工程材料 绪论
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机械工程材料-绪论-第一章
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二、过量变形失效
1 过量弹性变形及抗力指标
2 （1）零构件发生过量弹性变形失效： 3 Dl[Dl] (拉压或者弯曲条件下） 4 或者 q [q] （扭转条件下） 5 （2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够 6 （3）抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
.
2 过量塑性变形及抗力指标
3 （1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量 4 （2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑
，符号为s
T
.
（2）给定温度下，在规定时间内使试样产生一
定蠕变总变形量d的应力值，符号为：s
T d
/
t
2 持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的 能力。
3 表示方法：用给定温度和规定时间内试样发生 断裂时的应力表示，sTt t---时间；T----温度；
三、高温下零件的失效和防止
加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化）
.
三、 学习《机械工程材料》的目的
（1） 获得常用的金属材料、非金属材料的基本理论知 识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围；
（2）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根 据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材；
.
第五节 零件的腐蚀失效
问题 1 什么是腐蚀？可分为几类？ 2 高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热
钢为什么具有抗高温氧化能力？ 3 发生电化学腐蚀的条件是什么？ 4 改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么
.
一、腐蚀的定义和分类
1 腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反 应或者电化学反应所引起的表面损伤现 象。
5 （2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。
二、过量变形失效
1 过量弹性变形及抗力指标
2 （1）零构件发生过量弹性变形失效： 3 Dl[Dl] (拉压或者弯曲条件下） 4 或者 q [q] （扭转条件下） 5 （2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够 6 （3）抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
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2 过量塑性变形及抗力指标
3 （1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量 4 （2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑
，符号为s
T
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（2）给定温度下，在规定时间内使试样产生一
定蠕变总变形量d的应力值，符号为：s
T d
/
t
2 持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的 能力。
3 表示方法：用给定温度和规定时间内试样发生 断裂时的应力表示，sTt t---时间；T----温度；
三、高温下零件的失效和防止
加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化）
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三、 学习《机械工程材料》的目的
（1） 获得常用的金属材料、非金属材料的基本理论知 识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围；
（2）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根 据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材；
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第五节 零件的腐蚀失效
问题 1 什么是腐蚀？可分为几类？ 2 高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热
钢为什么具有抗高温氧化能力？ 3 发生电化学腐蚀的条件是什么？ 4 改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么
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一、腐蚀的定义和分类
1 腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反 应或者电化学反应所引起的表面损伤现 象。
5 （2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。
土木工程材料(绪论)
承重结构材料如钢筋、混凝土等
具有特殊如防水、装饰、绝热材料等
二、土木工程材料的分类 (1) 按材料在工程中的功能分类 结构材料 它们在建筑中承受各种荷载，起骨架 作用，其质量好坏直接危及结构安全，属 于这类材料的有钢材、水泥混凝土等。
二、土木工程材料的分类
围护与隔绝材料 它们在建筑中起围护与隔绝作用，以
•10 [香港]中国银行大厦
一、土木工程材料在工程中的地位和作用 • 材料的质量直接关系到工程的质量
