增至15％；高分子材料由9％增至13％。美国新一代汽
车研究计划目标每100km 的油耗要减少到3L。汽车重
量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。
为了达到这个目标，要求整车重量要减轻40%~50%，其
中，车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统
必须减轻10%。
27
宝马Z-3 东风车架
28
例如，美国福特公司新车型中使用的主要材料如图 所示。从图中可见，黑色金属用量将大幅减少，而 铝、镁合金用量将大幅增加。
29
在航天航空和国防工业上，材料减重，获得的效益 更大，如卫星减重1kg，可减少发射推力5kg，如对一枚 小型洲际导弹，减轻结构质量1kg，在有效载荷不变的条 件下，可增加射程15km左右，可减轻导弹起飞质量约 50kg。
攀钢夜景
鞍钢
24
近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业 为例，2008年，我国钢产量5亿t，是世界钢产量的38 ％，钢材出口量为5620万t，二者均为世界第一。从 1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪， 中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂 的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产 量的0.1％，只相当于现在全国不到几小时的产量。 1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第 一产钢大国。2006年起，又成为钢材出口第一大国。
…… 42
工程材料根据其属性和结合键性质可分为： 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料 ……
43
用于机械结构和机械零件并且主要要求力学
性能的工程材料分类如下：
铸铁
黑
色
金
属
碳
钢
金 属 材 料
有
色
金属合金钢源自铝合金铜合金其
他
有
色
金
属
塑料
机械工程材料
高
分
子
材
金属钛中的位错
39
材料发展的历程示意图
40
1.2 材料的分类
根据工程用途可分为：
机械工程材料
土建工程材料
电工材料
电子材料
……
41
根据使用性能可分为：
利用其力学性能的结构材料（主要是强调
强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，用来制 造机器零件和工程构件的材料）。
利用其物理性能的功能材料（是指具有特
殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理 化效应的各种新材料。用以对信息和能量的感 受、计测、传导、显示、发射转换和变换的目 的，是现代高新技术发展的物质基础）。
35
人类对材料的认识是逐步深入的。
• 1863年，光学显微镜首次应用 于金属研究，诞生了金相学，使 人们能够将材料的宏观性能与微 观组织联系起来。
光学显微镜
灰铸铁的显微组织
Pb-Sn共晶组织
36
1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于 晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识 从最初的假想到科学的现实。
工程材料的性能主要是指材料的使用性能和工艺 性能。
将未经成型的坯料加工成零件所要求的形状和性 能所采取的手段。
53
结构：材料中各原子 的具体组合状态。 一般通过X-射线衍 射或透射电镜研究。
Al的高分辨透射电镜象
纯铁晶体的X-射线衍射谱
透射电镜衍射斑54点
在Au-Pa薄膜上用AFM探针的纳米 雕刻（北大）
类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材 料逐步向高比强度、比模量方向发展。例如，20世纪 上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段， 把铝合金的强度提高到700MPa，铝的比强度是钢的比 强度的4倍有余。
美国1990年汽车平均质量为1020kg，2000年则为
820kg。铸铁的比例由11％减至8％。此时铝合金由9％
Si表面的重构图象
X-射线衍射仪
37
1932年发明了电子 显微镜，把人们带 到了微观世界的更 深层次（10-7m）
光镜下
电镜下
透射电子显微镜
扫描电子显微镜
38
• 1934年位错理论的 提出，解决了晶体理 论计算强度与实验测 得的实际强度之间存 在的巨大差别的矛盾， 对于人们认识材料的 力学性能及设计高强 度材料具有划时代的 意义。
30
至于航天飞机，机体表面温度会高达1000℃以上，只能 采用高温合金材料及防氧化涂层；目前，玻璃纤维增强 塑料等复合材料在飞机、航天飞行器上已获得广泛应用。
31
原子弹、氢 弹的爆炸， 卫星、飞船 的上天等都
中
造 卫 星
国 第 一 颗
人
说明了我国
中
国
在材料的开
第
发、研究及
一 颗
应用等方面
原 子
有了飞跃的
25
