工程材料及热加工工艺

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1、工程材料及热加工工艺工程材料及热加工工艺绪绪 论论 主讲人：陈祥主讲人：陈祥1.工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位 2.工程材料与成形技术工程材料与成形技术的发展的发展3.工程材料的分类工程材料的分类4.本课程的性质、任务和要求的任务本课程的性质、任务和要求的任务绪论绪论1.1.工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位材料材料(materials) (materials) 是人类用来制作各种产品的物是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础。反映人类社会文明的水平。物质基础。反映人类社会文明的

2、水平。工程材料：机械工程材料主要指用于机械工程、工程材料：机械工程材料主要指用于机械工程、电器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工电器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等领域的材料。程等领域的材料。图图 0-1图图 0-2图图 0-3图图 0-4图图 0-5 返回 返回 返回 返回 返回1.1.工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位石器的制造和使用石器的制造和使用陶器陶器与瓷器的发明和使用与瓷器的发明和使用灿烂的灿烂的青铜文化青铜文化铁器的生产和应用铁器的生产和应用钢的热处理技术钢的热处理技术达到相当高的水平达到相当高的水平丝绸丝绸天然高分子材料天然高分子材料最先使用的工具是

3、石器。天然材料制成石刀、最先使用的工具是石器。天然材料制成石刀、石斧、石锄。石斧、石锄。1.1.工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位 东汉时期发明了瓷器，瓷器成为中国文化的象征，东汉时期发明了瓷器，瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。对世界文明产生了极大的影响。瓷器瓷器陶器陶器1.1.工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。1.1.工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位司母戊鼎重达司母戊鼎重达8750N,外外型尺寸为型尺寸为1.33m0.78m1.10m1.1.

4、工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位铁人铁人春秋战国时期开始大量使用铁器春秋战国时期开始大量使用铁器。黄河镇河大铁牛黄河镇河大铁牛( (唐开元唐开元1212年铸年铸) )1.1.工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位1. 1. 工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位1960s：材料、能源、信息并成为：材料、能源、信息并成为现在技术和现代文明的三大支柱。现在技术和现代文明的三大支柱。1970s：新型材料、信息技术和生：新型材料、信息技术和生物技术为新技术革命的主要标志。物技术为新技术革命的主要标志。1.1.工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术

5、的地位制造加工：用各种材料制作人们所需制造加工：用各种材料制作人们所需的物质产品的过程。的物质产品的过程。举例举例:碳素笔（碳素笔（9个零件）个零件） 中型轿车（中型轿车（7万个）万个）1.1.工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位制造加工流程：生产准备、材料成形、制造加工流程：生产准备、材料成形、加工处理、成品加工处理、成品原材料原材料（锭料、轧材）（锭料、轧材）凝固成形凝固成形塑性成形塑性成形焊接成形焊接成形毛坯毛坯切削加工切削加工零件零件机器机器装配装配切削加工切削加工凝固成形凝固成形塑性成形塑性成形焊接成形焊接成形热处理热处理热处理热处理热处理热处理热处理热处理切削加工切

6、削加工表面加工表面加工材料加工材料加工过程过程输入材料输入材料(I)输入能量输入能量(I)输入信息输入信息(I)输出信息输出信息(O)(形状、性能形状、性能)输出能量输出能量(O)(损失损失)输出材料输出材料(O)(产品产品+废料废料)1.1.工程材料及其成形技术的地位工程材料及其成形技术的地位材料的选择与成形工艺的采用是机械材料的选择与成形工艺的采用是机械零件获得所需性能的重要保证。零件获得所需性能的重要保证。工程材料及其成形与人类有密不可分工程材料及其成形与人类有密不可分的关系。高新技术的发展、资源和能的关系。高新技术的发展、资源和能源的有效利用、通信技术的进步、工源的有效利用、通信技术的

