材料科学与社会考试资料

1、材料科学与社会理学院 物理系杨瑞东TEL：绪论材料科学与技术是当代文明的三大支柱之一和全球新技术革命的三个标志之一，在当今高科技的发展中起着基础和先导作用。1.1材料的概念1.1.1 概念材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的物质。人类通过劳动制成产品有两个途径：物质产品（简单的，低性能的）；物质材料产品（复杂的，高性能的）。1.1.2 新材料特点新材料是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。一般具有以下特点：1、具有一些优异性能或特定功能；2、新材料的发展与材料科学理论的关系比传统材料更为密切；3、新材料的制备和生产往往与新技术、新工艺紧密相关；4、更新换代快，式

2、样多变；5、新材料大多是知识密集、技术密集、附加值高的高技术材料，而传统材料通常为资源性或劳动集约型材料。1.1.3 材料科学与工程内涵材料科学主要研究材料的成分、分子或原子结构、微观及宏观组织以及加工制造工艺和性能之间的关系，从中发现规律性的认识。材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识产生及其运用。三个重要特征：1、多学科交叉；2、与实际使用结合非常密切的科学；3、正在发展中的科学。四个基本要素：组成与结构、合成与生产过程、性质、使用效能。1.2 材料的发展材料一直是人类进化的重要里程碑，如历史上的石器时代、青铜器时代、铁器时代都是以材料作为时代的

3、主要标志。材料发展的三个阶段（社会发展）： 农业社会: 木材、石头、陨铁等天然材料工业社会: 钢铁、水泥、塑料金属等材料信息社会: 功能材料、结构陶瓷、纳米材料等材料的制备材料在人类社会发展中的作用 以材料划分人类发展的历程材料是人类生活和生产的物质基础和根本保障，从人类开始认识自然、改造自然的那一刻起就开始了材料的使用。材料的历史和人类的历史一样久远。人类的文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代，由此可见材料对人类社会大发展的影响是巨大的。随着人类文明的发展，材料也在不断发展，直至形成现在的材料科学和材料工程。 1.纯天然材料的初级使用阶段在远古时代，人类只能用天然材料（

4、如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等）来制作各种生活生产的工具。在制造武器等方面的技巧也都只是纯天然材料的简单加工。关于人类的起源： 现代人类和类人猿共同的祖先是森林古猿，据考古学家发现最早的人猿类化石是在肯尼亚中世纪，之后约1700万年时，非洲的原始人猿向欧洲和亚洲迁移，逐步形成两个群族。一个是树猿类：分布于非洲和欧洲，包括肯尼亚古猿、非洲古猿、树猿等；另一个是腊玛类：主要分布在亚洲，包括希瓦古猿、腊玛古猿和巨猿等。北京人：500万年前，由森林古猿逐渐进化而来的新世直立人，也称“中国猿人北京种”。钻木去火：将削尖的木棒伸到木板的洞里，用力压住木棒来回转动，板与棒相互摩擦，摩擦生热达到

5、木棒的着火点变开始燃烧。2.单纯用火制造材料阶段10000年前到20世纪初期的新石器时代、铜器时代、铁器时代的这个漫长时期。主要用火对天然材料进行煅烧、冶炼和加工。例如用天然矿土烧制陶瓷和砖瓦。玻璃、水泥和从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料。关于越王勾践的故事：越王勾践剑通高55.7厘米，宽4.6厘米，柄长8.4厘米，重875克，1965年冬出土于湖北省荆州市附近的望山楚墓群中。 这把剑是春秋战国时期，用火直接提炼天然的青铜炼制而成，距今已经2000多年。被誉为天下第一剑。与吴王夫差矛并同列入国家级保护文物。3.物理与化学原理合成材料阶段 20世纪初，随着物理化学等科学的发展及各种检测技术的

6、出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、微观结构及合成方法；另一方面从物理角度出发开始研究材料的物性，把物理和化学理论应用到材料技术中，从而萌芽了材料科学。 人类不再是单纯的开采天然矿石和原料，而是经过简单的煅烧和冶炼来制造材料，而且能利用一系列的物理化学原理及现象来创造新的材料。人工合成材料、金属材料和陶瓷材料并称为材料的三大支柱高分子材料的萌芽史15世纪美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。 1839年美国人Charles Goodyear发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质，变为富有弹性、可塑性的

7、材料。 1869年 美国人John Wesley Hyatt把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料“赛璐珞”。 1887年 法国人Count Hilaire de Chardonnet用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。 1909年 美国人Leo Baekeland用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料酚醛树酯。 1920年 德国人Hermann Staudinger发表了“关于聚合反应”的论文提出：高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应（聚合），通过化学键连接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一词即源于此。 1926年瑞典化学家

