材料科學(xué)與社會考試資料

1、材料科學(xué)與社會理學(xué)院 物理系楊瑞東TEL：緒論材料科學(xué)與技術(shù)是當(dāng)代文明的三大支柱之一和全球新技術(shù)革命的三個標(biāo)志之一，在當(dāng)今高科技的發(fā)展中起著基礎(chǔ)和先導(dǎo)作用。1.1材料的概念1.1.1 概念材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器或其它產(chǎn)品的物質(zhì)。人類通過勞動制成產(chǎn)品有兩個途徑：物質(zhì)產(chǎn)品（簡單的，低性能的）；物質(zhì)材料產(chǎn)品（復(fù)雜的，高性能的）。1.1.2 新材料特點新材料是指那些正在發(fā)展，且具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景的一類材料。一般具有以下特點：1、具有一些優(yōu)異性能或特定功能；2、新材料的發(fā)展與材料科學(xué)理論的關(guān)系比傳統(tǒng)材料更為密切；3、新材料的制備和生產(chǎn)往往與新技術(shù)、新工藝緊密相關(guān)；4、更新?lián)Q代快，式

2、樣多變；5、新材料大多是知識密集、技術(shù)密集、附加值高的高技術(shù)材料，而傳統(tǒng)材料通常為資源性或勞動集約型材料。1.1.3 材料科學(xué)與工程內(nèi)涵材料科學(xué)主要研究材料的成分、分子或原子結(jié)構(gòu)、微觀及宏觀組織以及加工制造工藝和性能之間的關(guān)系，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的認(rèn)識。材料科學(xué)與工程就是研究有關(guān)材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途的關(guān)系的知識產(chǎn)生及其運用。三個重要特征：1、多學(xué)科交叉；2、與實際使用結(jié)合非常密切的科學(xué)；3、正在發(fā)展中的科學(xué)。四個基本要素：組成與結(jié)構(gòu)、合成與生產(chǎn)過程、性質(zhì)、使用效能。1.2 材料的發(fā)展材料一直是人類進化的重要里程碑，如歷史上的石器時代、青銅器時代、鐵器時代都是以材料作為時代的

3、主要標(biāo)志。材料發(fā)展的三個階段（社會發(fā)展）： 農(nóng)業(yè)社會: 木材、石頭、隕鐵等天然材料工業(yè)社會: 鋼鐵、水泥、塑料金屬等材料信息社會: 功能材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、納米材料等材料的制備材料在人類社會發(fā)展中的作用 以材料劃分人類發(fā)展的歷程材料是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)和根本保障，從人類開始認(rèn)識自然、改造自然的那一刻起就開始了材料的使用。材料的歷史和人類的歷史一樣久遠(yuǎn)。人類的文明曾被劃分為舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代，由此可見材料對人類社會大發(fā)展的影響是巨大的。隨著人類文明的發(fā)展，材料也在不斷發(fā)展，直至形成現(xiàn)在的材料科學(xué)和材料工程。 1.純天然材料的初級使用階段在遠(yuǎn)古時代，人類只能用天然材料（

4、如獸皮、甲骨、羽毛、樹木、草葉、石塊、泥土等）來制作各種生活生產(chǎn)的工具。在制造武器等方面的技巧也都只是純天然材料的簡單加工。關(guān)于人類的起源： 現(xiàn)代人類和類人猿共同的祖先是森林古猿，據(jù)考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)最早的人猿類化石是在肯尼亞中世紀(jì)，之后約1700萬年時，非洲的原始人猿向歐洲和亞洲遷移，逐步形成兩個群族。一個是樹猿類：分布于非洲和歐洲，包括肯尼亞古猿、非洲古猿、樹猿等；另一個是臘瑪類：主要分布在亞洲，包括希瓦古猿、臘瑪古猿和巨猿等。北京人：500萬年前，由森林古猿逐漸進化而來的新世直立人，也稱“中國猿人北京種”。鉆木去火：將削尖的木棒伸到木板的洞里，用力壓住木棒來回轉(zhuǎn)動，板與棒相互摩擦，摩擦生熱達到

5、木棒的著火點變開始燃燒。2.單純用火制造材料階段10000年前到20世紀(jì)初期的新石器時代、銅器時代、鐵器時代的這個漫長時期。主要用火對天然材料進行煅燒、冶煉和加工。例如用天然礦土燒制陶瓷和磚瓦。玻璃、水泥和從各種天然礦石中提煉銅、鐵等金屬材料。關(guān)于越王勾踐的故事：越王勾踐劍通高55.7厘米，寬4.6厘米，柄長8.4厘米，重875克，1965年冬出土于湖北省荊州市附近的望山楚墓群中。 這把劍是春秋戰(zhàn)國時期，用火直接提煉天然的青銅煉制而成，距今已經(jīng)2000多年。被譽為天下第一劍。與吳王夫差矛并同列入國家級保護文物。3.物理與化學(xué)原理合成材料階段 20世紀(jì)初，隨著物理化學(xué)等科學(xué)的發(fā)展及各種檢測技術(shù)的

6、出現(xiàn)，人類一方面從化學(xué)角度出發(fā)，開始研究材料的化學(xué)組成、化學(xué)鍵、微觀結(jié)構(gòu)及合成方法；另一方面從物理角度出發(fā)開始研究材料的物性，把物理和化學(xué)理論應(yīng)用到材料技術(shù)中，從而萌芽了材料科學(xué)。 人類不再是單純的開采天然礦石和原料，而是經(jīng)過簡單的煅燒和冶煉來制造材料，而且能利用一系列的物理化學(xué)原理及現(xiàn)象來創(chuàng)造新的材料。人工合成材料、金屬材料和陶瓷材料并稱為材料的三大支柱高分子材料的萌芽史15世紀(jì)美洲瑪雅人用天然橡膠做容器，雨具等生活用品。 1839年美國人Charles Goodyear發(fā)現(xiàn)天然橡膠與硫磺共熱后明顯地改變了性能，使它從硬度較低、遇熱發(fā)粘軟化、遇冷發(fā)脆斷裂的不實用的性質(zhì)，變?yōu)楦挥袕椥?、可塑性?/p>