例如:记忆深刻的1998年抗洪救灾，长江流域发生了千年 一遇的洪水。南京九江大堤决口，原因是防洪大堤的 防渗墙应采用水泥浆，结果用泥浆替代。朱镕基怒斥 为“豆腐渣工程”。 例如:重庆綦门垮桥事故 。 1999年1月4日18时52分，横 跨重庆綦江县新旧城区的虹桥随着一声巨响在一瞬间 全部塌垮据不完全统计，这次人行桥梁塌垮事故至少 造成24人死亡，11名武警士兵和部分群众下落不明， 14人受轻重伤。
楼脆脆
楼歪歪
一、土木工程材料在工程中的地位和作用的分类 通过对诸多工程事故的分析，工程质 量与材料有关的比例是相当高的。主要表
现在以次充好，偷工减料，选择、使用材
料不当等原因。
二、土木工程材料的分类
土木工程材料品种繁多，我们可按不同原则进行分
类：
化学成分
无机材料
有机材料 复合材料
建筑结构材料 功能 建筑功能材料
四、土木工程材料的标准化
• 各级标准均有相应的代号，其表示方法由 标准名称、标准代号、发布顺序号和发布 年号组成。例如：
《烧结普通砖》GB/T 5101－1998
发布年号：1998年 发布顺序号：5101 推荐标准：T 标准代号：GB 标准名称：烧结普通砖
土木工程材料教材：绪论及第一章土木工程材料的基本性质
一般硬度越大耐磨性越章 土木工程材料的基本性质
§1-3 材料与水有关的性质
一、材料的亲水性与憎水性： 材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现 为亲水与憎水两种不同的性质。用润湿角判断。 润湿角： θ
θ≤90o 亲水材料 90o＜ θ≤180o 憎水材料
体积吸水率:
WV
m
b
mg V0
W
100 % Wm 0
mb——吸水饱和后质量 mg ——干燥状态下质量 V0——干燥时自然体积 0 ——干燥时体积密度
第一章 土木工程材料的基本性质
2、吸湿性：材料在空气中吸收水的性质。
含水率
Wh ms mg mg 100%
绪
论
20世纪——预应力混凝土、高分子材料 21世纪——轻质、高强、节能、高性能绿色建材
2、土木工程材料的发展趋势： （1）轻质、高强；（2）发展多功能材料； （3）廉价、低耗能（4）由单一材料向复合材料及制品发展 （5）扩大装配式预制构件的工厂化生产； （6）用工农业废料、废渣等代替自然资源为原料，向环 保方向发展；（7）发展更多花色品种的装饰材料。
例题：已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%，此试样在自然状
态下的体积为40cm3，质量为85.50g，吸水饱和后的质量为89.77g，
烘干后的质量为82.30g。试求该材料的密度、表观密度、开口孔隙 率、闭口孔隙率。
解：密度=干质量/密实状态下的体积
=82.30/40×（1-0.24）=2.7g/cm3 开口孔隙率=开口孔隙的体积/自然状态下的体积
第一章 土木工程材料的基本性质
2、耐磨性：耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。常用 耐磨率表示（道路路面、工业地面、踏步、台阶等受磨损的 部位，选择材料需考虑其耐磨性）。
§1-3 材料与水有关的性质
一、材料的亲水性与憎水性： 材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现 为亲水与憎水两种不同的性质。用润湿角判断。 润湿角： θ
θ≤90o 亲水材料 90o＜ θ≤180o 憎水材料
体积吸水率:
WV
m
b
mg V0
W
100 % Wm 0
mb——吸水饱和后质量 mg ——干燥状态下质量 V0——干燥时自然体积 0 ——干燥时体积密度
第一章 土木工程材料的基本性质
2、吸湿性：材料在空气中吸收水的性质。
含水率
Wh ms mg mg 100%
绪
论
20世纪——预应力混凝土、高分子材料 21世纪——轻质、高强、节能、高性能绿色建材
2、土木工程材料的发展趋势： （1）轻质、高强；（2）发展多功能材料； （3）廉价、低耗能（4）由单一材料向复合材料及制品发展 （5）扩大装配式预制构件的工厂化生产； （6）用工农业废料、废渣等代替自然资源为原料，向环 保方向发展；（7）发展更多花色品种的装饰材料。
例题：已知某种建筑材料试样的孔隙率为24%，此试样在自然状
态下的体积为40cm3，质量为85.50g，吸水饱和后的质量为89.77g，
烘干后的质量为82.30g。试求该材料的密度、表观密度、开口孔隙 率、闭口孔隙率。
解：密度=干质量/密实状态下的体积
=82.30/40×（1-0.24）=2.7g/cm3 开口孔隙率=开口孔隙的体积/自然状态下的体积
第一章 土木工程材料的基本性质
2、耐磨性：耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力。常用 耐磨率表示（道路路面、工业地面、踏步、台阶等受磨损的 部位，选择材料需考虑其耐磨性）。
建筑材料绪论
绪论
6.本课程的学习要求
（1）知识目标。熟悉土木建筑工程中常用建筑材料的品种、规格；掌握 常用材料技术性能的检测原理、检测方法和质量评价方法；掌握混凝土 配合比设计原理及方法；掌握建筑材料应用和保管等方面的知识。
（2）能力目标。会根据工程需要合理选择建筑材料，会进行常用建筑材 料的取样、检测，能正确填写检测报告并进行试验结果的客观评价，能 自主学习新标准、新规范，自主跟踪新材料和新技术的发展和应用。
表示推荐性的技术标准时，在标准代号后加“/T”。我国国家标 准及某些行业标准代号示例见表0-2。
绪论
表0-2 国家标准和行业标准代号示例
5.建筑材料的发展趋势
绪论
(3)
•发展“绿色建筑材料” 或“生态建筑材料”。 (2)
•在制品形式方面，向预制化、 构件化的方向发展。 (1) •在材料性能方面，向轻质、高 强、耐久的方向发展。
3.建筑材料的性能要求
绪论
经济的快速发展，带动了人们物质和生活水平的不断提 升。当今社会，人们在生产、生活、学习、工作、休闲娱 乐等方面，关注的核心是建筑物、构筑物和基础设施的美 观、舒适、经济、环保、耐久、安全、高效能等综合性能 ，为此，建筑材料的性能必须满足相关性能的综合要求。 实际使用中，对不同种类、不同用途的材料所重点考虑的 性能有所不同或者是各有侧重。
3）技术标准的表示
绪论
图0-1 标准各部分组成示例
绪论
《中华种。
（1）强制性标准是国家要求对其规定的各项内容必须无条件遵照 执行的标准。否则，国家将依法追究当事人的法律责任。
（2）推荐性标准是国家鼓励自愿采纳、具有指导作用而又不宜强 制执行的标准。但是，推荐性标准一旦经法律、法规或经济合同采 纳，被引用的推荐性标准则在规定的相应范围内强制执行。
