1、材料在现代社会中的作用

1. 人类文明的标志

不断的开发和使用材料的能力是任何一个社会发展的基础之一。

石器时代，燧石，打火石、金属器时代、Si时代 ?

2、 现代技术的基础

材料是所有科技进步的核心；先进材料是先进技术的基石。

飞机-喷气式发动机材料、计算机-固体微电子电路-晶体管-Si材料、光导纤维

3、 现代社会发展的基础

从半导体集成电路到混凝土摩天大楼；从塑料袋到航天飞机

a.半导体材料--集成电路-计算机、通讯等、b.航天飞机、c.光导纤维

二、材料的分类
金属材料：Fe、Al等

无机非金属材料：陶瓷、玻璃、水泥等

高分子材料：塑料、橡胶等

3、材料科学与工程

研究材料的组成 、结构{《晶体结构：原子（分子、离子）在空间如何排列 》，晶体分为晶态【晶态：原子（分子、离子）在空间周期性有序排列长程有序】、非晶态【非晶态：原子（分子、离子）在空间周期性无序排列,短程有序、长程无序】

、多晶【多晶：晶粒和晶界， 晶粒：晶态，晶界：非晶态】} 性能（组成-性能：不同的组成不同的性能，结构-性能：不同的结构不同的性能）与 应用

思考题

1、石器时代和金属器时代作为人类文明重要标志，请简要讨论石器时代和金属器时代特点？

石器时代：2.5亿年前，主要使用燧石，打火石

金属时代：主要使用铜、铁

2、为什么说材料是现代技术的基础？

材料是所有科技进步的核心；先进材料是先进技术的基石。

3、材料分哪几类？简要说明各类的主要特点。 三类

金属材料：Fe、Al等。具有延展性，导电性等特性

无机非金属材料：陶瓷、玻璃、水泥等。

高分子材料：塑料、橡胶等。各种聚合物

4、什么是晶态（体）、非晶态和多晶态？各举一例。

晶态：原子（分子、离子）在空间周期性有序排列， 长程有序。NaCl，CdS

非晶态：原子（分子、离子）在空间周期性无序排列 ，短程有序、长程无序。（二氧化硅）

多晶态：晶粒和晶界。晶粒：晶态 ， 晶界：非晶态 （聚乙烯硅）

无机非金属材料（陶瓷，玻璃，水泥，耐火材料，半导体材料，功能材料）

1、陶瓷材料：经过高温处理的无机非金属材料

釉：低熔点玻璃质。铅釉，锡釉

思考题

1.无机非金属材料分为哪几类？

六类：陶瓷，玻璃，水泥，耐火材料，半导体材料，功能材料

2.陶瓷的发展分为那几个阶段？

陶器（土器, 陶器），瓷器，精瓷器

3.陶瓷材料的主要成分为那些？

粘土

4.陶瓷为什么要进行高温烧结？

粘土中的元素对应的氧化物化学键强度大，高温烧结才能破坏其化学键

5.精瓷和土器相比区别有哪些？

土器煅烧温度低，粗糙不美观。精瓷煅烧温度高，细腻美观

6.釉有何特点？主要釉料是什么？

特点：低熔点玻璃质。主要釉料：铅釉，锡釉

2、玻璃

1. 从熔体冷却，在室温下还保持熔体结构的固体物质状态。

过冷液体---非晶态结构

3. 制造（硅酸盐英玻璃），原料：SiO2 、Na2CO3 、CaO

工艺过程：配料，熔制：（典型温度1500度），成型：

3、水泥，主要成分：CaO-Al2O3，CaO-SiO2，CaO-Al2O3-Fe2O3

3.混泥土：水泥、沙子、碎石块

四、先进无机非金属材料简介

半导体材料、结构陶瓷、功能陶瓷

思考题

1.玻璃的结构有何特点？

从熔体冷却，在室温下还保持熔体结构的固体物质状态。

过冷液体---非晶态结构 制造（硅酸盐英玻璃 原料：SiO2 、Na2CO3 、CaO

工艺过程：配料、熔制：（典型温度1500度）、成型：

2.早期如何发现的玻璃形成？主要成分？

最早是由水手在沙滩上做饭，沙中含二氧化硅与贝克中的碳酸钙，海水中的过氧化钠，氯化钠等在火种烧制，形成了透明的玻璃。主要成分：二氧化硅，碳酸钙，过氧化钠。

3.简述玻璃的工艺？

熔制，温度1500度

4.混泥土如何构成？

水泥、沙子、碎石块

5.举一例说明现代无机非金属材料的特点和应用。

陶瓷（Ceramics)：经过高温处理的无机非金属材料。粘土。陶器-土器, 陶器，950 and 1050°C ----瓷器，1200–1300°C----精瓷器，1250–1300°C