7、材料。 1869年 美國人John Wesley Hyatt把硝化纖維、樟腦和乙醇的混合物在高壓下共熱，制造出了第一種人工合成塑料“賽璐珞”。 1887年 法國人Count Hilaire de Chardonnet用硝化纖維素的溶液進行紡絲，制得了第一種人造絲。 1909年 美國人Leo Baekeland用苯酚與甲醛反應(yīng)制造出第一種完全人工合成的塑料酚醛樹酯。 1920年 德國人Hermann Staudinger發(fā)表了“關(guān)于聚合反應(yīng)”的論文提出：高分子物質(zhì)是由具有相同化學(xué)結(jié)構(gòu)的單體經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)（聚合），通過化學(xué)鍵連接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一詞即源于此。 1926年瑞典化學(xué)家

8、斯維德貝格等人設(shè)計出一種超離心機，用它測量出蛋白質(zhì)的分子量：證明高分子的分子量的確是從幾萬到幾百萬。 1926年美國化學(xué)家Waldo Semon合成了聚氯乙烯，并于1927年實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。 1930年 聚苯乙烯(PS)發(fā)明。 1932年 Hermann Staudinger總結(jié)了自己的大分子理論，出版了劃時代的巨著高分子有機化合物成為高分子化學(xué)作為一門新興學(xué)科建立的標(biāo)志。 1935年 杜邦公司基礎(chǔ)化學(xué)研究所有機化學(xué)部的Wallace H. Carothers合成出聚酰胺66，即尼龍。尼龍在1938年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 1930年 德國人用金屬鈉作為催化劑，用丁二烯合成出丁鈉橡膠和丁苯橡膠。

9、1940年 英國人T. R. Whinfield合成出聚酯纖維（PET）。 1940年代Peter Debye 發(fā)明了通過光散射測定高分子物質(zhì)分子量的方法。 1948年 Paul Flory 建立了高分子長鏈結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)理論。 1953年德國人Karl Ziegler與意大利人Giulio Natta分別用金屬絡(luò)合催化劑合成了聚乙烯與聚丙烯。 1955年 美國人利用齊格勒-納塔催化劑聚合異戊二烯，首次用人工方法合成了結(jié)構(gòu)與天然橡膠基本一樣的合成天然橡膠。 1956年Szwarc提出活性聚合概念。高分子進入分子設(shè)計時代。 1971年S. L Wolek 發(fā)明可耐300高溫的Kevlar。 1970

10、年以后 高分子合成新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，高分子新材料層出不窮。4、復(fù)合材料20世紀(jì)50年代金屬陶瓷的出現(xiàn)標(biāo)志著復(fù)合材料時代的到來，緊接著出現(xiàn)了玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料。人類已經(jīng)可以利用新的物理、化學(xué)方法、根據(jù)實際需要設(shè)計獨特性能的材料。5.材料的智能化階段自然界中的材料一般都具有自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)功能。例如所有的動物或植物都能在沒有受到絕對破壞的情況下進行自我診斷自我修復(fù)，人工材料在開始發(fā)現(xiàn)時卻不能做到這一點。 經(jīng)過三四十年的研究，目前已經(jīng)研制出一些材料可以具備其中的部分功能，這就是智能材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等。形狀記憶合金 ：這種合金在一定溫度下成形后，能記住自己

11、的形狀。當(dāng)溫度降到一定值（相變溫度）以下時，它的形狀會發(fā)生變化；當(dāng)溫 度再升高到相變溫度以上時，它又會自動恢復(fù)原來的形狀。人工智能材料所具有的特點：1)具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界(或者內(nèi)部)的刺激強度，如電、光、熱、應(yīng)力-應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等； (2)具有驅(qū)動功能，能夠響應(yīng)外界變化； (3)能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)； (4)反應(yīng)比較靈敏,及時和恰當(dāng)； (5)當(dāng)外部刺激消除后,能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。1.3 材料的分類1.3.1 從化學(xué)屬性上分，材料可分為金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料及生物醫(yī)學(xué)材料。1.3.2 從來源來分，材料可分為天然材料和人造材料。1

12、.3.3 從用途上分，材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料主要利用其強度、韌性等力學(xué)性質(zhì)，如鋼鐵、水泥、結(jié)構(gòu)陶瓷等；功能材料則主要利用電子導(dǎo)電、半導(dǎo)體、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，如半導(dǎo)體材料、磁性材料、激光材料、生物材料、納米材料等。金屬材料 金屬材料包括兩大類：鋼鐵材料和非鐵(有色)金屬材料。除鋼鐵外，其他金屬材料一般統(tǒng)稱為非鐵金屬材料，主要有鋁、銅、鈦、鎳及其合金等。鋁、銅合金用得最多，鈦合金主要用于航空航天等部門。 無機非金屬材料 無機非金屬材料主要包括陶瓷、水泥、玻璃及非金屬礦物材料。傳統(tǒng)的陶瓷材料由粘土、石英、長石等組成，主要作為建筑材料使用。新型陶瓷材料主要以Al2O3，SiC，Si3N4

13、等為主要組分，已用作航空航天領(lǐng)域中航天飛機的熱絕緣涂層、發(fā)動機的葉片等，還作為先進的功能材料，用于制作電子元件和敏感元件。 有機高分子材料 有機高分子材料又稱高分子聚合物，按用途可分為塑料、合成纖維和橡膠三大類。塑料通常又分為通用塑料和工程塑料。復(fù)合材料復(fù)合材料就是由兩種或兩種以上不同原材料組成，使原材料的性能得到充分發(fā)揮，并通過復(fù)合化而得到單一材料所不具備的性能的材料。按基體可分為金屬基、有機高分子材料基、無機非金屬基復(fù)合材料。按強化相可分為顆粒增強和纖維增強復(fù)合材料。工程材料的分類 工程材料主要是指用于機械、車輛、船舶、建筑、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中的材料，用來制造工程構(gòu)

14、件和機械零件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蝕、耐高溫等)的材料。按結(jié)合鍵的性質(zhì)，工程材料分類如下：新材料新材料按其在不同高技術(shù)領(lǐng)域中的用途可分為三大類，即信息材料、新能源材料，以及在特殊條件下使用的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。 如砷化鎵等新的化合物半導(dǎo)體材料，用于信息探測傳感群的碲鎘汞、銻化姻、硫化鉛等敏感類材料，石英型光導(dǎo)纖維材料，鉻鈷合金光存儲記錄材料，非晶體太陽能電池材料，超導(dǎo)材料，高溫陶瓷材料，高性能復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，高分子功能材料，特別是納米材料等等。 中華民族對材料發(fā)展的重大貢獻 石器:石刀、石斧、石鋤。陶器：(公元前6000年公元前5000年)，制品有炊具、食具、盛儲器皿

