工程材料课件(清华)
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第6章复合材料-清华大学-工程材料
“十五”国家级规划教材《工程材料》第3版配套课件 第6章
第6章 复合材料
内容提要： 介绍纤维复合材料和颗 粒复合材料的复合机制与 原则。介绍常用金属基和 非金属基复合材料的组成、
Hale Waihona Puke 性能及应用。●概述复合材料 两种或两种以上物理、 化学性质不同的物质，经一定方法 得到的一种新的多相固体材料。
复合材料可以由金属材料、高分子材料和陶 瓷材料中任两种或几种制备而成。
复合材料的性能比组成材料的性能优越得多， 改善或克服了组成材料的弱点，能够按零件的 结构和受力情况进行最佳设计。
创造单一材料不具备的双重或多重功能。 复合材料有着极其广泛的应用。
复合材料应用举例：
●汽车挡泥板 单独使用玻璃太脆，单独使用聚合物材料 则强度低而且刚度满足不了要求。复合成玻 璃纤维增强树脂得到了高强度、高韧性的新 材料，而且质量小。 ●自动控温开关 由温度膨胀系数不同的黄铜片和铁片复合 成双金属片。温度变化时双金属片弯曲，接 通或断开电触点。
（4）颗粒与基体之间应有一定的结合强 度。
6.2 复合材料的性能特点
6.2.1 复合材料的力学性能
一、比强度和比模量
通比常强，度复合材材料的的复强合度结与果其是密密度大之大比。 减突小 出， 性比高 能模的 特量比 点强。度材比和料比。的模模量量是与复其合材密料度的之
二、抗疲劳性能和抗断裂性能
1. 很好的抗疲劳性能 ●复合材料中纤维的缺陷少，抗疲劳能力 高； ●基体的塑性和韧性好，能够消除或减少 应力集中，不易产生微裂纹； ●塑性变形使微裂纹产生钝化而减缓其扩 展。 例如：碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉伸 强度的70%～80%，一般金属材料却仅为 30%～50%。
二、聚合物基复合材料分类
第6章 复合材料
内容提要： 介绍纤维复合材料和颗 粒复合材料的复合机制与 原则。介绍常用金属基和 非金属基复合材料的组成、
Hale Waihona Puke 性能及应用。●概述复合材料 两种或两种以上物理、 化学性质不同的物质，经一定方法 得到的一种新的多相固体材料。
复合材料可以由金属材料、高分子材料和陶 瓷材料中任两种或几种制备而成。
复合材料的性能比组成材料的性能优越得多， 改善或克服了组成材料的弱点，能够按零件的 结构和受力情况进行最佳设计。
创造单一材料不具备的双重或多重功能。 复合材料有着极其广泛的应用。
复合材料应用举例：
●汽车挡泥板 单独使用玻璃太脆，单独使用聚合物材料 则强度低而且刚度满足不了要求。复合成玻 璃纤维增强树脂得到了高强度、高韧性的新 材料，而且质量小。 ●自动控温开关 由温度膨胀系数不同的黄铜片和铁片复合 成双金属片。温度变化时双金属片弯曲，接 通或断开电触点。
（4）颗粒与基体之间应有一定的结合强 度。
6.2 复合材料的性能特点
6.2.1 复合材料的力学性能
一、比强度和比模量
通比常强，度复合材材料的的复强合度结与果其是密密度大之大比。 减突小 出， 性比高 能模的 特量比 点强。度材比和料比。的模模量量是与复其合材密料度的之
二、抗疲劳性能和抗断裂性能
1. 很好的抗疲劳性能 ●复合材料中纤维的缺陷少，抗疲劳能力 高； ●基体的塑性和韧性好，能够消除或减少 应力集中，不易产生微裂纹； ●塑性变形使微裂纹产生钝化而减缓其扩 展。 例如：碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉伸 强度的70%～80%，一般金属材料却仅为 30%～50%。
二、聚合物基复合材料分类
清华大学工程材料第五版第二章PPT学习教案
4. 电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中 ，由于电磁感应现象，液态金属翻滚，冲断 正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核 心，细化晶粒。
第20页/共29页
2.1.4 铸锭的结构
一、铸锭结构
铸锭分为三个各具特征的晶区。
1. 细等轴晶区
锭2. 模柱温状度晶低区，导热快，
外层细3.液晶粗体形等金成轴属，晶过锭区冷模度温大度，升
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转 变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变 。
第11页/共29页
纯铁的同素异构转变: ●液态纯铁在1538℃结
晶为体心立方晶格的δ-Fe
。 ●冷却到1394℃时发生 同素异构转变, 成为面心 立方晶格的γ-Fe。
●冷却到912℃时又发 生一次同素异构转变, 成
为体心立方晶格的α-Fe。
曲率线和实随成多长的长际着核,大左大晶工过速速边速粒程冷率 度部 度细中度NG分都小，的快大。增;过增,,大晶冷大结，粒度，晶成粗常成后核。处核晶速于速粒 率增大更快，比值N/G也增大
, 晶粒细化。
成核速率、长大速度 与过冷度的关系
第17页/共29页
增大过冷度的主要方法： 提高液态金属的冷却速度。 采用冷却能力较强的模子。 采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸 件晶粒要细小。 超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属 、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。 非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优 异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性 等。
清华大学工程材料第五版第二章
会计学
1
学习目标：
本章是工程材料课程的重点章。 着重掌握：铁碳相图，铁碳合金的平衡结 晶过程，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过 冷奥氏体的转变，钢的淬透性、淬硬性。常用 热处理等热处理工艺。合金元素对钢的热处理 、钢的机械性能的影响。 熟悉纯金属、合金的结晶，金属的塑性加 工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。 表面技术部分作一般了解。
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2.1.4 铸锭的结构