8、斯维德贝格等人设计出一种超离心机，用它测量出蛋白质的分子量：证明高分子的分子量的确是从几万到几百万。 1926年美国化学家Waldo Semon合成了聚氯乙烯，并于1927年实现了工业化生产。 1930年 聚苯乙烯(PS)发明。 1932年 Hermann Staudinger总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著高分子有机化合物成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。 1935年 杜邦公司基础化学研究所有机化学部的Wallace H. Carothers合成出聚酰胺66，即尼龙。尼龙在1938年实现工业化生产。 1930年 德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和丁苯橡胶。

9、1940年 英国人T. R. Whinfield合成出聚酯纤维（PET）。 1940年代Peter Debye 发明了通过光散射测定高分子物质分子量的方法。 1948年 Paul Flory 建立了高分子长链结构的数学理论。 1953年德国人Karl Ziegler与意大利人Giulio Natta分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。 1955年 美国人利用齐格勒-纳塔催化剂聚合异戊二烯，首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。 1956年Szwarc提出活性聚合概念。高分子进入分子设计时代。 1971年S. L Wolek 发明可耐300高温的Kevlar。 1970

10、年以后 高分子合成新技术不断涌现，高分子新材料层出不穷。4、复合材料20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来，紧接着出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料。人类已经可以利用新的物理、化学方法、根据实际需要设计独特性能的材料。5.材料的智能化阶段自然界中的材料一般都具有自适应、自诊断、自修复功能。例如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自我诊断自我修复，人工材料在开始发现时却不能做到这一点。 经过三四十年的研究，目前已经研制出一些材料可以具备其中的部分功能，这就是智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等。形状记忆合金 ：这种合金在一定温度下成形后，能记住自己

11、的形状。当温度降到一定值（相变温度）以下时，它的形状会发生变化；当温 度再升高到相变温度以上时，它又会自动恢复原来的形状。人工智能材料所具有的特点：1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力-应变、化学、核辐射等； (2)具有驱动功能，能够响应外界变化； (3)能够按照设定的方式选择和控制响应； (4)反应比较灵敏,及时和恰当； (5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。1.3 材料的分类1.3.1 从化学属性上分，材料可分为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料、复合材料及生物医学材料。1.3.2 从来源来分，材料可分为天然材料和人造材料。1

12、.3.3 从用途上分，材料可分为结构材料和功能材料。结构材料主要利用其强度、韧性等力学性质，如钢铁、水泥、结构陶瓷等；功能材料则主要利用电子导电、半导体、光学和磁学性质，如半导体材料、磁性材料、激光材料、生物材料、纳米材料等。金属材料 金属材料包括两大类：钢铁材料和非铁(有色)金属材料。除钢铁外，其他金属材料一般统称为非铁金属材料，主要有铝、铜、钛、镍及其合金等。铝、铜合金用得最多，钛合金主要用于航空航天等部门。 无机非金属材料 无机非金属材料主要包括陶瓷、水泥、玻璃及非金属矿物材料。传统的陶瓷材料由粘土、石英、长石等组成，主要作为建筑材料使用。新型陶瓷材料主要以Al2O3，SiC，Si3N4

13、等为主要组分，已用作航空航天领域中航天飞机的热绝缘涂层、发动机的叶片等，还作为先进的功能材料，用于制作电子元件和敏感元件。 有机高分子材料 有机高分子材料又称高分子聚合物，按用途可分为塑料、合成纤维和橡胶三大类。塑料通常又分为通用塑料和工程塑料。复合材料复合材料就是由两种或两种以上不同原材料组成，使原材料的性能得到充分发挥，并通过复合化而得到单一材料所不具备的性能的材料。按基体可分为金属基、有机高分子材料基、无机非金属基复合材料。按强化相可分为颗粒增强和纤维增强复合材料。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、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

14、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。按结合键的性质，工程材料分类如下：新材料新材料按其在不同高技术领域中的用途可分为三大类，即信息材料、新能源材料，以及在特殊条件下使用的结构材料和功能材料。 如砷化镓等新的化合物半导体材料，用于信息探测传感群的碲镉汞、锑化姻、硫化铅等敏感类材料，石英型光导纤维材料，铬钴合金光存储记录材料，非晶体太阳能电池材料，超导材料，高温陶瓷材料，高性能复合结构材料，高分子功能材料，特别是纳米材料等等。 中华民族对材料发展的重大贡献 石器:石刀、石斧、石锄。陶器：(公元前6000年公元前5000年)，制品有炊具、食具、盛储器皿

