机械工程材料及热处理

机械工程材料及热处理机械工程材料及热处理绪论机电工程系一、材料的分类一、材料的分类n材料是人类生活和从事生产的物质基础，是衡材料是人类生活和从事生产的物质基础，是衡量人类社会文明程度及生产发展水平的重要标量人类社会文明程度及生产发展水平的重要标志。因此，人类历史是以材料发展的各个阶段志。因此，人类历史是以材料发展的各个阶段来进行划分的，如石器时代、青铜器时代、铁来进行划分的，如石器时代、青铜器时代、铁器时代，今天人类正处于人工合成材料的新时器时代，今天人类正处于人工合成材料的新时代（材料取得方式：天然和人工合成）。目前，代（材料取得方式：天然和人工合成）。目前，材料、能源、信息已成为现代化生产的三大支材料、能源、信息已成为现代化生产的三大支柱，材料是一个国家科学技术、国民经济水平柱，材料是一个国家科学技术、国民经济水平及国防力量的重要标志。及国防力量的重要标志。机械工程材料的分类机械工程材料的分类目前世界材料总和已达到目前世界材料总和已达到40多万种，用于机械制造的各种多万种，用于机械制造的各种材料称机械工程材料。材料称机械工程材料。按化学组成分可为：按化学组成分可为： n1、金属材料、金属材料n 2、非金属材料、非金属材料n 3、复合材料、复合材料1、金属材料、金属材料n金属材料是机械工业中应用最广，也是最重要金属材料是机械工业中应用最广，也是最重要的机械工程材料，主要包括以铁为基体的合金的机械工程材料，主要包括以铁为基体的合金（黑色金属），如钢、铸铁及铁合金等；有色（黑色金属），如钢、铸铁及铁合金等；有色金属材料，如铜及其合金，铝及其合金等。金金属材料，如铜及其合金，铝及其合金等。金属材料不仅来源丰富。而且还具有优良的使用属材料不仅来源丰富。而且还具有优良的使用性能和工艺性能。性能和工艺性能。 n（地壳中含量占前四位的金属元素为：铝、铁、（地壳中含量占前四位的金属元素为：铝、铁、钙、钠，铝钙、钠，铝:7.73%，铁，铁:4.75% ，钙，钙:3.45% ，钠钠:2.74% ） 中国是钢铁生产的大国。从中国是钢铁生产的大国。从19961996年钢产量首次突破年钢产量首次突破1 1亿吨开始，亿吨开始，一直稳居世界钢产量排名第一的位置。一直稳居世界钢产量排名第一的位置。20082008年中国粗钢产量年中国粗钢产量达到了达到了5 5亿吨，超过位居第二位到第八位的国家的粗钢产量的亿吨，超过位居第二位到第八位的国家的粗钢产量的总和。目前年产粗钢达到总和。目前年产粗钢达到6 6点多亿吨。点多亿吨。带材带材异形材异形材板材板材管材管材2、高分子材料和陶瓷材料高分子材料和陶瓷材料n高分子材料和陶瓷材料，这些材料具有金属材高分子材料和陶瓷材料，这些材料具有金属材料所不具备的某些特性，如耐腐蚀性、料所不具备的某些特性，如耐腐蚀性、n电绝缘性、隔音、减振、质量轻、原料来源丰电绝缘性、隔音、减振、质量轻、原料来源丰富、价廉以及成型加工容易。富、价廉以及成型加工容易。n陶瓷材料具有高熔点、高硬度以及特殊的物理陶瓷材料具有高熔点、高硬度以及特殊的物理性能等，在工业中已经成为一种重要的、独立性能等，在工业中已经成为一种重要的、独立的新型工程材料。近年来非金属材料发展很快，的新型工程材料。近年来非金属材料发展很快，其中人工合成高分子材料的发展最为迅速。其中人工合成高分子材料的发展最为迅速。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、长如黏土、石英、长石等石等) )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。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，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。