機(jī)械工程材料-緒論

1、l一、材料和材料科學(xué)一、材料和材料科學(xué)l二、工程材料的分類(lèi)二、工程材料的分類(lèi)l三、工程材料的應(yīng)用和發(fā)展三、工程材料的應(yīng)用和發(fā)展l四、本章節(jié)的性質(zhì)和任務(wù)四、本章節(jié)的性質(zhì)和任務(wù)l一、材料和材料科一、材料和材料科l1、材料、材料材料是指人類(lèi)用以制造材料是指人類(lèi)用以制造各種有用器件的物質(zhì)。各種有用器件的物質(zhì)。材料是人類(lèi)生產(chǎn)和生活材料是人類(lèi)生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。手手錘錘銼刀銼刀國(guó)產(chǎn)渦噴國(guó)產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)石器石器鐵器鐵器 象形尊象形尊( (西周西周) )l石器時(shí)代石器時(shí)代l青銅器時(shí)代青銅器時(shí)代l鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代由于材料的重要性，歷史學(xué)家根據(jù)人類(lèi)所使用的材料由于

2、材料的重要性，歷史學(xué)家根據(jù)人類(lèi)所使用的材料來(lái)劃分時(shí)代。來(lái)劃分時(shí)代。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類(lèi)文明進(jìn)步材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類(lèi)文明進(jìn)步的標(biāo)志。的標(biāo)志。材料的發(fā)展與人類(lèi)社會(huì)簡(jiǎn)圖材料的發(fā)展與人類(lèi)社會(huì)簡(jiǎn)圖龍芯龍芯聯(lián)想計(jì)算機(jī)聯(lián)想計(jì)算機(jī)l沒(méi)有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前沒(méi)有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)。的計(jì)算機(jī)技術(shù)。沒(méi)有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航?jīng)]有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)?？展I(yè)和宇航工業(yè)。在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片波音客機(jī)波音客機(jī)沒(méi)有低消耗的光導(dǎo)纖維

3、，也就沒(méi)有現(xiàn)代的光纖通訊。沒(méi)有低消耗的光導(dǎo)纖維，也就沒(méi)有現(xiàn)代的光纖通訊。二十世紀(jì)七十年代，人們把材料與能源和信息并列，二十世紀(jì)七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱(chēng)作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。稱(chēng)作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。l前蘇聯(lián)在前蘇聯(lián)在1957年把第一顆人造衛(wèi)星送入太空，年把第一顆人造衛(wèi)星送入太空，令美國(guó)人震驚不已，認(rèn)識(shí)到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)令美國(guó)人震驚不已，認(rèn)識(shí)到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)上落后了。上落后了。l因此在其后的十年里，因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)在十多所大學(xué)中陸續(xù)建立了材料科學(xué)研究中心，并把約建立了材料科學(xué)研究中心，并把約2/3大學(xué)的大學(xué)的冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學(xué)系或冶金系或

4、礦冶系改建成了冶金材料科學(xué)系或材料科學(xué)與工程系。材料科學(xué)與工程系。l其涉及的材料由金屬擴(kuò)展到了陶瓷和高分子其涉及的材料由金屬擴(kuò)展到了陶瓷和高分子聚合物材料。聚合物材料。l可見(jiàn)，可見(jiàn)，高技術(shù)需要先進(jìn)材料的支持。高技術(shù)需要先進(jìn)材料的支持。 前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運(yùn)載火箭前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運(yùn)載火箭中華民族在人類(lèi)歷史上為材料的發(fā)展和應(yīng)用作出中華民族在人類(lèi)歷史上為材料的發(fā)展和應(yīng)用作出過(guò)重大貢獻(xiàn)。過(guò)重大貢獻(xiàn)。l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器時(shí)代，年的新石器時(shí)代，中華民族的先人就能中華民族的先人就能用黏土燒制成陶器，用黏土燒制成陶器，到東漢時(shí)期又出現(xiàn)了到東漢時(shí)期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳

5、海外。瓷器，并流傳海外。 4000年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時(shí)期，我國(guó)的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。時(shí)期，我國(guó)的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。司母戊鼎司母戊鼎河南安陽(yáng)晚商遺址出土河南安陽(yáng)晚商遺址出土青銅鑄造青銅鑄造高高133厘米厘米 重重875kg飾紋優(yōu)美飾紋優(yōu)美春秋晚期越國(guó)青銅兵器春秋晚期越國(guó)青銅兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 長(zhǎng)長(zhǎng)55.7厘米厘米 劍鍔鋒芒犀利劍鍔鋒芒犀利鋒能割斷頭發(fā)鋒能割斷頭發(fā) 春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的青銅劍，劍身及青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分劍鋒由不同成分的青銅組成，是的青銅組成，是復(fù)合材

6、料很好的復(fù)合材料很好的例子例子梯度材料古已有之梯度材料古已有之這是古代劍刃截面圖這是古代劍刃截面圖l黃石銅礦遺址黃石銅礦遺址l春秋晚期春秋晚期l礦井深達(dá)礦井深達(dá)50m50ml煉銅爐渣多達(dá)煉銅爐渣多達(dá)4040萬(wàn)噸萬(wàn)噸l實(shí)屬罕見(jiàn)實(shí)屬罕見(jiàn) 我國(guó)從春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期便開(kāi)始大量使用鐵器，明朝科學(xué)我國(guó)從春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期便開(kāi)始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在家宋應(yīng)星在天工開(kāi)物天工開(kāi)物一書(shū)中就記載了古代的滲碳一書(shū)中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝。這說(shuō)明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國(guó)熱處理等工藝。這說(shuō)明早在歐洲工業(yè)革命之前，我國(guó)在金屬材料及熱處在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。理方面就已經(jīng)有了較高的成就。生鐵炒熟鐵

7、圖生鐵炒熟鐵圖宋應(yīng)星宋應(yīng)星鞍鋼攀鋼夜景新中國(guó)成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大新中國(guó)成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地。鋼產(chǎn)量由型鋼鐵基地。鋼產(chǎn)量由49年的年的15.8萬(wàn)噸上升到現(xiàn)在的萬(wàn)噸上升到現(xiàn)在的幾幾億噸。億噸。 中國(guó)第一顆人中國(guó)第一顆人造衛(wèi)星造衛(wèi)星長(zhǎng)征火箭大家族長(zhǎng)征火箭大家族中國(guó)第一顆原子彈爆炸中國(guó)第一顆原子彈爆炸中國(guó)第一顆氫彈爆炸中國(guó)第一顆氫彈爆炸原子彈、氫原子彈、氫彈的爆炸，彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船衛(wèi)星、飛船的上天等都的上天等都說(shuō)明了我國(guó)說(shuō)明了我國(guó)在材料的開(kāi)在材料的開(kāi)發(fā)、研究及發(fā)、研究及應(yīng)用等方面應(yīng)用等方面有了飛躍的有了飛躍的發(fā)展。發(fā)展。 “神舟二號(hào)神舟二號(hào)”飛船運(yùn)

8、往飛船運(yùn)往發(fā)射工位發(fā)射工位 “神舟神舟”一號(hào)飛船一號(hào)飛船 “神舟神舟”一號(hào)一號(hào)發(fā)射成功發(fā)射成功“神舟神舟”二號(hào)發(fā)射成二號(hào)發(fā)射成功功“神舟神舟”三號(hào)三號(hào)發(fā)射成功發(fā)射成功“神舟神舟”四號(hào)四號(hào)發(fā)射成功發(fā)射成功“神舟神舟”三號(hào)飛船三號(hào)飛船 “神舟神舟”四號(hào)飛船四號(hào)飛船 楊利偉楊利偉升空返回全人類(lèi)共同的家園飛天返回艙l18631863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來(lái)。觀組織聯(lián)系起來(lái)。灰鑄鐵的顯微組織灰鑄鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織共晶組織人類(lèi)對(duì)材

9、料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的。人類(lèi)對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的。Si表面的重構(gòu)圖象表面的重構(gòu)圖象X-射線衍射儀射線衍射儀1932年發(fā)明了電子年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更到了微觀世界的更深層次（深層次（10-7m）透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 光鏡下光鏡下電鏡下電鏡下l1934年位錯(cuò)理論的提年位錯(cuò)理論的提出，解決了晶體理論出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，的巨大差別的矛盾，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)材料的對(duì)于人們認(rèn)識(shí)材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的度材料具有劃