15、等。瓷器:于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，13世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。青铜器：制造各种工具、食器、兵器。司母戊鼎、战国青铜编钟。 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，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”。铁器：春秋战国时期(公元前770年公元前221年)已开始大量使用。西汉时期：采用煤作为炼铁的燃料，比欧洲早1700多年。三种炼钢方法：自然钢：从矿石中直接炼出；百炼钢：经过“

16、百次”冶炼锻打的；灌钢：是南北朝时期生产的。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。 钢的热处理技术：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。 丝绸：天然高分子材料，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。1.4 陶瓷发展前景目前无机非金属材料的发展十分活跃。功能材料向着高效能、高可靠、高灵敏、智能化和功能集成化的方向发展；结构材料向着复合化、高韧性、高比强、耐磨损、抗腐蚀、耐高温、低成本和高可靠性的方向发展。在发展新材料的同时，重视采用新理论、新工艺、新技术改造传统材料。此外，无机非金属

17、材料在生物医用工程与环境科学中的应用愈来愈受到重视。第2章 材料科学基础知识2.1 固体材料中的原子排列材料的结合键材料的结合键原子、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。离子键 ：NaCl、CaO、Al2O3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。 共价键 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。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

18、高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低 金属键 原子很容易丢失其价电子而成为正离子。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； 2. 正的电阻温度系数；3. 不透明并呈现特有的金属光泽；4. 良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。 分子键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。 范德华力很弱，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。2.2材料的结构与性能 （1） 金属材料的结构与组织 材料的性能：化学成分、组织结构。晶体与非晶体： 晶体：原子

19、（离子或分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物体，如：天然金刚石，水晶，氯化钠等。 非晶体：原子（离子或分子）在空间无规则排列的物体则，如松香，石蜡，玻璃等。金属：由金属键结合，其内部的金属离子在空间有规则的排列，因此固态金属均是晶体。纯金属的晶体结构 晶体结构：由实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定几何规律排列而成的集合体称为晶体结构，也称为晶体点阵。 周期重复的图形可以用点阵来描述。它由无数一维、二维或三维规则排列的点组成,构成一维、二维或三维点阵。三维点阵又称空间点阵晶格：通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原子

20、(或离子)平衡中心的位置。晶胞：能反映该晶格特征的最小组成单元。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶胞的基本特性即反映该晶体结构(晶格)的特点。晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、等六个参数来描述。其中a、b、c 为晶格常数。 金属的晶格常数一般为: 一、三种常见的金属晶体结构 体心立方晶格（胞）(B.C.C.晶格) 结构特点 a=b=c, =90原子排列规律：晶胞原子数为81/8+1=2(个)原子半径(r)与晶格常数的关系 ： 晶体中原子排列的紧密程度为致密度 (k) 晶体的配位数是指晶体结构中任一原子的最近邻且等距离的原子数目：CN = 8 面心立方晶格（胞

21、） (F.C.C.晶格) 结构特点 a=b=c,=90原子排列规律：晶胞原子数81/8+61/2=4(个)原子半径(r)与点阵常数的关系 k = 0.74； CN = 12 密排六方晶格（胞） (H.C.P.晶格) 结构特点 c/a1.633 原子排列规律 晶胞原子数 121/6+21/2+3=6（个） 原子半径（r）与点阵常数的关系 k=0.74 ； CN=12 二、晶体中的晶面和晶向晶面：通过晶体中原子中心的平面；晶向：通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向。晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达。 金属晶体的特性1. 金属晶体具有确定的熔点2. 金属晶体具有各向异性 各向异性:在晶体

22、中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。各向同性:非晶体在各个方向上性能完全相同。例如单晶体铁(只含一个晶粒)的弹性模量，在方向上为2.90105 MPa, 而在方向上只有1.35105 MPa。 实际金属中的晶体缺陷 按照几何特征，晶体缺陷可分为点缺陷，线缺陷和面缺陷三类： 1. 点缺陷：在三维尺度上都很小的, 不超过几个原子直径的缺陷。 （1）空位：在晶体晶格中, 若某结点上没有原子, 则这结点称为空位。空位附近的原子会偏离正常结点位置, 造成晶格畸变。 （2）间隙原子: 位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子。（3）异类

23、原子：任何纯金属中都或多或少会存在杂质, 即其它元素, 这些原子称为异类原子(或杂质原子)。总结：点缺陷造成局部晶格畸变, 使金属的电阻率、屈服强度增加, 密度发生变化。 2. 线缺陷:是指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。位错:由晶体中原子平面的错动引起。位错有两种：（1）刃型位错：在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称刃型位错。半原子面在上面的称正刃型位错, 半原子面在下面的称负刃型位错。（2）螺型位错:晶体右边的上部点相对于下部的点向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部