7、进步、工业产品质量和环境保护的改善、人民业产品质量和环境保护的改善、人民生活水平的提高都与此密切相关。生活水平的提高都与此密切相关。因因此，把自然资源和人类需要、社会发此，把自然资源和人类需要、社会发展和人类生存联系在一起的材料及其展和人类生存联系在一起的材料及其制造加工循环，必然要引起全社会的制造加工循环，必然要引起全社会的高度重视。高度重视。 2. 2.工程材料与成形技术工程材料与成形技术的发展的发展1) 1)先进工程材料及应用先进工程材料及应用新材料数万种，新材料数万种，5%5%速度递增，高功能化、速度递增，高功能化、超高新能化、复合轻量和智能化方向发展。超高新能化、复合轻量和智能化方向

8、发展。（1）结构类工程材料）结构类工程材料超塑性金属材料、高温结构陶瓷、导弹弹体和卫星超塑性金属材料、高温结构陶瓷、导弹弹体和卫星（2）功能材料）功能材料利用声、光、电、磁、热及生化等效应，如记忆元件、激光利用声、光、电、磁、热及生化等效应，如记忆元件、激光器的工作物质红宝石、超导材料、（卫星天线）记忆合金器的工作物质红宝石、超导材料、（卫星天线）记忆合金Ni-Ti、现代隐形技术（新介质材料），后勤装备冬服，作、现代隐形技术（新介质材料），后勤装备冬服，作训服等训服等 2. 2.工程材料与成形技术工程材料与成形技术的发展的发展2)2)先进成形技术的发展和应用先进成形技术的发展和应用装备的设计、

9、材料和制造技术相辅相成，相互促进、制约装备的设计、材料和制造技术相辅相成，相互促进、制约（1）新的成形工艺发展迅速）新的成形工艺发展迅速（2）大幅度减轻装备质量、降低制造成本。）大幅度减轻装备质量、降低制造成本。（3）常规成形加工技术逐步被现代技术改装）常规成形加工技术逐步被现代技术改装（4）组合或复合成形工艺得到应用）组合或复合成形工艺得到应用（5）成形工艺模拟技术）成形工艺模拟技术（6）成形加工技术与新结构、新材料并行发展）成形加工技术与新结构、新材料并行发展 2. 2.工程材料与成形技术工程材料与成形技术的发展的发展 新材料新工艺迅速发展新材料新工艺迅速发展 高分子材料迅速发展高分子材料

10、迅速发展陶瓷材料引人注目陶瓷材料引人注目复合材料前途广阔复合材料前途广阔功能材料发展很快功能材料发展很快我国在新材料新工艺的研究和应用方面我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得取得重大成果重大成果从从2020世纪世纪6060年代到年代到7070年代，高分子材料每年以年代，高分子材料每年以1414的的速度增长，而金属材料的年增长率仅为速度增长，而金属材料的年增长率仅为4 4。涤纶安全带尼龙齿轮 2. 2.工程材料与成形技术工程材料与成形技术的发展的发展耐磨陶瓷陶瓷材料除了具有许多特殊性能作为重要的功能陶瓷材料除了具有许多特殊性能作为重要的功能材料材料( (例如可作光导纤维、激光晶体等例如可作光导

11、纤维、激光晶体等) )以外，其以外，其脆性和抗热震性正在逐步获得改善，是最有前途脆性和抗热震性正在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材料。机器零件和工程结构已不再只的高温结构材料。机器零件和工程结构已不再只使用金属材料制造了。使用金属材料制造了。 绝缘陶瓷 复合材料前途广阔复合材料前途广阔玻璃钢赛车壳体 玻璃纤维树脂复合材料玻璃纤维树脂复合材料( (即玻璃钢即玻璃钢) )、碳纤维树脂复合材、碳纤维树脂复合材料已应用于宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器料已应用于宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身、螺旋桨等、发动机叶轮等；外壳、飞机机身、螺旋桨等、发动机叶轮等； 在交通运