10、時(shí)代的意義。意義。 金屬鈦中的位錯(cuò)金屬鈦中的位錯(cuò)材料發(fā)展的歷程示意圖材料發(fā)展的歷程示意圖l主要研究?jī)?nèi)容：主要研究?jī)?nèi)容：l 研究材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；研究材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；l 研究材料的形成機(jī)理和制取方法；研究材料的形成機(jī)理和制取方法；l 研究材料物理性能的測(cè)試方法和技術(shù)；研究材料物理性能的測(cè)試方法和技術(shù)；l 分析材料的損壞機(jī)理；分析材料的損壞機(jī)理；l 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案研究材料的合理加工方法和最佳使用方案l材料科學(xué)是以材料為材料科學(xué)是以材料為研究對(duì)象的一門(mén)科學(xué)。研究對(duì)象的一門(mén)科學(xué)。挑戰(zhàn)者號(hào)爆炸瞬間挑戰(zhàn)者號(hào)爆炸瞬間功能材料 結(jié)構(gòu)材料 傳統(tǒng)材料 材料的

11、分類(lèi)一覽表 1.按化學(xué)成分特點(diǎn)（或工程特點(diǎn)）金屬材料聚合物材料（高分子材料）無(wú)機(jī)非金屬材料（陶瓷材料）復(fù)合材料 2.按使用性能或用途特點(diǎn) 3.應(yīng)用角度分類(lèi)結(jié)構(gòu)材料、電子材料、航天航空材料、汽車(chē)材料、核材料、建筑材料、能源材料等無(wú)機(jī)材料有機(jī)材料 5.物理性能分類(lèi) 高強(qiáng)度材料、絕緣材料、高溫材料、超硬材料、導(dǎo)電材料、磁性材料、半導(dǎo)體材料、透光材料等 6.開(kāi)發(fā)與應(yīng)用時(shí)期新型材料 4.化學(xué)角度分類(lèi) l工程材料是用于制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件并主工程材料是用于制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件并主要要求力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料。要要求力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料。l按組成與結(jié)合鍵分：按組成與結(jié)合鍵分： l1、金屬材料、金屬材料l2、高

12、分子材料、高分子材料l 3、陶瓷材料、陶瓷材料l 4、復(fù)合材料、復(fù)合材料l以金屬鍵結(jié)合為主以金屬鍵結(jié)合為主 l良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金熱性、延展性和金屬光澤屬光澤 l用量最大、應(yīng)用最用量最大、應(yīng)用最廣泛廣泛黑色金屬黑色金屬有色金屬有色金屬輕金屬輕金屬, ,重金屬重金屬, ,貴金屬貴金屬, ,稀有金屬稀有金屬 鐵及鐵合金稱(chēng)為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界鐵及鐵合金稱(chēng)為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達(dá)年產(chǎn)量已達(dá)10億噸，在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整億噸，在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整個(gè)用材的個(gè)用材的60%以上。以上。帶材帶材異形材異形材板材板材管材管材陶瓷材料陶瓷材料l以共價(jià)鍵和

13、離子鍵以共價(jià)鍵和離子鍵為主為主l熔點(diǎn)高、硬度高、熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆性大耐腐蝕、脆性大l分為傳統(tǒng)陶瓷、特分為傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷種陶瓷和金屬陶瓷三類(lèi)三類(lèi) 傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷又稱(chēng)普通陶瓷，是以天然材料又稱(chēng)普通陶瓷，是以天然材料( (如黏土、石英、長(zhǎng)石等如黏土、石英、長(zhǎng)石等) )為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī) 特種陶瓷特種陶瓷又稱(chēng)精細(xì)陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，常又稱(chēng)精細(xì)陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。l以分子鍵和共價(jià)鍵以分子鍵

14、和共價(jià)鍵為主為主l塑性、耐蝕性、電塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，絕緣性、減振性好，密度小密度小 l包括塑料、橡膠及包括塑料、橡膠及合成纖維等合成纖維等 分子鍵分子鍵共價(jià)鍵共價(jià)鍵高分子材料高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車(chē)、飛機(jī)、輪在機(jī)械、電氣、紡織、汽車(chē)、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。中被廣泛應(yīng)用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯l包括：包括：l金屬基復(fù)合材金屬基復(fù)合材l陶瓷基復(fù)合材陶瓷基復(fù)合材l高分子復(fù)合材料高分子復(fù)合材料 l是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的