24、晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征。这种线缺陷称螺型位错。 3. 面缺陷 ：是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有两种:（1）晶界 :晶粒与晶粒之间的接触界面。晶界在空中呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。（2）亚晶界 :亚晶粒之间的边界。结论：晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多, 晶粒越细, 金属的塑性变形能力越大, 塑性越好。 晶界的一些特性小结：晶界上原子处于畸变状态，能量较高，对位错运动有阻碍作用。提高材料强度和硬度的作用。 晶界处同时存在空位、位错等缺陷。故晶界处原子扩散速度比晶内快；由于具有较高能量，往往是相变的策源地 。晶

25、界比晶内更易腐蚀( 抗蚀性差)。 当温度较高时，会发生界面平直化及晶粒长大。 （2）固体中的相结构 合金：一种金属元素同另一种或几种其它元素, 通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。二元合金：由两个组元组成的合金称为二元合金。相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。一、固溶体:合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。或者熔质原子熔入固态的熔剂中,并保持熔剂晶格类型而形成的相。熔质原子熔入固熔体中的

26、极限熔解度称为固熔度。通常用质量分数wB或摩尔分数xB表示： wB=mB/mA 式中mB-B组元的质量；mA -合金的质量。 xB=nB/nA 式中 nB-B组元的物质的量（mol）； nA -合金的物质的量（mol）。 1. 固溶体的分类（1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分。固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。（2）按溶质原子在溶剂中的溶解度分。固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。（3）按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分。固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。 2. 固熔体的结构和性能特点 （1）结构特点：保持了溶剂的点阵类型。（2）成分(在微观上)是不均匀的，存在原子偏聚或短程有序

27、现象。 （3）点阵产生畸变 。（4）产生固熔强化 。通过溶入某种元素形成固熔体,而使金属强度、硬度升高的现象，称为固熔强化。这是提高合金机械性能的重要途径之一。 二、金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相, 或称中间相。其一般熔点较高, 硬度高, 脆性大。合金中含有金属化合物时, 强度、硬度和耐磨性提高, 而塑性和韧性降低。1. 正常价化合物:严格遵守化合价规律的化合物。 性能特点：硬度高、脆性大。2. 电子化合物：不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度的化合物叫做电子化合物。电子化合物主要以金属键结合, 具有明显的金属特性, 可以导电。它们的熔点和硬度较高，塑

28、性较差，在许多有色金属中为重要的强化相。3. 间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。根据结构特点，间隙化合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。 （1）间隙相:当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物。特点：间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度, 非常稳定。（2）复杂结构的间隙化合物：当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。特点：具有很高的熔点和硬度, 但比间隙相稍低些, 在钢中也起强化相作用。 （3）金属材料的性能 工艺性能：是指制造工艺过程中材料适应加工的性能 ，即

29、指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能。金属材料的工艺性能 一、铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。 1. 流动性 熔融金属的流动能力。2. 收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。3. 偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象。二、锻造性能金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越

30、好。三、焊接性能金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。低碳钢和碳的质量分数低于0.18 %的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。 四、切削加工性能 一般用切削后的表面质量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。五、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。金属材料的机械性能 金属材料的机械（力学）性能，即是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。一、强度：金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。根据载荷的不同，可分为抗拉强度，抗压强度，抗弯强度，抗剪强度和抗扭强度等几种。1. 弹性极限（e）：

31、表示材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大应力。 2. 屈服点（ s）：表示金属开始发生明显塑性变形的抗力, 铸铁等材料没有明显的屈服现象, 则用条件屈服点（ 0.2 ）来表示: 产生0.2%残余应变时的应力值。3. 强度极限(抗拉强度b )：表示金属受拉时所能承 受的最大应力。 二、塑性：断裂前材料产生永久变形的能力, 用延伸率和断面收缩率来表示。 1. 延伸率（）：在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为延伸率。2. 断面收缩率（）：试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。 三、硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时

32、抵抗局部塑性变形的能力。1. 布氏硬度（HB) 用符号HBS(当用钢球压头时)或HBW(当用硬质合金球时)来表示。式中：P为载荷（N），D为球体直径（mm），d为压痕平均直径(mm)。2. 洛氏硬度(HRA、HRB、HRC) 四、韧性（ak）：材料抵抗冲击载荷作用的能力称为韧性。冲击韧度 ：五、断裂韧性：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。金属材料的理化性能 一、金属的物理性能 1. 密度:单位体积物质的质量。密度小于5103kg/m3的金属称为轻金属, 如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5103kg/m3的金属称为重金属, 如铁、铅、钨等。 2. 熔点:金属从固态向液态转变时的温度。