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。
第一章绪论习题答案(建筑材料)
第一章绪论习题1．建筑工程材料主要有哪些类别?1）按使用功能分类根据建筑材料在建筑物中的部位或使用性能，大体上可分为三大类，即建筑结构材料、墙体材料和建筑功能材料。
根据材料的化学成分，可分为有机材料、无机材料以及复合材料三大类2．建筑工程材料的发展趋势如何?1．生产所用的原材料要求充分利用工业废料、能耗低、可循环利用、不破坏生态环境、有效保护天然资源。
2．生产和使用过程不产生环境污染，即废水、废气、废渣、噪音等零排放。
3．做到产品可再生循环和回收利用。
4．产品性能要求轻质、高强、多功能，不仅对人畜无害，而且能净化空气、抗菌、防静电、防电磁波等等。
5．加强材料的耐久性研究和设计。
6．主产品和配套产品同步发展，并解决好利益平衡关系。
第二章习题一、选择题1.脆性材料的如下特征，其中何者是正确的？_a_______A．破坏前无明显变形 B．抗压强度与抗拉强度均较高C．抗冲击破坏时吸收能量大 D．受力破坏时，外力所做的功大2.材料的密度指的是_c_______。
A.在自然状态下，单位体积的质量B.在堆积状态下，单位体积的质量C.在绝对密实状态下，单位体积的质量D.在材料的体积不考虑开口孔在内时，单位体积的质量3.材料在空气中能吸收空气中水分的能力称为_b_______。
A.吸水性B.吸湿性C.耐水性D.渗透性4．孔隙率增大，材料的____b____降低。
A、密度B、表观密度C、憎水性D、抗冻性5．材料在水中吸收水分的性质称为____a____。
A、吸水性B、吸湿性C、耐水性D、渗透性6．含水率为10%的湿砂220g，其中水的质量为____a____。
A、19.8gB、22gC、20gD、20.2g7．材料的孔隙率增大时，其性质保持不变的是___c_____。
A、表观密度B、堆积密度C、密度D、强度8普通混凝土标准试件经28d标准养护后测得抗压强度为22.6MPa，同时又测得同批混凝土水饱和后的抗压强度为21.5MPa，干燥状态测得抗压强度为24.5MPa 。
建筑材料复习重点
建筑材料复习提纲第一章绪论1.材料内部构造层次：宏观、显微、微观构造2.材料宏观6构造：散粒、聚集、多孔、致密、纤维、层状构造3.晶体；多晶体；玻璃体；原子、离子、分子晶体；硅酸盐构造；4.密度；体积密度；表观密度；堆积密度；孔隙率；空隙率；质量吸水率；体积吸水率〔＝开口孔隙率〕；闭口孔隙率；水饱和度(KB)；软化系数KP。
10大公式-计算题5.孔隙率影响：强度；抗渗性〔K、P〕；抗冻性〔F〕；导热系数；绝热性能；体积密度；强度；强度等级；比强度；强度试验影响因素：试件尺寸、高宽比、外表粗糙度、加荷速度、温度湿度6.弹性；塑性；韧性；脆性；亲水性；憎水性；润湿角；耐水性〔软化系数KP〕；含水率；7.耐久性的概念与包括的内容:导热系数；比热容；导热系数影响因素(化，显；孔；水)；材料热容量的意义：热容量大，温度稳定第二章砖石材料1.主要造岩矿物：石英、长石、方解石；2.岩石构造：块状、层片状、斑状、气孔状3.岩石形成与分类：岩浆岩、沉积岩、变质岩4.岩浆岩分类：深、喷、火5.建筑常用岩石：花岗岩〔深〕、石灰岩、砂岩〔沉〕、**岩〔变〕、玄武岩〔喷〕6.岩石用途7.砖的标准尺寸:1M3砖512块；外观质量；强度评定方法：10个试件按变异系数δ大小分类〔≤0.21：平＋标；＞0.21：平＋最小值〕；8.过火砖与欠火砖；青砖、红砖9.烧结普通砖的质量等级〔优，一，合〕：强度、抗风化、尺寸、外观、泛霜与石灰爆裂10.多孔砖与空心砖11.粘土的可塑性、烧结性第三章气硬性胶凝材料1.气硬性〔水硬性〕胶凝材料；生石膏〔2〕；建筑石膏与高强度石膏分子式！；建筑石膏的凝结、硬化；石膏缓凝剂2.生石灰、熟石灰、石灰膏；欠火石灰与过火石灰；陈伏；石灰的凝结、硬化过程；石灰、石膏的特性比拟；3.水玻璃的化学式；水玻璃模数；水玻璃模数与密度〔浓度〕对水玻璃性质的影响；水玻璃的固化剂；硬化水玻璃的性质：酸；热4.菱苦土的化学组成与原料；调拌菱苦土的溶液；硬化菱苦土的特点第四章水泥1.硅酸盐水泥生产的原料与主要生产环节2.硅酸盐水泥的定义；熟料矿物组成〔4＋1〕；3.各矿物水化产物、水化特性！；石膏的作用〔无：速；适宜；多：水化硫铝酸钙腐蚀〕；4.水泥石组成：凝胶体(2)，晶体(3)；未水化水泥颗粒；毛细孔；5.水泥强度影响因素：W/C；时间，温度、湿度；硅酸盐水泥强度等级〔6〕6.水泥的初凝与终凝；细度测定：硅酸盐水泥〔比外表〕、其他水泥〔筛分析法〕；水泥的安定性：f-CaO,f-MgO，SO37.水泥的腐蚀：软水、镁盐、碳酸腐蚀(CH)；硫酸盐腐蚀〔C3A、Aft〕；防止腐蚀措施：适宜水泥，CH、C3A少，密实，外表涂层；8.活性混合材与非活性混合材；活性混合材种类；激发剂(石膏，CH)；活性混合材在激发剂作用下的水化；二次反响9.硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥特点；矿渣〔耐热好，抗渗差〕、火山灰〔抗渗好，干裂〕、粉煤灰〔收缩小，泌水大〕；水泥的选择：根据环境与工程要求合理选择水泥水泥的选择：A-硅酸盐水泥；B-掺混合材水泥A/B：1.早强高/低，后期强度高；2.水化热高/低；3.耐腐蚀差/好。
材料工程基础绪论
六、材料工程基础课程安排 第一篇 金属材料及制备加工工艺 第二篇 陶瓷材料及其制备和加工工艺
第三篇 高分子材料与复合材料的制备和加 工工艺 第四篇 材料的失效与防护
第五篇 材料工程新技术
七、材料工程基础课程的意义 1了解材料工程技术及装备 2 以教学大纲内容为基础
3 结合材料学院特色方向
4 结合地区优势资源
四、材料工程基础所涉及的三大种类
金属材料 • 优点：综合力学性能好 ；耐热，耐寒；工艺性能 好；导电、导热、磁性好。 • 缺点：能源、资源、环境问题。价格相对较高。 陶瓷材料 • 优点：硬度高，弹性模量大；耐热，绝缘性好； 电阻率高，介电损耗低。 • 缺点：脆性问题。 高分子材料 • 优点：轻、柔韧、加工方便。 • 缺点：不耐热
八、本课程的性质与特点 本课程特点 概念术语多 需要学习的知识点多 涉及相关学科多（物理学、化学、热力学 、矿物学、金属学、陶瓷学以及高分子学 等） 需要系统性化了解工艺流程
八、本课程的性质与特点
本课程性质 讲授金属材料和非金属材料的零件及毛坯的成形 过程、原理及特点的学科专业基础课程。 包括材料成形主要工艺方法中的铸造、锻压、粉 末成形、焊接和塑料、橡胶、陶瓷的成形方法以 及有关模具设计、加工、制造方面的专业知识， 并介绍国内外正在发展的成形新技术、新工艺、 新方法。 通过本课程的学习，拓宽知识面。使学生掌握各 种材料成形的基本理论和基本方法，使学生能够 根据产品的形状、结构、尺寸以及生产实际情况 ，确定合理的成形过程及方法。
