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1、,第一篇 工程材料,第一章 材料性能、分类及加工工艺,第一节 材料的性能、分类与特征,一、材料的性能,二、材料的类型,按凝聚状态,固态材料中按存在状态,根据材料的尺寸,按用途和使用领域,按材料的物理和化学性质,按开发、使用的时间长短及先进性等：传统材料（如普通钢材、通用塑料、日用陶瓷等）和新型材料（也称为先进材料如超导材料、纳米材料、智能材料等）。,按凝聚状态,气态,液态,固态,根据材料的尺寸,一维材料,二维材料,三维材料,（纤维及晶须）,薄膜,（块体）,按用途和使用领域,建筑,机械,生物,能源,包装,医学,航空,电工,按工程材料的化学组成、组合键的特点：（最常用最有价值分类）金属材料、无机非
2、金属材料、高分子材料和复合材料四大类,三、各类材料的特征,1.金属材料的特征,优点：兼有良好力性(较高强度、刚度、塑性、韧性)某些理化性能良好（导电、导热性等)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。,2.无机非金属材料的特征 优点：优良理、化性能(耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等)极好的耐高温性能 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：性脆、难加工，可靠性差。,4.复合材料的特征（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、价格贵,
3、3.高分子材料的特征 优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性 重量轻，加工性好，原料丰富 缺点：力性尤其强度低；不耐高温（300）；易老化易燃。,第二节 常见的材料制备、加工与处理技术,一、从原料到材料,金属材料 冶炼陶瓷材料 烧结有机聚合物 反应合成,二、从材料到零件,1.成形加工（铸造、压力、焊接、粘接）无屑成形2.切削加工（刃具、光能、声能、电能、电化学能）有屑成形3.热处理加工4.表面改性加工,第三节 常见工程材料,一、工业材料的“脊梁”钢铁,1.钢铁是怎样炼成的,2.钢的分类及常用钢,（1）按化学成分分类 1）碳钢和合金钢,碳钢低碳钢：C%0.6%超高碳钢：C%1.0%,合金钢低合
4、金钢：M%10%,（2）按用途分类,1）结构钢、工具钢、特殊性能钢；A 结构钢分为工程结构用钢和机械结构用钢；B 工具钢分为刃具钢、量具钢和模具钢；C 特殊性能钢有耐蚀钢、耐磨钢、耐热钢和特殊物理性能钢。,（3）按冶金质量 1）按钢中S、P含量：普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢；2）按脱氧程度：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。,普通碳素结构钢用途,钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。,多边型角钢,螺钉、铆钉,钢筋、螺纹钢,优质碳素结构钢用途,较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。,汽车曲轴,碳素工具钢用途,3.铸铁的分类及常用铸铁 依据铸铁的化学成分、结晶形态和组织性能不同，
5、可分为普通铸铁和合金铸铁两类,图1-5 灰口铸铁中石墨形态,有色重金属：铜、镍、锡、铅、锑、钴、汞等 它们的密度较大，约为711g/cm3。有色轻金属：铝、镁、钙、钾、钠、钡等 它们的密度小于5g/cm3。贵金属：金、银及铂族金属（铂、铑、钯、铱、锇、钌）等 因其价值比一般金属贵得多而得名 这些金属在空气中不会被氧化。稀有金属：在80余种有色金属元素中其中大约50种被认为是稀有金属,二、丰富多彩的有色金属,1.上天用得最多的材料铝合金 铝是自然界蕴藏量最丰富的金属，约占地壳质量的8%左右,优点：质量轻，比强度大 良好的导电、导热性；耐蚀性好等,2.又轻又强的材料钛合金,优点：优异的耐蚀性和高温
6、性能，高的比强度；缺点：工艺性能差，切削加工困难，硬度低（约7074HB），抗磨性差。,3.最早应用的金属铜及铜合金,特点：较好的理化性能 导电材料，导热（纯铜，汽车散热器）；抗大气、海水腐蚀（黄铜）。良好的加工性 易冷成形，且铸造铜合金，有良好铸造性能。某些特有性能 优良减摩性和耐磨性（青铜和部分黄铜，滑动轴承或蜗轮等）高的e和-1（铍青铜，弹性元件）。色泽美观,铜及铜合金,铜,白铜（铜镍合金）,青铜,黄铜（铜锌合金）,三、古老又年轻的无机非金属材料,1.陶瓷（图片）,2.玻璃,3.水泥,陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷
7、制品可分为陶器和瓷器。,传统的无机非金属材料 之一：陶瓷,普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。见表0-1。,表0-1 普通陶瓷的分类方法,特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。,常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷包括:装