15、等。瓷器:于9世紀(jì)傳到非洲東部和阿拉伯國家，13世紀(jì)傳到日本，十五世紀(jì)傳到歐洲。青銅器：制造各種工具、食器、兵器。司母戊鼎、戰(zhàn)國青銅編鐘。 春秋戰(zhàn)國時期周禮考工記中記載了鐘鼎、斧斤等六類青銅器中的錫含量，稱為“六齊(劑)”。 書中寫道：“六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒燧之齊”。鐵器：春秋戰(zhàn)國時期(公元前770年公元前221年)已開始大量使用。西漢時期：采用煤作為煉鐵的燃料，比歐洲早1700多年。三種煉鋼方法：自然鋼：從礦石中直接煉出；百煉鋼：經(jīng)過“

16、百次”冶煉鍛打的；灌鋼：是南北朝時期生產(chǎn)的。先煉鐵后煉鋼的兩步煉鋼技術(shù)我國要比其它國家早1600多年。 鋼的熱處理技術(shù)：西漢史記天官書中有“水與火合為淬”一說， 正確地說出了鋼鐵加熱、水冷的淬火熱處理工藝要點。 絲綢：天然高分子材料，于十一世紀(jì)傳到波斯、阿拉伯、埃及，并于1470年傳到意大利的威尼斯，進入歐洲。1.4 陶瓷發(fā)展前景目前無機非金屬材料的發(fā)展十分活躍。功能材料向著高效能、高可靠、高靈敏、智能化和功能集成化的方向發(fā)展；結(jié)構(gòu)材料向著復(fù)合化、高韌性、高比強、耐磨損、抗腐蝕、耐高溫、低成本和高可靠性的方向發(fā)展。在發(fā)展新材料的同時，重視采用新理論、新工藝、新技術(shù)改造傳統(tǒng)材料。此外，無機非金屬

17、材料在生物醫(yī)用工程與環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用愈來愈受到重視。第2章 材料科學(xué)基礎(chǔ)知識2.1 固體材料中的原子排列材料的結(jié)合鍵材料的結(jié)合鍵原子、離子或分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。一般可把結(jié)合鍵分為離子鍵、共價健、金屬鍵和分子鍵四種。離子鍵 ：NaCl、CaO、Al2O3等由離子鍵組成 。離子鍵的結(jié)合力很大，因此離子晶體的硬度高，強度大，熱膨脹系統(tǒng)小， 但脆性大。離子鍵中很難產(chǎn)生可以自由運動的電子，所以離子晶體都是良好的絕緣體。 共價鍵 這種由共用價電子對產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價鍵。最具有代表性的共價晶體為金剛石。屬于共價晶體的還有SiC、Si3N4、BN等化合物。 共價鍵的結(jié)合力很大，所以共價晶體強度高、硬度

18、高、脆性大、熔點高、沸點高和揮發(fā)性低 金屬鍵 原子很容易丟失其價電子而成為正離子。金屬由金屬鍵結(jié)合，因此金屬具有下列特性： 1. 良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性； 2. 正的電阻溫度系數(shù)；3. 不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤；4. 良好的塑性變形能力，金屬材料的強韌性好。 分子鍵結(jié)合過程中沒有電子的得失、共有或公有化，價電子的分布幾乎不變，原子或分子之間是靠范特瓦爾斯力結(jié)合起來，這種結(jié)合鍵叫分子鍵。 范德華力很弱，因此由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點低、硬度也很低，因無自由電子，因此材料有良好的絕緣性。2.2材料的結(jié)構(gòu)與性能 （1） 金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織 材料的性能：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)。晶體與非晶體： 晶體：原子

19、（離子或分子）在三維空間有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物體，如：天然金剛石，水晶，氯化鈉等。 非晶體：原子（離子或分子）在空間無規(guī)則排列的物體則，如松香，石蠟，玻璃等。金屬：由金屬鍵結(jié)合，其內(nèi)部的金屬離子在空間有規(guī)則的排列，因此固態(tài)金屬均是晶體。純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)：由實際原子、離子、分子或各種原子集團，按一定幾何規(guī)律排列而成的集合體稱為晶體結(jié)構(gòu)，也稱為晶體點陣。 周期重復(fù)的圖形可以用點陣來描述。它由無數(shù)一維、二維或三維規(guī)則排列的點組成,構(gòu)成一維、二維或三維點陣。三維點陣又稱空間點陣晶格：通過金屬原子(離子)的中心劃出許多空間直線，這些直線將形成空間格架。這種格架稱為晶格。晶格的結(jié)點為金屬原子

20、(或離子)平衡中心的位置。晶胞：能反映該晶格特征的最小組成單元。晶胞在三維空間的重復(fù)排列構(gòu)成晶格。晶胞的基本特性即反映該晶體結(jié)構(gòu)(晶格)的特點。晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長a、b、c和三條棱邊之間的夾角、等六個參數(shù)來描述。其中a、b、c 為晶格常數(shù)。 金屬的晶格常數(shù)一般為: 一、三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu) 體心立方晶格（胞）(B.C.C.晶格) 結(jié)構(gòu)特點 a=b=c, =90原子排列規(guī)律：晶胞原子數(shù)為81/8+1=2(個)原子半徑(r)與晶格常數(shù)的關(guān)系 ： 晶體中原子排列的緊密程度為致密度 (k) 晶體的配位數(shù)是指晶體結(jié)構(gòu)中任一原子的最近鄰且等距離的原子數(shù)目：CN = 8 面心立方晶格（胞