提出新概念、新理论。
材料工程侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想
并使之投入应用，二者相辅相成。
三、材料科学与材料工程的关系 材料科学基础: 将各种材料（包括金属、 陶瓷、高分子材料）的微观特性和宏观规 律建立在共同的理论基础上，用于指导材 料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了 材料科学和材料工程的基础理论。 材料科学的基础理论，为材料工程指明方 向，为更好地选择、使用材料，发挥现有 材料的潜力、发展新材料提供理论基础。
(最新整理)土木工程材料绪论(发展史)
2021/7/26
38
工业时代：钢铁、混凝土
芝加哥保险公司大厦（1885年） 共10层，高55米
2021/7/26
埃菲尔铁塔（1889年） 塔高328米，重约7000吨 18000多个钢铁部件和250万个铆钉
39
钢
2021/7/26
优点
工业时代：钢铁、混凝土
缺点
轻质高强 刚度大 材质均匀
塑性、韧性好
世界上第一幢钢筋混凝土高层建4筑8
混 凝 土
2021/7/26
工业时代：钢铁、混凝土
优点 缺点
原材料丰富 成本低 抗压强度高 可塑性好
与钢筋粘结良好
抗拉强度低 自重大 硬化慢
49
课堂讨论
工业时代：钢铁、混凝土
为什么钢筋和混凝土两者能够融合在一起，协同工作非 常好呢？
2021/7/26
50
工业时代：钢铁、混凝土
重点关注
梁跨度都很小
石的抗压强度高
16
青铜时代：石材
生活现象
2021/7/26
集中荷载作用下梁的弯曲变形图
胸口碎大石
抗弯抗剪 强度较弱
17
新石器时代：土、木 课堂讨论
石的抗压强度很高，而它的抗弯抗剪很弱，跨度如此之 小，怎么用石材修建一些跨度比较大的建筑呢？
2021/7/26
18
青铜时代：石材
46
工业时代：钢铁、混凝土
1900年 1850年 1800年
1875年 建成钢筋混凝土桥 1867年 发明钢网水泥花盆 1824年 发明波特兰水泥 1796年 烧制罗马水泥
1875年,莫尼埃建成了 世界上第一座钢筋混凝土 桥,建于苏格兰连芬南德混 凝土高架桥。
第一章材料科学与工程基础绪论
• 1-1 材料的定义和分类 材料的定义和分类(Definition and Classfication) • 1-1-1定义 定义 • 1. 材料 Materials • Material：材料科学 （工科） • 物质科学 （理科） • Webster编者“New International Dictionary（1971年）” 中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造 某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整 体或部分）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维 等） • 迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料 迈尔《新百科全书》 中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始 物料，如金属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然 纤维和化学纤维等等。 • 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和 物理性状的物质。 物理性状的物质。
3. 高分子材料 polymers, Marcomolecules
(1) 分类 • 碳链 –C–C–C 按主链结构 杂链 –C–N–C=O –C–O–C– backebone 元素 Si 、P、B 通用塑料、工程塑料； 热塑性、热固性 橡胶 Ruber 天然、合成 人造、合成 按使用性质 纤维 Fiber 粘合剂 Adhesive 涂料 Coating 塑料 Plastics
•
•
function
应用领域分类
•
application
1. 金属材料 metals (1) 黑色金属材料 • 化学成分——碳素钢、合金钢
• • Stell • 品质——普通、优质、高级优质钢 用途——建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢 冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢 灰铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁 特殊性能铸铁
【同济大学】【材料学院】材料科学与工程基础-绪论
1 f (E) EEF
e kBT 1
式中f(E)称为费米分布函数，EF即是费米能量或 化学势
分布函数f具有下列性质： 当T=0K, 若E<EF，f（E）=1；
而E>EF，f（E）=0； 当T >0K，若E=EF，f（E）=1/2；
而E>EF，f（E） > 0； 若E<EF，f（E） < 1
可见，当T > 0K时，在EF附近的少量电子（比EF小kBT）因 吸收热能而跃迁到能量较高的状态。在室温下kBT ≈0.025ev, 而EF有几个电子伏特，即kBT ≈10-2 EF，因此只有少量和EF接 近的电子能跃迁。
形成库柏电子对的最佳状态是： K1+ K2= K1'+ K2'=0
5、极化子 在离子晶体中，电子的运动会影响离子的平
衡位置；它吸引正离子使之内移，排斥负离子 使之外移，从而产生离子的位移极化，导致所 在区域内电子静电势的下降，出现趋于束缚电 子的势阱，构成电子的束缚态——电子的自陷 态。这可以看成是一个准粒子（电子+晶格畸 变），称为极化子
杂化轨道：原子在化合成分子的过程中，原有（能量相近） 的原子轨道线性地组合成新的原子轨道，称为杂化轨道，但 轨道数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改变。 原子轨道经杂化后，可使成键的相对强度加大。
分子轨道：分子中每个电子是在各个原子核和其余电子组成的 势能中运动，它的运动状态可用分子轨道描述（波函数）。 分子轨道可近似地用能量相近的原子轨道组合得到。轨道数 不变，能量改变。
晶向指数是从原点出发到达某一阵点，其方向
用该阵点的坐标来表示，并取互质的最小整数倍，
微观粒子的状态用波函数ψ（r，t）描述， 当时间改变时粒子状态（波函数）将按照薛定谔 （Schrodinger）方程进行变化.
