机械工程材料-绪论

1、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、本章节的性质和任务四、本章节的性质和任务l一、材料和材料科一、材料和材料科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。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。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 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，历史学家根据人类所使用的材料由于

2、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。来划分时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。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。没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航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。空工业和宇航工业。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没有低消耗的光导纤维

3、，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也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太空，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令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。上落后了。l因此在其后的十年里，因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或冶金系或

4、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。l其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。聚合物材料。l可见，可见，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中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出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。过重大贡献。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

5、海外。瓷器，并流传海外。 4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商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。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

6、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 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝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家宋应星在天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳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在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。理方面就已经有了较高的成就。生铁炒熟铁

7、图生铁炒熟铁图宋应星宋应星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。钢产量由型钢铁基地。钢产量由49年的年的15.8万吨上升到现在的万吨上升到现在的几几亿吨。亿吨。 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

8、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

9、料的认识是逐步深入的。人类对材料的认识是逐步深入的。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年发明了电子年发明了电子显微镜，把人们带显微镜，把人们带到了微观世界的更到了微观世界的更深层次（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

10、时代的意义。意义。 金属钛中的位错金属钛中的位错材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图l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功能材料 结构材料 传统材料 材料的

11、分类一览表 1.按化学成分特点（或工程特点）金属材料聚合物材料（高分子材料）无机非金属材料（陶瓷材料）复合材料 2.按使用性能或用途特点 3.应用角度分类结构材料、电子材料、航天航空材料、汽车材料、核材料、建筑材料、能源材料等无机材料有机材料 5.物理性能分类 高强度材料、绝缘材料、高温材料、超硬材料、导电材料、磁性材料、半导体材料、透光材料等 6.开发与应用时期新型材料 4.化学角度分类 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： l1、金属材料、金属材料l2、高

12、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 铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的个用材的60%以上。以上。带材带材异形材异形材板材板材管材管材陶瓷材料陶瓷材料l以共价键和

13、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 传统陶瓷传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料( (如黏土、石英、长石等如黏土、石英、长石等) )为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机 特种陶瓷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。用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。l以分子键和共价键以分子键

14、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高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、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。中被广泛应用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯l包括：包括：l金属基复合材金属基复合材l陶瓷基复合材陶瓷基复合材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

15、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。基合金复合材料。l很多高级游艇、赛艇及很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，具有重量轻，弹性好，强度高等优点。强度高等优点。 航空发动机航空发动机三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展随着经

16、济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要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、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、抗辐照和多功能的方向发展。耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。 国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。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

17、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材料的发展趋势与可持续发展战略材料的发展趋势与可持续发展战略 l 性能或用途方面l 材料的组成或微观结构方面l 非晶材料日益受到重视l 生态材料的开发与利用 材料发展趋势材料发展趋势 保证满足使用性能条件下，尽量选用节约资源、降低能耗的材料； 开发与选用环境相容性的新材料，并

18、对现有材料进行环境协调性改性 尽可能地选用环境降解材料 材料的可持续发展材料的可持续发展 机械机械加工工具四、机械工程材料的性质和任务四、机械工程材料的性质和任务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： 研究对象研究对象 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组成材料各元素在材料中的浓度。度。 组织：组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所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。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称低倍组织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精细组织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