玻璃（Glass）

水泥（Cements)：主要成分CaO-Al2O3、CaO-SiO2、CaO-Al2O3-Fe2O3

耐火材料（Refractory)

半导体材料（Semiconductors)

功能材料（Functional Materials）

复习思考题

1、金属材料有什么特点？它们的基本用途是什么？主要应用在哪些领域？

特点：具有良好的塑性、较高的强度和硬度，即具有良好的综合力学性能。

基本用途：适合作为受力的结构材料。金属材料绝大部分都是结构材料，但近来也出现一些功能材料，如形状记忆合金、储氢合金、金属超导材料等。

结构材料主要应用于机械制造、航空、航天、化工、建筑和交通运输等部门。在机械设备中约占所用材料的百分之九十以上，其中又以钢铁材料占绝大多数。

2、请叙述一个典型机器零件的生产工艺流程。

20CrMnTi制作汽车变速齿轮工艺流程：

锻造→正火→加工齿形→非渗碳部位镀铜保护→渗碳→预冷直接淬火+低温回火→喷丸→磨齿（精磨）

技术要求：渗碳层后(1.2~1.6)mm，表面碳质量分数1.0%；齿顶硬度(58~60)HRC，心部硬度(30~45)HRC。

40Cr钢制作拖拉机连杆螺栓工艺路线：

下料→锻造→退火(或正火)→粗加工→调质→精加工→装配

技术要求：调质处理后组织为回火S，硬度(30~38)HRC。

板簧制造工艺路线：

扁钢剪断→加热压弯成形→余热淬火+中温回火→喷丸→装配

3、人类使用的第一种金属是那种金属？举出几个例子。

人类使用的第一种金属：铜（Cu)——锡青铜，铜镜、铜鼎、铜剑

4、对人类生产生活最重要的金属是哪种金属？举出几个例子。

对人类生产、生活影响最大的金属：铁——钢及铸铁锄头、犁铧、钢筋、铁锅、火车、汽车、机床、大桥、枪、炮

5、钢按用途分为哪几类？

合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢

合金结构钢：工具结构用钢(桥梁、船舶、建筑等)、机器零件用钢｛调质钢、弹簧钢、渗碳钢、滚动轴承钢 合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢

特殊性能钢：不锈钢。耐锈钢、耐磨钢

6、合金钢编号的一般原则是什么？

原则为：

平均碳含量+合金元素符号+合金元素平均含量

平均碳含量 ——数字。结构钢：两位，以 0.01%为一个单位；工具钢：一位，以0.1%为一个单位，≥1%，不标。 合金元素符号 —— 以汉字或化学元素符号表示。

合金元素平均含量 —— 数字，以1%为一个单位，含量≤1.5%，不标出。

高级优质钢，钢号尾部加 “A”。

特级优质钢，钢号尾部加 “E”。

7、低合金高强度结构钢的特点是什么？其用途有哪些？

特点：低碳、低合金、高强度。承载大、自重轻、综合性能好。

用途：广泛用于制造桥梁、车辆、船舶、石油化工容器、建筑钢筋等。

8、弹簧的主要作用是什么？弹簧钢的主要性能要求有哪些？

作用：利用弹性变形吸收、储存能量以驱动某些装置或减缓震动和冲击的作用。

性能要求：

较高的弹性极限σe，防止工作时产生塑性变形；

较高的疲劳强度σr和屈强比σs/σb ，以避免疲劳破坏

9、齿轮类零件对材料性能的要求是什么？渗碳钢主要用于哪些零件？

齿轮类零件对材料性能的要求是：

①高的接触疲劳强度，高的表面硬度和耐磨性，防止齿面受损；

②高的抗弯强度，适当的心部强度和韧性，防止疲劳、过载及冲击断裂；

③良好的切削性能以及小的淬火变形性能。

用途：制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，矿山机器中的轴承，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。