我国又是一个钢的消费大国，2008年我国钢消费 4.53亿t。我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许 多高附加值的优质钢材仍需进口，2008年就进口了1543 万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是 探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理 论强度应能高于800MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低 合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有 800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1 倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这 个超级钢计划展示了材料挖潜的前景。我国在这方面已 取得了显著的成绩，使碳钢和低合金钢强度提高1倍的 设想不仅在大生产线上经受了考验，而且已装车使用26。
55
组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到 的金属内部的情景。
• 习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍 组织或宏观组织。
• 放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 • 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组
织或电镜组织。
56
钢的宏观组织、显
司母戊鼎
河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造 高133厘米 重875kg 饰纹优美
18
越王勾践剑
春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓 长55.7厘米 剑锷锋芒犀利 锋能割断头发
19
古代剑刃制造中的特殊技术
梯
度
材
料
春秋战国时代的
古 已
青铜剑，剑身及
有 之
这 是 古 代 剑 刃 截 面
剑锋由不同成分
图
料
合
橡 成
胶 纤
维
胶 粘 剂
陶
瓷
材
料
传
特
统 种
陶 陶
瓷 瓷
金属基复合材料
复
合
材
料
高
分
子
基复合材
料
陶
瓷
基
复
合
材
料
44
铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界 年产量已达14亿吨，在机械产品中的用量已占整 个用材的60%以上。
带材
异形材
板材
管材
45
金属材料制品
46
陶瓷制品
陶瓷发动机
宋应星
生铁炒熟铁图
22
在春秋时期，发明了生铁冶炼技术，开始大量使
用铁器做工具，铸造和热处理技术已普遍应用于制剑
中，这比欧洲国家早1800多年。我国还是世界上应用
焊接技术最早的国家之一。在河南辉县战国墓中出土
的铜器上，其本体、耳、足都是用锡钎焊和银钎焊连
接的，这比欧洲国家早2000多年。明朝科学家宋应星
1903年世界上第一架飞机所用的主要结构材料是木 材和帆布，飞行速度仅16km/h；1911年硬铝合金研制成 功，金属结构使飞机性能和速度获得一个飞跃；喷气式 飞机超过音速，高温合金材料制造涡轮发动机起到重要 作用；当飞机速度达到2-3倍音速时，飞机表面温度会升 到300℃ ，飞机材料只能采用不锈钢或钛合金；
绪论 材料结构的基本知识
钢的热处理 工业用钢
材料的晶体结构
铸铁
材料的制备过程
有色金属及其合金
合金的相结构及相图 常用非金属材料
材料的变形
工程材料的选用
5
第一章 绪论
本章主要知识： 材料发展简史 材料的分类 材料的性能 材料成形技术概述及发展趋势*
6
1.1 材料及其成型工艺发展简史
材料是指人类用以制造 各种有用器件的物质。
的青铜组成，是
复合材料很好的
例子
20
• 黄石铜矿遗址
• 春秋晚期 • 矿井深达50m • 炼铜炉渣多达40万吨 • 实属罕见
21
我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学 家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳 热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国 在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。
研制人员经过多次的实验最终选定了一种低密度的烧蚀防热材
料，使得飞船外部即使是在零下100度到零上3000度的时候，舱
内温度仍能保持在零上20度左右。
34
神七宇航员在出舱进行太空行走时，将可轻巧地捡起一枚 1分硬币，依靠这些橡胶制品可以在零下120℃至120℃温 度范围内具有足够的柔韧性，又具有耐太空辐射和宇宙漂 浮颗粒物等侵害的特殊性能。
10
石 器 时代
11
青铜器时代
12
铁器时代及现代
13
• 没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前 的计算机技术。
龙芯
联想计算机
14
没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航
空工业和宇航工业。
飞机发动机叶片
在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片
波音客机
15
没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。
47
高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮 船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业 中被广泛应用。