工程材料与热加工基础：第0章 绪论

1、1工程材料与热加工基础工程材料与热加工基础南京航空航天大学南京航空航天大学材料科学与技术学院材料科学与技术学院南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics and Astronautics2绪绪 论论南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics and Astronautics3一、材料和材料科学一、材料和材料科学材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。图片出自图片出自: 新华网新华网()4材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活所必须的物质基础。所必须的物质基础。图片出自图片出

2、自: 央视国际央视国际()5 象形尊象形尊( (西周西周) )l石器时代石器时代l青铜器时代青铜器时代l铁器时代铁器时代由于材料的重要性，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。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。石器石器铁器铁器材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图7l没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前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。的计算机技术。电脑芯片电脑芯片手机手机8 没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的没有高温高强度

3、的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。航空工业和宇航工业。图片出自图片出自:新华网新华网()神舟七号飞船返回舱神舟七号飞船返回舱9没有低消耗的光导纤维，就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，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。列，称作现代文明的三大支柱之一。光导纤维光导纤维 10l 前苏联在前苏联在1957年把第一颗人造地球年把第一颗人造地球卫星送入太空，令美国人震惊不已，认卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在识到在导弹火箭技术上落后了。因此在

4、其后的十年里，其后的十年里，在十多所大学中陆续建在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约立了材料科学研究中心，并把约2/3大大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料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。科学系或材料科学与工程系。其涉及的其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，物材料。可见，高技术需要先进材料的高技术需要先进材料的支持。支持。 前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭11 中华民族在人类历史上为材料的发展和应用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。作出过重大贡献。l

5、早在公元前早在公元前6000 5000年年的新石器时代，中华民族的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。了瓷器，并流传海外。 12秦皇陵兵马俑秦皇陵兵马俑这一排排齐整威武的武士俑，宛这一排排齐整威武的武士俑，宛如一支由几千名真人组成的如一支由几千名真人组成的“秦秦之三军之三军”，气势磅礴。形象地再，气势磅礴。形象地再现了秦始皇威震四海现了秦始皇威震四海“灭六国，灭六国，天下一天下一”的雄壮军容，令人肃然的雄壮军容，令人肃然起敬，望而生畏。起敬，望而生畏。 13 4000年前夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷

6、、年前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。商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。司母戊鼎司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土青铜铸造青铜铸造高高133cm 重重875kg饰纹优美饰纹优美14秦陵铜车马秦陵铜车马我国时代最早，驾具最全，级别最高，制作最精的我国时代最早，驾具最全，级别最高，制作最精的青铜器珍品，也是世界考古发现的最大青铜器。青铜器珍品，也是世界考古发现的最大青铜器。15春秋战国时代的春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料复合材料很好的很好的例子。

7、例子。梯度材料古已有之梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图这是古代剑刃截面图16这些铜锡合金兵器经过铬化处理，虽然埋在土里两千多年，依然这些铜锡合金兵器经过铬化处理，虽然埋在土里两千多年，依然刃锋锐利，闪闪发光，表明当时已经有了很高的冶金技术，可以刃锋锐利，闪闪发光，表明当时已经有了很高的冶金技术，可以视为世界冶金史上的奇迹。视为世界冶金史上的奇迹。 第一颗人造卫第一颗人造卫星星长征火箭大家族长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢原子弹、氢弹的爆炸，弹的爆炸，卫星、飞船卫星、飞船的上天等都的上天等都说明了我国说明了我国在材料的开在材料

8、的开发、研究及发、研究及应用等方面应用等方面有了飞跃的有了飞跃的发展。发展。 “神舟二号神舟二号”飞船运往飞船运往发射工位发射工位 “神舟神舟”一号飞船一号飞船 “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“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“神舟神舟”三号飞船三号飞船 “神舟神舟”四号飞船四号飞船 杨利伟杨利伟升空升空返回返回全人类共同的家园全人类共同的家园飞天飞天返回舱返回舱21“神舟神舟”六号发射成功六号发射成功,顺利返回顺利返回翟志刚迈出中国太空第一步翟志刚迈出中国太空第一步 神舟七号遨游太空神舟七号遨游太空 22神舟八号

