1、机械工程材料机械工程材料主讲：尤 芳20232023年年2 2月月1111日日机械工程材料机械工程材料v 课程内容：课程内容：v 绪 论 v 第第1 1章章 材料的性能材料的性能v 第第2 2章章 材料的结构材料的结构v 第第3 3章章 材料的凝固材料的凝固v 第第4 4章章 铁碳合金相图与碳钢铁碳合金相图与碳钢v 第第5 5章章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 v 第第6 6章章 钢的热处理钢的热处理v 第第7 7章章 工业用钢工业用钢v 第第8 8章章 铸铁铸铁 v 第第9 9章章 有色金属及其合金有色金属及其合金v 第第1010章章 零零部部件的失效与选材件的失效与选材 绪
2、论内容概要一 材料发展概要二 材料科学三 工程材料的分类及应用四 本课程的目的性质及要求一 材料发展概要 材料材料是指是指可以用来直接制造有用物件、构件或器件的可以用来直接制造有用物件、构件或器件的物质。物质。材料是人类生产和生活所必须的物质基础。材料是人类生产和生活所必须的物质基础。锉刀锉刀手锤手锤石器石器铁器铁器青铜器青铜器一 材料发展概要 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。一 材料发展概要材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。一 材料发展概要 没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计没有半导
3、体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。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空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。工业和宇航工业。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。材料、能源及信息称作现代文明的三大支柱。材料、能源及信息称作现代文明的三大支柱。一 材料发展概要TITANICTITANIC一 材料发展概要 中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作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。出过重大贡献。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
4、族的先人就能用中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，汉时期又出现了瓷器，并流传海外。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饰纹优美饰纹优美越王勾践宝剑越王勾践宝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55.755.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利
5、锋能割断头发锋能割断头发 宋应星宋应星 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。一 材料发展概要鞍钢攀钢夜景一 材料发展概要新中国成立后，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几亿吨。一 材料发展概要人类对材料的认识是逐步深入的。18631863年，年，光学显微镜光学显微镜首次应用于金属首次应用于金属研究，诞生了研究，诞生了金相学金相学，使人们能够将，使人们能够将材料的材料的宏观性能宏观性能与与微观组织微观组织联
6、系起来。联系起来。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。SiSi表面的重构图表面的重构图象象X-X-射线衍射仪射线衍射仪 1932年发明了电子显微年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界镜，把人们带到了微观世界的更深层次（的更深层次（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年位错理论的提年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强出，解决了晶
7、体理论计算强度与实验测得的实际强度之度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划能及设计高强度材料具有划时代的意义。时代的意义。金属钛中的位错金属钛中的位错挑战者号爆炸瞬间挑战者号爆炸瞬间u材料科学是以材料科学是以材料材料为为研究对象的一门科学。研究对象的一门科学。二 材料科学（1 1）材料的）材料的化学组成；化学组成；（2 2）材料）材料结构结构与与性能性能的关系，的关系，（3 3）材料的）材料的形成机理形成机理和和制取方法制取方法，（4 4）材料物理性能的）材料物理性能的测试方法测试方法和和
8、技术技术，（5 5）材料的）材料的损坏机理损坏机理，（6 6）材料的）材料的合理加工方法合理加工方法和和最佳使用方案最佳使用方案等。等。u主要内容主要内容工程材料的含义：工程材料的含义：工程材料是以用于工程材料是以用于工程结构和机器零件工程结构和机器零件及及元器件元器件的材料为研究对象。的材料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件工程构件和和机械机械零件零件的材料。的材料。三 工程材料的分类及应用工程材料工程材料 金属材料金属材料黑色金属黑色金属铸铁铸铁复合材料复合
