机械工程材料与成形工艺基础——金属工艺学绪论

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1、课程名称：机械工程材料 及成形工艺基础, 绪论,黎明职业大学机电工程及自动化学院,课 程 介 绍,本课程的性质及研究对象,性质： 金属工艺学(材料成形及机械制造工艺基础)是一门研究材料成形工艺和机械制造工艺的综合性基础课。,本课程的性质及研究对象,性质： 金属工艺学(材料成形及机械制造工艺基础)是一门研究材料成形工艺和机械制造工艺的综合性基础课。,课 程 介 绍,本课程的性质及研究对象,研究对象： 1、它主要讲授工程材料常用的成形方法及机械加工方法和工艺特点、机械制造过程中常用的一些先进技术。 2、各种工艺方法本身的规律性及在机械制造中的应用和相互联系； 3、金属零件的加工工艺过程； 4、金属

2、材料性能及其对加工工艺的影响； 5、工艺方法的综合比较等。,课 程 介 绍,学习本课程的目的,（1） 获得常用的金属材料、非金属材料的基本理论知识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围； （2）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材； （3）能够根据结构、工艺、外界条件（温度、环境介质）改变对材料性能的影响，正确制定零件的冷、热加工工艺路线。,课 程 介 绍,本课程的重点、难点及学习方法,重点及难点 基本原理 工艺特点 相互关系,学习方法 在理解基础上记忆 在记忆基础上加深理解,特点： 理论性强 实践性强 无公式推导,课 程 介 绍,关于教

3、材金属工艺学,热加工工艺基础,冷加工工艺基础,工 程 材 料 导 论,金 属 液 态 成 形,金 属 塑 性 成 形,金 属 连 接 成 形,表面切削成形的基本方法,机械加工工艺的基本知识,金 属 切 削 加 工 基 础,课 程 介 绍,零件的生产工艺过程,选材,选毛坯,预先热处理,机械加工,最终热处理,检验,应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、工作环境等：,选材：金属材料种类繁多，性能不一，根据零件的性能要求、服役条件的不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。,课 程 介 绍,毛坯选择,机械加工方法,轴,车削,传统的有,现代的有,有液态成形毛坯,塑性成形毛坯,连接成形毛坯,粉末冶

4、金成形,型材等毛坯,车削、刨 削、铣削 拉削、镗削、磨削等,数控加工、电火花加工、激光加工等特种加工方法,预先热处理： 为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为切削加工做好组织准备。 最终热处理： 使材料的性能达到要求。,课 程 介 绍,零件的失效与失效分析,失效: 1、零件完全破坏，不能继续工作 2、零件严重损伤，不能继续安全工作 3、零件虽能安全工作，但已不能起到预期作用,课 程 介 绍,零件的失效与失效分析,设计不合理 选材不合理 加工工艺不当 安装使用不正确,绪 论,1 材料概述,一,材料是社会发展的物质基础、人类文明进步的尺度,旧石器时代 新石器时代 陶器时代 青铜器时代

5、 铁器时代,历史学家把某一类材料的特征及其广泛应用作为人类文明史各个阶段的一种标志,材料是社会发展的物质基础、人类文明进步的尺度,钢 硅 塑料 合成材料 半导体,我们现在所处的时代应该称为什么时代？,精密陶瓷 复合材料 纳米材料 ,材料成为了一个新的独立的科学门类。这个新学科与物理、化学、力学、机械、冶金、化工等传统科学门类水乳交融，但是具有其独特的鲜明的个性。也正是因为与各个传统科学门类水乳交融，材料学科在不同的场合就被划分成了材料物理、材料化学、材料力学、材料工程学等诸多分支。,什么是材料？,材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。 师昌绪主编：材料大辞典p.58,材料是“具有一定

