1、绪论绪绪绪绪课程简介课程简介 工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础是讲述常用工程材料及机械零件加工方法，即从选择材料、制造毛坯、直到加工出零件全过程的综合性课程。内容包括：工程材料工程材料 热加工基础热加工基础 切削加工基础切削加工基础 互换性原理互换性原理 零件的合格标准包括两方面零件的合格标准包括两方面：几何形状标准：包括形状、位置、尺寸精度和表面粗糙度；性能指标：包括力学性能、化学性能和物理性能。材料科学材料科学是在物理、化学及是在物理、化学及 力学等基础上建立起来的综力学等基础上建立起来的综 合科学；研究的是材料的合科学；研究的是材料的化化 学成分学成分、组织结构组织结构与与性
2、能性能之之 间的关系。间的关系。材料的定义材料的定义材料是人类用于制造机器、构材料是人类用于制造机器、构件和产品的件和产品的物质物质，是人类赖以，是人类赖以生存和发展的物质生存和发展的物质基础基础。无机非金属材料金属材料高分子材料复合材料按组成与结构划分按用途划分电子信息材料航空航天材料生物医用材料能源材料按性能划分结构材料功能材料按应用与发展划分传统材料新材料材料的分类无机非金属材料金属材料高分子材料复合材料材料的分类材料的分类材料的分类金属高分子陶瓷材料无机材料 有机材料复合材料复合材料Way?What?各类材料的性能特点各类材料的性能特点p金属材料金属材料主要为金属键金属键。热和电的良导
3、体 具有良好的强度与延展性以及金属光泽p陶瓷材料陶瓷材料通常为离子键离子键或共价键共价键。绝缘体而且比较耐热。p高分子材料高分子材料通常为共价键、分子键和氢键，以共价键共价键为主。分子结构都非常巨大 通常密度较低，在高温下不稳定。p复合材料复合材料性能的复合.材料的地位与作用材料的地位与作用 材料是生产与生活的物质基材料是生产与生活的物质基础。材料是人类社会发展的基础础。材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料、信息、碑和划时代的标志。材料、信息、能源合称现代技术的三大支柱能源合称现代技术的三大支柱。人类利用材料的历史，人类利用材料
4、的历史，就是一部人类进化和就是一部人类进化和进步的历史进步的历史。400,000 BC4,500 BC 石器时代（石器时代（Stone Age）燧石：神奇的石头陶器（陶器（Pottery）陶器的出現是人類跨入新石器時代的重要新石器時代的重要標誌標誌之一，據目前已知的考古資料，中國的陶器製作至少已有8000年年以上的歷史。西安半坡人面网纹陶盆西安半坡人面网纹陶盆战国陶制四通水管战国陶制四通水管4,500 BC1,000 BC 青铜时代青铜时代（Bronze Age）从矿石中提炼铜冶金业的黎明这张埃及古墓壁画是这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一人类冶金业的最早纪录之一青铜，古称金或吉金，是
5、红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。保守的估计，这一时期主要从夏商周直至秦汉，时间跨度约为两千年左右，这也是青铜器从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。到春秋戰國時期，齊國工匠總結科技經驗寫成的考工記考工記一書中，提出了金有六齊，這是世界科技史上最早的冶銅經驗總結。青铜：第一种合金青铜：第一种合金夏钺戈三星堆三星堆 立人像铸于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上最大的青铜立人像，被尊称为“世界铜像之王”。突目面具铸于商代晚期，原件高64.5厘米，宽138厘米，眼球柱状外突长达13.5厘米，其造型在世
6、界上亦属首见。司母戊鼎司母戊鼎 司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133厘米，重875公斤。為已知的中國古代體量最大的青銅器。銅禁，中國已知最早應用失蠟法鑄造的作品，春秋時代的楚國王子午墓出土的，年代為公元前6世紀。1450BC铁制车轮1500AD廉价的冶铁业 1000BC铁器时代（铁器时代（Iron Age）What？华夏文明的独特贡献华夏文明的独特贡献 瓷器瓷器則是中國先民的偉大發明，要比國外出現早1500 年以上，它是中華民族的寶貴歷史遺產之一.世界四大文明古國對於掌握製陶技術與生產陶器都是獨立發明的，發展時間上也相差不遠。從原始瓷器到成熟瓷器的提高幾乎經歷了1500 年之久，至遲