33、3. 导热性:导热性通常用热导率来衡量。热导率越大, 导热性越好。金属的导热性以银为最好, 铜、铝次之。 4. 导电性:传导电流的能力，用电阻率来衡量。 5. 热膨胀性：金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性 6. 磁性 :铁磁性材料、顺磁性材料 、抗磁性材料 。二、金属的化学性能 主要指耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。1. 耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。2. 抗氧化性 金属材料在加热时

34、抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入Cr、Si等元素, 可提高钢的抗氧化性。如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板, 料盘等。 提示:金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。2） 、高分子材料的结构与性能 高分子材料的结构一、大分子链的结构1. 大分子链的化学组成：主要是碳、氢、氧，另外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等元素，其中碳是形成大分子链的主要元素。 大分子链根据组成元素不同可分为三类：碳链大分子-C-C-C- 、杂链大分子和元素链大分子。2.大分子链的形态：主要有线型、支化型和体型(或网型)等三类。 三、高分子材料的聚集态高分子材料的

35、聚集状态有三种：晶态：分子链在空间规则排列。 部分晶态：分子链在空间部分规则排列。 非晶态：分子链在空间无规则排列，亦称玻璃态。高分子材料的性能 一、高分子材料的机械性能1.高聚物的物理、力学状态(1)线型非晶态高聚物的三种力学状态 ：玻璃态、高弹态和粘流态。图中为Tb为脆化温度、Tg为玻璃化温度、Tf为粘流温度,Td 为分解温度。 2. 高分子材料的机械性能特点 (1)强度低：高聚物的强度平均为100 MPa。(2)弹性高、弹性模量低：高聚物的弹性变形量大，可达到100%1000，而一般金属材料只有0.1%1.0。高聚物的弹性模量低，约为2 MPa20 MPa, 一般金属材料为103 MPa

36、2105 MPa。(3)粘弹性：主要表现有蠕变、应力松驰和内耗等。 (4) 塑性与受迫弹性(5) 韧性(6) 减摩、耐磨性 2）、高分子材料的物理和化学性能 1. 绝缘性：高聚物分子是良好的绝缘体，绝缘性能与陶瓷相当。2. 耐热性：是指它对温度升高时性能明显降低的抵抗能力。常用热塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等，长期使用温度一般在100 以下；热固性塑料如酚醛塑料的为130 150 ；耐高温塑料如有机硅塑料等，可在200 300 使用。3. 耐蚀性：高聚物的化学稳定性很高。它们耐水和无机试剂、耐酸和碱的腐蚀。尤其是被誉为塑料王的聚四氟乙烯，不仅耐强酸、强碱等强腐蚀剂，甚至在沸腾的王水中也很稳

37、定。耐蚀性好是塑料的优点之一。4. 老化：其主要表现：对于橡胶为变脆，龟裂或变软，发粘；对于塑料是退色，失去光泽和开裂。3）陶瓷材料的结构与性能 陶瓷材料的结构一、陶瓷材料的制备过程 陶瓷的原料通常是由粘土、石英和长石三部分组成。在加热烧成或烧结和冷却过程中，由这三部分组成的坯料相继发生四个阶段的变化： (1)低温阶段(室温300) 残余水分的排除。 (2) 分解及氧化阶段(300950) 结构水的排除；有机物、碳素和无机物等的氧化；碳酸盐、硫化物等的分解；石英晶型转变。 (3)高温阶段(950烧成温度) 氧化、分解反应继续进行；相继出现共熔体等液相，各组成物逐渐溶解；一次莫来石(3Al2O3

38、2SiO2)晶体生成; 二次莫来石晶体长大; 石英块溶解成残留小块; 发生烧结成瓷。 (4) 冷却阶段(烧成温度室温) 二次莫来石晶体析出或长大; 液相转变; 残留石英晶型转变。 二、陶瓷材料的组织结构 按照组织形态陶瓷材料分为三类：无机玻璃：即硅酸盐玻璃，是室温下具有确定形状，但其粒子在空间成不规则排列的非晶结构类陶瓷材料；微晶玻璃：即玻璃陶瓷，是单个晶体分布在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料； 陶瓷（晶体陶瓷）:如单相晶体结构的氧化铝特种陶瓷。 陶瓷的典型组织结构包括三种相：晶体相(莫来石和石英)、玻璃相和气相 1. 晶体相：晶体相是陶瓷的主要组成相，主要有 硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。

