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1、机械工程材料及热处理 许令峰 机械与电子工程学院 绪 论 一、材料和材料科学 二、工程材料的分类 三、工程材料的应用和发展 四、机械工程材料课程的性质和任务 一、材料和材料科学 1、材料 哥伦比亚号航天飞机哥伦比亚号航天飞机 材料是指可以用 来直接制造有用 物件、构件或器 件的物质。 材料是人类生产和生活 所必须的物质基础。 手 锤 锉刀 “ “神舟神舟” ”四号飞船成功返回四号飞船成功返回 国产涡喷-7涡轮喷气发动机 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 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
2、片 波音客机 没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。 二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列 ，称作现代文明的三大支柱之一。 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 .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 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
3、伦比亚号航天飞机失事 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。 公元前60005000年， 陶器。 商朝司母戊鼎 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 鞍钢 攀钢夜景 新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大 型钢铁基地。钢产量由1949年的15.8万吨/年上升到现 在的5亿吨/年。 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
4、飞跃的 发展。 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。 灰铸铁的显微组织 光学显微镜 Pb-Sn共晶组织 人类对材料的认识是逐步深入的 1932年发明了电子显微镜，高分辨率电镜（High Resolution Electron Microscopy, HREM）直接观察 晶体中原子的规则排列。 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。 金属钛中的位错 2、材料科学 主要研究内容： 研究材料的化学组
5、成、结构与性能的关系； 研究材料的形成机理和制取方法； 研究材料物理性能的测试方法和技术； 分析材料的损坏机理； 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案。 l材料科学是以材料为 研究对象的一门科学 。 “挑战者号”爆炸瞬间 二、工程材料的分类 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。 按组成与结合键分： 1、金属材料 2、高分子材料 3、陶瓷材料 4、复合材料 金属材料 以金属键结合为主 良好的导电性、导 热性、延展性和金 属光泽 用量最大、应用最 广泛。 黑色金属 有色金属轻金属,重金属,贵金属,稀有金属 金属键 金属材料制品 陶瓷材料 以共价键和离子键 为主 熔点
6、高、硬度高、 耐腐蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特 种陶瓷和金属陶瓷 三类 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. 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。 陶瓷制品 陶瓷发动机 高分子材料 以分子键和共价键 为主 塑性、耐蚀性、电 绝缘性、减振性好 ，密度小 包括塑料、橡胶及 合成纤维等 分子键共价键 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。 烯丙酰氯-苯乙烯 复合材料 包括： 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合
7、材料 l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。 玻璃纤维增强高分子复合材料 现代航空发动机燃烧室 的材料就是通过粉末冶 金法制备的氧化物粒子 弥散强化的镍基合金复 合材料。很多高级游艇 、赛艇及体育器械等是 由碳纤维复合材料制成 的，它们具有重量轻， 弹性好，强度高等优点 。 航空发动机 三、工程材料的应用和发展 机械工业是材料应用的重要领域。 随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。 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。 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
8、 排加工工艺路线的能力。 铸造一级涡轮盘 四、机械工程材料课程的性质和任务 课程性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课 课程任务： 了解工程材料的一般知识； 建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之 间的关系： 工艺-组织-性能之间关系的例子 Steel with 0.4%C 化学成分(成分)：组成材料各元素在材料中的 浓度。 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1002000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。 钢的宏观组织、显
