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知识经济环境协调材料 材料的发展与人类社会简图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一四大支柱技术 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。
TITANICTITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关的沉没与船体材料的质量直接有关!!! 哥哥伦伦比比亚亚号号航航天天飞飞机机失失事事 “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可见，高技术需要先进材料的支持前前苏苏联联第第一一颗颗人人造造卫卫星星及及其其运运载载火火箭箭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春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及剑锋由剑锋由不同成分不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料很好的复合材料很好的例子例子梯梯度度材材料料古古已已有有之之这这是是古古代代剑剑刃刃截截面面图图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50mn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生铁炒熟铁图宋应星宋应星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 中中国国第第一一颗颗人人造造卫卫星星长长征征火火箭箭大大家家族族中中国国第第一一颗颗原原子子弹弹爆爆炸炸中中国国第第一一颗颗氢氢弹弹爆爆炸炸原子弹、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“神神舟舟二二号号”飞飞船船运运往往发发射射工工位位 “神神舟舟”一一号号飞飞船船 “神舟神舟”一号一号发射成功发射成功“神舟神舟”二号发射成二号发射成功功 中国的航天事业-“神舟”号飞船“神舟神舟”三号三号发射成功发射成功“神舟神舟”四号四号发射成功发射成功“神神舟舟”三三号号飞飞船船 “神神舟舟”四四号号飞飞船船 中国的航天事业-“神舟”五号载人飞船杨杨利利伟伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱 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灰铸铁的显微组织光学显微镜光学显微镜Pb-Sn共晶组织共晶组织 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表面的重构图象表面的重构图象X-射线衍射仪射线衍射仪 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）透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下1.1 材料与材料科学 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：n⑴ 研究材料的化学组成、结构与性能的关系；n⑵ 研究材料的形成机理和制取方法；n⑶ 研究材料物理性能的测试方法和技术；n⑷ 分析材料的损坏机理；n⑸ 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属键金属材料特点：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 分分子子键键共共价价键键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 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 铸造一级涡轮盘铸造一级涡轮盘1.3 工程材料的应用及发展 应用科学家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，本身强化和变硬材料形变，其内部结构发生变化，其性能也跟着变化热加工也影响材料内部结构，包括退火，高温淬火及其它热处理了解结构变化的本质，便于制定适当工艺流程。
1.4 机械制造与材料选择简介（结构—性能—加工工艺） 1.4 机械制造与材料选择简介（结构—性能—加工工艺）3. 材料的使用行为 成品材料有一套满足设计要求的性能—强度、硬度、导电性、密度等使用过程材料内部结构没变化，将永远保持这些性能 橡胶在阳光和空气中逐渐硬化？铝不能用在超音速飞机中？金属在周期性载荷作用下产生疲劳？ 材料选用，考虑初始要求及使用条件 金属材料优良使用性能（机械性能、物理性能、化学性能）和加工工艺性能（铸造、锻造、焊接、热处理、机械加工性能等）特别金属材料可通过成分配制，不同工艺方法改变其内部组织结构，而改善性能 了解钢铁材料的生产工艺掌握钢与铁的区别 小型钢铁联合企业生产工艺流程：采矿——选矿——烧结(或球团)——炼铁——炼钢——轧钢(钢材) 1.5 钢铁材料的来源 1.5 钢铁材料的来源 热轧钢板热轧钢板热热卷卷大大弹弹簧簧弹簧丝弹簧丝 钢与生铁钢与生铁1.钢与生铁区别：碳含量，C≤2.11%=钢，熔点1450-1500℃； C﹥2.11%=生铁2.生铁按用途：炼钢生铁、铸造生铁、合金生铁3.钢分类：按组成元素分碳素钢、合金钢4.合金钢：碳素钢基础上，为改善性能加入合金元素的钢。
5.碳钢：低碳钢低碳钢(0.04％--0.25％C)、中碳钢中碳钢(0.25％--0.6％C)、高碳钢高碳钢(0.6％--1.35％C)1.5 钢铁材料的来源 7.钢的性能：取决于钢的相组成,相成分和结构,各相在钢中的体积组分和彼此相对的分布状态 钢的焊接性和被切削性是衡量钢工艺性能的主要方面6.合金钢：低合金钢(含量＜5％)，中合金钢(5％--10％)，高合金钢(＞10％)；按质量：优质合金钢、特质合金钢；按特性和用途：合金结构钢、不锈钢、耐酸钢、合金工具钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢等1.5 钢铁材料的来源 。