12、输工业中制造汽车车身、轻型船艇等；在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船艇等； 在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。等。玻璃钢储液罐 功能材料发展很快功能材料发展很快 光缆光缆近年来超导材料、磁性材料、形状记近年来超导材料、磁性材料、形状记忆材料、信息材料等各种功能材料有忆材料、信息材料等各种功能材料有很大的发展。很大的发展。 磁浮列车（时速磁浮列车（时速430公里）公里）研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢贝氏贝氏体钢；体钢；研制出零电阻温度为研制出零电阻温度为128.7 K128.7 K的

13、的Tl-Ca-Ba-Cu-OTl-Ca-Ba-Cu-O超导超导体体( (铊系超导体铊系超导体) )；镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。镁铝合金叶轮镁铝合金叶轮镁铝合金手机壳镁铝合金手机壳 重大成果重大成果 重大成果重大成果材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展。得到迅速发展。 分层实体快速成形减速机箱体原型分层实体快速成形减速机箱体原型熔融沉积快速成形叶轮原型熔融沉积快速成形叶轮原型激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽车发动机缸套、激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽车发动机缸套、凸轮轴、石油抽油管、纺织用

14、锭杆等零件的表面强化凸轮轴、石油抽油管、纺织用锭杆等零件的表面强化上得到应用。上得到应用。 重大成果重大成果航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料的发展。材料的发展。19661966年我国成功发射人造卫星；年我国成功发射人造卫星；19991999年年1111月月2121日我国载人航天工程第一艘试验飞船日我国载人航天工程第一艘试验飞船“神舟神舟”一号飞行成功；一号飞行成功； 20032003年年1010月月1515日中国第一艘载人飞船日中国第一艘载人飞船“神舟神舟”五号飞行成功五号飞行成功。人造卫星运载火箭“神舟”五号飞行成功飞船 重大成果重大成果研制了

15、超研制了超7 7隐形战斗机，隐形战斗机，20032003年年8 8月月3030日首飞成功。日首飞成功。 超7隐形战斗机歼7E战斗机 在在C60C60和碳纳米管新型碳材料的研究方面取得和碳纳米管新型碳材料的研究方面取得许多新的成果许多新的成果, ,利用碳纳米管作为衬底利用碳纳米管作为衬底, , 制备出均制备出均匀、致密的金刚石薄膜，并用碳纳米管作为晶须匀、致密的金刚石薄膜，并用碳纳米管作为晶须增强复合材料，制作纳米复合材料。增强复合材料，制作纳米复合材料。碳纳米管3.3.工程材料的分类工程材料的分类1 1）金属材料）金属材料 黑色金属黑色金属铁和以铁为基的合金铁和以铁为基的合金( (钢、铸铁等钢

16、、铸铁等) ) 有色金属有色金属黑色金属以外的所有金属及其合金。黑色金属以外的所有金属及其合金。2 2）高分子材料）高分子材料 塑料塑料主要指工程塑料。又分热塑性和热固性塑料主要指工程塑料。又分热塑性和热固性塑料 合成纤维合成纤维由单体聚合而成再经过机械处理成由单体聚合而成再经过机械处理成 纤维纤维材料。材料。 橡胶橡胶经硫化处理，弹性优良的聚合物。经硫化处理，弹性优良的聚合物。 分通用和分通用和特种橡胶。特种橡胶。 胶粘剂胶粘剂分树脂型、橡胶型和混合型。分树脂型、橡胶型和混合型。3 3）陶瓷材料）陶瓷材料 普通陶瓷普通陶瓷主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料. . 特

17、种陶瓷特种陶瓷高熔点的氧化物、碳化物、氮化物高熔点的氧化物、碳化物、氮化物 等烧等烧结材料。结材料。 金属陶瓷金属陶瓷用生产陶瓷的工艺来制取的金属与碳化用生产陶瓷的工艺来制取的金属与碳化物或其它化合物的粉末制品。物或其它化合物的粉末制品。4 4）复合材料）复合材料 是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。按基体相种类分：聚合物基、金属基、按基体相种类分：聚合物基、金属基、 陶瓷基、陶瓷基、 石墨基等。石墨基等。按用途分：结构、功能、智能复合材料按用途分：结构、功能、智能复合材料。 若按成形原理与成形时材料的状态主要可分为液态成若按成形原理与成形时材料的状