6、性能的物质, 可以用来制成一些机器、器件、结构和产品” 。 美国科学院、美国工程院联合编写 材料：人类的需求,什么是材料？,材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质,材 料 = 物 质,Materials = Matter,水是材料？ 冰是材料？,几乎所有的物质都可以称为是材料,什么样的材料值得我们关注？,并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注,那么下一个问题就是,先来看看材料的发展历史,什么是材料？,群居洞穴的猿人通过简单加工获得石器以狩猎、护身和生存。,旧石器时代：这段文化时期，最早开始于大约750,000年以前的以狩猎和打制石器工具为主。,新石器时代：属于或同始于大约公元前 10,

7、000年中东及后来其它一些地方的文化时期相关，以农业发展和磨制石具的制作为特征 。,什么是材料？,随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织,什么是材料？,青铜时代大约源于4000 5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。,什么是材料？,（3）,铁器时代被认为是始于2000多年前，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。,什么是材料？,什么是材料？,钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。 本世纪半导体硅、高集成芯

8、片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。,什么是材料？,一方面，材料是人类生存和生活必不可缺少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推动社会发展的动力。 另一方面，随着社会的发展，科学技术的进步以及自然资源和能源的逐渐减少，人们所关注的、所使用的材料种类也在发生着变化,什么是材料？,因此材料的定义可以发展为：,人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质,什么是材料？,一个例子,高比强铝合金給 20 世纪的“新”材料带来了第一个突破,比强：比强度，也就是材料的强度与密度之比。具有高强度、低密度的材料无疑具有应用优势。,钢的比强度为： 0.64 106 cm 铝合金的比

9、强度为：2.64 106 cm 后者是前者的 4 倍，这对于结构材料来说是几千年来的一个飞跃。,一个例子,铝,铝是一种轻金属，密度 2.7 g/cm3,大约是铁的 1/3。纯铝的拉伸强度只有 48 MPa，只有钢的1/10 左右。因此在早期并未得到重视。 Al 在地壳中含量丰富，占 1/12，但主要以 Al2O3的状态存在。18 世纪发现了 Al 元素的存在，1825 年丹麦物理学家 Hans Oersted 第一次成功地提炼出金属铝，但是提炼方法比较复杂，产量很低，使得其价格极为昂贵。,铝曾经比金银还要珍贵,100多年前，为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，英国皇家学会不惜重金制作了一个比黄金

10、还要贵重的奖杯铝杯，赠送给门捷列夫。 法国皇帝拿破仑三世为了显示自己的尊贵，用铝作了一顶头盔，成为轰动一时的新闻。每逢盛大国宴，别人都用银制餐具，而他独自使用一套铝制餐具。,一个例子,技术的进步让铝走出了首饰店,1886 年， 22 岁的美国人 Hall 发明了熔盐电解法制取金属铝，此法投产后，金属铝的产量迅速增长，价格则大幅度下降 ，从而把铝的大规模生产变成了现实。这个年轻人组成了一个大公司，这就是今天美国美铝公司 (Alcoa) 的前身。 将氧化铝 (A12O3) 溶解在熔融的冰晶石 (Na3AlF6) 中进行电解(电解液温度接近 1000) 在 上可以找到很多关于铝以及铝合金的信息,一

11、个例子,铝的应用市场的打开是从 20 世纪 30 年代开始的。为了提高铝的比强度，当时关于铝的研究有两个热门话题： 合金强化 时效硬化,在 Al 中加入 Cu、Mn、Si、Mg、Fe、Zn 等元素，形成所谓的铝合金以提高 Al 的强度。,把合金强化处理后形成的铝合金加热到一定温度以上进行“熔解处理”，使合金处于均匀的单相状态，然后快速淬火，保持其单相组织。此后再在稍高于室温的温度下加热，使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的强度。,一个例子,铝合金的出现，大大拓宽了铝的用途,航天飞机、大型客机 铝门窗、铝活动建筑 铝细粉是一种火箭固体燃料 铝 箔 铝电缆 易拉罐 2000年，光美国就生产了100