10、根据模具的使用性质，模具钢分为哪两大类？

根据模具的使用性质，可将模具钢分为两大类：

冷模具钢：是指使金属在冷状态下变形的模具用钢，其工作温度一般小于250℃。

热模具钢：是指使金属在加热状态或液态下成形的模具用钢，其模腔表面温度高于600℃。

11、按化学成分铜合金分为哪几类？

b、按化学成份分类：

（1）黄铜：以Zn为主要合金元素。

①普通黄铜：

H+铜含量；例：H62 ，平均Cu含量62%，余量为Zn。

②特殊黄铜：

H+主要合金元素符号+铜含量+－+添加元素含量。

例：HMn58-2 、含Cu量为58%，含Mn量2%， 余量为Zn。

（2）白铜：以Ni为主要合金元素。

① 普通白铜：

B+镍含量；例： B30，平均Ni含量30%，余量为Cu。

②特殊白铜：

B+主要添加合金元素符号+Ni含量+－+添加元素含量；

例：BMn40-1.5 Ni 40% Mn 1.5% 余量为Cu。

3）青铜：除Zn 、Ni以外的其它元素为主要合金元素的铜合金。

按所含主要合金元素的种类分：锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、锰青铜、锆青铜、铬青铜等。

加工青铜的代号：

Q+主要合金元素符号+主要合金元素含量－+添加元素含量。

例：

QSn4-3：平均Sn含量为4%，Zn含量为3%，余量为Cu的加工锡青铜；

QAl9-2：Al含量为9%，含Mn量为2%，Cu为余量的加工铝青铜。

QBe2：Be含量为2%，余量为Cu的加工铍青铜。

思考题

1、什么叫高分子材料？常见的五烯有哪些？三大合成高分子材料分别是什么？她们的分子量大小及分布顺序如何？

高分子：由许多结构相同的、简单的单元通过共价键重复连接而成的相对分子质量很大的化合物 一种由许多结构相同的、简单的单元通过共价键重复连接而成的相对分子质量很大的

化合物

常见五烯：塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂。三大合成高分子材料分别：塑料、橡胶、纤维（产量最大，与国民经济、人民生活关系密切故称为“三大合成材料”）

2、高分子材料的结构特点有哪些？何谓高分子分子量的多分散性？

结构特点：一、分子量大（A、相对分子质量很大：一般在104~106）、B、共价键连接， 分子量具有多分散性：C、由相同的化学结构重复多次而成， 高分子的结构复杂

什么是分子量的多分散性（Polydispersity） ？

高分子不是由单一分子量的化合物所组成。即使是一种“纯粹”的高分子，也是由化学组成相同、分子量不等、结构不同的同系聚合物的混合物所组成。 这种高分子的分子量不均一(即分子量大小不一、参差不齐）的特性，就称为分子量的多分散性

3、高分子材料的发展方向有哪些？请就复合化谈谈你的看法。

方向：高性能化、高功能化、复合化、精细化、智能化。

先进复合材料的发展史：40年代，玻璃纤维增强塑料（GFRP）

复合材料发展的第一代

60 80年代，先进复合材料

复合材料发展的第二代

80 年，先进复合材料充分发展

复合材料发展的：第三代

飞机上用的复合材料：碳纤维/环氧树脂、碳纤维/芳纶/环氧树脂、玻璃纤维增强塑料

、增韧石墨、玻璃纤维

开创性的大量应用源自F1赛车的碳纤维复合材料、

大推力、高涵B-2隐形轰炸机
除主体结构是钛复合材料外，其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成，不易反射道比涡扇发动机大量运用了复合材料或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。

目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50%，而某些直升机早已达到90%

荷兰计划研发新型绿色环保飞机
外形将酷似飞碟,另一个设想就是使用复合材料，如纤维增强塑料。这种复合材料强度可与金属媲美，而重量却比金属轻得多，因此可以节省燃油。

绿可木，生态木塑复合材料，木塑复合材料吸音板

4、请举例身边一种塑料橡胶和纤维材料，谈谈你对她们的性能功能特点你认为它们存在的不足之处有哪些？如何改进？

几种主要塑料如：聚氯乙烯塑料是由氯乙烯单体聚合而成的，是常用的热塑性塑料之一。商品名称简称为“氯塑”，英文缩写为PVC。

如聚氯乙烯(PVC)的导热系数仅为钢材的1/357,铝材的1/1250。在隔热能力上，单玻塑窗比单玻铝窗高40%,双玻高50%。将塑料窗体与中空玻璃结合起来后,在住宅、写字楼、病房、宾馆中使用,冬天节省暖气、夏季节约空调开支,好处十分明显。