e kBT 1
式中f(E)称为费米分布函数，EF即是费米能量或 化学势
分布函数f具有下列性质： 当T=0K, 若E<EF，f（E）=1；
而E>EF，f（E）=0； 当T >0K，若E=EF，f（E）=1/2；
而E>EF，f（E） > 0； 若E<EF，f（E） < 1
可见，当T > 0K时，在EF附近的少量电子（比EF小kBT）因 吸收热能而跃迁到能量较高的状态。在室温下kBT ≈0.025ev, 而EF有几个电子伏特，即kBT ≈10-2 EF，因此只有少量和EF接 近的电子能跃迁。
形成库柏电子对的最佳状态是： K1+ K2= K1'+ K2'=0
5、极化子 在离子晶体中，电子的运动会影响离子的平
衡位置；它吸引正离子使之内移，排斥负离子 使之外移，从而产生离子的位移极化，导致所 在区域内电子静电势的下降，出现趋于束缚电 子的势阱，构成电子的束缚态——电子的自陷 态。这可以看成是一个准粒子（电子+晶格畸 变），称为极化子
杂化轨道：原子在化合成分子的过程中，原有（能量相近） 的原子轨道线性地组合成新的原子轨道，称为杂化轨道，但 轨道数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改变。 原子轨道经杂化后，可使成键的相对强度加大。
分子轨道：分子中每个电子是在各个原子核和其余电子组成的 势能中运动，它的运动状态可用分子轨道描述（波函数）。 分子轨道可近似地用能量相近的原子轨道组合得到。轨道数 不变，能量改变。
晶向指数是从原点出发到达某一阵点，其方向
用该阵点的坐标来表示，并取互质的最小整数倍，
微观粒子的状态用波函数ψ（r，t）描述， 当时间改变时粒子状态（波函数）将按照薛定谔 （Schrodinger）方程进行变化.
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2020/12/11
专辑：北京奥运会的新材料（4）
以特氟纶纤维制成的鲨鱼皮 泳衣，表面模仿了鲨鱼表皮成 排的脊柱形小突起，能减少4％ 的阻力，减少5％的氧气消耗， 成绩提高2％。
英国“速比涛”(Speedo)公 司的第四代鲨鱼皮LZR Racer， 售价7000元人民币，寿命只有6 次。
2020/12/11
2020/12/11
福特汽车中使用的材料
2020/12/11
2020/12/11
汽车发动机和传动系示意图
飞机所用材料比例变化
铝合金 81%
钢14%
复合材料3% 钛合金2%
复合材 料65%
钢14% 其它10％
波音767
铝合金 11%
亚音速飞机1985～1995
飞机发动机↓1kg→飞机↓4kg→飞行上限↑10m 航天飞行器↓1kg→运载火箭↓500kg
《科学美国人》网站报道： 将计算机、监控器、打印机和 玻璃制品等粉碎，随后分离出 钢、铝、铜、玻璃和其他有用 物质，并将余下的碎片倒入 1200℃高温的熔炉中，以获取 那些不能通过简单粉碎提炼出 的金属材料。
2020/12/11
专辑：温哥华冬奥会的新材料（2） ——聚氨酯速滑服
速滑竞赛服就在大腿处 使用了比普通纤维弹性强数 十倍的橡胶材料，可最大程 度地减少体力消耗；右胯部 以内附着的是“3M”合成纤 维，可有效减小摩擦力。
新的航天飞机外壳用NiCr-Fe合金制造，外层隔热板 由一层TiAl合金与一层绝热材 料组成。
2020/12/11
一、材料与材料技术
例6：磁悬浮列车（超导材料）
2020/12/11
一、材料与材料技术
例6：磁悬浮列车（超导材料）
超导磁悬浮列车如何悬浮？在每节车厢的底部安装了超导磁体，路面 上埋许多闭合Al环。在超导磁体的线圈中通入电流产生很强的磁场。列车 开动后，超导磁体相对于Al环运动，在Al环里感应出强电流，并相应形成 强磁场。超导体的完全抗磁性使车上的超导磁体受到地面Al环的向上托 力，车速愈快，托力愈大。
2020/12/11
专辑：温哥华冬奥会的新材料（1） ——电子垃圾铸奖牌
2020/12/11
专辑：温哥华冬奥会的新材料（1） ——电子垃圾铸奖牌
奖牌直径100mm，厚 6mm，重量500~576克。每 块金牌中有1.5%左右的成 分来自于从电子垃圾碎片中 提取的金属。
2020/12/11
专辑：温哥华冬奥会的新材料（1） ——电子垃圾铸奖牌
一、材料与材料技术
人类使用材料的七个时代
公元前10万年 公元前3000年 公元前1000年 公元0年 1800年
1950年
1990年
石器时代 青铜器时代 铁器时代 水泥时代 钢时代
硅时代(信息时代)
新材料时代
2020/12/11
一、材料与材料技术
2020/12/11
一、材料与材料技术
2020/12/11
工程材料 绪论
一、材料与材料技术
师昌绪：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他 产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称作材 料。
朱光亚：材料技术已成为不同工程领域具有共性的关键技术。
张立同：耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术（“摔 不碎的陶瓷”，2004年度国家技术发明一等奖）（视频 12345） 。 黄伯云：高性能碳／碳航空制动材料制备技术（ 2004年度国 家技术发明一等奖）（视频1234567） 。
