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1、机械工程材料辅导资料一主 题：第0章 绪论学习时间：2013年9月30日10月6日内 容：这周我们将学习本课程课件的第0章，即绪论部分，希望通过下面内容的总结能使同学们加深对本课程的理解。一、学习要求1.掌握工程材料、材料科学的基本概念；2.掌握工程材料的分类及各类材料的性质；3.理解本门课程的教学目的、性质和学习要求；4.了解材料与材料科学的发展历史。二、主要内容（一）材料与材料科学的发展历史材料是用来制作有用器件的物质，是人类生产和生活所必需的物质基础。从日常生活用的器具到高技术产品，从简单的手工工具到复杂的航天器、机器人，都是用各种材料制作而成或由其加工的零件组装而成。纵观人类历史，每当
2、一种新材料出现并得以利用，都会给社会生产与人类生活带来巨大的变化。历史学家按照人类所使用材料的种类将人类历史划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志之一。例如，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；没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空航天工业；没有光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。20世纪70年代，人们把材料与能源、信息并列，称为现代文明的三大支柱，而材料又是后两者的基础。中华民族在人类历史上为材料的发展和应用做出过重大贡献。1. 早在公元前6000年至公元前5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制陶器，到东
3、汉时期又出现了瓷器，并流传海外。2. 4000年前的夏朝时期，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。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎质量达875千克，且饰纹优美。从湖北江陵楚墓中发掘出的两把越王勾践的宝剑，至今锋利异常，是我国青铜器的杰作。3. 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其所著天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理工艺。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的成就。4. 中华人民共和国成立后，我国先后建起了鞍山、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2005年的3.5
4、2亿吨，成为世界上钢产量大国之一。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性的发展，达到了一定的水平。从简单地利用天然材料、冶铜炼铁到使用热处理工艺，人类对材料的认识是逐步深入的。18世纪欧洲工业革命后，人们对材料的质量和数量的要求越来越高，促进了材料科学的进一步发展。1. 1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们步入了材料的微观世界，能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来，标志着材料研究从经验走向科学。2. 1912年发现了X射线对晶体的作用并在随后用于晶体衍射分析，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。
5、3. 19世纪末，晶体的230种空间群被确定，至此人们已经可以完全用数学的方法来描述晶体的几何特征。4. 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。5. 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巨大差别的问题，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。一些与材料有关的基础学科的发展，有力地促进了材料研究的深化。（二）材料与材料科学的基本概念1. 材料：用来制作有用器件的物质，是人类生产和生活所必需的物质基础。是现代文明的三大支柱（材料、能源及信息）之一。2. 材料科学：以材料为研究对象的一门科学。它以凝聚态物理和物理化学、
6、晶体学为理论基础，结合冶金、机械、化工等领域的研究成果，探讨材料的成分、工艺、组织结构及性能之间的内在规律，并联系具体器件或构件的使用功能要求，力求用经济合理的办法制备出有效的器件或构件。因此，材料科学是现代机械工程、电子技术和高技术工业发展的基础。它的研究内容包括：材料的化学组成、组织结构与性能之间的关系，材料的形成机理和制取方法，材料物理性能的测试方法和技术，材料的损坏机理，材料的合理加工方法和最佳使用方案等。特别是材料的组织结构与性能之间的关系，是材料科学研究的重点。3. 材料科学的研究内容：l 材料的化学组成、组织结构与性能之间的关系。l 材料的形成机理和制取方法。l 材料物理性能的测
7、试方法和技术。l 材料的损坏机理。l 材料的合理加工方法和最佳使用方案等。4. 材料的化学成分：组成材料的各元素在材料中的浓度，简称“成分”。5. 材料的组织：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状态，简称“组织”。6. 材料的结构：材料中各原子的具体组合状态，一般通过X射线或透射电子显微镜来研究。（三）工程材料的分类及应用工程材料是指在机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。按照材料的组成、结合键的特点，可将工程材料分为四大类。具体内容如表1所示。1. 金属材料键合方式为“金属键”，分为黑色金属和有色金属两大类。铁及铁合金称
8、为黑色金属，即钢铁材料。其它金属通称为有色金属。其中，黑色金属用量占工程金属的60以上。黑色金属之外的所有金属及其合金称为有色金属。有色金属的种类很多，根据其特性的不同又可分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属等。2. 陶瓷材料是以共价键和离子键结合为主的材料，其性能特点是熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大。陶瓷材料分为：传统陶瓷、特种陶瓷以及金属陶瓷三类。传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料为原料的陶瓷，主要用做建筑材料；特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用做工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件；金属陶瓷是金属与各种化合物粉末的烧结体，主要用做工具和模具。3. 高分子材料是以分子键和共价