21、） (F.C.C.晶格) 結(jié)構(gòu)特點 a=b=c,=90原子排列規(guī)律：晶胞原子數(shù)81/8+61/2=4(個)原子半徑(r)與點陣常數(shù)的關(guān)系 k = 0.74； CN = 12 密排六方晶格（胞） (H.C.P.晶格) 結(jié)構(gòu)特點 c/a1.633 原子排列規(guī)律 晶胞原子數(shù) 121/6+21/2+3=6（個） 原子半徑（r）與點陣常數(shù)的關(guān)系 k=0.74 ； CN=12 二、晶體中的晶面和晶向晶面：通過晶體中原子中心的平面；晶向：通過原子中心的直線為原子列，其所代表的方向。晶面或晶向可用晶面指數(shù)或晶向指數(shù)來表達。 金屬晶體的特性1. 金屬晶體具有確定的熔點2. 金屬晶體具有各向異性 各向異性:在晶體

22、中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同。各向同性:非晶體在各個方向上性能完全相同。例如單晶體鐵(只含一個晶粒)的彈性模量，在方向上為2.90105 MPa, 而在方向上只有1.35105 MPa。 實際金屬中的晶體缺陷 按照幾何特征，晶體缺陷可分為點缺陷，線缺陷和面缺陷三類： 1. 點缺陷：在三維尺度上都很小的, 不超過幾個原子直徑的缺陷。 （1）空位：在晶體晶格中, 若某結(jié)點上沒有原子, 則這結(jié)點稱為空位?？瘴桓浇脑訒x正常結(jié)點位置, 造成晶格畸變。 （2）間隙原子: 位于晶格間隙之中的原子叫間隙原子。（3）異類

23、原子：任何純金屬中都或多或少會存在雜質(zhì), 即其它元素, 這些原子稱為異類原子(或雜質(zhì)原子)?？偨Y(jié)：點缺陷造成局部晶格畸變, 使金屬的電阻率、屈服強度增加, 密度發(fā)生變化。 2. 線缺陷:是指兩維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。位錯:由晶體中原子平面的錯動引起。位錯有兩種：（1）刃型位錯：在金屬晶體中，由于某種原因，晶體的一部分相對于另一部分出現(xiàn)一個多余的半原子面。這個多余的半原子面猶如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯線。這種線缺陷稱刃型位錯。半原子面在上面的稱正刃型位錯, 半原子面在下面的稱負(fù)刃型位錯。（2）螺型位錯:晶體右邊的上部點相對于下部的點向后錯動一個原子間距，即右邊上部相對于下部

24、晶面發(fā)生錯動。若將錯動區(qū)的原子用線連接起來，則具有螺旋型特征。這種線缺陷稱螺型位錯。 3. 面缺陷 ：是指二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。金屬晶體中的面缺陷主要有兩種:（1）晶界 :晶粒與晶粒之間的接觸界面。晶界在空中呈網(wǎng)狀；晶界上原子的排列規(guī)則性較差。（2）亞晶界 :亞晶粒之間的邊界。結(jié)論：晶界和亞晶界均可提高金屬的強度。晶界越多, 晶粒越細(xì), 金屬的塑性變形能力越大, 塑性越好。 晶界的一些特性小結(jié)：晶界上原子處于畸變狀態(tài)，能量較高，對位錯運動有阻礙作用。提高材料強度和硬度的作用。 晶界處同時存在空位、位錯等缺陷。故晶界處原子擴散速度比晶內(nèi)快；由于具有較高能量，往往是相變的策源地 。晶

25、界比晶內(nèi)更易腐蝕( 抗蝕性差)。 當(dāng)溫度較高時，會發(fā)生界面平直化及晶粒長大。 （2）固體中的相結(jié)構(gòu) 合金：一種金屬元素同另一種或幾種其它元素, 通過熔化或其它方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金的獨立的、最基本的單元叫做組元。二元合金：由兩個組元組成的合金稱為二元合金。相：在金屬或合金中，凡化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分叫做相。固態(tài)合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。一、固溶體:合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體?；蛘呷圪|(zhì)原子熔入固態(tài)的熔劑中,并保持熔劑晶格類型而形成的相。熔質(zhì)原子熔入固熔體中的

26、極限熔解度稱為固熔度。通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)wB或摩爾分?jǐn)?shù)xB表示： wB=mB/mA 式中mB-B組元的質(zhì)量；mA -合金的質(zhì)量。 xB=nB/nA 式中 nB-B組元的物質(zhì)的量（mol）； nA -合金的物質(zhì)的量（mol）。 1. 固溶體的分類（1）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分。固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。（2）按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分。固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。（3）按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律分。固溶體分無序固溶體和有序固溶體兩種。 2. 固熔體的結(jié)構(gòu)和性能特點 （1）結(jié)構(gòu)特點：保持了溶劑的點陣類型。（2）成分(在微觀上)是不均勻的，存在原子偏聚或短程有序

27、現(xiàn)象。 （3）點陣產(chǎn)生畸變 。（4）產(chǎn)生固熔強化 。通過溶入某種元素形成固熔體,而使金屬強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固熔強化。這是提高合金機械性能的重要途徑之一。 二、金屬化合物：合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相, 或稱中間相。其一般熔點較高, 硬度高, 脆性大。合金中含有金屬化合物時, 強度、硬度和耐磨性提高, 而塑性和韌性降低。1. 正常價化合物:嚴(yán)格遵守化合價規(guī)律的化合物。 性能特點：硬度高、脆性大。2. 電子化合物：不遵守化合價規(guī)律但符合于一定電子濃度的化合物叫做電子化合物。電子化合物主要以金屬鍵結(jié)合, 具有明顯的金屬特性, 可以導(dǎo)電。它們的熔點和硬度較高，塑

28、性較差，在許多有色金屬中為重要的強化相。3. 間隙化合物：由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，間隙化合物分間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物兩種。 （1）間隙相:當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物。特點：間隙相具有金屬特性，有極高的熔點和硬度, 非常穩(wěn)定。（2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物：當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。特點：具有很高的熔點和硬度, 但比間隙相稍低些, 在鋼中也起強化相作用。 （3）金屬材料的性能 工藝性能：是指制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的性能 ，即

29、指其鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。使用性能：是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能，它包括力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能。金屬材料的工藝性能 一、鑄造性能 金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能，用流動性、收縮性和偏析來衡量。 1. 流動性 熔融金屬的流動能力。2. 收縮性 鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減少的現(xiàn)象稱為收縮性。鑄件收縮不僅影響尺寸，還會使鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷。3. 偏析 金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織的不均勻現(xiàn)象。二、鍛造性能金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應(yīng)能力稱鍛造性。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越