属、复合材料，其余用碳纤维、 石墨纤维等复合材料，不易反射 雷达波。 ④机翼前缘：全部包覆吸波材料。 ⑤机体：喷涂吸波油漆。
2020/12/11
一、材料与材料技术
例5：未来的航天飞机（复合材料）
主结构用合成材料。航天 飞机返回地球时，机身温度超 过1000℃ ，以前的航天飞机外 表面使用碳陶瓷片，在二次飞 行期间许多碳陶瓷片需更换， 很麻烦。
9％——订单少，不得不修改
新空客A350 53％
14％——订单逐渐增加
尾翼→机翼→机身（复合材料）
（F-22，7％重量来源于Ti合金铸件）
2020/12/11
导弹壳体用材料
2020/12/11
三、材料科学与机械工程
材料科学与工程的四要素
使用性能
制备合成/加工工艺
材料固有性能
} 合理的材料
优良的设计 合适的加工
2020/12/11
飞机用材料
2020/12/11
中国的大飞机（总重>100t）计划
《国家中长期科学和技术发展规划》之16个重大专项之一 07.2国务院原则通过，08.5中国商用飞机有限公司成立（上海）
其中复合材料及Ti合金重量非常关键
复合材料 Ti合金
B787 50％
15％——订单多
空客A350 37％
2020/12/11
□教材
机械工程材料（第二版），王章忠主编 ， 机械工业出版社
□实验指导书 工程材料习题与辅导（第三版），朱张校主编 ， 清华大学出版社
□参考书
工程材料（第三版）， 郑明新主编 ，清华大学出版社
□授课教师 乔 斌 13016900182，jixie@
尚 峰 13851297415，shf184518@
2020/12/11
一、材料与材料技术
例1：泰坦尼克号事件（泰坦尼克号遇难有新说）
《造船厂使用劣质材料 酿成震惊世界惨祸》
劣 质 铆 钉 ！
2020/12/11
一、材料与材料技术
例2：9.11《世贸大厦是豆腐渣工程》
（阻燃材料、环保材料、钢结构）
造价11亿美元 用钢7.8万吨 110层 411米 历时7年竣工
2020/12/11
例1 底特律活塞队 例2 曼联队 例3 浦项制铁队
∙农业文明：牛、马、羊、土地（农业经济）
∙工业文明：钢、铁
（工业经济）
∙现代文明：纳米等新材料 （知识经济）
2020/12/11
汽车中各种材料的大致比例
塑料10%~20% 铝合金5%~10%
其它
铁合金60%~75%
2020/12/11
□实验教师 李化强 13912161729，lhq6729@
□实验地点 工训中心S416，金相分析室、热处理实验室 □工程材料校精品课程网站网址
2020/12/11
□教师用参考书 （1）热处理工， 邵红红主编 ，化学工业出版社 （2）工程材料及应用，汪传生、刘春廷主编，2008.2，西安电子科技大学出版社 （3）烧结金属含油轴承，韩凤麟、贾成厂编著，2004.6，化学工业出版社 （4）信息材料概论，林健编著，2007.7，化学工业出版社 （5）铜合金及其加工技术，王碧文、王涛、王祝堂编著，2007.1，化学工业出版社 （6）材料科技导论，耿保友主编，2007.7，浙江大学出版社 （7）金属加工（期刊），2008-2009
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
二、材料的分类与概况
按材料的性能特点分：
1. 结构材料 2. 功能材料
2020/12/11
二、材料的分类与概况
按材料的化学属性分:
1. 金属材料
黑色金属：铁及铁基合金材料
有色金属：轻金属、重金属、贵金属、稀有金属
2. 高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维和胶粘剂 3. 陶瓷材料：传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷 4. 复合材料：树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料
2020/12/11
成分/组织结构
优质、适用的机械产品
四、本课程的目的、内容与学习要求
一个关系：成分 组织 结构 性能 两张图：Fe - Fe3C相图（成分、组织）
C曲线 （制备、加工）
三种材料：钢、铸铁、有色金属 四种热处理：退火、正火、淬火、回火
进一步延伸为：
三个方面：原理、工艺、应用 四种材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料
2020/12/11
专辑：北京奥运会的新材料（1）
2020/12/11
专辑：北京奥运会的新材料（1）
水立方（water cube）177×177×30米 采用聚四氟乙烯（ETFE）制造外部膜
1. 较好延展性：拉到本身的3 ~ 4 倍长都不断裂； 2. 抗压性：充气后，每块膜都能承受1辆汽车的
重量，可抵御暴雨、冰雹、沙尘暴； 3. 耐火性：燃点715℃，燃烧后无扩散、无烟，
专辑：北京奥运会的新材料（5）
竹竿
撑
→ →→
高
金属杆
跳
女
玻璃纤维
皇 伊
辛
碳纤维复合材料
巴
耶
娃
2020/12/11
专辑：北京奥运会的新材料（6）