一、铸锭结构
铸锭分为三个各具特征的晶区。
1. 细等轴晶区
锭2. 模柱温状度晶低区，导热快，
外层细3.液晶粗体形等金成轴属，晶过锭区冷模度温大度，升
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转 变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变 。
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纯铁的同素异构转变: ●液态纯铁在1538℃结
晶为体心立方晶格的δ-Fe
。 ●冷却到1394℃时发生 同素异构转变, 成为面心 立方晶格的γ-Fe。
●冷却到912℃时又发 生一次同素异构转变, 成
为体心立方晶格的α-Fe。
曲率线和实随成多长的长际着核,大左大晶工过速速边速粒程冷率 度部 度细中度NG分都小，的快大。增;过增,,大晶冷大结，粒度，晶成粗常成后核。处核晶速于速粒 率增大更快，比值N/G也增大
, 晶粒细化。
成核速率、长大速度 与过冷度的关系
第17页/共29页
增大过冷度的主要方法： 提高液态金属的冷却速度。 采用冷却能力较强的模子。 采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸 件晶粒要细小。 超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属 、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。 非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优 异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性 等。
清华大学工程材料第五版第二章
会计学
1
学习目标：
本章是工程材料课程的重点章。 着重掌握：铁碳相图，铁碳合金的平衡结 晶过程，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过 冷奥氏体的转变，钢的淬透性、淬硬性。常用 热处理等热处理工艺。合金元素对钢的热处理 、钢的机械性能的影响。 熟悉纯金属、合金的结晶，金属的塑性加 工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。 表面技术部分作一般了解。
清华大学工程材料第五版第六章!!!
复合材料的复合原则
老师提示：重点内容
6.1.1 纤维增强复合材料复合原则 一、纤维增强复合材料的强化机制 纤维增强相是具有强结合键材料或硬质 材料（陶瓷、玻璃等），内部含微裂纹，易 断裂，因而脆性大； 将其制成细纤维可降低裂纹长度和出现 裂纹的几率，使脆性降低，极大地发挥增强 相的强度。
●高分子基复合材料中纤维增强相有 效阻止基体分子链的运动； ●金属基复合材料中纤维增强相有效 阻止位错运动而强化基体。
6.2
复合材料的性能特点
6.2.1 复合材料的力学性能
一、比强度和比模量
比强度 材料的强度与其密度之比。 比模量 材料的模量与其密度之比。 材料的比强度或比模量越高，构件的自重 就越小，或者体积会越小。 通常，复合材料的复合结果是密度大 大减小，高的比强度和比模量是复合材料 的突出性能特点。
二、抗疲劳性能和抗断裂性能 1. 很好的抗疲劳性能 ●复合材料中纤维的缺陷少，抗疲劳能 力高； ●基体的塑性和韧性好，能够消除或减 少应力集中，不易产生微裂纹； ●塑性变形使微裂纹产生钝化而减缓其 扩展。 例如：碳纤维增强树脂的疲劳强度为拉 伸强度的70%～80%，一般金属材料却仅为 30%～50%。
3. 硼纤维树脂复合材料 硼纤维环氧树脂、硼纤维聚酰亚胺树脂 硼纤维的比强度与玻璃纤维的相近；比弹 性模量比玻璃纤维的高5倍；耐热性更高。 ●硼纤维树脂复合材料抗压强度和剪切强 度都很高(优于铝合金、钛合金)，且蠕变小； ●硬度和弹性模量高，疲劳强度很高； ●耐辐射及导热极好； 应用：用于航空航天器、宇航器的翼面、 仪表盘、转子、压气机叶片、螺旋浆的传动轴
210～ 230
500～800 500～620 400～510
200～ 220
100～150
工程材料绪论全解PPT课件
石器
陶器
瓷器 4
我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水 平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重达8750 N, 外型尺寸为1.33 m×0.78 m×1.10 m, 是迄今世界上最古老的大型青铜器。从湖北隋县出土的战 国青铜编钟是我国古代文化艺术高度发达的见证。
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
工程材料课程介绍
工程材料课程是高等院校机械类专业的一门十分重要的技术基础课。课程的任务是从机械工 程的应用角度出发，阐明机械工程材料的基本理论，了解材料的成分、加工工艺、组织、结构与 性能之间的关系；介绍常用机械工程材料及其应用等基本知识。
本课程的目的是使学生通过学习，在掌握机械工程材料的基本理论及基本知识的基础上，具 备根据机械零件使用条件和性能要求，对结构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初步能力 。
近年来超导材料、磁性材料、形状记忆材料、信息材料等各种功能材料有很大的发展。 我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果。 ➢ 研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢—贝氏体钢； ➢ 研制出零电阻温度为128.7 K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体)； ➢ 镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。 ➢ 材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展。
【清华课件】工程材料(A)CH15-SME-EngMater-英文版
Chapter 8 – Magnetic Properties: Magnetic Materials
Many of our modern technological devices rely on magnetism and magnetic materials.
