广州铁路职业技术学院文本工程材料（下册）_工程材料及其成型.pdf_大学文库

第一章概论第一节工程材料及材料科学发展藏况村料是人类生产的物质常融。人类社会的爱展史证期，坐产中使用的材料的性质直接反硬人类社会的文化水平。所以历史学家根据制造生产工具的材料，将人类生话的时代划分为石器时代、青钥器时代，快路时代，香今人类正跨进人工合成材料的新时代。大的二、三百万年前人类在地球上出之后，量先位用的工具是石头，由名猴到原始人的漫长发展这程中，石器一直是主装的工具。制造石器的原料大都为燧石和石英石。凶为这些石头坚联，能纵裂成荐片，湖解为锋刃，容易加工，而具到处都有。资源卡富。约五十万年前人费学会了用火，在六、七千年以前的原始杜会来期，我门的祖先开始用火烧制陶器。新石器时代的体幅文化和龙山文化时期制尚技术已经发佩到能在氧化性格中950心温度下烧制红测，在还原性如气中1防0C温生下烧制游治温尚与白陶。三千多年莆的酸、网时期发明了釉陶，炉容温度搅高到1200C,到东仅出现了竞器，井于九世起传至非洲东部和闲拉伯，十三世纪传到且本，十五量纪传至取洲，瓷器成了中国文化的象征，对世界文化有很大的影响。制陶技术的发展为蝶铜雀备了必要的条件，我国背解的治练在夏（公元前2140一1711 华)以端就开始了，品然晚干古埃及和西亚，们发展较快，到脱、雨周时翻已发展到较高的水平，苷遍用于制造各种工界、★器、兵器。河南安阳晚商速址出土的司母成然重达 85k3外形尺寸为133×78×110c细，是迄今世界上最古老的大烈青铜器，湖北江陵楚事发慰的两把越工勾践的空创，长55.心m,至今仍异常锋利，是我国古青衙器的杰出代表。湖北大治发现的春秋晚期的锅矿井进址深达50，陈阴液有0多万电，藤北晰玛出士的战国青解编钟是我国古代文化艺术高度发达的地证。泰秋战国时朝《周礼·考工记中关下青糊”六齐”的科学论运，反肤我门的祖光已经认识到了青铜的成分和性能之间的关系。性们在背侧材料的治族和使用方面达到了当时做界的离峰，低速了焰烘的背铜文化，出青铜器过链到快器是生工具的重大发展。我国从春秋战国时期（公元藏？70一4西牛)开始大量使用陕器，推动了蚁求社会向封速社会的过菠。嗪战润铁卷遗址中发樞四了桃铸农具用的铁概，说明治，找术已由泥砂途型进入铁模铸透的高袋阶段。到西汉时期，炼铁钱术又有了很火的提高，采用爆作标铁的趣料。娄比洲只一千七，八百年。河南观县汉代治铁途址中，发冕出20多座治铁炉和最。炉型隆大，钻构复杂，并有数风袋爱和的意扰，可见当时生产规，之牡观，我国占代创造了三种辉解方祛：第一种是从矿石中直楼紫出的自然解。相这种翻作的闲在东方各国年有竖餐，东议时传人欧洲：第二种是西汉叶拥经过“次”治谋最打的烯渊：结三种是阁化制时期的灌钢。先嫁钱后练到的两少嫁锅技术我国要比其它国家早一千六百多年。从离以到明翻的一下五、，六百年问，我日厨快生产的技术远远龈过贵界各国，相应地。其它金属材料的工艺找余也都有斋度的发城，图下了人量钓珍贵文物和史文献。。1