杭州产 “HF-5型碳纤维复 合材料四人新型赛艇”采用单向 碳纤维制造，重量轻、强度高、 刚性好，不仅提高了赛艇的安全 性，也提高了划船效率。帮助中 国四朵金花一举拿下赛艇女子四 人双桨的金牌。
企业1200家 5万人上班 游客15万人
3000多人丧生 ！！！
2020/12/11
世贸大厦倒塌
一、材料与材料技术
高温
建筑材料燃烧
钢梁钢柱严重软化
释放大量有毒烟雾
强度急剧降低 倒塌
导致人窒息死亡
45钢室温→600℃ σb↓1/2 Al合金室温→400℃ σb↓＜1/10
解决办一法是：用阻燃材料；
二是用绿色环保材料。
2020/12/11
汽车中的塑料
汽车减重10％，油耗降低6％～8％。 塑料在轿车上占车身重10％～30％ 汽车中用聚丙烯100kg可替代200～300kg其它材料，相应 地在15万km的平均寿命里可减少燃料消耗750L。 与钢材相比，聚丙烯保险杠轻10.2kg，发动机罩轻2.2kg， 燃料箱轻5kg，宝马M3塑料翼子板减重1.5kg。
专辑：北京奥运会的新材料（4）
以特氟纶纤维制成的鲨鱼皮 泳衣，表面模仿了鲨鱼表皮成 排的脊柱形小突起，能减少4％ 的阻力，减少5％的氧气消耗， 成绩提高2％。
英国“速比涛”(Speedo)公 司的第四代鲨鱼皮LZR Racer， 售价7000元人民币，寿命只有6 次。
2020/12/11
2020/12/11
福特汽车中使用的材料
2020/12/11
2020/12/11
汽车发动机和传动系示意图
飞机所用材料比例变化
铝合金 81%
钢14%
复合材料3% 钛合金2%
复合材 料65%
钢14% 其它10％
波音767
铝合金 11%
亚音速飞机1985～1995
飞机发动机↓1kg→飞机↓4kg→飞行上限↑10m 航天飞行器↓1kg→运载火箭↓500kg
《科学美国人》网站报道： 将计算机、监控器、打印机和 玻璃制品等粉碎，随后分离出 钢、铝、铜、玻璃和其他有用 物质，并将余下的碎片倒入 1200℃高温的熔炉中，以获取 那些不能通过简单粉碎提炼出 的金属材料。
2020/12/11
专辑：温哥华冬奥会的新材料（2） ——聚氨酯速滑服
速滑竞赛服就在大腿处 使用了比普通纤维弹性强数 十倍的橡胶材料，可最大程 度地减少体力消耗；右胯部 以内附着的是“3M”合成纤 维，可有效减小摩擦力。
新的航天飞机外壳用NiCr-Fe合金制造，外层隔热板 由一层TiAl合金与一层绝热材 料组成。
2020/12/11
一、材料与材料技术
例6：磁悬浮列车（超导材料）
2020/12/11
一、材料与材料技术
例6：磁悬浮列车（超导材料）
超导磁悬浮列车如何悬浮？在每节车厢的底部安装了超导磁体，路面 上埋许多闭合Al环。在超导磁体的线圈中通入电流产生很强的磁场。列车 开动后，超导磁体相对于Al环运动，在Al环里感应出强电流，并相应形成 强磁场。超导体的完全抗磁性使车上的超导磁体受到地面Al环的向上托 力，车速愈快，托力愈大。
2020/12/11
专辑：温哥华冬奥会的新材料（1） ——电子垃圾铸奖牌
2020/12/11
专辑：温哥华冬奥会的新材料（1） ——电子垃圾铸奖牌
奖牌直径100mm，厚 6mm，重量500~576克。每 块金牌中有1.5%左右的成 分来自于从电子垃圾碎片中 提取的金属。
2020/12/11
专辑：温哥华冬奥会的新材料（1） ——电子垃圾铸奖牌
一、材料与材料技术
人类使用材料的七个时代
公元前10万年 公元前3000年 公元前1000年 公元0年 1800年
1950年
1990年
石器时代 青铜器时代 铁器时代 水泥时代 钢时代
硅时代(信息时代)
新材料时代
2020/12/11
一、材料与材料技术
2020/12/11
一、材料与材料技术
2020/12/11
工程材料 绪论
一、材料与材料技术
师昌绪：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他 产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称作材 料。
朱光亚：材料技术已成为不同工程领域具有共性的关键技术。
张立同：耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术（“摔 不碎的陶瓷”，2004年度国家技术发明一等奖）（视频 12345） 。 黄伯云：高性能碳／碳航空制动材料制备技术（ 2004年度国 家技术发明一等奖）（视频1234567） 。
属、复合材料，其余用碳纤维、 石墨纤维等复合材料，不易反射 雷达波。 ④机翼前缘：全部包覆吸波材料。 ⑤机体：喷涂吸波油漆。
2020/12/11
一、材料与材料技术
例5：未来的航天飞机（复合材料）
主结构用合成材料。航天 飞机返回地球时，机身温度超 过1000℃ ，以前的航天飞机外 表面使用碳陶瓷片，在二次飞 行期间许多碳陶瓷片需更换， 很麻烦。
9％——订单少，不得不修改
新空客A350 53％
14％——订单逐渐增加
尾翼→机翼→机身（复合材料）
（F-22，7％重量来源于Ti合金铸件）
2020/12/11
导弹壳体用材料
2020/12/11
三、材料科学与机械工程
材料科学与工程的四要素
使用性能
制备合成/加工工艺
材料固有性能
} 合理的材料
优良的设计 合适的加工
2020/12/11
飞机用材料