30、好。三、焊接性能金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性稱焊接性。低碳鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.18 %的合金鋼有較好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。 四、切削加工性能 一般用切削后的表面質(zhì)量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具壽命來表示。五、熱處理工藝性能 鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性, 即鋼接受淬火的能力。金屬材料的機械性能 金屬材料的機械（力學(xué)）性能，即是指金屬材料在外力（載荷）作用時表現(xiàn)出來的性能，包括強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。一、強度：金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。根據(jù)載荷的不同，可分為抗拉強度，抗壓強度，抗彎強度，抗剪強度和抗扭強度等幾種。1. 彈性極限（e）：

31、表示材料保持彈性變形, 不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力。 2. 屈服點（ s）：表示金屬開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力, 鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象, 則用條件屈服點（ 0.2 ）來表示: 產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時的應(yīng)力值。3. 強度極限(抗拉強度b )：表示金屬受拉時所能承 受的最大應(yīng)力。 二、塑性：斷裂前材料產(chǎn)生永久變形的能力, 用延伸率和斷面收縮率來表示。 1. 延伸率（）：在拉伸試驗中, 試樣拉斷后, 標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為延伸率。2. 斷面收縮率（）：試樣拉斷后, 縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。 三、硬度：材料抵抗另一硬物體壓入其內(nèi)的能力叫硬度，即受壓時

32、抵抗局部塑性變形的能力。1. 布氏硬度（HB) 用符號HBS(當(dāng)用鋼球壓頭時)或HBW(當(dāng)用硬質(zhì)合金球時)來表示。式中：P為載荷（N），D為球體直徑（mm），d為壓痕平均直徑(mm)。2. 洛氏硬度(HRA、HRB、HRC) 四、韌性（ak）：材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為韌性。沖擊韌度 ：五、斷裂韌性：材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展斷裂的能力叫斷裂韌性。金屬材料的理化性能 一、金屬的物理性能 1. 密度:單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。密度小于5103kg/m3的金屬稱為輕金屬, 如鋁、鎂、鈦及它們的合金。密度大于5103kg/m3的金屬稱為重金屬, 如鐵、鉛、鎢等。 2. 熔點:金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度。

33、3. 導(dǎo)熱性:導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率來衡量。熱導(dǎo)率越大, 導(dǎo)熱性越好。金屬的導(dǎo)熱性以銀為最好, 銅、鋁次之。 4. 導(dǎo)電性:傳導(dǎo)電流的能力，用電阻率來衡量。 5. 熱膨脹性：金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性 6. 磁性 :鐵磁性材料、順磁性材料 、抗磁性材料 。二、金屬的化學(xué)性能 主要指耐腐蝕性和抗氧化性。金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱化學(xué)穩(wěn)定性。在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。1. 耐腐蝕性 金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱耐腐蝕性，碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差；鈦及其合金、不銹鋼的耐腐蝕性好。鋁合金和銅合金有較好的耐腐蝕性。2. 抗氧化性 金屬材料在加熱時

34、抵抗氧化作用的能力稱抗氧化性。加入Cr、Si等元素, 可提高鋼的抗氧化性。如4Cr9Si2可制造內(nèi)燃機排氣閥及加熱爐爐底板, 料盤等。 提示:金屬材料主要以金屬鍵結(jié)合，其強韌性好，塑性變形能力強，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，為主要的工程材料。2） 、高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能 高分子材料的結(jié)構(gòu)一、大分子鏈的結(jié)構(gòu)1. 大分子鏈的化學(xué)組成：主要是碳、氫、氧，另外還有氮、氯、氟、硼、硅、硫等元素，其中碳是形成大分子鏈的主要元素。 大分子鏈根據(jù)組成元素不同可分為三類：碳鏈大分子-C-C-C- 、雜鏈大分子和元素鏈大分子。2.大分子鏈的形態(tài)：主要有線型、支化型和體型(或網(wǎng)型)等三類。 三、高分子材料的聚集態(tài)高分子材料的

35、聚集狀態(tài)有三種：晶態(tài)：分子鏈在空間規(guī)則排列。 部分晶態(tài)：分子鏈在空間部分規(guī)則排列。 非晶態(tài)：分子鏈在空間無規(guī)則排列，亦稱玻璃態(tài)。高分子材料的性能 一、高分子材料的機械性能1.高聚物的物理、力學(xué)狀態(tài)(1)線型非晶態(tài)高聚物的三種力學(xué)狀態(tài) ：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。圖中為Tb為脆化溫度、Tg為玻璃化溫度、Tf為粘流溫度,Td 為分解溫度。 2. 高分子材料的機械性能特點 (1)強度低：高聚物的強度平均為100 MPa。(2)彈性高、彈性模量低：高聚物的彈性變形量大，可達到100%1000，而一般金屬材料只有0.1%1.0。高聚物的彈性模量低，約為2 MPa20 MPa, 一般金屬材料為103 MPa

36、2105 MPa。(3)粘彈性：主要表現(xiàn)有蠕變、應(yīng)力松馳和內(nèi)耗等。 (4) 塑性與受迫彈性(5) 韌性(6) 減摩、耐磨性 2）、高分子材料的物理和化學(xué)性能 1. 絕緣性：高聚物分子是良好的絕緣體，絕緣性能與陶瓷相當(dāng)。2. 耐熱性：是指它對溫度升高時性能明顯降低的抵抗能力。常用熱塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍等，長期使用溫度一般在100 以下；熱固性塑料如酚醛塑料的為130 150 ；耐高溫塑料如有機硅塑料等，可在200 300 使用。3. 耐蝕性：高聚物的化學(xué)穩(wěn)定性很高。它們耐水和無機試劑、耐酸和堿的腐蝕。尤其是被譽為塑料王的聚四氟乙烯，不僅耐強酸、強堿等強腐蝕劑，甚至在沸騰的王水中也很穩(wěn)