在材料领城中还值得授到的是稔调。经馮最一和天然高分子材。它在我闲有着愁久的历史，一世纪莲过著名的“丝制之路”传到战指。拉伯，搅及，1470年传到名大利戚尼厮，进入放湖。历史充分说明，我们勒岁智慧的祖先，在材料的速和使用上有过辉烛的成使，为入类文明作出了巨大的员就。十八世纪以后，由于工业迅连爱展，对村料样则是钢铁的露求急果播长。在化师、物理、材料力学等学科的基础上，产生了一门新的科华一金属学。北主委任务在于探讨金属的组织和性能之间的关系。一百多年来，由于显登管，X刻线技术、电子显微镜等新仅器和新技术的相鞋出现和发展，金属学得到了长足的进沙。进入二十世纪以米，遂代科学找术和生产的发一日千里，材料、能源与信息作为现代技术的三大支柱爱限格外迅松。在材料科学中非金属的发展尤北神速，而以人工合成高分千材料的发展最快。1970年其世界总产量已达四千万吨。如过了铝的产量，成为一种重要的新型工程结将材料，工程桥构已不再只使用金属材料了。近20多年来，金属与非金属相互渗适，并且相互结合，组成一完整的材科体系。行料科学也就在金属学、高分于科学和围瓷学等的基础上根快地发属起米了。龙任务也是揭示料的成分，结构和性能之间的关系，但所究对象却是“切固体材料。材料性能包括使用性能和工艺性能两方而。使用性能是材料在使用条作下表现出的性能，具体知力学（该机城）性能，物理性韶和化学性能等；工艺性能是材料在加工这程中表瑗出的性能，例知切制加工性能、，造性能、压力加工性能，弹鳌性能、热处理性能等，工登材料（举）是材料科辱的实用部分，重点解逸结构材料的戏分、阻织，性能以及应用方而的一·般规律和年识。结构材料是指工程上要求强宴，柯性、塑性第机敏性能的材料，些要象具有亿，光、声、燕、热等功能和效应的材料为功能材料，一般不在工程材鲜中时沦。工程材料（学）的具体任务是为工程指构和机器零作的设计和使用提供正确透材和合理用材的基本原则、方法和如识。工程材料（学）也为某些专业学科提供秘罢的湿论基建。第二节物质的状态世界上的一切物质都是由一百多种元素组咸的（图1-1）。纯完素（图1-2）物图不多，元素多以复合的形式存在于物质中，构成条种固体、液休和气体。在我们所处的太阳系的范畸内，元素的氟子皆以电于一原子核的形式组成，作为物质体系基本构成单元的藏于成分子等较子，在组成具体物质中，相互之句要发生一定的联系，因而产坐相互作用的势能，阁时本身也处于不停的运诗之中，因而具有动能。原子我分子之间相豆作用的势能使被北受到的束，相互吸引，从而结合在一起。暖引力的大小与相互间的距离有关，距离越近，吸引力越大，错合得档紧：子、分子的远动测相反，使较子间约束居。影响运动的主要因素是温度。祖度越膏，照子，分子的运动越时烈，贬引力想小，俊此分离的趋势就越大。所以，物质的状志决定于原子发分子之间的相互作用和它们的林运动。随温度和压力等外界条种的不同，物质处干不同的快布。在一定的条件下物斯处于气体状志，这是一种最蜀单的粒子体系。气体的每个粒子（原子或分子）具有完全确定的动能，其值远远超过 ·2…

废徐独费料兰智化现化学局固朱一保化装 8修做轴料生物有扎体掉料聚台特女新天些料留燕合材长监湾食物学阳江头国1-1分来是组成各和物因帕础拉子间相互作用的势能，所以气体的粒子在一定的程度上是线此勐立的。拉子相距较远，各自乱飞动，不存在始合力。一个粒子受激发，繁个体系的运动不会受到恨著的影响，温度降低，拉子的无规菲共运新萸慢，粒子之间的相互作用显著增强，在较低的温度和压力条件下，物质由气体投态过提为聚合伏态，这时位子为动能小干粒子间相互作用的务能，位子间的结合力变得较强。一个批子被激发，将引起相部粒子的类似微发面引起我动。在聚合欲态下，当控子细的戏引力能笔绿拌粒子承受热冲击面不分散开，不足以保证粒子在较长距离内是有序排列时，物置将处于液体状志。在某斧意文上看，液体象是高度压缩了的气体，然而其中的粒子在格点和沸点之问存在局部有序棒列，即一个粒子与其近邻的空间关系在任句醉间是有规利的，但却随附间不断变化，粒子的藏型运动足以阻止长录有序的彩成。