✓Electrical motors, generators, and transformers; ✓Data storage: computer hard disks, video and audio cassettes; ✓Radios, televisions, telephones, CD players, loudspeakers; ✓Magnetic separation techniques in bioengineering and DNA
strong, m as high as 106
• Antiferromagnetism: Mn, Cr, MnO, NiO; very weak.
Induced dipoles
Permanent dipoles
• Ferrimagnetism: ceramics (ferrites): MFe2O4, or M2+O2--(Fe3+)2(O2-)3.
✓Favorably oriented domains grow at the expense of unfavorable ones, and finally rotate to become a single domain that is nearly aligned with the field.
✓ Exist below Tc (Curie temperature: 768C, 1120C, 335C, and 585C for Fe, Co, Ni, and Fe3O4, respectively);
Many of our modern technological devices rely on magnetism and magnetic materials.
✓Electrical motors, generators, and transformers; ✓Data storage: computer hard disks, video and audio cassettes; ✓Radios, televisions, telephones, CD players, loudspeakers; ✓Magnetic separation techniques in bioengineering and DNA
strong, m as high as 106
• Antiferromagnetism: Mn, Cr, MnO, NiO; very weak.
Induced dipoles
Permanent dipoles
• Ferrimagnetism: ceramics (ferrites): MFe2O4, or M2+O2--(Fe3+)2(O2-)3.
✓Favorably oriented domains grow at the expense of unfavorable ones, and finally rotate to become a single domain that is nearly aligned with the field.
✓ Exist below Tc (Curie temperature: 768C, 1120C, 335C, and 585C for Fe, Co, Ni, and Fe3O4, respectively);
清华大学工程材料第五版第五章
5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度，热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
（1）长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作 一般工业瓷制品。
（2）绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 （3）骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 （4）滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 （5）高石英质日用瓷 我国研制成功，石 英含量 ≥40%，瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例：
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲 击性较高；
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温， 推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性； 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示：重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分： 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。
功能材料清华大学工程材料
第7章 功能材料
内容提要：
介绍功能材料的发展及分类，介绍常用 电功能材料、磁功能材料、热功能材料、 光功能材料等应用。
学习目标：
了解各种功能材料及其基本应用。
●概述
具有某种或某些特殊物理性能 或功能的材料叫作功能材料。
电功能材料 磁功能材料 热功能材料 光功能材料
功能材料发展过程：
●最早：铜、铝导线及硅钢片等。电工合金、 磁与电金属功能材料（电力工业发展）
制作磁带、磁盘、磁卡片及磁鼓等。
●(Mn, Zn) Fe2O4系 (Ni, Zn) Fe2O4系单晶和多晶铁氧体 Fe-Ni-Nb(Ta)系 Fe-Si-Al系高硬度软磁合金 Fe-Ni(Mo)-B(Si)系 Fe-Co-Ni-Zr系非晶软磁合金
制作磁头。
●稀土-过渡族非晶合金薄膜 加Bi铁石榴石多晶氧化物薄膜
