工程材料与机械制造基础第一章解析

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1、工程材料及成型工艺 Engineering Materials and Foundation of Mechanical Manufacturing 任课老师：韩琪 机械与车辆学院 665633 CB302 本课程基本任务 （1）理解材料性能由材料微观组织结构决定，要改变材料的 性能必须改变材料的微观结构，材料微观结构与材料化学成分 和加工工艺有关。 （2） 掌握材料学基础知识，重点掌握金属材料的成分、组织 和性能间的关系，知道如何强化金属材料。 （3）掌握常用金属材料牌号、成分、组织、性能和用途。正 确运用材料知识，正确选用零件的毛坯材料。 （4）掌握材料成型方法和工艺及几种常用金属材料工艺

2、性能 ，并能根据材料成型工艺特点，正确设计零件的结构。 课程安排 1）工程材料概论（2学时） 2）金属材料的主要性能（2学时） 3）金属的晶体结构与结晶（2学时） 4）铁碳合金（6学时） 5）钢的热处理（6学时） 6）常用金属材料（4学时） 7）铸造成型（6学时） 8) 锻压成型（2学时） 9）焊接成型（2学时） 13）非金属工程材料（2学时） 14）实验课（6学时） 考核安排 n1、实验： 10分 n2、作业+出勤：20分 n3、期末考试： 70分 考勤1/3 作业 1/3 实验缺一次 本课程成绩以0分计 n本课程性质：专业基础课 n参考书： n刘天模、徐幸梓编，工程材料，机械工业 出版社

3、n崔忠圻主编，金属学与热处理，机械工程 出版社 n剑虹等编，无机非金属材料科学基础 ，中 国建材工业出版社 n沈其文主编，材料成型工艺基础（第三版 ），华中科技大学出版社 第一章 工程材料概述 n1.1 材料与材料科学 n1.2 工程材料的分类 n1.3 工程材料的应用及发展 n1.4 工程材料的选择 n1.5 钢铁材料的来源 1.1 材料与材料科学 材料：是指可以用来直接制造有用物件、构件或器件的 物质。 手 锤 锉刀 1.1 材料与材料科学 “神舟”四号飞船成功返回 涡轮喷气发动机 （1）材料是人类生活生产的物质基础 1.1 材料与材料科学 （2）材料是人类进步的重要里程碑 石器时代：公元

4、前2000年 青铜器时代：公元前2000年公元400年 铁器时代：公元400年20世纪前半期 由于材料的重要性， 历史学家根据人类所 使用的材料来划分时代 新材料时代：20世纪80年代 1.1 材料与材料科学 石器时代利用天然 材料制作的工具 我国青铜器时代制造的 工具和生活用品，具有 精制的图案 1.1 材料与材料科学 象形尊(西周) 1.1 材料与材料科学 埃菲尔(Eiffel)铁塔 1889年建造 324 米高 用金属7300吨 需求：简单生存 经济：农业经济 材料：天然材料 1.1 材料与材料科学 钻木取火 汽车 环保型住宅 人类对材料的利用 舒适生活 工业经济 人工材料 人与自然协调

5、 知识经济 环境协调材料 材料的发展与人类社会简图 1.1 材料与材料科学 材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。 1.1 材料与材料科学 （3）材料是现代文明的四大支柱之一 能源科学与技术 生物科学与技术 信息科学与技术 材料科学与技术 四四 大大 支支 柱柱 技技 术术 龙芯 1.1 材料与材料科学 没有半导体材料的工业化生产， 就没有今天的数字化生活 1.1 材料与材料科学 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 在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片 飞机发动机叶片 波音客机 1.1 材料与材料科学 没有低消耗的光导纤维，就不可能有现在的光纤通讯 由此可见，能

6、源、信息和生物等技术的发展，一定程度 上要依赖材料的进步。 TITANIC TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关! 哥伦比亚号航天飞机失事哥伦比亚号航天飞机失事 “挑战者号”航天飞机失事 爆炸的主要原因是燃料舱的O形环失效 费曼博士用实验证 明橡胶O形环在冰 水的浸泡下发生脆 性行为，已经失效 n前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入 太空，令美国人震惊不已，认识到在导 弹火箭技术上落后了。因此在其后的十 年里，在十多所大学中陆续建立了材料 科学研究中心，并把约 2/3 大学的冶金 系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或 材料科学与工程系。其涉及的材料由金 属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料

7、。 可见，高技术需要先进材料的支持。 前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭 1.1 材料与材料科学 n早在公元前6000 5000 年的新石器时代，中华 民族的先人就能用黏土 烧制成陶器，到东汉时 期又出现了瓷器，并流 传海外。 1.1 材料与材料科学 （4）中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献 4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商 时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。 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 1.1 材料与材料科学 越王勾践宝剑 春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓 长55.7厘米 千年不锈 剑锷

8、锋芒犀利 锋能割断头发 1.1 材料与材料科学 古代剑刃制造中的特殊技术 春秋战国时代的 青铜剑，剑身及 剑锋由不同成分 的青铜组成，是 复合材料很好的 例子 梯度材料古已有之 这是古代剑刃截面图 1.1 材料与材料科学 n黄石古铜矿遗址 n春秋晚期 n矿井深达50m n炼铜炉渣多达40万吨 n实属罕见 1.1 材料与材料科学 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成就。 生铁炒熟铁图 宋应星 1.1 材料与材料科学 鞍钢 攀钢夜景 新中国成立后，先后建起了

