电工与电子学教程

工程材料ENGINEERINGMATERIALS沈冬冬（5~7周）博士，武汉科技大学材料与冶金学院讲师。联系方式:校本部教六楼6358房间电话：68862632潘应君（8-10周）博士，武汉科技大学材料与冶金学院教授，博士生导师。联系方式：校本部教六楼6354房间电话：62653968授课人简介：《工程材料》（第三版）主编：朱张校主审：郑明新清华大学出版社教材课程简介《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。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。授课计划本课程计划总学时28学时，其中课堂教学（24学时）及实验课（4学时）。开课时间：5～10周绪论内容提要本章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，并介绍每一类材料的性能特点。学习目标本章重点掌握材料的结合键，了解各类工程材料的性能特点。学习建议结合课程内容，浏览相关网站，对工程材料的应用有所了解。本章主要教学内容：话说材料材料发展简史工程材料的分类材料的发展趋势话说材料什么是材料？材料是人类用来制造各种产品或器件的物质，是人类生活和生产的物质基础。工程材料？机械工程、电气工程、化工工程、建筑工程、航空航天工程等领域材料史话材料是人类历史的里程碑，人类文明的发展与材料的使用息息相关，历史学家一直用材料来划分时代，如：石器时代→陶器时代→青铜器时代→铁器时代→人工合成新材料时代一百万年前旧石器时代8000-9000年前新石器时代陶瓷3000年前青铜时代2000年前铁器时代18-19世纪后钢铁大量应用20世纪初高分子材料大量应用20世纪后期复合材料材料是人类进步的里程碑远古洪荒石斧开天人文初始泥陶创世商彝夏鼎－青铜灿烂春秋越王勾践剑中国是世界文明古国之一，早在公元前16世纪以前的殷商时代，已大量使用青铜，并已具有高超的冶铸技术和精湛的艺术造诣。春秋战国时期（公元前770－公元前221年）出现了铁器，铸铁的生产比欧洲约早一千多年。国瓷风流SinceAD25中国丝绸名扬四海丝绸是一种高分子天然材料材料的发展与世界强国在现代科学领域，材料与信息、能源一起被列为21世纪三大支柱。材料科学技术的发展水平及规模，已成为衡量一个国家科技进步、综合国力的重要标志。工程材料的分类结合键离子键共价键分子键金属键有饱和性，方向性不明显有饱和性、方向性无饱和性、方向性有方向性1）离子键（有饱和性，方向性不明显）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。特点：结合力很大，形成的离子晶体硬度高，强度大，热膨胀系数小，脆性大，良好的绝缘体，不吸收可见光，无色透明。代表物质：NaCl、MgO、Al2O32）共价键（有饱和性，方向性）处于周期表中间位置的三、四、五价元素，原子既可能获得电子变为负离子，也可能丢失电子变为正离子。当这些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。这种由共用价电子对产生的结合键叫共价键。特点：结合力很大，强度高，脆性大，熔点、沸点高，挥发性低。代表物质：金刚石3）分子键（有方向性）原子状态形成稳定电子壳体的惰性气体元素，在低温下可结合成固体。甲烷分子在固态也能相互结合成为晶体。在它们的结合过程中没有电子的得失、共有或公有化，价电子的分布几乎不变，原子或分子之间是靠范特瓦尔斯力结合起来。特点：形成的固体材料熔点、硬度都很低，绝缘性好。代表物质：甲烷4）金属键（无方向性、饱和性）周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。原子很容易丢失其价电子而成为正离子。被丢失的价电子不为某个或某两个原子所专有或共有，而是为全体原子所公有。这些公有化的电子叫做自由电子，它们在正离子之间自由运动，形成所谓电子气。正离子在三维空间或电子气中呈高度对称的规则分布。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。这种结合力就叫做金属键。特点：良好的导电性和导热性正的电阻温度系数有金属光泽良好的塑性变形能力，强韧性好分类材料的种类繁多，用途广泛，分类方式多样。按物理化学属性来分：金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料。※按用途分：电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。也可以分为1.结构材料以力学性能为基础，制造受力构件材料，对物理和化学性能有一定的要求。2.功能材料利用其独特的物理、化学、或生物功能的材料。如液晶材料用于显示，光导纤维主要用于传输光线。1)金属材料简介金属材料学科是材料科学中发展最早的一门学科，其它的如非金属材料、复合材料等等都是借助于金属材料学科的研究方法、研究理论发展起来的金属材料绝大部分都是结构材料，如钢铁、铝、铜等，但近来也出现很多金属功能材料，如形状记忆合金、半导体材料、磁性材料、储氢合金、金属超导材料等。金属陶瓷材料有的作为结构材料，有的作为功能材料。金属材料是目前用量最大使用最广的材料优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等）优良的加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能等）矿藏丰富金属材料还可以通过不同成分的配制和不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能。简单金属以金属键结合，过渡族金属为金属键和共价键混合。金属材料钢铁材料有色金属金属材料工业分类用量最大应用广泛的机械齿轮日用刀具军用飞机海上舰船2)高分子材料简介碳元素（通常还有氢）为主，有机合成，常称为聚合物。共价键、分子键结合。大分子链结构特点：强度高、塑性好、耐腐蚀性能好，重量轻，绝缘性好分类：A.分子链排列的有序性结晶聚合物强度较高无定形聚合物B.工程分类（按使用状态和机械性能）塑料合成纤维橡胶胶粘剂3)陶瓷材料简介一种或多种金属元素同一种非金属元素的化合物，离子键为主，存在共价健。人类使用最早的材料坚固、稳定，脆性大，硬度高硅酸盐玻璃玻璃陶瓷陶瓷4)复合材料简介键结构复杂，性能优于组元材料。材料技术的发展趋势第一，从均质材料向复合材料发展。以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。第二，由结构材料为主向功能材料、多功能材料并重的方向发展。以前讲材料，实际上都是指结构材料。但是随着高技术的发展，其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能复合的材料越来越多。第三，材料结构的尺度向越来越小的方向发展。如以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米级(100万分之一米)，现在都要往纳米级方向发展的材料。由于颗粒极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制造发动机零件。第四，由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展。过去的材料不会对外界环境的作用作出反应，守全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应。第五，通过仿生途径来发展新材料。生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。通过“师法自然”并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径。本章小结1．中华民族对材料发展作出了重大贡献。近几年来，新材料、新工艺发展很快。掌握材料科学的基本理论和基本知识，研究和发明新材料新工艺，合理地使用各种工程材料是十分重要的2．根据结合键可将工程材料分为四类：金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。高分子材料以分子键和共价键结合，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。陶瓷材料以离子键、共价键结合，熔点高，硬度高，耐热，耐磨，脆性大，难以加工。复合材料可由多种结合键组成，强韧性好，比强度、比刚度高，抗疲劳性好。