Mn-Ni-Cu三合合金 黑色金属合金：Fe-Ni-Mn合金、
Fe-Ni-Cr合金 制造热双金属片主动层材
料, 制造室温调节装置、自断
路器、各种条件下的自动控
制装置等。
双金属片式温度计
形状记忆材料 一、形状记忆效应
形状记忆效应 材料在高温下形成一定形状， 冷却到低温进行塑性变形为另一形状，然后 经加热后通过马氏体逆相变, 可恢复到高温 时的形状。
膨胀材料
热功能材料
☆ 老师提示：重点内容
绝大多数金属和合金都有热胀冷缩的现象， 不同金属和合金，膨胀和收缩程度不同。一般用 线膨胀系数来表示热膨胀性的大小。
根据膨胀系数的大小把膨胀材料分为三种： 低膨胀材料 定膨胀材料 高膨胀材料
一、低膨胀材料
低膨胀材料在-60 ℃～100 ℃内膨胀系数 极小。
磁性材料
磁铁氧体
内容提要：
介绍功能材料的发展及分类，介绍常用 电功能材料、磁功能材料、热功能材料、 光功能材料等应用。
学习目标：
了解各种功能材料及其基本应用。
●概述
具有某种或某些特殊物理性能 或功能的材料叫作功能材料。
电功能材料 磁功能材料 热功能材料 光功能材料
功能材料发展过程：
●最早：铜、铝导线及硅钢片等。电工合金、 磁与电金属功能材料（电力工业发展）
制作磁带、磁盘、磁卡片及磁鼓等。
●(Mn, Zn) Fe2O4系 (Ni, Zn) Fe2O4系单晶和多晶铁氧体 Fe-Ni-Nb(Ta)系 Fe-Si-Al系高硬度软磁合金 Fe-Ni(Mo)-B(Si)系 Fe-Co-Ni-Zr系非晶软磁合金
制作磁头。
●稀土-过渡族非晶合金薄膜 加Bi铁石榴石多晶氧化物薄膜
Mn-Ni-Cu三合合金 黑色金属合金：Fe-Ni-Mn合金、
Fe-Ni-Cr合金 制造热双金属片主动层材
料, 制造室温调节装置、自断
路器、各种条件下的自动控
制装置等。
双金属片式温度计
形状记忆材料 一、形状记忆效应
形状记忆效应 材料在高温下形成一定形状， 冷却到低温进行塑性变形为另一形状，然后 经加热后通过马氏体逆相变, 可恢复到高温 时的形状。
膨胀材料
热功能材料
☆ 老师提示：重点内容
绝大多数金属和合金都有热胀冷缩的现象， 不同金属和合金，膨胀和收缩程度不同。一般用 线膨胀系数来表示热膨胀性的大小。
根据膨胀系数的大小把膨胀材料分为三种： 低膨胀材料 定膨胀材料 高膨胀材料
一、低膨胀材料
低膨胀材料在-60 ℃～100 ℃内膨胀系数 极小。
磁性材料
磁铁氧体
清华大学工程材料课件
具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨 (W)、钒(V)、α-铁(α-Fe, <912 ℃)等。
体心立方晶胞特征： （1）晶格常数 a=b=c, α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 角上的原子属于8个相邻的晶胞，中心的原子属于这个晶胞。 一个体心立方晶胞所含的原子数为2个。
（3）原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。 体心立方晶胞中原子半径与晶格常数a之间的关系为：
晶体和非晶体的熔化曲线
2. 金属晶体具有各向异性 在晶体中, 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。这种性质叫做晶体的各向异性。
●●单单晶晶体体铁铁(只在含磁一场个中晶沿粒<)1的0弹0>性方模向量磁，化容易。制造变压器用的硅钢片的<100>方向应 平<●行11锌于1在>导方盐磁向酸方上中向为溶，2解以.9时降0，×低晶1变0面压5 M的器P溶的a解,铁速损度。的次序从大到小是： <100>方向上只有1.35×105 MPa。
异类原子 老师提示：点缺陷造成局部晶格畸变, 使金属的屈服强度、电阻率增加, 密度发生变化。
2. 线缺陷 指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，叫位错。由晶体中原子平面的错动引起。
（1）刃型位错 晶体的一部分出现一个多余的半原子面。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。
立方晶胞中的主要晶向
若两个晶向的全部指数数值相同而符号相反, 则它们相互平行或为同一原子列, 但方 向相反。
如[110]与 。
若只研究原子排列情况, 则晶向[110]与 可用同一个指数[110]表示。
大学《工程材料》课件PPT(九大章节完整版)
金属与金属、金属与非金属、非金属与非 金属都可以组成复合材料。当前主要研究 和应用的是以树脂、橡胶、陶瓷或金属为 基体，以各种纤维、粒子、片状物为增强 体组成的复合材料。
如果材料选择不当或加工不合理会给国民经 济造成重大损失，下面给大家介绍几个具体 事例：
1943年1月美国t-2型油船破断的实例属低应力脆断，类似 事件1962年澳大利亚金斯桥建成仅一年就突然断裂。
3、良好加工性能，如铸造，塑性变形，焊 接，机械加工等性能。并且通过热处理可以改变其 性能。
有机高分子材料：该类材料正以前所未有 的速度发展着。工程塑料世界年产量超过 150万吨，通过各种合成或制备技术，性 能不断提高，应用日广。有人预测，汽车 的车身不久将大部分采用塑料，每公斤工 程塑料可代替4-5公斤钢铁，而且可整体 成型，因而成本和油耗将进一步降低；有 机高分子功能材料发展更快，由于它是人 工合成的，且原料充足，可以设计出无穷 的新品种，前景十分广阔 。
青铜器时代 石器时代
复合材料时代 铁器时代
机敏/智能 材料时代
材料的分类：
按原子结构分： 1、金属材料（黑色金属，有色金属） 2、 非金属材料（有机，无机） 3、 复合材料（金属基、塑料基、陶瓷基） 按应用角度分：
1、结构材料，机械性能为主要使用性能兼 具一定物理和化 学性能，如制造机器零件的 钢材。 2、功能材料，具有特异的物理和化学功能， 如超导材料，形状记忆材料，储氢材料，激 光材料，半导体材料，纳米材料等 。
本课程基本由两部分组成