9、鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢 铁基地。钢产量由1949年的15.8万吨上升到现在的一亿吨。 中国第一颗人 造卫星 长征火箭大家族 中国第一颗原子弹爆炸 中国第一颗氢弹爆炸 原子弹、氢弹 的爆炸，卫星 、飞船的上天 等都说明了我 国在材料的开 发、研究及应 用等方面有了 飞跃的发展。 中国的航天事业-“神舟”号飞船 “神舟二号”飞船运往 发射工位 “神舟”一号飞船 “神舟”一号发 射成功 “神舟”二号发射成功 中国的航天事业-“神舟”号飞船 “神舟”三号发 射成功 “神舟”四号发 射成功 “神舟”三号飞船 “神舟”四号飞船 中国的航天事业-“神舟”五号载人飞船 杨利伟 升空 返回 全人类共同的家园

10、 飞天 返回舱 1.1 材料与材料科学 （5）人类对材料的认识是逐步深入的 灰铸铁的显微组织 光学显微镜 Pb-Sn共晶组织 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。 1.1 材料与材料科学 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。 Si表面的重构图象 X-射线衍射仪 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）。 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 光镜下电镜下 1.1 材料与材料科学 1934年位错理论的提出，

11、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。 金属钛中的位错 1.1 材料与材料科学 从地下得到 原材料 采矿、钻 探、挖掘 或采集 变为 大块材料 如：金属锭、 碎石、石油化 工材料和木材 如：钢材、 有色金属材料、 塑料、胶合板 和混凝土等 材料按预定 目的为人类 使用过后 满足社会对 最终产品 要求 直到最后 废弃 回到大地， 它们将为再加工和下一次被 利用而重新进入循环 作为 废料 制成 工程材料 1.1 材料与材料科学 （6）材料是流动在一个循环中 1.1 材料与材料科学 （7）材料科学的定

12、义及研究内容 材料科学是以材料为研究对象的一门科学。 n主要研究内容： n 研究材料的化学组成、结构与性能的关系； n 研究材料的形成机理和制取方法； n 研究材料物理性能的测试方法和技术； n 分析材料的损坏机理； n 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案。 1.2 工程材料的分类 n工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求 力学性能的结构材料。 1.按经济部门分：土木建筑材料、机械工程材料、电子材料、 航空航天材料、医学材料等 2.按材料的功能分：结构材料、功能材料 3.按组成与结合键分： 金属材料 高分子材料 陶瓷材料（无机非金属材料） 复合材料 1.2 工程材料的分类 金属键 金

13、属材料特点： 1、以金属键结合为主 2、良好的导电性、导热性 、延展性和金属光泽 3、用量最大、应用最广泛 1.2 工程材料的分类 铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料 ，其世界年产量已达10亿吨，在机械产 品中的用量已占整个用材的60%以上。 无缝钢管 角钢 槽钢 1.2 工程材料的分类 金属材料制品 高分子材料特点： 1、以分子键和共价键为主 2、塑性、耐蚀性、电绝缘 性、减振性好，密度小 3、包括塑料、橡胶及合成 纤维等 分子键共价键 1.2 工程材料的分类 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。 1.2 工程材料的分

14、类 陶瓷材料特点： 1、以共价键和离子键为主 2、熔点高、硬度大、耐腐蚀 、脆性大 3、包括传统陶瓷和特种陶瓷 传统陶瓷又称普通陶瓷, 是以天然材料(如 黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷, 主要 用作建筑材料使用。 陶瓷 制品 陶瓷发动机 特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成 材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐 热、耐蚀、耐磨零件。 1.2 工程材料的分类 玻璃纤维增强高分子复合材料 复合材料：是把两种或两种以上不同性质或不同结构的 材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。 常用复合材料 1、玻璃钢； 2、碳纤维复合材料； 3、硼纤维复合材料； 4、金属纤维复合材料； 5、晶须复合材料。

15、1.3 工程材料的应用及发展 随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的 要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性 、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能方向发展。 1.3 工程材料的应用及发展 新材料不断地涌现 1.3 工程材料的应用及发展 机械工业是材料应用的重要领域 1.3 工程材料的应用及发展 n随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。 n在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材 料加工方面的问题。 n要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程 知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工 艺路线的能力。 铸造一级涡轮盘 1.3 工程材料的应用及发展 应用科学家

16、和工程师都用到材料,必须了解材料的性能 和行为特征。 汽车用材料：钢铁、玻璃、塑料、橡胶等。仅钢材有 2000多种不同种类、型号品种。制造一个特定零件，应根据 什么原则选择材料呢？ 材料选择时，首先考虑强度、导电性或导热性，密度及 其它性能。然后考虑材料加工性能和使用行为(可成型性、机 械加工性、电稳定性、化学持久性及辐照行为)。最后考虑成 本和材料来源。 1.4 机械制造与材料选择简介（结构性能加工工艺） 如变速齿轮用钢须易机械加工，要有足够韧性及冲击性。 如车身连接件金属须易成型，又要有抗冲击形变能力。 1. 材料的内部结构与性能 工程师须把握支配材料性能基本原则。即材料的性能由其内 部结构决定。 内部结构包括原子、原子在晶体中、分子中与邻近原子结合 方式及显微结构。 1.4 机械制造与材料选择简介（结构性能加工工艺） 2. 加工工艺与材料性能 常见加工方法改变材料几何形状。性能对加工过程很重要。 特硬材料打坏刀刃，软材料“粘住”锯条、砂轮。高强度材料 尤脆性材料不适合塑性形变。如：金属丝拉拔直径减小