11,K19,Ca20,Sc21,Rb37,Sr38,Cs55,Ba56,Fr87,Ra88绪论

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

胶粘剂绪论

高分子材料

高分子材料制品

按分子链排列有序与否，高分子材料可分为：结晶聚合物：强度较高，结晶度决定于分子链排列的有序程度。无定形聚合物按机械性能和使用状态分：塑料：强度、韧性和耐磨性较好的，可制造某些机器零件或构件的工程塑料，分为：热塑性塑料和热固性塑料橡胶：经硫化处理的弹性特别优良的聚合物，有通用橡胶和特种橡胶。合成纤维