绪论

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。
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。
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
材料是人类进步的里程碑
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
远古洪荒 石斧开天
人文初始 泥陶创世
商彝夏鼎－青铜灿烂
金属材料工业分类
钢铁材料 金属材料
用量 最大
有色金属
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
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。
春秋越王勾践剑
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
Since AD25
Байду номын сангаас
中国丝绸
名扬四海
丝绸是一种高分子天然材料
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
材料简史
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
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 材料简史 工程材料的分类 材料的发展趋势
工程材料
ENGINEERING MATERIALS
教材 《工程材料》
主编：朱张校 主审：郑明新 清华大学出版社
授课计划
本课程计划总学时24学时，其中课堂教 学（20学时）及实验课（4学时）。 开课时间：2~6 周
授课教师
沈冬冬 (2-4周) 吴 隽 （4-6周）
课程简介
高等院校机械类专业重要的技术基础课之一
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。
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。
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、Al2O3
2）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。
课程的任务：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：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。
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
离子键
有饱和性，方向性不明显
结合键
共价键
有饱和性、方向性
分子键
有方向性
金属键
无饱和性、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，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。
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。
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。