当校子间相互作用的势能比粒子的动能大禄多的时候，物爱处子网体状东。按粒子排列的将点固体可以分为无定形体和品休两大类。无定形体又叫做非品体，实际上是一种过冷的旋体。例如被璃和里料，其中较子（原子或分子）的博列氣程有序。此类。质没有固定的悠点，但这一般不影响其工程性能；大多数因作是品体。：体是最简单的爱合体，白的原子成分子在三绳空司怡有规则的周期件重复推列，延绵的距离大大超过丽子我分子的尺寸，其年整个停积，即其有长程有序。工程上最广泛应用的材料多为品体，北外，在某共特殊的情况下，系合体也可以是介于晶体和领作之闻的流志品体（即液晶）。它的特点是，在一定温度范图内底具有液体的浅动性和连统性，同时又保留品休的有序兼列。这类物质是一种新型的材静，其有度要的工冠价值。晶体中的原子（离子或分子等）为什么能修给合成规斯排对的稳定品体妮？这是围为电子一厦子核形式的原子之间相互作用的结果。当两个原子接近时，原子核不发生变化， ·8+

只是子的冰层电了式所推布。这种湘正作月本只上是静也你用，包扩吸明引作和性下？月。吸以力坐于并生电荷之间的依仑引力，是一种长程为，德是说在比原了何师大得多的离处，它就起作用。这种引力阳原子间的始小，成酬数关系增大〔戏川力为典做，图1-3()中曲战/己，排斥力产生于同性地待之间的库仑斥力和原子相匠.接近时轨道电子的电子相五重蔡所可引配的床力，它们都屈于短挫，即只有原子的距离接近原子可雨册，才有显著的用。盟看原子可E高进一的策小，斥方辽速增大，增长的速发大子 (o) 方〔#斥力为正值，图1-3〔▣)中曲 12,原了句总的相百作用力fa,即吸明为1c 与排唇力/。两者的合力，德离的安化妇谢1-3()中曲我」所示。 (3) 图1-3原子司物相王作等图1-4品作中原子势缩的支亿 a)相左作局力：〔)相医#用图。钱f。交描轴于A。A点的合为为零，即原子饲的距离为，时，吸引力与排斥力平衡，此时繇子间相互作用的势能最低〔图1-3〔b》门：距离小于，时，下力大于引为，总的作用力为斥力；钜高大于，时，引力大于斥力，总的作用方为引力。所以欲将相陌为。的原千压近成拉远，部婴和应地对厉力成引力作功，并迹成的量的提高。这种情况也威于有大量原子的爱合体。因比，聚合佐具有当其子相配为平距离，作规则排列，形成品体，对应于最低能量分布时，才处于稳定的状洛。图1一4表明原子在品体中的势德伪变化。图13(b》平衡位置A所对应的最低势能尽，为品作的鼠子结合能，相当于把氟子完金标 :所需要的功，是影响状态，丧定品体结构和性能最术质的图素。第三节固体中原子的结合键在固体状方下，当原子（离子成分子）最合为品体时，原子（离子或分子）之间产生较强的相工.作用，这种相互作用就是品作的结合力，也叫做储合谜。品体的：合能也就是昌体的威能。由于电子运动使原于产生氨合的结台力为化学遵。因体中的结合键主要是化学望，其大小与原千的结构有类，不同类型的原子之间，具有不同性质的结合健。因休中的结合键可以分为离于经、共分健、金黑健和分子健四种。相应地，周体也分为离子品作、共卧品作、金浅品体和分子品作四种，，04