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 3 3、复合材料、复合材料 n包括：包括：n金属基复合材料金属基复合材料n陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料n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n现代航空发动机燃烧室温现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉度最高的材料就是通过粉末冶金法制造的氧化物粒末冶金法制造的氧化物粒子镍基合金复合材料。很子镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优轻，弹性好，强度高等优点。点。 航空发动机航空发动机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，结构材料向高强度、高刚度、高韧性、耐高温、耐越苛刻，结构材料向高强度、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。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n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。 n在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材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。料加工方面的问题。 n要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程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、合理安排加工工知识，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。艺路线的能力。 铸造一级涡轮盘铸造一级涡轮盘二、材料科学的形成二、材料科学的形成n材料科学是在生产实践中发展起来的，我们的祖先对材料科学是在生产实践中发展起来的，我们的祖先对材料的发展，对人类的文明做出了巨大的贡献。材料的发展，对人类的文明做出了巨大的贡献。 早在早在40004000年以前，我国就开始使用天然存在的纯铜，年以前，我国就开始使用天然存在的纯铜，在殷、商时代，我国的青铜冶炼与铸造技术便已发展在殷、商时代，我国的青铜冶炼与铸造技术便已发展到了较高的水平。到了春秋、战国时期，在到了较高的水平。到了春秋、战国时期，在周周礼礼考工记考工记中我国就总结了青铜的成份、性能和用中我国就总结了青铜的成份、性能和用途之间的关系与规律，描述出来的途之间的关系与规律，描述出来的“六齐六齐”规律（配规律（配制铜制铜/ /锡合金的锡合金的6 6种配比，种配比，“六齐六齐”，“齐齐”同同“剂剂”，是调剂、剂量的意思是调剂、剂量的意思 ），是世界上最早对合金规律），是世界上最早对合金规律的认识。的认识。 铜是古代就已经知道的金属之一。一般认为人类铜是古代就已经知道的金属之一。一般认为人类知道的第一种金属是金，其次就是铜。铜在自然界储知道的第一种金属是金，其次就是铜。铜在自然界储量非常丰富，并且加工方便。铜是人类用于生产的第量非常丰富，并且加工方便。铜是人类用于生产的第一种金属，最初人们使用的只是存在于自然界中的天一种金属，最初人们使用的只是存在于自然界中的天然单质铜，用石斧把它砍下来，便可以锤打成多种器然单质铜，用石斧把它砍下来，便可以锤打成多种器物。随着生产的发展，只是使用天然铜制造的生产工物。随着生产的发展，只是使用天然铜制造的生产工具就不敷应用了，生产的发展促使人们找到了从铜矿具就不敷应用了，生产的发展促使人们找到了从铜矿取得铜的方法。取得铜的方法。 纯铜制成的器物太软，易弯曲。人们发现把纯铜制成的器物太软，易弯曲。人们发现把锡锡掺掺到铜里去，可以制成铜锡合金到铜里去，可以制成铜锡合金青铜青铜。青铜比纯铜。青铜比纯铜坚硬，使人们制成的劳动工具和武器有了很大改进，坚硬，使人们制成的劳动工具和武器有了很大改进，人类进入了人类进入了青铜时代青铜时代，结束了人，结束了人类历史上的类历史上的新石器时代新石器时代。到了汉代，我国到了汉代，我国“先炼铁后炼钢先炼铁后炼钢”的技术的技术已居世界先进地位。