9、无人飞船，是中国“神舟”系列飞船的第八艘飞船，于2011年11月1日5时58分10秒由改进型“长征二号”F遥八火箭顺利发射升空。升空后2天，“神八”与此前发射的“天宫一号”目标飞行器进行了空间交会对接。组合体运行12天后，神舟八号飞船脱离天宫一号并再次与之进行交会对接试验，这标志着我国已经成功突破了空间交会对接及组合体运行等一系列关键技术。2011年11月16日18时30分，神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器成功分离，返回舱于11月17日19时许返回地面。 23为建设空间站迈出关键一步为建设空间站迈出关键一步 24l1863年，光学显微镜首次应用于年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，

10、使人金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。组织联系起来。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共晶组织共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。人类对材料的认识是逐步深入的。25X射线衍射分析设备及典型图谱射线衍射分析设备及典型图谱 1932年发明了电子显年发明了电子显微镜，把人们带到了微镜，把人们带到了微观世界的更深层次微观世界的更深层次（10-7m）。）。 光镜下光镜下电镜下电镜下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 27l更多现代先进测试分析技术不断涌现。更多现代先进测试分析技术不断涌现

11、。28l主要研究内容：主要研究内容：l 研究材料的化学组成、结构与性能的关系；研究材料的化学组成、结构与性能的关系；l 研究材料的形成机理和制取方法；研究材料的形成机理和制取方法；l 研究材料物理性能的测试方法和技术；研究材料物理性能的测试方法和技术；l 分析材料的损坏机理；分析材料的损坏机理；l 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案。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材料科学是以材料为研究对象的一门科学。对象的一门科学。“神七神七”航天员顺利出舱航天员顺利出舱29l）工程材料的性能：）工程材料的性能：以力学性能为主以力学性能为主，还要考虑，还要考虑物理性能、化学性

12、能及工艺性能；物理性能、化学性能及工艺性能；2）金属学基本理论：）金属学基本理论：使学生获得有关工程材料的使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识；建立化学成分、组织结构、基本理论和基本知识；建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系加工工艺与性能之间的关系 。 二、本课程的性质二、本课程的性质三、课程的内容三、课程的内容30Steel with 0.4%C 化学成分化学成分(成分成分)：组成材料各元素在材料中的浓度。组成材料各元素在材料中的浓度。 组织：组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观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察到的金属内部的情景情景。l习惯上

13、把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍低倍组织组织或或宏观组织宏观组织。l放大放大100 2000倍的组织称倍的组织称高倍组织高倍组织或或显微组织显微组织。l在电子显微镜下放大几千在电子显微镜下放大几千 几十万倍的组织称几十万倍的组织称精细组精细组织织或或电镜组织电镜组织。32钢锭的宏观组织钢锭的宏观组织显微组织显微组织电镜组织电镜组织 结构：结构：材料中各原材料中各原子的具体组合状态。子的具体组合状态。一般通过一般通过X射线衍射射线衍射或或透射电镜透射电镜研究。研究。Al的高分辨透射电镜像的高分辨透射电镜像 纯铁晶体的纯铁晶体的X-射线衍射谱射线衍

14、射谱34在在Au-Pa薄膜上用薄膜上用AFM探探针的纳米雕刻针的纳米雕刻(北京大学北京大学) 353 3）热处理工艺：）热处理工艺：掌握钢的热处理基本原理和工艺，掌掌握钢的热处理基本原理和工艺，掌握热处理各种工艺方法的目的，以便正确选用热处理工握热处理各种工艺方法的目的，以便正确选用热处理工艺方法，合理安排工艺路线。艺方法，合理安排工艺路线。 4 4）常用工程材料：）常用工程材料：掌握常用的工业用钢、铸铁、非铁掌握常用的工业用钢、铸铁、非铁金属及其合金的成分、组织、性能和用途；金属及其合金的成分、组织、性能和用途；5 5）热加工基础：）热加工基础：掌握铸造、锻压和焊接的特点及应用掌握铸造、锻压

15、和焊接的特点及应用范围，掌握金属的铸造性能、锻造性能和焊接性能；能范围，掌握金属的铸造性能、锻造性能和焊接性能；能初步分析各种热加工零件的结构工艺性，具有初步选择初步分析各种热加工零件的结构工艺性，具有初步选择零件毛坯的能力。零件毛坯的能力。6 6）零件材料与毛坯的选择：）零件材料与毛坯的选择：熟悉常用工程材料的生产熟悉常用工程材料的生产工艺过程，工艺过程，正确选择零件的材料、毛坯，并初步安排热正确选择零件的材料、毛坯，并初步安排热处理在工艺过程中的位置。处理在工艺过程中的位置。合理选用工程材料的初步能合理选用工程材料的初步能力。力。36与专业课更相似，运用数学公式推导较与专业课更相似，运用数学公