第一部分是金属学的理论基础。主要探讨 金属及合金的晶体结构和结晶过程，金属 在固态下的转变过程以及金属的塑性变形 等。这些基础知识是掌握工程材料内部结 构的变化规律和理解各类材料之间性能差 异的钥匙。
如果材料选择不当或加工不合理会给国民经 济造成重大损失，下面给大家介绍几个具体 事例：
1943年1月美国t-2型油船破断的实例属低应力脆断，类似 事件1962年澳大利亚金斯桥建成仅一年就突然断裂。
3、良好加工性能，如铸造，塑性变形，焊 接，机械加工等性能。并且通过热处理可以改变其 性能。
有机高分子材料：该类材料正以前所未有 的速度发展着。工程塑料世界年产量超过 150万吨，通过各种合成或制备技术，性 能不断提高，应用日广。有人预测，汽车 的车身不久将大部分采用塑料，每公斤工 程塑料可代替4-5公斤钢铁，而且可整体 成型，因而成本和油耗将进一步降低；有 机高分子功能材料发展更快，由于它是人 工合成的，且原料充足，可以设计出无穷 的新品种，前景十分广阔 。
青铜器时代 石器时代
复合材料时代 铁器时代
机敏/智能 材料时代
材料的分类：
按原子结构分： 1、金属材料（黑色金属，有色金属） 2、 非金属材料（有机，无机） 3、 复合材料（金属基、塑料基、陶瓷基） 按应用角度分：
1、结构材料，机械性能为主要使用性能兼 具一定物理和化 学性能，如制造机器零件的 钢材。 2、功能材料，具有特异的物理和化学功能， 如超导材料，形状记忆材料，储氢材料，激 光材料，半导体材料，纳米材料等 。
本课程基本由两部分组成
第一部分是金属学的理论基础。主要探讨 金属及合金的晶体结构和结晶过程，金属 在固态下的转变过程以及金属的塑性变形 等。这些基础知识是掌握工程材料内部结 构的变化规律和理解各类材料之间性能差 异的钥匙。
相关主题
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绪 论
前
言
工程材料课程是高等院校机械类专业的一 门十分重要的技术基础课。 课程的任务是从机械工程的应用角度出发， 阐明机械工程材料的基本理论，了解材料的成 分、加工工艺、组织、结构与性能之间的关系； 介绍常用机械工程材料及其应用等基本知识。
课程的目的是使学生通过学习，在掌握机 械工程材料的基本理论及基本知识的基础上， 具备根据机械零件使用条件和性能要求，对结 构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初 步能力。
绪 论
内容提要
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，一般介绍各类材料的性能特点。
学习目标
了解材料的结合键，了解各类工程材料的 性能特点。
0.1 中华民族对材料发展的重大贡献
材料是人类用来制造各种产品的物 质，是人类生活和生产的物质基础。人 类社会的发展伴随着材料的发明和发展。
涤纶安全带
尼龙齿轮
●陶瓷材料引人注目 陶瓷材料已用于制造机器零件和工程结构。 陶瓷具有许多特殊性能作为重要的功能材 料(例如可作光导纤维、激光晶体等)。 陶瓷脆性和抗热震性正在逐步获得改善， 是最有前途的高温结构材料。
耐磨陶瓷
绝缘陶瓷
●复合材料前途广阔 技术和工业的发展对材料性能提出越来 越高的要求。单一材料不能满足某些使用要 求。复合材料越来越得到人们的重视。 玻璃纤维树脂复合材料 碳纤维树脂复合材料 在航空航天工业中用于制造卫星壳体、 在交通运输工业中制造汽车车身、轻 在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、 飞机机身、螺旋桨等； 型船艇等； 耐油容器、管道等。
离子键示意图
氧化镁结构
离子键特点：
结合力很大。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，离子晶体都是良好的绝缘体。 离子外层电子被束缚，可见光的能量 一般不足以使其受激发，因而不吸收可见 光，典型的离子晶体是无色透明的。
二、共价键 处于周期表中间位置的三、四、五价元素 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。 由共用价电子对产生的结合键叫共价键。
由于能源、材料和信息是现代社会和现代 科学技术的三大支柱，学习并掌握工程材料的 基础知识，对于工科院校机械类专业的学生是 十分必要的。
课 程 目 录
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第9章 第10章 绪 论 材料的结构与性能 金属材料组织和性能的控制 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料 功能材料 机械零件的失效与选材原则 典型工件的选材及工艺路线设计 工程材料的应用
金属材料
想一想：结合工程实际，说说金属材料 的实际应用。
二、高分子材料 高分子材料为有机合成材料，亦称聚合 物。
由大量相对分子质量特别大的大分子化 合物组成。大分子内的原子之间由很强的共 价键结合，大分子与大分子之间的结合力为 较弱的范特瓦尔斯力。 高分子材料耐蚀性、绝缘性好，密度小， 加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热 性较差。在工程上是发展最快的一类新型结 构材料。
人造卫星
神舟”五号飞行成功
研制成功超7隐形战斗机，2003年8月30日 首飞成功。
研制成功歼7E、歼10 战斗机。加强了国 防力量。
超7隐形战斗机 歼7E战斗机
●研制潜艇、导弹核潜艇，加强海军力量。 导弹核潜艇 1983年8月加入海军 服役。装有12枚两级弹道导弹。
常规动力攻击潜艇 1999年5月首艇交付海 军使用。装有潜舰导弹，是 我国海军装备的最新一代国 产常规动力攻击潜艇。
共价键示意图
金刚石为共价晶体。 由碳原子组成，构成正四 面体：一个碳原子在中心，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 有SiC、Si3N4、BN等化合物。