8、置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。,根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器，见表0-2。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。,表0-2 中国日用瓷分类标准,传统的无机非金属材料 之二：玻璃,玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸
9、盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。,特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等。根据用途不同，特种玻璃分
10、为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。,传统的无机非金属材料 之三：水泥,水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。,水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。,通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅
11、酸盐水泥等。专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。,四、多姿多彩的高分子材料,1.塑料,2.橡胶,3.纤维,4.胶粘剂和涂料,天然橡胶+硫磺,塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107108Pa。温度稍高些，受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。根据塑料受热时行为的不同，分为热塑性和热固性塑料两类。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类；后者在受热时可
12、塑化和软化，并通过化学反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚醛塑料就属此类。,橡胶的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用下，也能产生很大的形变（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状。其弹性模量小，约105104Pa。常用的橡胶有天然橡胶（异戊橡胶）、丁苯橡胶、顺丁橡胶（聚丁二烯）、乙丙橡胶和硅橡胶等。,44,1839年英国人古特异(Goodyear)在天然橡胶中加入硫磺，首次合成硫化橡胶；,硫化橡胶,天然橡胶,45,1832-1845年，人们用硝酸处理纤维索，得到硝化纤维；1872年，革新硝化纤维工艺，获得celluloid“赛璐璐”材料；1884年，赛璐璐用来制作照相底片、
13、电影胶片等；1855年，法国人奥德马尔制得硝化纤维人造丝；,赛璐璐,人造丝,46,1872年，德国的拜尔发现苯酚和甲醛在酸性介质中反应形成树脂状物质 1907年，比利时人贝克兰德在拜尔等人的研究基础上制得酚醛树脂；1927年，美国的杜邦公司合成尼龙66；,酚醛树脂,尼龙66,47,聚乙烯,1933年，英国的Robsin 制得聚乙烯；1941年，英国制备出涤纶纤维，在中国的俗称就是大家熟悉的“的确良”；1950年起，齐格勒催化剂的出现促使新型高分子材料大量出现。,涤纶纤维,的确良布料,纤维的弹性模量较大，约1091010Pa。受力时，形变不超过百分之二十。纤维大分子沿轴向作规则排列，其长径比较大
14、，在较广的温度范围（-50150）内，机械性能变化不大。常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。,胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。有时把聚合后未加工成型的高聚物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。,五、博采众长的复合材料,1.天然的复合材料：树叶、竹子（纤维素+木质纤维）,2.人工的复合材料,金属基非金属基,（1）按基体,（2）按结构特点,纤维增强复合材料,夹层复合材料,细粒复合材料,混杂复合材料,树脂复合材料,W525连续碳纤维复合材料,第三节 未来材料的发展,一、
15、各种材料的发展趋势,金属在结构材料中仍占主要位置,功能陶瓷将会有更大发展,有机高分子材料将得到更大发展,先进复合材料有发展，但应用收限制,碳素材料将得到更大发展,二、新材料开发及应用,目的是人工制造耐超高温、耐超高压、超高强度、高速信息传输和在常温下表现超导等特殊性能的材料,新材料主要有：新金属材料，如非晶态合金；新陶瓷材料，如精细陶瓷；高分子材料，如高性能碳纤维增强材料；复合材料。,今后材料科学将朝着高功能化、超高性能化、复杂化和智能化的方向发展,超导材料纳米材料智能材料生态环境材料,超导材料应用树状图,智能材料的动作流程,超导材料纳米材料智能材料生态环境材料,一般飞机上检测环境的传感器,超导材料纳米材料智能材料生态环境材料,