一、离子健和离子品体当圈期表中相隔较远的一正电杜元素原子和一电槐元游原子（见图1-2》拔时，前老失去最外层价电子变度带王电荷的正岚子，后者东得电子变成帮负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由于静电引力粥五吸引，当它们克分拉近时会产生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子健。离子健要求正负离子相间用州，面且要使异号离子之间的引力最大、同号离子之间的斥力最小。氨化钠品体是具型的靠离子键结合的离子品体 (图1-5)，钠原子有一个价电子处于稳定的八个电子所组成的先层以外，瓶原子有七个价电子，霜要一个电子以形成八个出子的隐定壳层。钠原子失去一个电子成为带正电背的Nū+，氯离子获得一个电子成为带负电荷的C。这两种离子徐常静电引力相互吸引，直至引力控斥力所平窗形成离子化合物。图15离子品体一个Na+可以和几个C1-和结合；一个C1~也可以和几个Na结合，同压能C或Xa的数目和排列则取快于所形股品体的排列方武：箭离子和氟高子交恰分术，繁个晶体星电中性。可将擎个品体看作一个大分子，所以离子健没有饱和性：同时，离子的电背分布层球形对开，在各个方向都可以暖引电背相反的离子，因而高子壁设有方向恒。离子健的站合力比较大，所以离子品体的硬度高。强度大，热胀系数小，但镜性大。例如Mg0、A山：O,和钢中的某些非金属夹杂等的性能。离子键中鼠难产生可以自由运动的电子，所以高子品体都是良好的伦锋体。在离子健结合中由子离子的外层电子比较宋倒地来解在离子的外围，可见光的能量一段不足以使其外显电子激发，因面不吸收可见光，所以典型的禽子体往柱是无色透明钓：从上可见，离子品体的性能在很大程度上取决于离子的怪质及其排列方式。二、共价蜡和共价量体《罩子品体) 处在恩期表中问位置的一经具有三、四，五个价电予的元素，钜表两边情性元素的面离相当。获得和罢免电子的能力近，原子既可能获得电子变为负离子，色可能手失电子变为正离子。当这生元素原子之问成与周期表中位里和远的元素瓜子形成分子或品体时，由共用价电子形成稳定的电子满光层的方式结合。被共用的价电子同时属于两相邻的原子，使它们的最外层购为电子满壳层。价电子主零花这两个相邻原子核之闻运动，形成一负电街较樂中的地区，园面对带正电背的丽子核产生吸引力，将它们结合起来。这种由共用价电子对产生的化学健叫戴共价健。由共阶键形成的品体为共价品华，共价品体中的教子为中性原子，所以色叫做原子晶体。具有代表性的共价品体为金侧石，其酷构如图16新示。金石是由碳原子组成的，每个碳原子贡献出因个价电子与鹰图的四个路原子共有。形因个共价健，构成正四体结构：一个碳原子在中心，与它共价的易环冈个康惊子在四个顶角上。硅、储、帽第元索也是共价品体。属于共价品排的还有5C,5S:N,X等化合物，有些元素，如峰，， 6

绅、锐、整等的原子之间近似于兵价结合。H,N:,O2,CI:等毓质分子和HCI.H:O, NH,禁化合粉地是靠共价照结合，一殷，两个相第原子只鱼共用一财电子。位一个原子的共价健数。愿与它共价结合的原子数，最多只相等于8-N,N表：这个原子最外层的电子数。所以共份健具有明显的饱和性。另外，在共价盛体中，佩子以一宽的角度相邻接，各德之间有稀定的方包，因此共价途有藉强烈的力向社。价键的结合力很大，所以共份晶体具有强皮高，暖度大、能鞋大、增点高、湖鼎武和挥些低等图1-6金月石品体性质，钻购色比较急定。由于相邻项子所典有的电子不能自由运动，共价品捧的导电能力较兹。三、金黑健和金属品体周期表左边的I、I、I族元素均在闲声层年有一个立几，个价电子。满壳层在带正电荷的原子被和价电学之间起屏整作用：篇子找对外面装道上前价电子装引力不火，所以原子很客易丢失其份电子而成为正离子。