金刚石结构
共价键特点：结合力很大。共价晶体强度 高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发 性低。
三、金属键 周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子丢失价电 子成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公 有，叫自由电子，在正离子之间自由运动，形成 电子气。正离子在三维空间规则分布。 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。这种结合力叫金属键。
●钢的热处理技术达到相当高的水平
●西汉《史记· 天官书》：淬火工艺要
点
●《汉书· 王褒传》：制剑技术
“水与火合为淬”
“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”
●明代科学家宋应星《天工开物》:
论述钢铁的退火、淬火、渗碳工艺。 钢铁生产工具的发展，对社 会进步起了巨大的推动作用。
五、丝绸——天然高分子材料 丝绸是一种天然高分子材料，在我国 有着悠久的历史。 我国丝绸质地柔软，色彩鲜艳，美观 华丽，光彩夺目。 于十一世纪传到波斯、阿拉伯、埃及， 于1470年传到意大利的威尼斯，进入欧洲。 中国丝绸，名扬四海。
甘肃马家窑文化时期的 陶器表面彩绘条带纹、波纹 和舞蹈纹等，制品有炊具、 食具、盛储器皿等。
陶器
瓷器——中国文化的象征
最早生产瓷器的国家。 东汉时期发明了瓷器。 于9世纪传到非洲东部 和阿拉伯国家，13世纪传到 瓷器 日本，15世纪传到欧洲。 瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产 生了极大的影响。 中国瓷器畅销全球，名誉四海。
四、分子键 甲烷分子在固态能相互结合成为晶体。 结合过程中没有电子的得失、共有或公有化。 靠范特瓦尔力结合起来，这种结合键 叫分子键。
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(F、O、N)相结合, 形成氢键。 氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。
镁铝合金叶轮
镁铝合金手机壳
●材料快速成型技术和材料表面处理 技术在我国得到迅速发展。
分层实体快速成形 减速机箱体原型
熔融沉积快速成形 叶轮原型
●激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽 车发动机缸套、凸轮轴、纺织用锭杆等零件 的表面强化上得到应用。 ●化学气相沉积技术制造高硬度、高耐 磨性的金黄色TiN薄膜, 用于耐磨零件和装 饰件的表面处理。
我们的祖先已经认识到了青铜的成 分、性能与应用之间的密切关系。
四、铁器的生产和应用 ●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。
●西汉时期炼铁技术提高 采用煤作为炼铁的燃料，比欧洲早1700多
导弹核潜艇
常规动力攻击潜艇
●碳纳米管的研究取得新成果 新型碳材料的研究方面取得许多新的成 果，利用碳纳米管作为衬底, 制备出均匀、 致密的金刚石薄膜，并用碳纳米管作为晶须 增强复合材料，制作纳米复合材料。
碳纳米管的结构
碳纳米管
材料科学和材料工程发展很快。 我们需要掌握材料科学的基本理论和 基本知识，研究和发明新的材料和新的工 艺，合理地使用各种工程材料，为四个现 代化建设事业作出贡献。 想一想：说出二个有关新材料、新工 艺的实际事例。
材料的发展历史 石器—陶器—青铜器—铁器—高分子材料—复合材料
0.1.1 中华民族对材料发展的重大贡献 一、石器的制造和使用
在人类的发展史上，最先使用的工具 是石器。 中华民族的祖先用坚硬的燧石和石英 石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。
石器
二、陶器与瓷器的发明和使用 新石器时代(公元前6000年～公元前 5000年)，中华民族的先人们用粘土烧制 成陶器。
尼龙66的结构
分子键特点：范德瓦尔斯力很弱，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，材料有良好的绝缘性。
0.2.2 工程材料的分类
工程材料 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。 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。
历史充分说明，我们勤劳智慧的祖先，
在材料的创造和使用上有着辉煌的成就，为
人类文明、世界进步作出了巨大贡献。
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？
0.1.2 新材料新工艺重大成果
一、新材料新工艺迅速发展
●高分子材料迅速发展 在当代，科学技术和生产飞跃发展。 从 20世纪60年代到70年代，高分子材料每 材料、能源与信息作为现代社会和现代技 年以 14％的速度增长。到70年代中期，全世界 术的三大支柱，发展格外迅猛。 的高分子材料和钢的体积产量已经相等； 高分子材料用作 结构材料代替钢铁外， 目前正在研究和开发 具有良好导电性能和 耐高温的高分子材料。
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。
铁人
黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)
●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。
玻璃钢赛车壳体
玻璃钢储液罐
●功能材料发展很快