37、定。耐蝕性好是塑料的優(yōu)點之一。4. 老化：其主要表現(xiàn)：對于橡膠為變脆，龜裂或變軟，發(fā)粘；對于塑料是退色，失去光澤和開裂。3）陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)一、陶瓷材料的制備過程 陶瓷的原料通常是由粘土、石英和長石三部分組成。在加熱燒成或燒結(jié)和冷卻過程中，由這三部分組成的坯料相繼發(fā)生四個階段的變化： (1)低溫階段(室溫300) 殘余水分的排除。 (2) 分解及氧化階段(300950) 結(jié)構(gòu)水的排除；有機物、碳素和無機物等的氧化；碳酸鹽、硫化物等的分解；石英晶型轉(zhuǎn)變。 (3)高溫階段(950燒成溫度) 氧化、分解反應(yīng)繼續(xù)進行；相繼出現(xiàn)共熔體等液相，各組成物逐漸溶解；一次莫來石(3Al2O3

38、2SiO2)晶體生成; 二次莫來石晶體長大; 石英塊溶解成殘留小塊; 發(fā)生燒結(jié)成瓷。 (4) 冷卻階段(燒成溫度室溫) 二次莫來石晶體析出或長大; 液相轉(zhuǎn)變; 殘留石英晶型轉(zhuǎn)變。 二、陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu) 按照組織形態(tài)陶瓷材料分為三類：無機玻璃：即硅酸鹽玻璃，是室溫下具有確定形狀，但其粒子在空間成不規(guī)則排列的非晶結(jié)構(gòu)類陶瓷材料；微晶玻璃：即玻璃陶瓷，是單個晶體分布在非晶態(tài)的玻璃基體上的一類陶瓷材料； 陶瓷（晶體陶瓷）:如單相晶體結(jié)構(gòu)的氧化鋁特種陶瓷。 陶瓷的典型組織結(jié)構(gòu)包括三種相：晶體相(莫來石和石英)、玻璃相和氣相 1. 晶體相：晶體相是陶瓷的主要組成相，主要有 硅酸鹽、氧化物和非氧化合物等。

39、2. 玻璃相 結(jié)構(gòu)特點：玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物組成。硅氧四面體組成不規(guī)則的空間網(wǎng), 形成玻璃的骨架。3. 氣相 ：是陶瓷組織內(nèi)部殘留下來的孔洞。 一般，普通陶瓷的氣孔率為5%10%；特種陶瓷的在5%以下；金屬陶瓷則要求低于0.5%。 陶瓷材料的性能 一、陶瓷的機械性能 1. 剛度：抵抗變形的能力。它的倒數(shù)稱為柔度，即單位力引起的位移。 2. 硬度：陶瓷硬度為1000 HV5000 HV, 淬火鋼為500 HV800 HV, 高聚物最硬不超過20 HV。 3. 強度：晶界使陶瓷實際強度比理論值低得多（1/10001/100）。 4. 塑性 ：陶瓷在室溫下幾乎沒有塑性。但在高溫慢速加載，特

40、別是組織中存在玻璃相時，陶瓷也表現(xiàn)出一定的塑性。5. 韌性 (1) 陶瓷是典型的脆性材料，沖擊韌性10 kJ/m2以下。 (2) 對表面狀態(tài)特別敏感，由于表面劃傷、化學(xué)侵蝕、冷熱脹縮不均等，很易產(chǎn)生細(xì)微裂紋；受載時，裂紋尖端產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，由于不能由塑性變形使高的應(yīng)力松弛，所以裂紋很快擴展，表現(xiàn)出很高的脆性。 (3) 改善陶瓷韌性的方法：預(yù)防陶瓷中特別是表面上產(chǎn)生缺陷；在陶瓷表面形成壓應(yīng)力（如加預(yù)壓應(yīng)力可做成不碎陶瓷）；消除陶瓷表面的微裂紋。二、陶瓷的物理性能和化學(xué)性能 1. 熱膨脹性能：陶瓷的線膨脹系數(shù)低，比高聚物低，比金屬更低。2. 導(dǎo)熱性：陶瓷無自由電子傳熱，導(dǎo)熱性很低，較好絕熱材料

41、。3. 熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性很低（比金屬低得多）：線膨脹系數(shù)大和導(dǎo)熱性低。4. 化學(xué)穩(wěn)定性：結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，很好的耐火材料和坩堝材料。5. 導(dǎo)電性：由于缺乏電子導(dǎo)電機制, 多數(shù)陶瓷是良好的絕緣體；許多氧化物（ZnO、NiO、Fe3O4）是重要的半導(dǎo)體材料。陶瓷材料的性能特點：優(yōu)點：具有不可燃燒性、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、不老化性、高的硬度和良好的抗壓能力；缺點：脆性很高，溫度急變抗力很低，抗拉、抗彎性能差。2、 晶體中原子的結(jié)合 1、 離子鍵和離子晶體2、 共價鍵和原子晶體3、 金屬鍵和金屬晶體4、 分子鍵和分子晶體3、 晶體結(jié)構(gòu)的一些重要概念1、晶體（晶格、晶胞及晶系） 2、晶格尺寸3、晶胞原子

42、數(shù) 4、原子半徑5、致密度 6、配位數(shù)7、晶面 8、晶向金屬晶體的結(jié)構(gòu)（除少數(shù)外）皆為以下三種晶格：體心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格第二節(jié) 晶體中的缺陷按照晶體缺陷的幾何特征，可將其分為點缺陷、線缺陷、面缺陷三種。一、點缺陷點缺陷是指在三維尺度上都很小（不超過幾個原子直徑）的缺陷。主要有以下三種。1、空位2、間隙原子3、置換原子二、線缺陷線缺陷是指晶體中二維尺度很小而第三維尺度較大的缺陷。這類缺陷就是位錯。當(dāng)晶體的一部分相對于另一部分進行局部滑移時，晶體的已滑移部分與未滑移部分的交界線即為位錯，稱之為位錯或位位錯線。有兩類典型位錯：螺型位錯與刃型位錯。面缺陷面缺陷是指晶體中一維尺度很小

43、而其它二維尺度很大的缺陷。晶體中的面缺陷主要是晶界與亞晶界。 第三節(jié) 材料的力學(xué)性能材料在力的作用下所表現(xiàn)出的特性即為材料的力學(xué)性能。包括強度、硬度、塑性、韌性、疲勞特性、耐磨性等。一、強度與塑性（一）應(yīng)力_應(yīng)變（二）彈性模量 （三）強度 1、屈度屈服 2、抗拉強度 3、其它強度指標(biāo)（4） 塑性材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力叫塑性。塑性以材料斷裂后永久變形的大小來衡量。塑性指標(biāo)有延伸率和斷面收縮率值與值越大，材料的塑性越好。二、硬度硬度是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，反映材料表面抵抗微區(qū)塑性變形的能力。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度等。3、 韌性韌性是指材料抵抗裂紋萌生與擴展的