当大旅这样的原子相互接近并紧集为山体时，共中 0 大阁或企部原千都会丢失共饮电子。同离子园成共价健不一样，这里银否失的价电子将不为某个成某两个原子所专有成共有，而是属于会体愿子所公有。这些公有化的电子叫做自由电子，它门们在正离子之甸白申运动，形成所用电子气。正高子划记没在电子气中。在理超情识下，当价电国17铜的晶体子从丽子上发深形成对称的里离子，北电子云的分者是操对称：。由于这补对称淮，亡高子在三堂空间我电子气中量高度对称的规则分布，正离子和吨子气之阍产生逝烈的静电吸引力，读个部离子若合起来，达种错合力就叫酸金属触，由金属健钻合起来的品体为金属品体。复1-表示围的品体结棉。在金需温体中，价电予弥浸在整个体积内，所有的金属离子皆处于和同的环境之中，全部离下（度原子》均可番作是具有一定体的国球，所以金网健无所行泡和性和力向性。四、分子键（范特瓦尔斯力）和分子晶体感子伏态已经形度稳定电子光层的作性气体元素在低湿下可错合为因华，显D装元素的发氟于分子色能结合成品体，在们陆合的过程中，没有电子的得失、共有成公有化，原子或分子之间的结合力是很露的范磷瓦尔新明力年这种在在于中性原子成分子之间的出合力叫殿分子镜，本置上起一种物理位。因为在高子鹿、兵价健和金展健等化释健中，原子的所电子分布同熏立原子的张不相同，而在形成分子健时，阶电子的分布儿乎设有变化. 花特瓦尔斯力究瓷是一种什么站合力呢：它实际上是一种分子偶极E之间的作用力。 ·7

分可以分为极性分了和价夜性分了两火兆。通常说非提性分子没有国摄矩，是指平均档况。水i,,电了分布所形成的电何中，心与量子楼所具有的正电同中心是重合的。俱实际上在每一解叶，分下（设城千）上电予云分布的密度是不均的。正负电荷心指不承金，分了一精带负电，分一视带正化，出说分子的枝化现象，·形我所时偶提所。满圾 :与偶极矩之间能机互作用，1-8()为两个俩极矩帮国败引的瞬附尖卷；()为病个网授相排的状去。许多非横性分子能乾常近时，形成骨时偶板矩之间的电引力就是花导克斯力。在有段性分子形在的情况下，范将瓦尔斯力为非教性分子闭的腰时俩版足，极诈分子间的冰久偶截炬以及非战性分受极性分子彩病产生的场导阴极等之间的作用力的总和。 (o 图18分予间的斯时厚积垢熊靠范势瓦尔所力结合起来的晶体为分予品体。溴，碘的分子品林如图1-9所示。大部分有机化合物的品体以及CO:,S0:,HCl、HN,O:梦在低祖下形成的品体都处分子品体。分子健设有方向性和饱和性。是体给构主要取决于几何因紫，并趋向紧密持列，图1-8模的品米由子范种瓦尔渐引力摄岛。所致分子品体的结合力得小。分子晶体馆点很低，夏度盘暴低。这钟引力色可以存在于其它化举键品体中，世可以塑略不计。五，氢健及氨键晶体在含氯的物质中，特到悬含氯的联合的中，轻常可以见到由氧料子（质子）的尺}小所同引起的昆。一般一个中性瓢原子只和一个另外的以子形一共价使。但是在一定的条作下，一个氢原子可限同时女两个电子杀在能大的，华轻较小的原子F,O,N等)相结合，这种钻合力叫氢睫，氯镜的产生主要是山于氢原子与某一源子形成央外能叶，共有电干向这个原子强烈偏移，使氯惊子几乎变咸一半径祖小的带止忙电样的域，同此这个氢量子还可以和另一个系子根吸引，形成附加的壁。所以氢健是一种权强的、有方向性的范铃无尔斯健。它属干待燃 8

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