12、0亿个铝易拉罐。轻、薄、耐腐蚀。易拉罐上的易拉扣，的确是一项高技术，代表了铝材和铝加工的现代成就。,一个例子,美国纽约的世界贸易大厦是一个大量使用铝合金贴面的雄伟建筑。可惜已经灰飞烟灭了。,一个例子,长期以来人们一直认为铝是无毒的，因此用起来很放心。但是医学家经过长期研究后发现，人体摄入过量的铝也会带来危害。 由于铝制品的大量使用，特别是铝制品盛放咸的、酸性的或碱性的食物时，其表面的保护膜就会遭到破坏，氧化铝就会被溶解，使人体摄入铝的量增加，日积月累，对健康会产生影响。,友情提示,一个例子,一般说来，一种材料能否在一个时代引起人们关注、得到广泛使用应该从以下几方面加以分析,资 源 能 源 环

13、保 经 济 质 量,材料生命周期,新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在的。事实上，每种材料都有其生命曲线,衰退主要是由于社会发展和科学技术进步导致的。,一个新材料的诞生，从实验室研制出样品到工业上的大规模实际使用，大概需要 15 20 年时间。,材料生命周期,所谓的“材料科学”的主要研究对象是新材料，或者是想方设法使传统材料获得新生。,材料生命周期,石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素的硅酸盐，分为温石棉和青石棉两种，由于具有结实、抗弯、绝缘、隔热、保温、耐酸碱腐蚀等优点，所以被广泛用于建筑、造船、航天和交通机械中隔热、保温、防火等领域。 石棉经过加工后制成的纺织、石棉水泥制品，具有耐磨、绝

14、缘等特点，还可制成防火材料、滤料、填料等。据统计，石棉的各种用途已逾千种 。,石棉,“夕阳材料”,近年来的研究表明石棉是一种致癌物质，欧美国家许多癌症的病因，都曾与石棉污染有关。目前这种状况正在向发展中国家转移。 据保守估计，今后30年中死于石棉污染者将达到100万，其中大多数是制造含石棉的地板、天花板、屋顶材料、接合剂和自动闸的工人。若进行大规模楼层定向爆破、拆除等工作时，现场附近人员不采取防护措施，也极可能被构成伤害。,石棉,“夕阳材料”,专家估计，全世界每年约有20万人死于与石棉有关的癌症，其中约25死于肺癌，10死于恶性间皮瘤。 在欧盟的15个国家中，已有12个禁止使用石棉，沙特阿拉伯

15、也将它列在禁用之列，阿根廷、智利等国也随之仿效。目前美国也不再生产石棉，其石棉使用仅依靠进口。,石棉,“夕阳材料”,钢铁工业在发达国家已进入衰退阶段，原因是有许多新材料来代替钢铁，并且钢铁生产污染环境，他们往往把这些企业放在第三世界国家。 钢铁在我国还在成熟阶段，钢铁的需求量很大，不但每年产量有所增加,每年还需进口2000万吨。,钢铁,“夕阳材料”,据估计,我国的钢产量达到12000万15000万吨，才能满足国内市场需要。,钢铁,“夕阳材料”,在“911”事件中变成废墟的纽约世贸大厦的数十万吨废钢铁被运往中国和印度，将在那里回炉后重新使用。从这两座 100 多层的双子大厦废墟中回收的钢材数量相

16、当可观，估计多达 40 万吨。,“夕阳材料”,陶瓷,“常青树”,绪 论,1 材料概述,一,分类（按化学成分分）,复合材料,工程材料,金属材料,陶瓷材料,高分子材料,分类（按化学成分分）,复合材料轻、高的比强度、比刚度，结合两种材料的性能优点，用于航空航天等领域,工程材料,金属材料综合性能好，用量最大、应用范围最广,陶瓷材料高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘， 用于电器、化工、航空航天等等,高分子材料质轻、 耐腐蚀，常用于化工、机械、航空航天等,定义,机械工程材料主要指用于机械工程（机械装备制造）、电器工程、建筑工程（图0-1）、石油化工工程、航空航天工程、国防建设交通运输等领域的材料。,材料、信息、能源、生物称为现代技术的四大支柱。,机械工程材料的常用性能,绪 论,1 材料概述,一,The Philosophy History of Materials,The Philosophy History