39、2. 玻璃相 结构特点：玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物组成。硅氧四面体组成不规则的空间网, 形成玻璃的骨架。3. 气相 ：是陶瓷组织内部残留下来的孔洞。 一般，普通陶瓷的气孔率为5%10%；特种陶瓷的在5%以下；金属陶瓷则要求低于0.5%。 陶瓷材料的性能 一、陶瓷的机械性能 1. 刚度：抵抗变形的能力。它的倒数称为柔度，即单位力引起的位移。 2. 硬度：陶瓷硬度为1000 HV5000 HV, 淬火钢为500 HV800 HV, 高聚物最硬不超过20 HV。 3. 强度：晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多（1/10001/100）。 4. 塑性 ：陶瓷在室温下几乎没有塑性。但在高温慢速加载，特

40、别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也表现出一定的塑性。5. 韧性 (1) 陶瓷是典型的脆性材料，冲击韧性10 kJ/m2以下。 (2) 对表面状态特别敏感，由于表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均等，很易产生细微裂纹；受载时，裂纹尖端产生很高的应力集中，由于不能由塑性变形使高的应力松弛，所以裂纹很快扩展，表现出很高的脆性。 (3) 改善陶瓷韧性的方法：预防陶瓷中特别是表面上产生缺陷；在陶瓷表面形成压应力（如加预压应力可做成不碎陶瓷）；消除陶瓷表面的微裂纹。二、陶瓷的物理性能和化学性能 1. 热膨胀性能：陶瓷的线膨胀系数低，比高聚物低，比金属更低。2. 导热性：陶瓷无自由电子传热，导热性很低，较好绝热材料

41、。3. 热稳定性：热稳定性很低（比金属低得多）：线膨胀系数大和导热性低。4. 化学稳定性：结构非常稳定，很好的耐火材料和坩埚材料。5. 导电性：由于缺乏电子导电机制, 多数陶瓷是良好的绝缘体；许多氧化物（ZnO、NiO、Fe3O4）是重要的半导体材料。陶瓷材料的性能特点：优点：具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力；缺点：脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。2、 晶体中原子的结合 1、 离子键和离子晶体2、 共价键和原子晶体3、 金属键和金属晶体4、 分子键和分子晶体3、 晶体结构的一些重要概念1、晶体（晶格、晶胞及晶系） 2、晶格尺寸3、晶胞原子

42、数 4、原子半径5、致密度 6、配位数7、晶面 8、晶向金属晶体的结构（除少数外）皆为以下三种晶格：体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格第二节 晶体中的缺陷按照晶体缺陷的几何特征，可将其分为点缺陷、线缺陷、面缺陷三种。一、点缺陷点缺陷是指在三维尺度上都很小（不超过几个原子直径）的缺陷。主要有以下三种。1、空位2、间隙原子3、置换原子二、线缺陷线缺陷是指晶体中二维尺度很小而第三维尺度较大的缺陷。这类缺陷就是位错。当晶体的一部分相对于另一部分进行局部滑移时，晶体的已滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错，称之为位错或位位错线。有两类典型位错：螺型位错与刃型位错。面缺陷面缺陷是指晶体中一维尺度很小

43、而其它二维尺度很大的缺陷。晶体中的面缺陷主要是晶界与亚晶界。 第三节 材料的力学性能材料在力的作用下所表现出的特性即为材料的力学性能。包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳特性、耐磨性等。一、强度与塑性（一）应力_应变（二）弹性模量 （三）强度 1、屈度屈服 2、抗拉强度 3、其它强度指标（4） 塑性材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性。塑性以材料断裂后永久变形的大小来衡量。塑性指标有延伸率和断面收缩率值与值越大，材料的塑性越好。二、硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等。3、 韧性韧性是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的

44、能力。韧性与脆性是两个意义上完全相反的概念。材料的韧性高，意味着其脆性低；反之亦然。度量韧性的指标有两类：1、冲击韧性2、断裂韧性测量断裂韧性的方法最常用的是三点弯曲法。4、 疲劳特性大小和方向做周期性变化的应力为交变应力，或称为循环应力。在交变应力作用下，即使应力的最大值低于材料的屈服强度，经一定的循环周次后材料仍会断裂。这种现象即为材料的疲劳。疲劳现象主要出现在具有较高塑性的材料中。陶瓷材料的塑性很低，其疲劳现象不如金属明显，而且疲劳机理也不同于金属。五、耐磨性一个零件相对另一个零件磨擦的结果，引起磨擦表面有微小颗粒分离出来，使接触面尺寸变化、重量损失，这种现象称为磨损。材料对磨损的抵抗力