44、能力。韌性與脆性是兩個意義上完全相反的概念。材料的韌性高，意味著其脆性低；反之亦然。度量韌性的指標(biāo)有兩類：1、沖擊韌性2、斷裂韌性測量斷裂韌性的方法最常用的是三點彎曲法。4、 疲勞特性大小和方向做周期性變化的應(yīng)力為交變應(yīng)力，或稱為循環(huán)應(yīng)力。在交變應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力的最大值低于材料的屈服強度，經(jīng)一定的循環(huán)周次后材料仍會斷裂。這種現(xiàn)象即為材料的疲勞。疲勞現(xiàn)象主要出現(xiàn)在具有較高塑性的材料中。陶瓷材料的塑性很低，其疲勞現(xiàn)象不如金屬明顯，而且疲勞機理也不同于金屬。五、耐磨性一個零件相對另一個零件磨擦的結(jié)果，引起磨擦表面有微小顆粒分離出來，使接觸面尺寸變化、重量損失，這種現(xiàn)象稱為磨損。材料對磨損的抵抗力

45、為材料的耐磨性，可用磨損量表表。在一定條件下的磨損量越小，則耐磨性越高；反之亦然。一般用在一定條件下試樣表面的磨損厚度或試樣體積（或重量）的減少來表示磨損量的大小。磨損的種類包括氧氣磨損、咬合磨損、熱磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損等。一般來說，降低材料的摩擦系數(shù)、提高材料的硬度有助于增加材料的耐磨性。第3節(jié) 材料的物理性質(zhì)一、導(dǎo)電性電阻R與導(dǎo)體的長度L成正比，與導(dǎo)體的截面積S成反比。1、材料的導(dǎo)電性材料按其導(dǎo)電性能力可分為超導(dǎo)體：0 導(dǎo) 體：=10-8.m10-5.m半導(dǎo)體：=10-5.m 107.m絕緣體：=107.m1020.m一般來說，金屬材料及部分陶瓷材料和高分子材料是導(dǎo)體，普通陶瓷材料

46、與大部分高分子材料是絕緣體。但有意義的是，一些具有超導(dǎo)特性的材料是陶瓷。在陶瓷材料中溶入雜質(zhì)原子后，常常會使其導(dǎo)電性能提高。2、 磁性（一）物質(zhì)按磁性的分類按照物質(zhì)對磁場的影響，可將其分為三類：（1）抗磁性物質(zhì)：使磁場減弱。（2）順磁性物質(zhì)：使磁場略有增加。（3）鐵磁性及亞鐵磁性物質(zhì)：使磁場強烈增加。 （二）磁性的量度1、磁矩2、磁化強度3、磁化率4、磁導(dǎo)率三、材料的熱學(xué)性能固體加熱時，有三個重要的效應(yīng)，即吸熱、傳熱、膨脹。其度量指標(biāo)分別為熱容、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)。這三個熱學(xué)性能參數(shù)的定義如下：熱容：1mol固體溫度升高1K時所吸收的熱量，單位為J/mol.K。熱導(dǎo)率：單位時間內(nèi)在1K溫差的1

47、cm3正方體的一個面向其所對的另一個面流過的熱量，單位為J/mol.S.K 。熱膨脹系數(shù)：單位長度物體的長度隨溫度的變化率，單位為K-1。 *第二章 金屬材料 有色金屬是相對黑色金屬而言的。黑色金屬主要指鐵、鋼，所以有色金屬也被稱為非鐵金屬。有色金屬可以分為輕金屬(鋁、鎂、鈦等)、重金屬(銅、鉛、鋅、錫等)、貴金屬(金、銀、鉑等)、稀土金屬及稀有金屬(鋰、鈹?shù)?五大類。 常用的有色金屬有鋁、銅、鎂、鋅、錫、鈦等。 鐵：原子序數(shù)為26，銀白色，密度為7.86g/cm3。純鐵可用氫氣使氧化鐵還原而得，其中總含有雜質(zhì)。工業(yè)純鐵的雜質(zhì)含量約為0.1-0.2。純鐵的熔點是1535，在1392和911有兩

48、種同素異形體，變化過程是：-Fe-Fe-Fe 其中-Fe和-Fe均是體心立方晶格結(jié)構(gòu)，-Fe是面心立方晶格結(jié)構(gòu)。 鋼與鐵都是合金，是由Fe、C、Si、Mn、P、S等元素組成的。鐵中C的含量2.11；鋼中C的含量2.11。 一、隕鐵從天上掉下來的鐵 (一) 隕鐵的發(fā)現(xiàn) 地殼中儲藏的鐵量大約是銅的5000倍。鐵是混雜在多種礦石中共生，主要是赤鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦、菱鐵礦等，必須經(jīng)過復(fù)雜的高溫還原反應(yīng)，才能把鐵從鐵礦石中分離還原出來。 第一類是普通隕石：它由硅酸鹽礦物(橄欖石、輝石等)組成；第二類是石鐵隕石：它主要成分由約各占50的鐵鎳和硅酸鹽類組成，這類隕石在地球上很少發(fā)現(xiàn)；第三類是隕鐵：它的主要

49、成分是鐵鎳，鐵含量一般在98以上，鎳含量在420之間。 隕鐵的化學(xué)成分如下： Ni：420(大部分在510)Co：0.31.0(大部分在0.40.5)Cu：0.010.05 P：0.011.2(大部分在0.10.3) S：0.0010.6(大部分在0.20.6) C：0.0060.2(大部分在0.010.2) (二) 世界各地使用的隕鐵工具 公元前3500年埃及前王朝時期，就有了含鎳7.5的隕鐵做的鐵珠；在北美，愛斯基摩人發(fā)現(xiàn)且使用了隕鐵工具。印第安人有使用用隕鐵制作的箭刀、小刀和其他工具。 (三) 我國對隕鐵的使用歷史 在商代我們的祖先已有了隕鐵制取器具的記錄。其中典型的例子就是出土文物中發(fā)