9、键为主结合的材料，具有塑性好、耐蚀性好、电绝缘性好、减震性好及密度小等特点。工程上使用的高分子材料主要包括塑料、橡胶及合成纤维等，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、航空航天等工业中有广泛应用。4. 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，以进一步提高材料的性能。复合材料分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和高分子复合材料等。如现代航空发动机燃烧室中耐热温度最高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，它们具有密度低、弹性好
10、、强度高等优点。表1 材料按其组成与结合键特点分类材料名称材料组成结合键金属材料（黑色金属、有色金属）金属为主金属键为主陶瓷材料金属和非金属的化合物为主共价键和离子键为主高分子材料碳氢化合物为主共价键和分子键为主复合材料两种或两种以上上述材料的组合混合键（四）机械工程材料课程的目的、性质和学习要求 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，工程材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展，新材料也在不断地涌现。机械工程材料课程是机械类和近机类各专业的重要技术基础课，它主要是应用晶体学、物理学、化学、冶金学等学科理论和实验的最新成就，课程内容以定性描述
11、为主，具体表现为“三多”：内容中名词、概念、术语“多”，定性描述、经验性总结“多”，需记忆性的内容、规律“多”。作为一名机械工程技术人员，时刻都会遇到有关材料及其制造加工方面的问题。无论设计一台机器设备、机械零件，还是改造、加工一套工夹具，都将面临材料的选择、应用与零件加工工艺路线的制定等问题，这一切都涉及材料及其成形技术方面的问题。课程的目的是使学生获得工程材料的基本理论知识，掌握材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系，了解常用材料的应用范围和加工工艺，初步具备合理选用材料、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。本科课程理论性和实践性都很强，基本概念多，与实际联系密切。学
12、习时应注意联系物理、化学、工程力学及金属工艺学等课程的相关内容，并结合生产实际，注重分析、理解前后知识的整体联系及综合应用。三、重要考点多项选择题（1）在下列各项学科中，与材料科学有关的是（）。A凝聚态物理B物理化学C晶体学D冶金、机械、和化工学答案：ABCD（2）工程材料被划分为金属材料、陶瓷材料等的依据是（）。A用途B组成C结合键特点D质量答案：BC（3）有色金属的种类很多，根据其特性的不同可以分为（）等。A轻金属B重金属C贵金属D稀有金属答案：ABCD（4）下列各项属于陶瓷材料性能特点的是（）。A熔点高B硬度高C耐腐蚀D脆性大答案：ABCD机械工程材料辅导资料二主 题：第1章 材料的性能
13、学习时间：2013年10月7日10月13日内 容：这周我们将开始对本课程课件第1章的学习，即材料的性能。具体的学习内容如下：一、学习要求1.掌握材料的力学性能、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳、断裂韧性、热疲劳的概念。2.掌握材料的应力-应变曲线。3.掌握材料的物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性的概念；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性的概念。4.理解布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度的公式、测量方式及适用范围。二、主要内容一、材料的应力-应变曲线（一）基本概念选用材料时首先要考虑材料的有关性能，使之与构件的使用要求相匹配。材料性能分为：使用性能和工艺性能两大类。1. 使用性能：材料在使
14、用过程中所表现出来的性能。包括力学性能、物理性能、化学性能等。2. 工艺性能：材料在加工过程中所需要的性能。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能以及切削性能等。3. 材料的力学性能：材料在外力作用下，所表现出来的力学行为。4. 变形：材料在外力作用下，将发生形状尺寸上的变化，即产生变形。变形分为两大类，即弹性变形和塑性变形。5. 弹性变形：材料在外力下产生变形，当外力去除以后仍能恢复原来形状的变形。6. 塑性变形：材料在外力下产生的永久变形，而材料本身并不发生破坏的变形。（二）各类曲线1. 拉伸曲线：材料在外力作用下，力与伸长量之间的关系。图1 低碳钢的力-伸长曲线2. 工程应力应变曲
15、线图2 低碳钢的应力-应变曲线二、强度与塑性（一）强度强度是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。1. 屈服强度图3 条件屈服强度的确定2. 抗拉强度抗拉强度是指材料拉伸过程中，在拉断以前能承受的最大外力所对应的应力值。反映材料抵抗断裂的能力。图4 低碳钢的力-伸长曲线（二）塑性塑性是指材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性质。指标为延伸率和断面收缩率。，（三）任性韧性是指材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量，即拉伸曲线与横坐标所包围的面积。三、硬度硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力。硬度测试有很多种方法，如压入法、回弹法、划痕法等，工业上主要用的是压入法。压入法是将比工件更硬的物质压入工件表面，利用所得到的压痕测量工件的硬度的方法。常用的压痕法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。四、冲击韧性图5 冲击试验机五、疲劳疲劳是指构件在低于屈服强度的条件下，在交变载荷作用下发生破坏的现象。这种断裂被称为“疲劳断裂”。引起疲劳断裂的最低应力值，即疲劳强度。六、断裂韧性低应