2020/12/11
中国的大飞机（总重>100t）计划
《国家中长期科学和技术发展规划》之16个重大专项之一 07.2国务院原则通过，08.5中国商用飞机有限公司成立（上海）
其中复合材料及Ti合金重量非常关键
复合材料 Ti合金
B787 50％
15％——订单多
空客A350 37％
2020/12/11
□教材
机械工程材料（第二版），王章忠主编 ， 机械工业出版社
□实验指导书 工程材料习题与辅导（第三版），朱张校主编 ， 清华大学出版社
□参考书
工程材料（第三版）， 郑明新主编 ，清华大学出版社
□授课教师 乔 斌 13016900182，jixie@
尚 峰 13851297415，shf184518@
2020/12/11
一、材料与材料技术
例1：泰坦尼克号事件（泰坦尼克号遇难有新说）
《造船厂使用劣质材料 酿成震惊世界惨祸》
劣 质 铆 钉 ！
2020/12/11
一、材料与材料技术
例2：9.11《世贸大厦是豆腐渣工程》
（阻燃材料、环保材料、钢结构）
造价11亿美元 用钢7.8万吨 110层 411米 历时7年竣工
2020/12/11
例1 底特律活塞队 例2 曼联队 例3 浦项制铁队
∙农业文明：牛、马、羊、土地（农业经济）
∙工业文明：钢、铁
（工业经济）
∙现代文明：纳米等新材料 （知识经济）
2020/12/11
汽车中各种材料的大致比例
塑料10%~20% 铝合金5%~10%
其它
铁合金60%~75%
2020/12/11
□实验教师 李化强 13912161729，lhq6729@
□实验地点 工训中心S416，金相分析室、热处理实验室 □工程材料校精品课程网站网址
2020/12/11
□教师用参考书 （1）热处理工， 邵红红主编 ，化学工业出版社 （2）工程材料及应用，汪传生、刘春廷主编，2008.2，西安电子科技大学出版社 （3）烧结金属含油轴承，韩凤麟、贾成厂编著，2004.6，化学工业出版社 （4）信息材料概论，林健编著，2007.7，化学工业出版社 （5）铜合金及其加工技术，王碧文、王涛、王祝堂编著，2007.1，化学工业出版社 （6）材料科技导论，耿保友主编，2007.7，浙江大学出版社 （7）金属加工（期刊），2008-2009
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
二、材料的分类与概况
按材料的性能特点分：
1. 结构材料 2. 功能材料
2020/12/11
二、材料的分类与概况
按材料的化学属性分:
1. 金属材料
黑色金属：铁及铁基合金材料
有色金属：轻金属、重金属、贵金属、稀有金属
2. 高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维和胶粘剂 3. 陶瓷材料：传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷 4. 复合材料：树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料
2020/12/11
成分/组织结构
优质、适用的机械产品
四、本课程的目的、内容与学习要求
一个关系：成分 组织 结构 性能 两张图：Fe - Fe3C相图（成分、组织）
C曲线 （制备、加工）
三种材料：钢、铸铁、有色金属 四种热处理：退火、正火、淬火、回火
进一步延伸为：
三个方面：原理、工艺、应用 四种材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料
2020/12/11
专辑：北京奥运会的新材料（1）
2020/12/11
专辑：北京奥运会的新材料（1）
水立方（water cube）177×177×30米 采用聚四氟乙烯（ETFE）制造外部膜
1. 较好延展性：拉到本身的3 ~ 4 倍长都不断裂； 2. 抗压性：充气后，每块膜都能承受1辆汽车的
重量，可抵御暴雨、冰雹、沙尘暴； 3. 耐火性：燃点715℃，燃烧后无扩散、无烟，
专辑：北京奥运会的新材料（5）
竹竿
撑
→ →→
高
金属杆
跳
女
玻璃纤维
皇 伊
辛
碳纤维复合材料
巴
耶
娃
2020/12/11
专辑：北京奥运会的新材料（6）
杭州产 “HF-5型碳纤维复 合材料四人新型赛艇”采用单向 碳纤维制造，重量轻、强度高、 刚性好，不仅提高了赛艇的安全 性，也提高了划船效率。帮助中 国四朵金花一举拿下赛艇女子四 人双桨的金牌。
企业1200家 5万人上班 游客15万人
3000多人丧生 ！！！
2020/12/11
世贸大厦倒塌
一、材料与材料技术
高温
建筑材料燃烧
钢梁钢柱严重软化
释放大量有毒烟雾
强度急剧降低 倒塌
导致人窒息死亡
45钢室温→600℃ σb↓1/2 Al合金室温→400℃ σb↓＜1/10
解决办一法是：用阻燃材料；
二是用绿色环保材料。
2020/12/11
汽车中的塑料
汽车减重10％，油耗降低6％～8％。 塑料在轿车上占车身重10％～30％ 汽车中用聚丙烯100kg可替代200～300kg其它材料，相应 地在15万km的平均寿命里可减少燃料消耗750L。 与钢材相比，聚丙烯保险杠轻10.2kg，发动机罩轻2.2kg， 燃料箱轻5kg，宝马M3塑料翼子板减重1.5kg。