9、材料树脂基复合材料树脂基复合材料金属基复合材料金属基复合材料合金钢合金钢碳钢碳钢有色金属有色金属轻有色金属轻有色金属稀土金属稀土金属重有色金属重有色金属高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料塑料塑料 合成橡胶合成橡胶合成纤维合成纤维普通（传统）陶瓷普通（传统）陶瓷特种（新型）陶瓷特种（新型）陶瓷金属陶瓷金属陶瓷三 工程材料的分类及应用黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属,重金属,贵金属,稀有金属 u以金属键结合为主以金属键结合为主 u良好的导电性、导热性、良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽延展性和金属光泽 u用量最大、应用最广泛用量最大、应用最广泛三 工程材料的分类及应用铁及铁合金称为铁及
10、铁合金称为黑色金属黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已，即钢铁材料，其世界年产量已达达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。以上。带带材材板板材材异异型型材材管管材材三 工程材料的分类及应用齿轮组齿轮组不锈钢不锈钢轧辊轧辊轧轮轧轮钻头钻头铣刀铣刀三 工程材料的分类及应用 高分子材料高分子材料u以分子键和共价键为主以分子键和共价键为主u塑性、耐蚀性、电绝缘性、塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小减振性好，密度小 u包括塑料、橡胶及合成纤包括塑料、橡胶及合成纤维等维等 分分子子键键共共价价键键三 工程材料的分类及应用高分子材料在机械、电气、
11、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。塑料塑料橡胶橡胶合成纤维合成纤维三 工程材料的分类及应用陶瓷材料陶瓷材料u以共价键和离子键为主以共价键和离子键为主u熔点高、硬度高、耐腐熔点高、硬度高、耐腐 蚀、脆性大蚀、脆性大 u分为传统陶瓷、特种陶分为传统陶瓷、特种陶 瓷和金属陶瓷三类瓷和金属陶瓷三类 三 工程材料的分类及应用 传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶陶瓷瓷制制品品陶陶瓷瓷发发动动机机三 工程材料的分类及
12、应用 复合材料复合材料u是把两种或两种以上是把两种或两种以上不同性质不同性质或或不同结构不同结构的材料的材料以以微观微观或或宏观宏观的形式组合在一起而形成的材料。的形式组合在一起而形成的材料。u金属基复合材料u陶瓷基复合材料u聚合物基复合材料高分子复合材料高分子复合材料三 工程材料的分类及应用u现代航空发动机现代航空发动机燃烧室燃烧室温度最高温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子的氧化物粒子弥散强化弥散强化的的镍基合镍基合金复合材料金复合材料。u很多高级游艇、赛艇及体育器械很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由等是由碳纤维复合材料碳纤维复合材料制成的，制成的，
13、它们具有它们具有重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度高高等优点。等优点。航航空空发发动动机机高高级级游游艇艇三 工程材料的分类及应用 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。歼歼2020隐形战斗机隐形战斗机航空母舰航空母舰三 工程材料的分类及应用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。波波音音飞飞机机超超级级跑跑车车豪豪华华邮邮轮轮虎虎式式坦坦克克三 工程材料的分类及应用u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u在产品设计与制造过程中
14、，会遇到越来越多的在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料材料及及材料加工材料加工方面的方面的问题。问题。u要求机械工程技术人员掌握必要的要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学材料科学与与材料工程材料工程知识，具备正知识，具备正确确选择材料选择材料和和加工方法、合理安排加工工艺路线加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。的能力。摩天轮摩天轮发动机发动机三 工程材料的分类及应用u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u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；建立建立化学成分化学成分、组织结构组织结构、加工工艺加工工艺
15、与与性能性能之间之间 的关系；的关系；了解常用了解常用材料的用途材料的用途和和加工工艺；加工工艺；初步具备初步具备合理选材合理选材、正确确定、正确确定加工方法加工方法、妥善、妥善安排工艺路线安排工艺路线的能力。的能力。的关系：的关系：四 本课程的目的性质及要求化学成分化学成分(成分成分)：组成材料各元素在材料中的浓度组成材料各元素在材料中的浓度 组织：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。部的情景。u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或称低倍组织或宏观组织。宏观组织。u放大放大100 2000倍的组织称倍的组织称高倍组织或显微组织。高倍组织或显微组织。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细组织或电精细组织或电镜组织。镜组织。四 本课程的目的性质及要求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四 本课程的目的性质及要求纯铁晶体的纯铁晶体的X-射线衍射射线衍射谱谱 结构：结构：材料中各原子的具体组合材料中各原子的具体组合状态。一般通过状态。一般通过X-射线衍射射线衍射或或透射电镜透射电镜研究。研究。四 本课程的目的性质及要求