18、态主要可分为液态成形技术、固态塑变成形技术、固态连接成形技术、形技术、固态塑变成形技术、固态连接成形技术、粉末压制成形技术、高分子材料成形技术、复（组）粉末压制成形技术、高分子材料成形技术、复（组）合成形技术六大类，如表合成形技术六大类，如表2 2所示。所示。 材料名称材料名称 材料组成材料组成 结合键结合键金属材料金属材料(黑色金黑色金属、有色金属属、有色金属)陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料金属为主金属为主金属和非金属的化金属和非金属的化合物主合物主碳氢化合物为主碳氢化合物为主两种或两种以上上两种或两种以上上述材料的组合述材料的组合金属键为主金属键为主共价键共价键+离子

19、键为离子键为主主共价键共价键+范德华键范德华键为主为主混合键混合键表表1 1 材料按其组成与结合键特点分类材料按其组成与结合键特点分类表表2 2 按成形原理与成形时材料的状态分类按成形原理与成形时材料的状态分类成形技成形技术术名称名称成形原理成形原理成形成形时时材料的状材料的状态态液液态态成形技成形技术术（铸铸造）造）固固态态塑塑变变成形技成形技术术（锻压锻压）固固态连态连接成形技接成形技术术（焊焊接）接）粉末粉末压压制成形技制成形技术术（粉末冶金）（粉末冶金）高分子材料成形技高分子材料成形技术术复（复（组组）合成形技）合成形技术术 凝固凝固 塑性塑性变变形形凝固，塑性凝固，塑性变变形，粘合或

20、两种形，粘合或两种组组合合 贴贴合和嵌合合和嵌合 凝固凝固 上述两种及以上的上述两种及以上的组组合合液液态态固固态态固固态为态为主主颗颗粒粒态为态为主主糊状糊状态为态为主主混合混合态态工程应用：工程应用：熟悉工程材料的应用，具有对材料改性熟悉工程材料的应用，具有对材料改性与成形工艺的分析能力。与成形工艺的分析能力。工程需求工程需求零件（部件、整机）设计零件（部件、整机）设计加工制造加工制造 组装、使用组装、使用材料特征、性能材料特征、性能 （第（第12章）章） 材料的加工性及加工中的性能变化材料的加工性及加工中的性能变化 （第（第34章）章） 材料的具体应用材料的具体应用 （第（第512章）章

21、）关键：关键： 具体工况（应用）下正确、科学合理选材、加工具体工况（应用）下正确、科学合理选材、加工（路线）与应用。（路线）与应用。4. 4.本课程性质、任务和要求本课程性质、任务和要求学习重点学习重点 学习本课程，要紧紧抓住其核心内容学习本课程，要紧紧抓住其核心内容“材料的性能与选材料的性能与选用、强化处理和成形技术及应用用、强化处理和成形技术及应用”之间的相互关系及其之间的相互关系及其变化规律这个变化规律这个“纲纲”。围绕零件性能。围绕零件性能材料及选用材料及选用强强化处理化处理成形加工及应用为主线，结合实际，注重分析，成形加工及应用为主线，结合实际，注重分析，理解前后知识的整体联系并做到综合应用。理解前后知识的整体联系并做到综合应用。 本课程在机械设计与制造中的重要性、研究对象，课程本课程在机械设计与制造中的重要性、研究对象，课程的性质、主要内容概况及与专业的关系等。初步了解工的性质、主要内容概况及与专业的关系等。初步了解工程材料及其成形技术的分类，对工程材料及其成形技术程材料及其成形技术的分类，对工程材料及其成形技术课程的特点有足够的了解与认识，有的放矢地制定自己课程的特点有足够的了解与认识，有的放矢地制定自己的学习计划、选择适合自己的科学学习方法。的学习计划、选择适合自己的科学学习方法。