机械工程材料第1章-绪论教学案例

1机械工程材料2第一章绪论一、材料的定义二、材料的发展史三、材料的分类四、材料科学的形成五、本课程的学习内容与要求3一、“广义的材料”（定义）：是人类用来制造各种产品（食品、衣服、器件）的物质。今天的定义：可为人类社会接受的、经济地制造有用器件的物质。物质成为材料，应包括五个判据：资源判据、能源判据、环保判据、质量判据、经济判据。二、人类文明的发展史也是一部材料的发展史包括：石器时代、青铜器时代、铁器时代、新材料时代5新石器时代：1万年前-5000年前，能够打制精美的石器、用黏土制陶、开始玉器加工、用石头和砖瓦做建筑材料。陶是人类第一个人工制成的合成材料。公元前7000年-4000年，人类意外的发现了玻璃的制造方法。6青铜器时代：公元前4000年-公元前1200年，学会用铜矿石炼铜（人类获得的第二种人造材料），并冶炼出各种成分配比的铜锡合金（人类发明的第一个的合金）。铁器时代：公元前1200年-当代生铁炼钢、百炼成钢、灌钢。16世纪木炭-煤炭-焦炭，冶炼温度温度升高汉朝的环首铁刀8新材料时代：当代近代的四次技术革命18世纪后期，蒸汽机的普及使用造成对煤和钢的需求大大增加，促进了炼钢技术的发展。19世纪末，电的发明使远距离输送电材料、通讯照明用材料实现了工业化，钢铁工业、电气工业、飞机工业、石油工业、化学工业迅速发展。20世纪中期的原子能应用，使合成材料和半导体材料大规模工业化，民用化（硅材料时代）。20世纪70年代开始，以微电子技术、生物工程技术和空间技术为主要标志，新型材料、新能源、生物工程、航天航空等新兴技术。

1909年第一个人工合成的酚醛塑料算起，高分子材料的发展仅仅100年。高分子材料的年产量（按体积计）已经超过钢铁材料。9三、材料的分类1.按使用性能分为结构材料与功能材料；2.按结合键分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料；3.按应用领域分为机械材料、电子材料、建筑材料、能源材料、生物材料、航天航空材料、日用品及办公用品材料等等；4.按使用的广泛程度分为传统材料和新型材料；5.按来源分为天然材料和人工材料；6.按状态分为气、固、液；7.按结晶状态分为单晶体、多晶体、非晶体。下一节11材料的结合键与其特性1.金属键

在金属晶体中，正离子在空间规则分布，和自由电子之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来，这种结合力叫金属键；特点：没有饱和性和没有方向性。

金属材料主要由金属键结合而成，因而具有这些特性：1)良好的导电性，导热性；2)温度升高，电阻增大；3)金属不透明有光泽；4)相对于玻璃、陶瓷，具有良好的延展性（塑性）。问题：结合金属键的特点解释金属材料的性能特点。122.离子键（发生在离子晶体中，如NaCl）正离子与负离子通过静电引力相互吸引而形成的键合；特点：作用力强，没有方向性，具有饱和性。离子晶体的熔点高、硬度大、热膨胀系数小、脆性大、几乎没有塑性；自由电子被束缚，决定了其具有良好的绝缘性和无色透明（可见光）。13概念：最外层的电子能量高，与原子核结合得弱，这样的电子通称为价电子。3.

共价键

相邻原子通过共用它的外部价电子，形成稳定的电子满壳层时产生的键合；键特点：作用力强，具有方向性和饱和性。由共价键结合生成的晶体成为共价（或原子）晶体，例如：金刚石，SiC。共价晶体具有熔点高、硬度高、脆性大、导电性能差、几乎没有塑性等特点。

无机非金属材料中原子之间的键合方式以离子键与共价键为主。氢分子，图中电子出现几率较大处为共价键具有方向性144.分子键

原子、分子因为内部的正负电荷中心不重合，而形成偶极子，偶极子之间相互作用所形成的引力（包括范德华力和氢键）。特点：非键合引力；范德华力无方向性、无饱和性；氢键具有方向性和饱和性，相对其他键合力它最弱。氢键概念：氢原子与电负性的原子X共价结合时，共用的电子对强烈地偏向X的一边，使氢原子带有部分正电荷，能再与另一个电负性高而半径较小的原子Y结合，形成的X—H┅Y型的键。

由于范德华力很弱，造成由分子键结合的固体材料熔点低、硬度低。另外，无自由电子使其具有良好的绝缘性。高分子材料分子间主要存在的就是这些化学键。15大类材料的特征金属材料优点：兼有良好力学性能(较高强度、刚度、塑性、韧性)及某些物理化学性能(良好导电、导热性等)和较好的工艺性，价格便宜或适中。大量用作结构材料，部分用作功能材料。缺点：资源有限；特高温及特殊介质中不能胜任。无机非金属材料（也称为陶瓷材料，金属与非金属的化合物，如Al2O3、SiC）优点：优良物理、化学性能(耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等)及极好的耐高温性能，且原料来源广泛。主要用在特殊场合(特殊陶瓷)及日常(传统陶瓷)。缺点：脆、难加工，可靠性差。16高分子材料（高聚物）优点：重量轻、高弹性、可塑性、耐磨性、绝缘性、耐蚀性、加工性好、原料丰富。缺点：力学性能中强度低、不耐高温（≤300℃）、易老化易燃。复合材料（两种或多种材料复合而成）

优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要进行人为设计、制造。缺点：目前性能高的价贵。返回17四、材料科学的形成

时间：始于20世纪60年代；美国学科性质：研究材料（主要是制造有用器件的物质）的科学；多学科交叉的新兴学科；具有很强的目的性，它探讨普遍规律——材料组织结构与性能的关系（科学），通过经济合理的工艺流程制成材料（工程）。材料的化学成分、制备与加工工艺、结构与组织、性能四者之间的关系。结构包括：原子结构、原子的排列、相结构、显微结构、结构缺陷电子结构（键结合方式）使材料表现出金属、无机非金属（陶瓷-由ceramics翻译）、高分子（聚合物）的固有属性。18性能化学成分结构与组织制备与加工工艺化学成分、制备与加工工艺、结构与组织、性能四者之间的关系19C20碳纳米管强度为钢的100倍，重量只有钢的1/6。21五、本课程主要内容、目的、要求本课程主要涉及的材料：机械工程领域使用的传统金属结构材料工程材料：主要是指用于机械、车辆、船舶、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。机械工程材料：机械工程中常用的材料。主要内容：金属学基本原理、Fe-C合金平衡相图、热处理原理及工艺、常用钢铁与有色金属的牌号识别与基本性能、选材依据目的：1.重点掌握钢铁材料成分、组织、热处理工艺与性能之间的关系；2.能够合理选材、正确制定热处理工艺。22要求：课程总成绩（100分），由以下四大部分组成：1.平时作业、课堂测验，共占25%；作业要求在指定的课前提交，逾期不计入该项成绩。2.实验（动手技能、实验报告）占10%。3.期中、期末考试（开卷结合闭卷笔试）成绩分别占15%、40%。4.平时课堂表现：课堂纪律、上课出勤率占10%。

23如何学好这门课1.上课认真听讲，记下每节课的知识结构与要点，明确每节课的重点；2.独立完成每次课的作业，及时做好新课内容的预习。24结构材料以使用材料的力学性能为基础，能在常温下承受外加载荷而保持其形状和结构稳定。功能材料除具有结构力学性能外，还具有一种或几种特定功能（特殊力、电、磁、光、声、热、化学、生物等）的材料。万里