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《機械工程材料》輔導資料一 主 題：第0章 緒論 學習時間：2014年3月31日--4月6日 內(nèi) 容： 這周我們將學習本課程課件的第0章，即緒論部分，希望通過下面內(nèi)容的總結能使同學們加深對本課程的理解。 一、學習要求 1.掌握工程材料、材料科學的基本概念； 2.掌握工程材料的分類及各類材料的性質(zhì)； 3.理解本門課程的教學目的、性質(zhì)和學習要求； 4.了解材料與材料科學的發(fā)展歷史。 二、主要內(nèi)容 （一）材料與材料科學的發(fā)展歷史 材料是用來制作有用器件的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活所必需的物質(zhì)基礎。從日常生活用的器具到高技術產(chǎn)品，從簡單的手工工具到復雜的航天器、機器人，都是用各種材料制作而成或由其加工的零件組裝而成?？v觀人類歷史，每當一種新材料出現(xiàn)并得以利用，都會給社會生產(chǎn)與人類生活帶來巨大的變化。 歷史學家按照人類所使用材料的種類將人類歷史劃分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進步的標志之一。例如，沒有半導體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算機技術；沒有高溫高強度的結構材料，就不可能有今天的航空航天工業(yè)；沒有光導纖維，也就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。20世紀70年代，人們把材料與能源、信息并列，稱為現(xiàn)代文明的三大支柱，而材料又是后兩者的基礎。 中華民族在人類歷史上為材料的發(fā)展和應用做出過重大貢獻。 1. 早在公元前6000年至公元前5000年的新石器時代，中華民族的先人就能用黏土燒制陶器，到東漢時期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。 2. 4000年前的夏朝時期，我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時期，我國的青銅冶煉和鑄造技術已達到很高水平。從河南安陽晚商遺址出土的司母戊鼎質(zhì)量達875千克，且飾紋優(yōu)美。從湖北江陵楚墓中發(fā)掘出的兩把越王勾踐的寶劍，至今鋒利異常，是我國青銅器的杰作。 3. 我國從春秋戰(zhàn)國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學家宋應星在其所著《天工開物》一書中就記載了古代的滲碳熱處理工藝。這說明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。 4. 中華人民共和國成立后，我國先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地，鋼產(chǎn)量由1949年的15.8萬噸上升到2005年的3.52億噸，成為世界上鋼產(chǎn)量大國之一。原子彈、氫彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船的上天等都說明了我國在材料的開發(fā)、研究及應用等方面有了飛躍性的發(fā)展，達到了一定的水平。 從簡單地利用天然材料、冶銅煉鐵到使用熱處理工藝，人類對材料的認識是逐步深入的。18世紀歐洲工業(yè)革命后，人們對材料的質(zhì)量和數(shù)量的要求越來越高，促進了材料科學的進一步發(fā)展。 1. 1863年，光學顯微鏡首次應用于金屬研究，誕生了金相學，使人們步入了材料的微觀世界，能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來，標志著材料研究從經(jīng)驗走向科學。 2. 1912年發(fā)現(xiàn)了X射線對晶體的作用并在隨后用于晶體衍射分析，使人們對固體材料微觀結構的認識從最初的假想到科學的現(xiàn)實。 3. 19世紀末，晶體的230種空間群被確定，至此人們已經(jīng)可以完全用數(shù)學的方法來描述晶體的幾何特征。 4. 1932年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次。 5. 1934年位錯理論的提出，解決了晶體理論計算強度與實驗測得的實際強度之間存在巨大差別的問題，對于人們認識材料的力學性能及設計高強度材料具有劃時代的意義。 一些與材料有關的基礎學科的發(fā)展，有力地促進了材料研究的深化。 （二）材料與材料科學的基本概念 1. 材料：用來制作有用器件的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活所必需的物質(zhì)基礎。是現(xiàn)代文明的三大支柱（材料、能源及信息）之一。 2. 材料科學：以材料為研究對象的一門科學。它以凝聚態(tài)物理和物理化學、晶體學為理論基礎，結合冶金、機械、化工等領域的研究成果，探討材料的成分、工藝、組織結構及性能之間的內(nèi)在規(guī)律，并聯(lián)系具體器件或構件的使用功能要求，力求用經(jīng)濟合理的辦法制備出有效的器件或構件。 因此，材料科學是現(xiàn)代機械工程、電子技術和高技術工業(yè)發(fā)展的基礎。它的研究內(nèi)容包括：材料的化學組成、組織結構與性能之間的關系，材料的形成機理和制取方法，材料物理性能的測試方法和技術，材料的損壞機理，材料的合理加工方法和最佳使用方案等。特別是材料的組織結構與性能之間的關系，是材料科學研究的重點。 3. 