45、为材料的耐磨性，可用磨损量表表。在一定条件下的磨损量越小，则耐磨性越高；反之亦然。一般用在一定条件下试样表面的磨损厚度或试样体积（或重量）的减少来表示磨损量的大小。磨损的种类包括氧气磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损等。一般来说，降低材料的摩擦系数、提高材料的硬度有助于增加材料的耐磨性。第3节 材料的物理性质一、导电性电阻R与导体的长度L成正比，与导体的截面积S成反比。1、材料的导电性材料按其导电性能力可分为超导体：0 导 体：=10-8.m10-5.m半导体：=10-5.m 107.m绝缘体：=107.m1020.m一般来说，金属材料及部分陶瓷材料和高分子材料是导体，普通陶瓷材料

46、与大部分高分子材料是绝缘体。但有意义的是，一些具有超导特性的材料是陶瓷。在陶瓷材料中溶入杂质原子后，常常会使其导电性能提高。2、 磁性（一）物质按磁性的分类按照物质对磁场的影响，可将其分为三类：（1）抗磁性物质：使磁场减弱。（2）顺磁性物质：使磁场略有增加。（3）铁磁性及亚铁磁性物质：使磁场强烈增加。 （二）磁性的量度1、磁矩2、磁化强度3、磁化率4、磁导率三、材料的热学性能固体加热时，有三个重要的效应，即吸热、传热、膨胀。其度量指标分别为热容、热导率、热膨胀系数。这三个热学性能参数的定义如下：热容：1mol固体温度升高1K时所吸收的热量，单位为J/mol.K。热导率：单位时间内在1K温差的1

47、cm3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量，单位为J/mol.S.K 。热膨胀系数：单位长度物体的长度随温度的变化率，单位为K-1。 *第二章 金属材料 有色金属是相对黑色金属而言的。黑色金属主要指铁、钢，所以有色金属也被称为非铁金属。有色金属可以分为轻金属(铝、镁、钛等)、重金属(铜、铅、锌、锡等)、贵金属(金、银、铂等)、稀土金属及稀有金属(锂、铍等)五大类。 常用的有色金属有铝、铜、镁、锌、锡、钛等。 铁：原子序数为26，银白色，密度为7.86g/cm3。纯铁可用氢气使氧化铁还原而得，其中总含有杂质。工业纯铁的杂质含量约为0.1-0.2。纯铁的熔点是1535，在1392和911有两

48、种同素异形体，变化过程是：-Fe-Fe-Fe 其中-Fe和-Fe均是体心立方晶格结构，-Fe是面心立方晶格结构。 钢与铁都是合金，是由Fe、C、Si、Mn、P、S等元素组成的。铁中C的含量2.11；钢中C的含量2.11。 一、陨铁从天上掉下来的铁 (一) 陨铁的发现 地壳中储藏的铁量大约是铜的5000倍。铁是混杂在多种矿石中共生，主要是赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿、菱铁矿等，必须经过复杂的高温还原反应，才能把铁从铁矿石中分离还原出来。 第一类是普通陨石：它由硅酸盐矿物(橄榄石、辉石等)组成；第二类是石铁陨石：它主要成分由约各占50的铁镍和硅酸盐类组成，这类陨石在地球上很少发现；第三类是陨铁：它的主要

49、成分是铁镍，铁含量一般在98以上，镍含量在420之间。 陨铁的化学成分如下： Ni：420(大部分在510)Co：0.31.0(大部分在0.40.5)Cu：0.010.05 P：0.011.2(大部分在0.10.3) S：0.0010.6(大部分在0.20.6) C：0.0060.2(大部分在0.010.2) (二) 世界各地使用的陨铁工具 公元前3500年埃及前王朝时期，就有了含镍7.5的陨铁做的铁珠；在北美，爱斯基摩人发现且使用了陨铁工具。印第安人有使用用陨铁制作的箭刀、小刀和其他工具。 (三) 我国对陨铁的使用历史 在商代我们的祖先已有了陨铁制取器具的记录。其中典型的例子就是出土文物中发