50、現(xiàn)的鐵刃銅鉞（yu; 音同“越”）和鐵援銅戈。 河南浚縣出土了商末周楚的兩件鑲鐵的銅兵器。 1972年，在河北省藁城縣的商代遺址發(fā)現(xiàn)了一件在公元前1400多年制成的鐵刃銅鉞。該鉞殘存長111mm，寬85mm，鐵刃寬60mm，銅身夾住的部分厚2 mm，而銅的外面部分已經(jīng)斷失。1990年，河南三門峽上村嶺出土了5件西周晚期鐵器件，其中有3件是鑲嵌在銅柄上的鐵刃。 已知人工冶鐵最早的制品，是在兩河流域北部出土的一支匕首柄，其年代是在公元前2700年左右。 小亞細(xì)亞(今土耳其境內(nèi))的赫梯，在公元前2000年出現(xiàn)了鐵犁，并且出現(xiàn)了“鐵匠”的名字，他們所以很早就發(fā)現(xiàn)和使用了鐵具。原因是該地區(qū)的鐵礦石特別多

51、，而銅資源又非常少。 小亞細(xì)亞東部有一個小國叫烏拉爾國，在公元前1000年就開始了冶煉鐵，而且鐵的鍛造技術(shù)已掌握得很好。古埃及在公元前663年公元前525年的約當(dāng)二十六王朝也進入了鐵器時代。希臘人在著名的“荷馬史詩”中多次提到了鐵的使用，說明當(dāng)時希臘人也已經(jīng)掌握了冶鐵技術(shù)并使用鐵器了。意大利在公元前1000年就開始進入鐵器時代，到了公元前700年鐵器的使用已經(jīng)很普遍了。印度在公元前四世紀(jì)，已普遍應(yīng)用鐵器了。 我國的人工冶鐵同世界上大部分地區(qū)一樣，早期使用的煉鐵方法是低溫固態(tài)還原法，亦稱塊煉法。我國煉鐵方法有一個很突出的優(yōu)點，即在發(fā)明和使用塊煉法的不久，就發(fā)明了高溫液態(tài)還原法來制取生鐵。 我國發(fā)

52、明和使用鐵與鐵器起始的確切年代尚無肯定的結(jié)論?；居^點是在春秋中、晚期，到了戰(zhàn)國時代有了較大的進步。 (一) 煉鐵工藝的進展 我國最早的冶鐵技術(shù)采用的是低溫固態(tài)還原法(塊煉法) 。用此種方法冶鐵的溫度低，需要毀爐取鐵、反復(fù)鍛打，費工費時。 我們的祖先根據(jù)春秋時期已具有的煉銅豎爐和大的鼓風(fēng)動力經(jīng)驗，創(chuàng)造了高溫液態(tài)還原法。此工藝的優(yōu)點是鐵與渣分離較好、雜質(zhì)減少，而且可以采用半連續(xù)操作方式。因此冶煉效率高、成本低，制得的鑄件或錠塊質(zhì)量較好。 (二) 我國早期的鐵器 春秋戰(zhàn)國時期，我國就有了早期鐵器制作的記錄。約在公元前十一世紀(jì)，魯國國君在討伐淮夷、徐戎誓師中寫道：“備乃弓矢，鍛乃戈矛，礪乃鋒刃，無敢

53、不善?！?詩經(jīng)大雅公劉篇中也記著“取厲取鍛”的詞句，也就是要把工具鍛好磨快的意思。 公元前513年春秋左氏傳中寫道：“冬，晉趙鞅、荀寅帥師城汝濱，遂賦晉國一鼓鐵，以鑄刑鼎，著范宣子所為刑書焉。” 春秋戰(zhàn)國時代干將鑄劍的故事是眾所周知的：“干將作劍，采五山之鐵精，六合之金英，而金鐵之精不銷淪流，如是干將之妻斷發(fā)剪爪，投之爐中，鼓風(fēng)吹碳，金鐵乃濡，遂以成劍。” 青絲與指甲的加入能起什么作用呢?主要是增加了鐵中的含磷量，隨磷量的提高，可以降低鑄鐵的熔點，提高鐵水的流動性，以使鐵器成型完整。湖南在春秋戰(zhàn)國時期屬強盛的楚國，鐵器鑄造業(yè)也較為進步。在長沙就出土了許多當(dāng)時制作的鐵器，有鐵削、鐵鋤等；在常德地

54、區(qū)也發(fā)現(xiàn)了春秋時代的鐵削。 (三) 我國冶鐵術(shù)的發(fā)展 我國在春秋戰(zhàn)國之交已進入鐵器時代。從戰(zhàn)國到西漢中期是以鑄鐵為主，生、熟鐵并用且發(fā)展的年代。西漢晚期我國完全進入鐵器時代。一直到魏晉南北朝，是我國制鋼業(yè)發(fā)展的時期。 從唐朝到明代中期，是我國古代鋼鐵技術(shù)發(fā)展和定型的時代。 明朝中期到清末是傳統(tǒng)鋼鐵技術(shù)繼續(xù)緩慢發(fā)展時期。在半殖民地半封建的舊中國，生產(chǎn)力發(fā)展幾乎停止，鋼鐵生產(chǎn)已是停止不前。 新中國的建立，特別是改革開放后，我國的鋼鐵事業(yè)有了驚人的發(fā)展，我們已經(jīng)屹立在世界鋼鐵強國的行列之中。 鼓風(fēng)裝置從商周到漢魏采用的是皮囊鼓風(fēng)。 鼓風(fēng)裝置由人力驅(qū)動(人排)發(fā)展到用畜力和水力驅(qū)動(馬排、水排)，這是漢代冶鐵術(shù)的突破。到了宋朝，鼓風(fēng)裝置從皮囊進步到了木制風(fēng)箱。我國古代鐵器材料的組成已與現(xiàn)代鑄鐵材料相似，有白口鐵、灰口鐵、展性鑄鐵(可鍛鑄鐵)和球墨鑄鐵。 滄州鐵獅是五代后周廣順三年(公元953年)鑄造的。位于河北滄州，總高5.4m，身高3.9m，頭高1.5m，身長6.8m，寬3m，總重達40t。山西太原的晉祠內(nèi)，有一座著名的“晉祠鐵人”