机械制造基础第1章 工程材料基础知识

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(1)金属材料 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金 。最简单的金属材料是纯金属。 工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，为金 属晶体材料。 工业上把金属和其合金分为两大部分 （1）黑色金属 铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)； （2）有色金属 黑色金属以外的所有金属及其合金。
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(3)陶瓷材料 陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的化合 物。 非金属元素原子同金属原子化合时形成很强的离子键，同时也存 在有一定成分的共价键。例如MgO晶体中, 离子键占84%, 共价键占 16%。也有一些特殊陶瓷以共价键为主。 陶瓷的硬度很高，但脆性很大。 陶瓷材料属于无机非金属材料，主要为金属氧化物和金属氧化合 物。由于大部分无机非金属材料含有硅和其它元素的化合物，所以 又叫做硅酸盐材料。它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻璃)、玻璃陶瓷( 或称微晶玻璃)和陶瓷等三类
第1章 工程材料基础知识
1.1 工程材料概述 1.2 金属材料的性能 1.3 金属与合金的晶体结构与结晶
1.4 铁碳合金相图
1.5 金属材料的塑性变形
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1.1 工程材料概述
1.1.1 材料科学的发展 材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认 识和改造自然的工具。自从人类一出现，就开始使 用材料，材料的发展史与人类史一样久远。纵观人 类利用材料的历史，可以发现每一种重要材料的发 现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高 到一个新的水平，为社会生产力和生活带来巨大的 变化。

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1.1.1 材料科学的发展

1.石器时代 2.青铜器时代 3.铁器时代 4.近现代材料
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石器时代 (Stone Age) BC 400,000 ~ 4,500
人类主要以石头、骨头、木制作简单的工具
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燧石：神奇的石头
石器时代 (Stone Age) BC 400,000 ~ 4,500
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BC1450 铁制车轮
AD1500 廉价的冶铁业
战国铁犁头
战国铁锄
战国凹形铁锄 (长沙砂子塘)
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铁器时代与之前时代的主要区别在于，农业发展、宗教信仰与文化模式 实际上所说的铁器时代指是的早期阶段
最先使用铁器的是古埃及与苏美，BC 4000已极少量使用铁器，但大多铁
由陨石得到，而非由铁矿提取
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(2)高分子材料 高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。 它具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝 缘性，以及重量轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结 构材料。 高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子化合物组成，每 个大分子皆包含有大量结构相同、相互连接的链节。有机物质主要 以碳元素(通常还有氢)为其结构组成，在大多数情况下它构成大分 子的主链。 大分子内的原子之间由很强的共价键结合，而大分子与大分子之 间的结合力为较弱的范特瓦尔斯力。 工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类：塑料、合 成纤维、橡胶、胶粘剂
刃部是陨铁加热锻造而成
中国在BC 6世纪已出现了生铁制品
铁硬度高、熔点高，铁矿蕴含量高 相对青铜来说，铁来得便宜，可在各方面运用，其需求很快便远超青铜
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近 现 代 材 料 (Steel Age)1800 —
炼铁、炼钢的大工业生产分别于17世纪20年代、19世纪70年代 最先在英国发展起来
1875，全世界生铁产量为1400万吨，钢产量190万吨 1875~1913，西欧、美国的工业化需要大量钢铁，相继发展了转炉和平炉， 生铁和钢产量都迅速增长 1913，全世界生铁产量为8000万吨，钢产量7650万 1914~1950，发生两次世界大战、多次资本主义经济危机，钢铁生产发展缓慢 1950，全世界生铁产量为1.30亿吨，钢产量1.89亿吨 1950~1974，发展了氧气顶吹转炉炼钢和连续铸钢技术、带钢热连
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从矿石中提炼铜 — 冶金业的黎明
青铜：第一种合金
古称金或吉金，是红铜与其它元 素(锡、镍、铅、磷等)的合金
中国青铜时代大致对应夏商周至 秦汉，时间跨度约2000年 春秋战国时期，齐国工匠写成[考 工记]，提出[金有六齐]，是世界 科技史上最早的冶铜经验总结
夏钺(yuè )
戈
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三星堆
陶器(Pottery)
陶器的出现是人类跨入 新石器时代的重要标志 之一
西安半坡人面网纹陶盆
中国陶器制作历史至少 有8000年以上
战国陶制四通水管
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青铜时代(Bronze Age)BC 4,500 ~ 1,000
大量使用青铜工具、青铜礼器的时期
埃及古墓壁画 是人类冶金业的最早纪录之一 人类学会了用炭加热铜，造出纯 度更高的铜 把铜和锡矿石熔合后可得一种坚 度高的合金--青铜，以青铜来造 出各种武器
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美洲及大洋洲没有铁器时代，铁由欧洲人传入
中国是世界上利用铁最早的国家之一 19000年前，周口店“山顶洞人”就开始使用赤铁矿粉作为赭红色颜料，涂 于装饰品上或者随葬撒在尸体周围。为天然矿物颜料利用的开端 新石器时代(距今10000~4000) 兴起制陶业，发明绘制各种风格的彩陶。绘制 赭红色彩陶的原料就是赭石(赤铁矿) 1972，河北北藁(gǎo)城台西村商代(BC 13世纪)中期遗址出土铁刃青铜钺。
BC 3000~2000，小亚细亚、埃及与美索不达米亚越来越多地由陨石提练铁， 多于礼仪
当时铁是极昂贵的金属，比金还要昂贵
有考古证据指出，铁是当时炼铜生成的副产品，称为海绵铁 对当时的冶练技术来说，不可能大量生产 世界上最早进入铁器时代的是西台帝国，约BC 1400掌握了冶铁技术 BC1200，中东各地广泛运用铁，但并未取代青铜的主导地位 BC 1000，欧洲出现铁制工具，可能是由小亚细亚西传而来 BC 800，尼德兰出现铁制工具
三星堆立人像 铸于商代晚期，高1.72m，底座高0.9m， 通高2.62m，是世界上最大的青铜立人像
突目面具
商代晚期，高64.5cm，宽138cm，眼球 柱状外突长达13.5cm
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青铜乐器
错金 注意剑纹
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铁器时代(Iron Age)BC1000 — 人类使用铁来制造工具和武器
轧机和冷连轧机(技术进步)，钢铁生产能力提高
1974，全世界生铁产量为5.05亿吨，钢产量7.10亿吨 1973，开始石油调价和世界性的经济萧条，钢铁生产发展转慢
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1979，世界生铁和钢的产量创造新的纪录，分别达5.29亿吨和7.47亿吨
1.1.2 工程材料的分类
定义：宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为材料