50、现的铁刃铜钺（yu; 音同“越”）和铁援铜戈。 河南浚县出土了商末周楚的两件镶铁的铜兵器。 1972年，在河北省藁城县的商代遗址发现了一件在公元前1400多年制成的铁刃铜钺。该钺残存长111mm，宽85mm，铁刃宽60mm，铜身夹住的部分厚2 mm，而铜的外面部分已经断失。1990年，河南三门峡上村岭出土了5件西周晚期铁器件，其中有3件是镶嵌在铜柄上的铁刃。 已知人工冶铁最早的制品，是在两河流域北部出土的一支匕首柄，其年代是在公元前2700年左右。 小亚细亚(今土耳其境内)的赫梯，在公元前2000年出现了铁犁，并且出现了“铁匠”的名字，他们所以很早就发现和使用了铁具。原因是该地区的铁矿石特别多

51、，而铜资源又非常少。 小亚细亚东部有一个小国叫乌拉尔国，在公元前1000年就开始了冶炼铁，而且铁的锻造技术已掌握得很好。古埃及在公元前663年公元前525年的约当二十六王朝也进入了铁器时代。希腊人在著名的“荷马史诗”中多次提到了铁的使用，说明当时希腊人也已经掌握了冶铁技术并使用铁器了。意大利在公元前1000年就开始进入铁器时代，到了公元前700年铁器的使用已经很普遍了。印度在公元前四世纪，已普遍应用铁器了。 我国的人工冶铁同世界上大部分地区一样，早期使用的炼铁方法是低温固态还原法，亦称块炼法。我国炼铁方法有一个很突出的优点，即在发明和使用块炼法的不久，就发明了高温液态还原法来制取生铁。 我国发

52、明和使用铁与铁器起始的确切年代尚无肯定的结论。基本观点是在春秋中、晚期，到了战国时代有了较大的进步。 (一) 炼铁工艺的进展 我国最早的冶铁技术采用的是低温固态还原法(块炼法) 。用此种方法冶铁的温度低，需要毁炉取铁、反复锻打，费工费时。 我们的祖先根据春秋时期已具有的炼铜竖炉和大的鼓风动力经验，创造了高温液态还原法。此工艺的优点是铁与渣分离较好、杂质减少，而且可以采用半连续操作方式。因此冶炼效率高、成本低，制得的铸件或锭块质量较好。 (二) 我国早期的铁器 春秋战国时期，我国就有了早期铁器制作的记录。约在公元前十一世纪，鲁国国君在讨伐淮夷、徐戎誓师中写道：“备乃弓矢，锻乃戈矛，砺乃锋刃，无敢

53、不善。” 诗经大雅公刘篇中也记着“取厉取锻”的词句，也就是要把工具锻好磨快的意思。 公元前513年春秋左氏传中写道：“冬，晋赵鞅、荀寅帅师城汝滨，遂赋晋国一鼓铁，以铸刑鼎，著范宣子所为刑书焉。” 春秋战国时代干将铸剑的故事是众所周知的：“干将作剑，采五山之铁精，六合之金英，而金铁之精不销沦流，如是干将之妻断发剪爪，投之炉中，鼓风吹碳，金铁乃濡，遂以成剑。” 青丝与指甲的加入能起什么作用呢?主要是增加了铁中的含磷量，随磷量的提高，可以降低铸铁的熔点，提高铁水的流动性，以使铁器成型完整。湖南在春秋战国时期属强盛的楚国，铁器铸造业也较为进步。在长沙就出土了许多当时制作的铁器，有铁削、铁锄等；在常德地

54、区也发现了春秋时代的铁削。 (三) 我国冶铁术的发展 我国在春秋战国之交已进入铁器时代。从战国到西汉中期是以铸铁为主，生、熟铁并用且发展的年代。西汉晚期我国完全进入铁器时代。一直到魏晋南北朝，是我国制钢业发展的时期。 从唐朝到明代中期，是我国古代钢铁技术发展和定型的时代。 明朝中期到清末是传统钢铁技术继续缓慢发展时期。在半殖民地半封建的旧中国，生产力发展几乎停止，钢铁生产已是停止不前。 新中国的建立，特别是改革开放后，我国的钢铁事业有了惊人的发展，我们已经屹立在世界钢铁强国的行列之中。 鼓风装置从商周到汉魏采用的是皮囊鼓风。 鼓风装置由人力驱动(人排)发展到用畜力和水力驱动(马排、水排)，这是汉代冶铁术的突破。到了宋朝，鼓风装置从皮囊进步到了木制风箱。我国古代铁器材料的组成已与现代铸铁材料相似，有白口铁、灰口铁、展性铸铁(可锻铸铁)和球墨铸铁。 沧州铁狮是五代后周广顺三年(公元953年)铸造的。位于河北沧州，总高5.4m，身高3.9m，头高1.5m，身长6.8m，宽3m，总重达40t。山西太原的晋祠内，有一座著名的“晋祠铁人”