材料科學的研究內(nèi)容： l 材料的化學組成、組織結構與性能之間的關系。 l 材料的形成機理和制取方法。 l 材料物理性能的測試方法和技術。 l 材料的損壞機理。 l 材料的合理加工方法和最佳使用方案等。 4. 材料的化學成分：組成材料的各元素在材料中的濃度，簡稱“成分”。 5. 材料的組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬內(nèi)部的狀態(tài)，簡稱“組織”。 6. 材料的結構：材料中各原子的具體組合狀態(tài)，一般通過X射線或透射電子顯微鏡來研究。 （三）工程材料的分類及應用 工程材料是指在機械、船舶、化工、建筑、車輛、儀表、航空航天等工程領域中用于制造工程構件和機械零件的材料。 按照材料的組成、結合鍵的特點，可將工程材料分為四大類。具體內(nèi)容如表1所示。 1. 金屬材料鍵合方式為“金屬鍵”，分為黑色金屬和有色金屬兩大類。鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料。其它金屬通稱為有色金屬。其中，黑色金屬用量占工程金屬的60％以上。黑色金屬之外的所有金屬及其合金稱為有色金屬。有色金屬的種類很多，根據(jù)其特性的不同又可分為輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬等。 2. 陶瓷材料是以共價鍵和離子鍵結合為主的材料，其性能特點是熔點高、硬度高、耐腐蝕、脆性大。陶瓷材料分為：傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷以及金屬陶瓷三類。 傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷，是以天然材料為原料的陶瓷，主要用做建筑材料；特種陶瓷又稱精細陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，常用做工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件；金屬陶瓷是金屬與各種化合物粉末的燒結體，主要用做工具和模具。 3. 高分子材料是以分子鍵和共價鍵為主結合的材料，具有塑性好、耐蝕性好、電絕緣性好、減震性好及密度小等特點。 工程上使用的高分子材料主要包括塑料、橡膠及合成纖維等，在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業(yè)和化學、交通運輸、航空航天等工業(yè)中有廣泛應用。 4. 復合材料是把兩種（或兩種以上）不同性質(zhì)（或不同結構）的材料以微觀（或宏觀）的形式組合在一起而形成的材料，以進一步提高材料的性能。復合材料分為金屬基復合材料、陶瓷基復合材料和高分子復合材料等。 如現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室中耐熱溫度最高的材料就是通過粉末冶金法制備的氧化物粒子彌散強化的鎳基合金復合材料。很多高級游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復合材料制成的，它們具有密度低、彈性好、強度高等優(yōu)點。 表1 材料按其組成與結合鍵特點分類 材料名稱 材料組成 結合鍵 金屬材料（黑色金屬、有色金屬） 金屬為主 金屬鍵為主 陶瓷材料 金屬和非金屬的化合物為主 共價鍵和離子鍵為主 高分子材料 碳氫化合物為主 共價鍵和分子鍵為主 復合材料 兩種或兩種以上上述材料的組合 混合鍵 （四）機械工程材料課程的目的、性質(zhì)和學習要求 隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和科學技術的進步，對材料的要求越來越苛刻，工程材料向高比強、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展，新材料也在不斷地涌現(xiàn)。 機械工程材料課程是機械類和近機類各專業(yè)的重要技術基礎課，它主要是應用晶體學、物理學、化學、冶金學等學科理論和實驗的最新成就，課程內(nèi)容以定性描述為主，具體表現(xiàn)為“三多”：內(nèi)容中名詞、概念、術語“多”，定性描述、經(jīng)驗性總結“多”，需記憶性的內(nèi)容、規(guī)律“多”。 作為一名機械工程技術人員，時刻都會遇到有關材料及其制造加工方面的問題。無論設計一臺機器設備、機械零件，還是改造、加工一套工夾具，都將面臨材料的選擇、應用與零件加工工藝路線的制定等問題，這一切都涉及材料及其成形技術方面的問題。 課程的目的是使學生獲得工程材料的基本理論知識，掌握材料的化學成分、組織結構、加工工藝與性能之間的關系，了解常用材料的應用范圍和加工工藝，初步具備合理選用材料、正確確定加工方法、妥善安排加工工藝路線的能力。 本科課程理論性和實踐性都很強，基本概念多，與實際聯(lián)系密切。學習時應注意聯(lián)系物理、化學、工程力學及金屬工藝學等課程的相關內(nèi)容，并結合生產(chǎn)實際，注重分析、理解前后知識的整體聯(lián)系及綜合應用。 三、重要考點 多項選擇題 （1）在下列各項學科中，與材料科學有關的是（）。 A．凝聚態(tài)物理 B．物理化學 C．晶體學 D．冶金、機械、和化工學 答案：ABCD （2）工程材料被劃分為金屬材料、陶瓷材料等的依據(jù)是（）。 A．用途 B．組成 C．結合鍵特點 D．質(zhì)量 答案：BC （3）有色金屬的種類很多，根據(jù)其特性的不同可以分為（）等。 A．輕金屬 B．重金屬 C．貴金屬 D．稀有金屬 答案：ABCD （4）下列各項屬于陶瓷材料性能特點的是（）。 A．熔點高 B．硬度高 C．耐腐蝕 D．脆性大 答案：ABCD