超导材料、磁性材料、形状记忆材料、 信息材料等各种功能材料有很大的发展。
光缆
磁浮列车（时速430公里）
二、我国在新材料新工艺的研究和应用 方面取得重大成果 ●研制成功性能优越、用途广泛的新型 ●研制出零电阻温度为128.7 K的Tl-Ca结构钢 — 贝氏体钢； Ba-Cu-O 超导体 (铊系超导体)； ●镁铝合金的开发和应用研究取得重大 成果。
金属键示意图
钼的结构
金属由金属键结合，金属具有下列特性：
1.良好的导电性和导热性。 金属中存在大量自由电子，外加电场时 2.正的电阻温度系数。 电子可以定向地流动。 随温度升高电阻增大。 3.不透明并呈现特有的金属光泽。 金属的导热性很好。自由电子的活动性 自由电子能吸收并随后辐射出大部分 4.良好的塑性变形能力，金属材料的 很强，金属离子振动作用导热。 投射到表面的光能。 强韧性好。 金属键没有方向性，受外力作用发生 原子位置的相对移动时，结合键不会遭到 破坏。
前
言
工程材料课程是高等院校机械类专业的一 门十分重要的技术基础课。 课程的任务是从机械工程的应用角度出发， 阐明机械工程材料的基本理论，了解材料的成 分、加工工艺、组织、结构与性能之间的关系； 介绍常用机械工程材料及其应用等基本知识。
课程的目的是使学生通过学习，在掌握机 械工程材料的基本理论及基本知识的基础上， 具备根据机械零件使用条件和性能要求，对结 构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初 步能力。
绪 论
内容提要
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，一般介绍各类材料的性能特点。
学习目标
了解材料的结合键，了解各类工程材料的 性能特点。
0.1 中华民族对材料发展的重大贡献
材料是人类用来制造各种产品的物 质，是人类生活和生产的物质基础。人 类社会的发展伴随着材料的发明和发展。
涤纶安全带
尼龙齿轮
●陶瓷材料引人注目 陶瓷材料已用于制造机器零件和工程结构。 陶瓷具有许多特殊性能作为重要的功能材 料(例如可作光导纤维、激光晶体等)。 陶瓷脆性和抗热震性正在逐步获得改善， 是最有前途的高温结构材料。
耐磨陶瓷
绝缘陶瓷
●复合材料前途广阔 技术和工业的发展对材料性能提出越来 越高的要求。单一材料不能满足某些使用要 求。复合材料越来越得到人们的重视。 玻璃纤维树脂复合材料 碳纤维树脂复合材料 在航空航天工业中用于制造卫星壳体、 在交通运输工业中制造汽车车身、轻 在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、 飞机机身、螺旋桨等； 型船艇等； 耐油容器、管道等。
离子键示意图
氧化镁结构
离子键特点：
结合力很大。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，离子晶体都是良好的绝缘体。 离子外层电子被束缚，可见光的能量 一般不足以使其受激发，因而不吸收可见 光，典型的离子晶体是无色透明的。
二、共价键 处于周期表中间位置的三、四、五价元素 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。 由共用价电子对产生的结合键叫共价键。
由于能源、材料和信息是现代社会和现代 科学技术的三大支柱，学习并掌握工程材料的 基础知识，对于工科院校机械类专业的学生是 十分必要的。
课 程 目 录
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第9章 第10章 绪 论 材料的结构与性能 金属材料组织和性能的控制 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料 功能材料 机械零件的失效与选材原则 典型工件的选材及工艺路线设计 工程材料的应用
金属材料
想一想：结合工程实际，说说金属材料 的实际应用。
二、高分子材料 高分子材料为有机合成材料，亦称聚合 物。
由大量相对分子质量特别大的大分子化 合物组成。大分子内的原子之间由很强的共 价键结合，大分子与大分子之间的结合力为 较弱的范特瓦尔斯力。 高分子材料耐蚀性、绝缘性好，密度小， 加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热 性较差。在工程上是发展最快的一类新型结 构材料。
人造卫星
神舟”五号飞行成功
研制成功超7隐形战斗机，2003年8月30日 首飞成功。
研制成功歼7E、歼10 战斗机。加强了国 防力量。
超7隐形战斗机 歼7E战斗机
●研制潜艇、导弹核潜艇，加强海军力量。 导弹核潜艇 1983年8月加入海军 服役。装有12枚两级弹道导弹。
常规动力攻击潜艇 1999年5月首艇交付海 军使用。装有潜舰导弹，是 我国海军装备的最新一代国 产常规动力攻击潜艇。
共价键示意图
金刚石为共价晶体。 由碳原子组成，构成正四 面体：一个碳原子在中心，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 有SiC、Si3N4、BN等化合物。
金刚石结构
共价键特点：结合力很大。共价晶体强度 高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发 性低。
三、金属键 周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子丢失价电 子成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公 有，叫自由电子，在正离子之间自由运动，形成 电子气。正离子在三维空间规则分布。 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。这种结合力叫金属键。
●钢的热处理技术达到相当高的水平
●西汉《史记· 天官书》：淬火工艺要
点
●《汉书· 王褒传》：制剑技术
