机械工程材料绪论

1、邓邓 德德 伟伟大连理工大学大连理工大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院l相 关 事 宜l一、材料和材料科学一、材料和材料科学l二、工程材料的分类二、工程材料的分类l三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展l四、机械工程材料课程的性质和任务四、机械工程材料课程的性质和任务l主要参考书：主要参考书：机械工程材料机械工程材料机械工程材料机械工程材料辅导辅导. . 习题习题. . 实验实验Foundmentals of Materials Science and EngineeringFoundmentals of Materials Science and Engineeringhtt

2、p:/ Idea=加分！加分！期末考试成绩占期末考试成绩占65%。l实验课安排：实验课安排：材料实验中心联系确定材料实验中心联系确定(高老师：高老师l答疑安排：答疑安排：待定待定(协商协商)l随机点名，三次旷课，本门课成绩以随机点名，三次旷课，本门课成绩以0分计！分计！l交流（公&私）互动 英慎用！北山科技园大厦510l守时l手机l一、材料和材料科学一、材料和材料科学l1、材料、材料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。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机石器石器铁器铁器

3、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。材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图龙芯龙芯联想计算机联想计算机l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。在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片飞机发动机叶片波音客机波音客机二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，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

4、的三大支柱之一。称作现代文明的三大支柱之一。l前苏联在前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入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。因此在其后的十弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，年里，在十多所大学中陆续建立了材料在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约科学研究中心，并把约2/3大学的冶金大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或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。材料科学与工程系。其涉及的材料由金其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，可见，

5、高技术需要先进材料的支持。高技术需要先进材料的支持。 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l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器时代，年的新石器时代，中华民族的先人就能中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。瓷器，并流传海外。 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133厘米厘米 重重875kg饰纹优美饰纹优美春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利锋能割断头发锋能割

6、断头发 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，是复合材料很好的复合材料很好的例子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l黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址l春秋晚期春秋晚期l矿井深达矿井深达50m50ml炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达4040万吨万吨l实属罕见实属罕见 生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星宋应星鞍钢攀钢夜景中国第一颗人中国第一颗人造卫星造卫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

7、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”飞船运飞船运往发射工位往发射工位 “神舟神舟”一号飞船一号飞船 “神舟神舟”一号发一号发射成功射成功“神舟神舟”二号发射成功二号发射成功“神舟神舟”三号发三号发射成功射成功“神舟神舟”四号发四号发射成功射成功“神舟神舟”三号飞船三号飞船 “神舟神舟”四号飞船四号飞船 杨利伟杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱l18631863年，光学显微镜首次应用年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使于金属研究，诞生了金相学，使人们能

8、够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。观组织联系起来。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。lMetallography is the science and art of preparing a metal surface for analysis by grinding, polishing, and etching to reveal microstructual constituents. After preparation, the sample can e

9、asily be analyzed using optical or electron microscopy. A skilled technician is able to identify alloys and predict material properties, as well as processing conditions by metallography alone.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P r i n t o f W i l h e l m Rntgens (1845-1923) first x-ray, the hand of his wi

10、fe Anna, presented to Professor Ludwig Zehnder of the Physik Institut, University of Freiburg, on 1 January 1896.Nobel Prize in Physics in 1901X-ray diffraction pattern of crystallized 3Clpro, a SARS protease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l1934年位错理论的提年位错理论的提出，解决了晶体理论出，解决了晶体理论计算强度与实验测得计算强度

11、与实验测得的实际强度之间存在的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的对于人们认识材料的力学性能及设计高强力学性能及设计高强度材料具有划时代的度材料具有划时代的意义。意义。 金属钛中的位错金属钛中的位错Nobel Prize for Physics in 19861933l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

12、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材料科学是以材料为研究对象的一门科学。研究对象的一门科学。挑战者号爆炸瞬间挑战者号爆炸瞬间l工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主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。要要求力学性能的结构材料。l按组成与结合键分：按组成与结合键分： l 1、金属材料、金属材料l 2、高分子材料、高分子材料l 3、陶瓷材料、陶瓷材料l 4、复合材料、复合材料l以金属键结合为主以金属键结合为主 l良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽属光泽 l用量最大、应用最用量最

13、大、应用最广泛广泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 带材带材异形材异形材板材板材管材管材l以共价键和离子键以共价键和离子键为主为主l熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 l分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷种陶瓷和金属陶瓷三类三类 陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机l以分子键和共价键以分子键和共价键为主为主l塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好，密度小密度小 l包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及合成纤维等合成纤维等 分子键分子键共价键共价键烯丙酰氯烯丙酰氯-

14、 -苯乙烯苯乙烯l包括：包括：l金属基复合材料金属基复合材料l陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料l高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的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。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。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l现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤

15、维复合器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度高等优点。高等优点。 航空发动机航空发动机Feb. 1, 2003国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机l随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。 l在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料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。及材料加工方面的问题。 l要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料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

16、法、合理安工程知识，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。排加工工艺路线的能力。 铸造一级涡轮盘铸造一级涡轮盘l课程性质：课程性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课是机械类和近机类各专业的技术基础课l课程任务：课程任务： 了解工程材料的一般知识；了解工程材料的一般知识； 建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系：间的关系：Steel 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组成材料各元素在材料中的浓度。浓度。 组织：组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜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情景。所观察到的金属内部的情景。l习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组织称低倍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织精细组织或或电镜组织电镜组织。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