9、微组织和电镜组织 钢锭的宏观组织 显微组织电镜组织 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 透射电镜衍射斑点透射电镜衍射斑点 了解常用材料的用途和加工工艺。 初步具备合理选材、正确确定加工方法 、妥善安排工艺路线的能力。 课程特点：基本概念多，与实际联系紧 密,是一门应用科学。 第一章金属材料的机械性能 强度高 加工性好 成本低 广泛使用于机械、建筑、国防等领域 一、强度与塑性一、强度与塑性 强度：是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形强度：是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形 和断裂的能力。和断裂的能力。
10、屈服点屈服点 : :试样发生屈服时所承受的最大载荷，试样发生屈服时所承受的最大载荷，N N； : :试样原始截面积，试样原始截面积， 抗拉强度抗拉强度 ：试样在拉断前所承受的最大载荷，：试样在拉断前所承受的最大载荷，N N ：试样原始截面积，：试样原始截面积， 金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可 变形或不破坏的能力。变形或不破坏的能力。 塑性：是指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。塑性：是指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。 伸长率伸长率 断面收缩率断面收缩率 : :试样原始标距长度，试样原始标距长度，mmmm : :试样拉断后，断口处
11、截面积，试样拉断后，断口处截面积， : :试样的原始截面积，试样的原始截面积， : :试样拉断后的标距长度，试样拉断后的标距长度，mmmm 低碳钢拉伸曲线 二、硬度二、硬度 硬度硬度金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能 力。力。 硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。 常用的硬度有：常用的硬度有： 1. 1.布氏硬度布氏硬度HBHB * *见图见图1-3 1-3 布氏硬度法布氏硬度法 * *用钢球为压头：用钢球为压头： HBS, HBS,常用范围常用范围HBS450HBS450 布氏硬度压痕大，硬
12、度值布氏硬度压痕大，硬度值 较稳定，测试数据重复性好，较稳定，测试数据重复性好， 但较费时，不宜成品检验。但较费时，不宜成品检验。 * *用硬质合金为压头：用硬质合金为压头： HBW HBW表示，较少用。表示，较少用。 布氏硬度试验原理图 适用于未经淬火的钢、铸铁、有色 金属或质地轻软的轴承合金。 2.2.洛氏硬度洛氏硬度HRHR 根据压头形式和载荷不同有三种标度（根据压头形式和载荷不同有三种标度（HRA, HRB,HRCHRA, HRB,HRC） ，能，能 够测试从软到硬各种硬度的材料，够测试从软到硬各种硬度的材料，HRCHRC应用最广，可用于测硬度应用最广，可用于测硬度 很高的材料。很高的
13、材料。 三、韧性三、韧性 韧性韧性金属材料断裂前吸收的金属材料断裂前吸收的 变形能量称作韧性。变形能量称作韧性。 : :冲击韧度（冲击值）冲击韧度（冲击值） : :冲断试样所消耗的冲击功，冲断试样所消耗的冲击功，J J : :试样缺口处的截面积，试样缺口处的截面积， 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧性。 常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度(大能量、一 次冲断）。 夏比冲击试验 1.试验原理 式中：Ak折断试样所消耗的冲击功（J） A试样断口处的原始截面积（cm2） 对于脆性材料试样一般 不开缺口 冲击韧击韧 度K =AK/A 四、疲劳强度四、疲劳强度 疲劳强度疲劳强度
14、机械零件在周期性或非周期性动载荷（机械零件在周期性或非周期性动载荷（ 称为疲劳载荷）的作用下工作发生断裂时的应力，称为疲劳载荷）的作用下工作发生断裂时的应力， 用用 表示表示。 第二章 金属的晶体结构与结晶 现代使用的材料绝大部分是晶态（Crystalline）材料 。晶态材料包括单晶材料、多晶材料、微晶材料和 液晶材料等。我们日常使用的各种金属材料大部分 是多晶材料。 天然晶体具有规则外形和宏观对称性。 高分辨率电镜（High Resolution Electron Microscopy, HREM）直接观察晶体中原子的规则排 列。 主要内容 纯金属典型晶体结构类型及特征； 合金相的基本特征
15、； 实际金属晶体中的缺陷； 纯金属结晶的基本概念。 第一节 晶体及晶体的特性 物质结晶状态的本质特征是：结构基元在空间呈不随时间变 化的三维周期排列，它决定了晶体的宏观和微观物理性质。 不具有这种特性的物质例如石蜡、玻璃等是非晶态物质。有 一些有机高聚合物，它们的结构基元具有一维或二维的近似 长程有序排列，其性质介于晶体和非晶体之间，这种物质称 为液态晶体，简称液晶（Liquidcrystal）。 晶态物质可以由多个晶体组成，由许多取向不同单晶体晶粒 随机排列的组合称多晶体（Polycrystal），各个晶粒之间有 晶界分隔开。当晶粒颗粒尺度很小（约为微米级）时称为微 晶（Crystallit
16、e）。 一、物质状态 二、晶体材料的特性 （1）均匀性（Homogeneity）晶态物质任意部分的所有 性质是完全相同的，这就是均匀性。 （2）各向异性（Anisotropy） 晶体的标量性质（例如相 对密度、热容量等）和晶体的取向无关；矢量性质（例如热 导率、磁导率、光折射率等）（例如介电系数、弹性系数、 扩散系数等）和晶体的取向有关，就是各向异性。 （3）对称性（Symmetry）晶体的各向异性是指晶体的性 质在某些不同的、不连续变化或间断的方向上存在着有规律 的等同性，这就是晶体对称性的表现。对称性的概念是自然 科学中最普遍最基本的概念之一。 第二节 金属的晶体结构 一、纯金属的典型结构模型 由于金属键不具有饱和性和方向性，使金属的晶体结构倾 向于最大