7、在東漢晚期東漢晚期，中國已能燒製出成熟的青瓷，完成了由原始瓷器向標準瓷器的過渡。這件江蘇南京出土的吳國青這件江蘇南京出土的吳國青瓷羊是成熟青瓷的代表作。瓷羊是成熟青瓷的代表作。人类使用材料的七个时代的开始时间人类使用材料的七个时代的开始时间公元前公元前 10 万年万年石器时代石器时代公元前公元前 3000 年年青铜时代青铜时代公元前公元前 1000 年年铁器时代铁器时代公元公元 0 年年水泥时代水泥时代公元公元 1800 年年钢时代钢时代公元公元 1950 年年硅时代硅时代公元公元 1990 年年新材料时代新材料时代两次工业革命都是以新材料两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导的的发明
8、和广泛应用为先导的 第一次工业革命（第一次工业革命（1818世纪）：制钢世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。奠定了物质基础。第二次工业革命（第二次工业革命（2020世纪中叶以世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。明和应用起了核心作用。总结：总结：正是由于新材料的不断发明正是由于新材料的不断发明和应用，才可能有当今和应用，才可能有当今“第第三次革命三次革命”-信息革命的产信息革命的产生；使人类进入了一个新的生；使人类进入了一个新的时代时代-信息时代信息时代新材料是人类社会进步、新材料是人类社
9、会进步、世界革命和提高人类生活世界革命和提高人类生活品质中具有特别重要的基品质中具有特别重要的基础和先导作用，其发展对础和先导作用，其发展对提高国家的综合国力和国提高国家的综合国力和国际实力具有巨大的推动作际实力具有巨大的推动作用和深远的影响用和深远的影响。材料发展态势材料发展态势 材料发展的动力来自材料发展的动力来自市场需求市场需求和和科技发展科技发展两个方面两个方面发展总的发展总的趋势趋势重视材料制备、使用到废弃全寿命周期中，与重视材料制备、使用到废弃全寿命周期中，与资源、能源和生态环境的协调性，发展生态环资源、能源和生态环境的协调性，发展生态环境材料，实现材料的可持续发展境材料，实现材料
10、的可持续发展。发展高技术新材料技术及其产业化将是发展高技术新材料技术及其产业化将是21世纪经世纪经济发展的支柱性产业，济发展的支柱性产业，并对其它高技术起先导并对其它高技术起先导、带动作用；带动作用；用新技术对现有材料的更新、改造依然是关注的用新技术对现有材料的更新、改造依然是关注的重点重点材料发展总的态势材料发展总的态势B-777B-777上用的先进材料上用的先进材料材料发展的市场需求材料发展的市场需求塑料塑料10%-20%其它其它铝合金铝合金5%-10%铁合金铁合金60%-75%15%-20%低合金高强钢低合金高强钢材料发展的市场需求材料发展的市场需求飞飞 机机 减减 重重19801970
11、1960195019902000201050403020100新材料与材料的改进新材料与材料的改进材料在战斗机减重中的比重材料在战斗机减重中的比重29%13%42%年代年代先进的结构概念先进的结构概念自动化设计自动化设计有效载荷控制及机翼隐蔽有效载荷控制及机翼隐蔽材料发展总的趋势材料发展总的趋势射程射程(公里公里)导弹壳体材料与射程的关系示意图导弹壳体材料与射程的关系示意图金属金属玻璃钢玻璃钢芳纶芳纶(+630)复合材料复合材料材料发展总的趋势材料发展总的趋势长征火箭壳体：长征火箭壳体：铝合金铝合金744Kg，碳纤维，碳纤维401Kg减重减重343Kg，射程增加，射程增加1476Km图图1.1
12、 高技术体系示意图高技术体系示意图探索智力探索智力探索宇宙空间探索宇宙空间探索物质结构探索物质结构探索生命本质探索生命本质探索海洋奥秘探索海洋奥秘环境科学技术环境科学技术空间科学技术空间科学技术新材料科新材料科学技术学技术新能源与再生能源新能源与再生能源信息科学技术信息科学技术生物科学技术生物科学技术海洋科学技术海洋科学技术人人材料发展总的趋势材料发展总的趋势发展高技术新材料技术及发展高技术新材料技术及其产业化将是其产业化将是21世纪经济世纪经济发展的支柱性产业，并对发展的支柱性产业，并对其它高技术起先导、带动其它高技术起先导、带动作用。作用。1信息科学技术信息科学技术信息材料信息材料2新能源
