工程材料与机械制造基础 第一章 工程材料概论

工程材料与机械制造基础一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料第第1 1章章 工程材料概论工程材料概论 二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学概况、材料科学概况2、工程材料的分类、工程材料的分类1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史2、材料科学的展望、材料科学的展望 材料是指人类用以制造机器材料是指人类用以制造机器零件、工程构件及日常生活用零件、工程构件及日常生活用品等各种有用器件的物质。品等各种有用器件的物质。一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料1、材料科学概况、材料科学概况 材料科学是一门研究材料成材料科学是一门研究材料成分、微观组织与结构、加工工分、微观组织与结构、加工工艺、性能与应用之间内在相互艺、性能与应用之间内在相互关系及其变化规律的科学。关系及其变化规律的科学。材料是人类生产和生活所必材料是人类生产和生活所必须的物质基础。须的物质基础。一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料1、材料科学概况、材料科学概况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二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料1、材料科学概况、材料科学概况 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。龙芯龙芯 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。联想计算机联想计算机 芯芯 片片一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料1、材料科学概况、材料科学概况前苏联在1957年首次把人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在火箭技术上落后。此后，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子材料。可见，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一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料1、材料科学概况、材料科学概况一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类工程材料按组成与结合键分类：1 1、金属材料、金属材料 2 2、陶瓷材料、陶瓷材料 3 3、高分子材料、高分子材料 4 4、复合材料、复合材料 材料按照用途可分为工程材料和功能材料。材料按照用途可分为工程材料和功能材料。金属材料金属材料 以金属键结合为主,具有良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽，用量最大、应用最广泛。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 一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类 铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达1212亿吨，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%60%以上。以上。一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类金属材料制品金属材料制品一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类陶瓷材料陶瓷材料以共价键和离子键为主。熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大。分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类。一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类 传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石如黏土、石英、长石等等)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。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常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。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一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类 金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材金属或合金粘结相组成的结构材料。料。金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点，它密度小、硬度高、耐磨、点，它密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂。而脆裂。金属陶瓷广泛地应用于火箭、金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。室的火焰喷口等地方。高分子材料高分子材料 以分子键和共价键为主。塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小。包括塑料、橡胶及合成纤维等。分子键分子键共价键共价键一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类高分子材料高分子材料 在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制在机械、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。造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。烯丙酰氯烯丙酰氯-苯乙烯苯乙烯一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类复合材料复合材料 包括：金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料 是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材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。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玻璃纤维增强高分子复合材料材料一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。航空发动机航空发动机一、材料科学与工程材料一、材料科学与工程材料2、工程材料的分类、工程材料的分类石器石器铁铁器器 石器时代石器时代 青铜器时青铜器时代代 铁器时代铁器时代由于材料的重要性，历史由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。学家根据人类所使用的材料来划分时代。铜铜 车车 马马二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史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。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60005000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。二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史40004000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我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。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饰纹优美二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史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 长厘米长厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利锋能割断头发锋能割断头发 二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史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二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术 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。生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星宋应星二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史我国建起了鞍山、宝钢等大型钢铁基地，钢产量由1949年的万t上升到亿t，已连续十三年成为世界上钢产量第一大国 二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史原子弹、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。二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望1、材料科学的发展历史、材料科学的发展历史1863年1912年1932年第一台光学显微镜问世出现金相学对材料观察进入微观领域X射线衍射技术研究材料晶体的微观结构电子显微镜问世能谱仪出现隧道扫描电子显微镜对材料的研究进入更深层次形成跨学科的材料科学人们对材料的研究人们对材料的研究 经历：经历：宏观宏观微观微观定性讨论定性讨论半定量、定量分析半定量、定量分析二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望2、材料科学的展望、材料科学的展望随原子能、航空航天、通信电子、海洋开发等现代工业发展对材料提出严格要求。满足特殊性能要求新材料密度更小、强度更高、加工性能更好近年，非金属材料用量，数倍于金属材料的速度增长。近年，非金属材料用量，数倍于金属材料的速度增长。高纯度原料代替天然材料制备现代陶瓷，许多优异性能；航天飞机外壁瓦片新型无机非金属材料；吸收电子波的隐射材料高分子复合材料。飞机发动机叶片飞机发动机叶片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航空航天航空航天二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望2、材料科学的展望、材料科学的展望碳纤维聚碳纤维聚合物叶身，合物叶身，钛合金叶钛合金叶片边缘片边缘。二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望2、材料科学的展望、材料科学的展望20世纪末，纳米材料的开发和应用世纪末，纳米材料的开发和应用 宏 观 (Macro-)10-910-810-710-610-510-410-310-210-1100m10-1010-1110-12101纳 米(Nano-)10-910-810-710-610-510-410-310-210-1100m10-1010-1110-1210110-910-810-710-610-510-410-310-210-1100m10-1010-1110-12101纳米10-9米二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望2、材料科学的展望、材料科学的展望纳米材料分类纳米膜纳米粉末纳米纤维纳米块体纳米金属材料世纪年代中期研制成功相继问世纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等二、材料科学的发展与展望二、材料科学的发展与展望2、材料科学的展望、材料科学的展望纳米材料科学与技术21世纪信息时代的核心专家预测应用将超过计算机工业