机械工程材料(课件)00绪论.ppt

熊巍熊巍机械工程材料机械工程材料机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化绪绪 论论一、材料和材料科学一、材料和材料科学二、工程材料的分类二、工程材料的分类三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展四、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相 关 事 宜绪绪 论论一、材料和材料科学一、材料和材料科学1、材料、材料哥哥哥哥伦伦伦伦比比比比亚亚亚亚号号号号航航航航天天天天飞飞飞飞机机机机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“神舟神舟神舟神舟”四号飞船成功返四号飞船成功返四号飞船成功返四号飞船成功返回回回回国产涡喷国产涡喷-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)石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。材料是人类进化的里程碑。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，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。前苏联在前苏联在1957年把第一颗人造卫星送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。因此在其后的导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，十年里，在十多所大学中陆续建立了材在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约料科学研究中心，并把约2/3大学的冶大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系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。或材料科学与工程系。其涉及的材料由其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。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。前前苏苏联联第第一一颗颗人人造造卫卫星星及及其其运运载载火火箭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。早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器时年的新石器时代，中华民族的先人代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海现了瓷器，并流传海外。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饰纹优美饰纹优美越王勾践剑越王勾践剑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 古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术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梯度度材材料料古古已已有有之之这这是是古古代代剑剑刃刃截截面面图图黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址春秋晚期春秋晚期矿井深达矿井深达50m50m炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达4040万吨万吨实属罕见实属罕见 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一亿吨。一亿吨。中中国国第第一一颗颗人人造造卫卫星星长长征征火火箭箭大大家家族族中中国国第第一一颗颗原原子子弹弹爆爆炸炸中中国国第第一一颗颗氢氢弹弹爆爆炸炸原子弹、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。中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”号飞船号飞船“神神舟舟二二号号”飞飞船船运运往往发发射射工工位位 “神神舟舟”一一号号飞飞船船“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中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”号飞号飞船船“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“神神舟舟”三三号号飞飞船船“神神舟舟”四四号号飞飞船船中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”五号载人飞五号载人飞船船杨杨利利伟伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱18631863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料的认识是逐步深入的。人类对材料的认识是逐步深入的。1912年发现了年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识晶体衍射分析，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。从最初的假想到科学的现实。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1934年位错理论的年位错理论的提出，解决了晶体理提出，解决了晶体理论计算强度与实验测论计算强度与实验测得的实际强度之间存得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，在的巨大差别的矛盾，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材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图2、材料科学、材料科学主要研究内容：主要研究内容：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；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；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；分析材料的损坏机理；分析材料的损坏机理；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二、工程材料的分类二、工程材料的分类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。按组成与结合键分：按组成与结合键分：1、金属材料、金属材料 2、高分子材料、高分子材料 3、陶瓷材料、陶瓷材料 4、复合材料、复合材料金属材料金属材料以金属键结合为主以金属键结合为主 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 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金属材料制品金属材料制品陶瓷材料陶瓷材料以共价键和离子键以共价键和离子键为主为主熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 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、石如黏土、石英、长石等英、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。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。陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机高分子材料高分子材料 以分子键和共价键以分子键和共价键为主为主塑性、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 包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及合成纤维等合成纤维等 分分子子键键共共价价键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-苯乙烯苯乙烯复合材料复合材料 包括：包括：金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料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。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。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。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：工艺工艺-组织组织-性能之间关系的例子性能之间关系的例子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。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。放大放大1002000倍的组织称倍的组织称高倍组织高倍组织或或显微组显微组织织。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。钢的宏观组织、显钢的宏观组织、显微组织和电镜组织微组织和电镜组织钢钢锭锭的的宏宏观观组组织织显显微微组组织织电电镜镜组组织织 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-射线衍射线衍射射或或透射电镜透射电镜研究。研究。Al的高分辨透射电镜象的高分辨透射电镜象纯铁晶体的纯铁晶体的X-射线衍射谱射线衍射谱透射电镜衍射斑点透射电镜衍射斑点透射电镜衍射斑点透射电镜衍射斑点 了解常用材料的用途了解常用材料的用途和加工工艺。和加工工艺。初步具备合理选材、初步具备合理选材、正确确定加工方法、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的妥善安排工艺路线的能力。能力。课程特点：课程特点：基本概念基本概念多，与实际联系紧密，多，与实际联系紧密，是一门应用科学。是一门应用科学。在在Au-Pa薄膜上用薄膜上用AFM探针的纳米探针的纳米雕刻（北大）雕刻（北大）相 关 事 宜主要参考书：主要参考书：机械工程材料机械工程材料（第五版）（第五版）机械工程材料机械工程材料辅导辅导.习题习题.实验实验（第二版）（第二版）成绩评定方法：成绩评定方法：平时作业成绩占平时作业成绩占5%，实验成绩，实验成绩占占5%（缺一次实验成绩，本门课程计（缺一次实验成绩，本门课程计0分），分），课程结束时的期末考试成绩占课程结束时的期末考试成绩占90%。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答疑安排：答疑安排：待定待定(协商协商)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！