13、科学技术新能源科学技术新能源材料新能源材料3生物科学技术生物科学技术生物材料生物材料4空间科学技术空间科学技术空间技术用材料空间技术用材料5生态环境科学技术生态环境科学技术环保材料环保材料6用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术21世纪重点发展的高技术领域的材料选择世纪重点发展的高技术领域的材料选择材料发展总的趋势材料发展总的趋势材料技术大厦的砖石 材料是所有科技进步的核心建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破。没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦；没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞
14、机旅行的今天；没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船；没有固体微电子电路，就没有计算机。建筑交通福特2000与西纳给2010这两款由材料工程师设计的汽车将成为未来交通工具。汽车用高强钢，比原先的轻24%，而强度高34%。汽车汽车实实 例例材料材料强度范围强度范围 MPa比强度比强度 MPa 压气机叶片压气机叶片铝合金 150-45055160 压气机机匣压气机机匣钛合金 350-110080245 飞机尾翼飞机尾翼碳纤维复合材料10001200（顺纤维方向）625750轻质材料轻质材料 在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的（穿梭机）。它是人类高技术的结晶。它应用了成千上万种材料，特别是
15、一些高技术的新型材料（本照片选自美国Kennedy Space Center 的Tourbook）。航天飞机航天飞机超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车 西南交通大学已研制成功全国唯一一辆“世纪号”超导磁悬浮列车，这种高温超导磁悬浮列车最大特点就是乘坐平稳、安全和快捷。和世界上最先进的轻轨列车比较，它没有一点轰隆隆的噪声，十分安静。1980s：高温超导体能源能源p 新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。n主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料n嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料nSi半导体材料为代表的太阳能电池材料n铀、氘、氚
16、为代表的反应堆核能材料等。核能材料核能材料Nuclear power station at Leibstadt,Switzerland uranium oxide beads 钨钒钢（W-V steel）铬钒钢（Cr-V steel）镍基高温合金（Hastelloy material）核反应堆材料：耐中子辐射、腐蚀、高温烧结后烧结后烧结前烧结前信息信息人类正在步入信息时代，同时也是信息材料竞争的时代。电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路电子管电子管16K内存器。图中的女士要用显微镜才看得到现在的集集成电路成电路16 K内存器n第一台电子管电子管组成的计算机重达30吨，用电相当于一个小的城市
17、。钨、钼钨、钼电极。锗、硅半导体。锗、硅半导体。单晶硅片，高纯钛、单晶硅片，高纯钛、SiO2和铬等薄膜和铬等薄膜生物、生活生物、生活材料技术的发展改变我们材料技术的发展改变我们的生活的生活仿真手臂仿真手臂人工关节“自行车发烧友自行车发烧友”的首选的首选钛结构自行车架微机械微机械“材料贯穿于机材料贯穿于机械工程的始终。械工程的始终。”核心关系核心关系而其核心是围绕而其核心是围绕:“结构与性能结构与性能”的相互辩证关系。的相互辩证关系。What?“组织结构组织结构”课程名称：工程材料课程名称：工程材料 学学时：时：讲课：讲课：27学时学时 实验：实验：22学时学时 教教材：材：工程材料工程材料教教 师：师：XX绪绪绪绪实验报告及指导书：实验时间：各小班课代表与工程训练中心 教学部刘老师商定 （注：时间一旦确定，不能随意更改，请准时参加。届时不到，按中心有关规定处理）。金工实验工程材料部分教学内容：研究材料内部成分、内部结构与性能之间的关系。教学目的：研究解决选材问题课程性质：机械类工科学生必修课重 要 性：例教学方法：讲、自学、提问、讨论等结业考核：期末考试 80分平时成绩 20分（作业及实验等）绪绪绪绪