15、材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料l現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度最高的材料就是通溫度最高的材料就是通過(guò)粉末冶金法制備的氧過(guò)粉末冶金法制備的氧化物粒子彌散強(qiáng)化的鎳化物粒子彌散強(qiáng)化的鎳基合金復(fù)合材料?；辖饛?fù)合材料。l很多高級(jí)游艇、賽艇及很多高級(jí)游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維體育器械等是由碳纖維復(fù)合材料制成的，它們復(fù)合材料制成的，它們具有重量輕，彈性好，具有重量輕，彈性好，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。 航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)三、工程材料的應(yīng)用和發(fā)展三、工程材料的應(yīng)用和發(fā)展隨著經(jīng)

16、濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)材料的要隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)材料的要求越來(lái)越苛刻，結(jié)構(gòu)材料向高比強(qiáng)、高剛度、高韌性、求越來(lái)越苛刻，結(jié)構(gòu)材料向高比強(qiáng)、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展。耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展。 國(guó)產(chǎn)東風(fēng)國(guó)產(chǎn)東風(fēng)4D-0088內(nèi)燃機(jī)車(chē)內(nèi)燃機(jī)車(chē)美國(guó)美國(guó)F-117隱身飛機(jī)隱身飛機(jī)新材料在不斷地涌現(xiàn)。新材料在不斷地涌現(xiàn)。機(jī)械工業(yè)是材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域。機(jī)械工業(yè)是材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域。l隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高。 l在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，會(huì)遇到越來(lái)越多的材料在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)

17、程中，會(huì)遇到越來(lái)越多的材料及材料加工方面的問(wèn)題。及材料加工方面的問(wèn)題。 l要求機(jī)械工程技術(shù)人員掌握必要的材料科學(xué)與材料要求機(jī)械工程技術(shù)人員掌握必要的材料科學(xué)與材料工程知識(shí)，具備正確選擇材料和加工方法、合理安工程知識(shí)，具備正確選擇材料和加工方法、合理安排加工工藝路線的能力。排加工工藝路線的能力。 鑄造一級(jí)渦輪盤(pán)鑄造一級(jí)渦輪盤(pán)材料的發(fā)展趨勢(shì)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略材料的發(fā)展趨勢(shì)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 l 性能或用途方面l 材料的組成或微觀結(jié)構(gòu)方面l 非晶材料日益受到重視l 生態(tài)材料的開(kāi)發(fā)與利用 材料發(fā)展趨勢(shì)材料發(fā)展趨勢(shì) 保證滿足使用性能條件下，盡量選用節(jié)約資源、降低能耗的材料； 開(kāi)發(fā)與選用環(huán)境相容性的新材料，并

18、對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行環(huán)境協(xié)調(diào)性改性 盡可能地選用環(huán)境降解材料 材料的可持續(xù)發(fā)展材料的可持續(xù)發(fā)展 機(jī)械機(jī)械加工工具四、機(jī)械工程材料的性質(zhì)和任務(wù)四、機(jī)械工程材料的性質(zhì)和任務(wù)l課程性質(zhì)：課程性質(zhì)：是機(jī)械類(lèi)和近機(jī)類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課是機(jī)械類(lèi)和近機(jī)類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課l課程任務(wù)：課程任務(wù)： 了解工程材料的一般知識(shí)；了解工程材料的一般知識(shí)； 建立化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之建立化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系：間的關(guān)系： 研究對(duì)象研究對(duì)象 化學(xué)成分化學(xué)成分(成分成分)：組成材料各元素在材料中的濃組成材料各元素在材料中的濃度。度。 組織：組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬內(nèi)部的情景。觀察到的金屬內(nèi)部的情景。l習(xí)慣上把用肉眼或幾十倍放大鏡觀察到的組織習(xí)慣上把用肉眼或幾十倍放大鏡觀察到的組織稱(chēng)稱(chēng)低倍組織低倍組織或或宏觀組織宏觀組織。l放大放大100 2000倍的組織稱(chēng)倍的組織稱(chēng)高倍組織高倍組織或或顯微組織顯微組織。l在電子顯微鏡下放大幾千在電子顯微鏡下放大幾千 幾十萬(wàn)倍的組織稱(chēng)幾十萬(wàn)倍的組織稱(chēng)精精細(xì)組織細(xì)組織或或電鏡組織電鏡組織。鋼錠的宏觀組織鋼錠的宏觀組織顯微組織顯微組織電鏡組織電鏡