聚氯乙烯的燃烧性能不好，离火即灭，属于难燃性塑料；燃烧时，有刺激性的氯化氢臭味放出，燃烧时软化 。

性能：软质聚氯乙烯一般含增塑剂30—50％。

2.硬质聚氯乙烯只加少量的增塑剂制成。

3.聚氯乙烯塑料耐热性

4.聚氯乙烯薄膜 5.聚氯乙烯塑料与有机溶剂和萘等防虫药剂软质聚氯乙烯可制成较好的农用薄膜，常用来制作雨衣、台布、窗帘、票夹、手提袋等。还被广泛用于制造塑料鞋及人造革。

硬质聚氯乙烯能制成透明、半透明及各种颜色的珠光制品。常用来制作皂盒、梳子、洗衣板、文具盒、各种管材等。

橡胶： 聚丁二烯橡胶（顺丁胶，BR，无色或浅色，透明）

1、制法及分子结构：溶聚法、乳聚法

特性： 不饱和性橡胶，可与硫磺及氧起反应，化学活性较NR 低，耐热耐老化性较NR好。非极性橡胶，耐油性差。结晶性橡胶，无自补强作用，强度低 。弹性高（最高）；耐低温（Tg= –105℃）； 耐磨（Tg有关）；生热小。 加工性能差（对温度敏感，温度高则易脱辊）， 不耐撕裂，粘着性差，抗湿滑性不佳。较易冷流。

4.用途：制造轮胎胎面以及耐寒制品，常与NR，SBR并用。

氯丁橡胶（CR）1.分子结构

CR是由氯丁二烯为单体，采用乳液聚合而成的一种高分子弹性体。呈浅黄色至褐色。

3.特性

①不饱和性橡胶，化学性质稳定，耐老化性能优良。

②极性橡胶，耐油耐溶剂性能优良，气密性、粘着性

好，有导电性。

③易结晶性（Tg=-43℃），有自补强作用，有自熄性，阻燃，贮存稳定性差，对温度敏感，需用金属氧化物（ZnO、MgO）来硫化。

④弹性较低，耐寒性较差，低温使用不理想。（极性橡胶共同点）

4.用途

CR主要用于制造胶管、胶带、化工设备衬里、 胶粘剂等。

纤维：粘胶纤维—以天然纤维如木质纤维、棉纤维、禾本科植物纤维（如甘蔗渣、芦苇、麦杆等）为原料，经纤维素黄酸酯溶液以湿法纺丝制成的。

粘胶纤维的生产包括以下四个过程：

（1）粘胶的制备：即浆粕的准备、碱纤维素的制备及老成、纤维素黄酸酯的制备（磺化）和溶解等。 粘胶纤维的性质与棉极为相似，吸湿、透气、易染色、抗静电、易于纺织加工，制成的织物花色鲜艳，穿着舒适。但粘胶纤维的的湿态强度大大低于干态强度，且缩水性较大，纤维吸水后膨化，织物在水中易变硬。粘胶纤维应用广泛，其长丝称为人造丝，可织成各种平滑柔软的丝织品，毛型短纤维俗称人造毛，是毛纺厂重要的原料，棉型粘胶短纤维俗称人造棉，可织成各种色彩绚丽的人造棉布。

（2）聚酯纤维通常是指聚对苯二甲酸乙二酯（PET），为目前发展速度最快、产量最大的合成纤维品种。聚酯纤维又称涤纶，的确良，特丽纶、达克纶、帝特纶等，是以对本二甲酸二甲酯、乙二醇为原料，经酯交换、缩聚、纺丝和纤维后加工等四个步骤而得。聚酯纤维常采用熔体纺丝法，可分为切片纺丝和直接纺丝。目前，聚酯短纤维大多采用直接纺丝法，即将聚合釜中的熔体直接送入纺丝机；而聚酯长丝多采用切片纺丝法。PET的软化点230～240℃，熔点范围255～264℃，纤维级PET树脂的相对分子质量为15000～2000，特性粘度通常为0.62～0.68dL/g。PET分子中含有酯基，易发生水解，故在纺丝时应严格控制水分含量。

特性：弹性好：其弹性接近于羊毛，耐皱性超过其它纤维；强度大：干态强度和湿态强度接近；模量高：其初始模量为大规模生产的合成纤维中最高者，故其织物的尺寸稳定、不变形；吸湿性低：湿强度下降少，织物易洗快干；耐热性好。

材料在现代社会中的作用