“水与火合为淬”
“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”
●明代科学家宋应星《天工开物》:
论述钢铁的退火、淬火、渗碳工艺。 钢铁生产工具的发展，对社 会进步起了巨大的推动作用。
五、丝绸——天然高分子材料 丝绸是一种天然高分子材料，在我国 有着悠久的历史。 我国丝绸质地柔软，色彩鲜艳，美观 华丽，光彩夺目。 于十一世纪传到波斯、阿拉伯、埃及， 于1470年传到意大利的威尼斯，进入欧洲。 中国丝绸，名扬四海。
甘肃马家窑文化时期的 陶器表面彩绘条带纹、波纹 和舞蹈纹等，制品有炊具、 食具、盛储器皿等。
陶器
瓷器——中国文化的象征
最早生产瓷器的国家。 东汉时期发明了瓷器。 于9世纪传到非洲东部 和阿拉伯国家，13世纪传到 瓷器 日本，15世纪传到欧洲。 瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产 生了极大的影响。 中国瓷器畅销全球，名誉四海。
四、分子键 甲烷分子在固态能相互结合成为晶体。 结合过程中没有电子的得失、共有或公有化。 靠范特瓦尔力结合起来，这种结合键 叫分子键。
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(F、O、N)相结合, 形成氢键。 氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。
镁铝合金叶轮
镁铝合金手机壳
●材料快速成型技术和材料表面处理 技术在我国得到迅速发展。
分层实体快速成形 减速机箱体原型
熔融沉积快速成形 叶轮原型
●激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽 车发动机缸套、凸轮轴、纺织用锭杆等零件 的表面强化上得到应用。 ●化学气相沉积技术制造高硬度、高耐 磨性的金黄色TiN薄膜, 用于耐磨零件和装 饰件的表面处理。
我们的祖先已经认识到了青铜的成 分、性能与应用之间的密切关系。
四、铁器的生产和应用 ●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。
●西汉时期炼铁技术提高 采用煤作为炼铁的燃料，比欧洲早1700多
导弹核潜艇
常规动力攻击潜艇
●碳纳米管的研究取得新成果 新型碳材料的研究方面取得许多新的成 果，利用碳纳米管作为衬底, 制备出均匀、 致密的金刚石薄膜，并用碳纳米管作为晶须 增强复合材料，制作纳米复合材料。
碳纳米管的结构
碳纳米管
材料科学和材料工程发展很快。 我们需要掌握材料科学的基本理论和 基本知识，研究和发明新的材料和新的工 艺，合理地使用各种工程材料，为四个现 代化建设事业作出贡献。 想一想：说出二个有关新材料、新工 艺的实际事例。
材料的发展历史 石器—陶器—青铜器—铁器—高分子材料—复合材料
0.1.1 中华民族对材料发展的重大贡献 一、石器的制造和使用
在人类的发展史上，最先使用的工具 是石器。 中华民族的祖先用坚硬的燧石和石英 石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。
石器
二、陶器与瓷器的发明和使用 新石器时代(公元前6000年～公元前 5000年)，中华民族的先人们用粘土烧制 成陶器。
尼龙66的结构
分子键特点：范德瓦尔斯力很弱，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，材料有良好的绝缘性。
0.2.2 工程材料的分类
工程材料 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。 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。
历史充分说明，我们勤劳智慧的祖先，
在材料的创造和使用上有着辉煌的成就，为
人类文明、世界进步作出了巨大贡献。
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？
0.1.2 新材料新工艺重大成果
一、新材料新工艺迅速发展
●高分子材料迅速发展 在当代，科学技术和生产飞跃发展。 从 20世纪60年代到70年代，高分子材料每 材料、能源与信息作为现代社会和现代技 年以 14％的速度增长。到70年代中期，全世界 术的三大支柱，发展格外迅猛。 的高分子材料和钢的体积产量已经相等； 高分子材料用作 结构材料代替钢铁外， 目前正在研究和开发 具有良好导电性能和 耐高温的高分子材料。
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。
铁人
黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)
●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。
玻璃钢赛车壳体
玻璃钢储液罐
●功能材料发展很快
超导材料、磁性材料、形状记忆材料、 信息材料等各种功能材料有很大的发展。
光缆
磁浮列车（时速430公里）
二、我国在新材料新工艺的研究和应用 方面取得重大成果 ●研制成功性能优越、用途广泛的新型 ●研制出零电阻温度为128.7 K的Tl-Ca结构钢 — 贝氏体钢； Ba-Cu-O 超导体 (铊系超导体)； ●镁铝合金的开发和应用研究取得重大 成果。
金属键示意图
钼的结构
金属由金属键结合，金属具有下列特性：
1.良好的导电性和导热性。 金属中存在大量自由电子，外加电场时 2.正的电阻温度系数。 电子可以定向地流动。 随温度升高电阻增大。 3.不透明并呈现特有的金属光泽。 金属的导热性很好。自由电子的活动性 自由电子能吸收并随后辐射出大部分 4.良好的塑性变形能力，金属材料的 很强，金属离子振动作用导热。 投射到表面的光能。 强韧性好。 金属键没有方向性，受外力作用发生 原子位置的相对移动时，结合键不会遭到 破坏。