第一章-绪论

1各位同学下午好！2《工程材料》授课教师：管锋3本课程是机械专业学生的一门技术基础课，是其它专业课的基础。本课程在专业培养中的地位和作用4本课程教学的目的和要求培养机械类专业学生需要的和工程设计与制造紧密相关的材料知识，以及如何在具体零件的材料选择和加工工艺路线中加以应用。5本课程教学内容绪论材料结构的基本知识材料的晶体结构材料的制备过程合金的相结构及相图材料的变形钢的热处理工业用钢铸铁有色金属及其合金常用非金属材料工程材料的选用6本章主要知识：第一章绪论材料发展简史材料的分类材料的性能材料成形技术概述及发展趋势*71.1材料及其成型工艺发展简史材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。手锤锉刀“神舟”六号飞船成功返回国产涡喷-7涡轮喷气发动机8材料是人类文明生活的物质基础，也是科学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史，是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。材料是人类进化的里程碑。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。9认识工具材料制造工具使用工具10在远古时代，人类的祖先是以石器为主要工具的。他们在不断改进石器和寻找石料的过程中发现了天然铜块和铜矿石，并在用火烧制陶器的生产中发现了冶铜术，后来又发现把锡矿石加到红铜里一起熔炼，制成的物品更加坚韧耐磨，这就是青铜。公元前5000年人类进入青铜器时代。公元前1200年左右，人类进入铁器时代。开始使用的是铸铁，后来制钢工业迅速发展，成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。11石器时代12青铜器时代13铁器时代及现代14龙芯联想计算机•没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。15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。在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机16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，称作现代文明的三大支柱之一。17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。•早在公元前6000-5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。184000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。司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高133厘米重875kg饰纹优美19越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发20古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图21•黄石铜矿遗址•春秋晚期•矿井深达50m•炼铜炉渣多达40万吨•实属罕见22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《天工开物》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，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。生铁炒熟铁图宋应星23在春秋时期，发明了生铁冶炼技术，开始大量使用铁器做工具，铸造和热处理技术已普遍应用于制剑中，这比欧洲国家早1800多年。我国还是世界上应用焊接技术最早的国家之一。在河南辉县战国墓中出土的铜器上，其本体、耳、足都是用锡钎焊和银钎焊连接的，这比欧洲国家早2000多年。明朝科学家宋应星编著的《天工开物》是举世公认的世界上有关金属加工的最早的科学技术著作之一，书中记载冶铁、铸造、锻造、焊接、淬火等金属加工的方法。至于我国古代的陶瓷及天然高分子材料如丝绸，在世界文明史上也占有光辉的一页。古代中国还将胶接技术、表面处理技术用于器具、工艺品的制造。24鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由49年的15.8万吨上升到现在的近5亿吨。25近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业为例，2008年，我国钢产量5亿t，是世界钢产量的38％，钢材出口量为5620万t，二者均为世界第一。从1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪，中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产量的0.1％，只相当于现在全国不到几小时的产量。1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第一产钢大国。2006年起，又成为钢材出口第一大国。26我国又是一个钢的消费大国，2008年我国钢消费4.53亿t。我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，2008年就进口了1543万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理论强度应能高于800MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这个超级钢计划展示了材料挖潜的前景。我国在这方面已取得了显著的成绩，使碳钢和低合金钢强度提高1倍的设想不仅在大生产线上经受了考验，而且已装车使用。27类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材料逐步向高比强度、比模量方向发展。例如，20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段，把铝合金的强度提高到700MPa，铝的比强度是钢的比强度的4倍有余。美国1990年汽车平均质量为1020kg，2000年则为820kg。铸铁的比例由11％减至8％。此时铝合金由9％增至15％；高分子材料由9％增至13％。美国新一代汽车研究计划目标每100km的油耗要减少到3L。汽车重量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。为了达到这个目标，要求整车重量要减轻40%~50%，其中，车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统必须减轻10%。28宝马Z-3东风车架29例如，美国福特公司新车型中使用的主要材料如图所示。从图中可见，黑色金属用量将大幅减少，而铝、镁合金用量将大幅增加。30在航天航空和国防工业上，材料减重，获得的效益更大，如卫星减重1kg，可减少发射推力5kg，如对一枚小型洲际导弹，减轻结构质量1kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15km左右，可减轻导弹起飞质量约50kg。1903年世界上第一架飞机所用的主要结构材料是木材和帆布，飞行速度仅16km/h；1911年硬铝合金研制成功，金属结构使飞机性能和速度获得一个飞跃；喷气式飞机超过音速，高温合金材料制造涡轮发动机起到重要作用；当飞机速度达到2-3倍音速时，飞机表面温度会升到300℃，飞机材料只能采用不锈钢或钛合金；31至于航天飞机，机体表面温度会高达1000℃以上，只能采用高温合金材料及防氧化涂层；目前，玻璃纤维增强塑料等复合材料在飞机、航天飞行器上已获得广泛应用。32中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。33中国的航天事业-“神舟”五号载人飞船杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱34飞船返回舱的降温主要通过三种方法：一是吸热式防热，在返回舱的某些部位，采用导热性能好、熔点高和热容量大的金属吸热材料来吸收大量的气动热量；二是辐射式防热，用具有辐射性能的钛合金及陶瓷等复合材料，将热量辐射散发出去；三是烧蚀防热，利用高分子材料在高温加热时表面部分材料融化、蒸发、升华或分解汽化带走大量热量的方法散热。研制人员经过多次的实验最终选定了一种低密度的烧蚀防热材料，使得飞船外部即使是在零下100度到零上3000度的时候，舱内温度仍能保持在零上20度左右。35神七宇航员在出舱进行太空行走时，将可轻巧地捡起一枚1分硬币，依靠这些橡胶制品可以在零下120℃至120℃温度范围内具有足够的柔韧性，又具有耐太空辐射和宇宙漂浮颗粒物等侵害的特殊性能。36•1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。灰铸铁的显微组织光学显微镜Pb-Sn共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。371912年发现了X-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从最初的假想到科学的现实。Si表面的重构图象X-射线衍射仪381932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）透射电子显微镜扫描电子显微镜光镜下电镜下39•1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。金属钛中的位错40材料发展的历程示意图411.2材料的分类根据工程用途可分为：机械工程材料土建工程材料电工材料电子材料……42根据使用性能可分为：利用其力学性能的结构材料（主要是强调强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，用来制造机器零件和工程构件的材料）。利用其物理性能的功能材料（是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理化效应的各种新材料。用以对信息和能量的感受、计测、传导、显示、发射转换和变换的目的，是现代高新技术发展的物质基础）。……43工程材料根据其属性和结合键性质可分为：金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料……44用于机械结构和机械零件并且主要要求力学性能的工程材料分类如下：机械工程材料铸铁黑色金属碳钢合金钢金属材料铝合金有色金属铜合金其他有色金属塑料橡胶高分子材料合成纤维胶粘剂传统陶瓷陶瓷材料特种陶瓷金属基复合材料复合材料高分子基复合材料陶瓷基复合材料45铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达14亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。带材异形材板材管材46金属材料制品47陶瓷制品陶瓷发动机48高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。烯丙酰氯-苯乙烯49复合材料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。玻璃纤维增强高分子复合材料50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、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。国产东风4D-0088内燃机车美国F-117隐身飞机51新材料在不断地涌现。52机械工业是材料应用的重要领域531.3材料的性能结构组织性能加工工艺材料的结构是指构成材料的基本质点(离子、原子或分子等)是如何结合与排列的，它表明材料的构成方式。材料的组织是指借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌---通常称为显微组织。工程材料的性能主要是指材料的使用性能和工艺性能。将未经成型的坯料加工成零件所要求的形状和性能所采取的手段。54结构：材料中各原子的具体组合状态。一般通过X-射线衍射或透射电镜研究。Al的高分辨透射电镜象纯铁晶体的X-射线衍射谱透射电镜衍射斑点55在Au-Pa薄膜上用AFM探针的纳米雕刻（北大）56组织：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。•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或宏观组织。•放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。•在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组织。57钢的宏观组织、显微组织和电镜组织钢锭的宏观组织显微组织电镜组织58材料的性能取决于材料的内部结构与组织，材料的加工工艺影响材料的结构和组织，从而也改变了材料的性能。它们的关系如下：假如在使用过程中，材料的结构、组织没有变化，那么它将永远保持这些性能。反过来，如果在使用过程中，材料的结构、组织发生变化，那么可以肯定地说材料的性能也会发生相应地变化。这就解释了为什么当橡胶暴露在阳光和空气中时会逐渐地硬化；为什么普通钢的钻头不能象高速钢钻头那样高速地切削；为什么磁性材料在射频场中会失去