从西汉到明代我国的已居世界先进地位。从西汉到明代我国的冶炼、锻铸、淬火等各种金属加工方法及冶炼、锻铸、淬火等各种金属加工方法及钢铁材料的应用都已达到了相当高的水平。钢铁材料的应用都已达到了相当高的水平。在历史的科学著作中作了详细记载与论述。在历史的科学著作中作了详细记载与论述。同学们可课外查阅。同学们可课外查阅。下面我列举一些我国古代对金属材料冶炼、下面我列举一些我国古代对金属材料冶炼、锻铸及加工工艺等方面的例子，让同学们锻铸及加工工艺等方面的例子，让同学们了解我们的祖先在材料发展史上的辉煌成了解我们的祖先在材料发展史上的辉煌成就。就。 铁是古代就已知的金属之一。铁矿石是铁是古代就已知的金属之一。铁矿石是地壳地壳主要组成成分之一，铁主要组成成分之一，铁在自然界中分布极为广泛，但人类发现和利用铁却比在自然界中分布极为广泛，但人类发现和利用铁却比黄金黄金和和铜铜要迟。首先要迟。首先是由于天然的是由于天然的单质单质状态的铁在状态的铁在地球地球上非常稀少，而且它容易上非常稀少，而且它容易氧化氧化生锈，加生锈，加上它的上它的熔点熔点（1812K1812K）又比铜（）又比铜（1356K1356K）高得多，就使得它比铜难于熔炼。）高得多，就使得它比铜难于熔炼。人类最早发现的铁是从天空落下来的人类最早发现的铁是从天空落下来的陨石陨石，陨石陨石中含铁的百分比很高，是中含铁的百分比很高，是铁和铁和镍镍、钴钴等金属的混合物，在融化铁矿石的方法尚未问世，人类无法大等金属的混合物，在融化铁矿石的方法尚未问世，人类无法大量获得量获得生铁生铁的时候，铁一直被视为一种带有神秘性的最珍贵的金属。的时候，铁一直被视为一种带有神秘性的最珍贵的金属。 铁的发现和大规模使用，是人类发展史上的一个光辉里程碑，它把人铁的发现和大规模使用，是人类发展史上的一个光辉里程碑，它把人类从类从石器石器时代、铜器时代带到了铁器时代，推动了人类文明的发展。至今时代、铜器时代带到了铁器时代，推动了人类文明的发展。至今铁仍然是现代化学工业的基础，人类进步所必不可少的金属材料。铁仍然是现代化学工业的基础，人类进步所必不可少的金属材料。 铁是地球上分布最广的金属之一。约占地壳质量的铁是地球上分布最广的金属之一。约占地壳质量的5.1%5.1%，居元素分布，居元素分布序列中的第四位，仅次于序列中的第四位，仅次于氧氧、硅硅和和铝铝。 在自然界，在自然界，游离态游离态的铁只能从陨石中找到，分布在地壳中的的铁只能从陨石中找到，分布在地壳中的 铁都以铁都以化合物的状态存在。中国的铁矿资源非常丰富，著名的产地有湖北大冶化合物的状态存在。中国的铁矿资源非常丰富，著名的产地有湖北大冶、 辽宁鞍山等辽宁鞍山等4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，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。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 司母戊鼎是中国商代后司母戊鼎是中国商代后期（约公元前期（约公元前16世纪至公元世纪至公元前前11世纪）王室祭祀用的青世纪）王室祭祀用的青铜方鼎，铜方鼎，1939年年3月月19日在河日在河南省安阳市武官村一家的农南省安阳市武官村一家的农地中出土，因其腹部著有地中出土，因其腹部著有“司母戊司母戊”三字而得名，现三字而得名，现藏中国国家博物馆。该鼎是藏中国国家博物馆。该鼎是商王祖庚或祖甲为祭祀其母商王祖庚或祖甲为祭祀其母所铸。所铸。青铜铸造，高青铜铸造，高133133厘厘米米 ，重，重875kg875kg，饰纹优美，饰纹优美n黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址n春秋晚期春秋晚期n矿井深达矿井深达50m50mn炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达4040万吨万吨n实属罕见实属罕见 大冶铁矿位于湖北东大冶铁矿位于湖北东部的黄石市，从公元部的黄石市，从公元226226年至今已有年至今已有17801780多多年，从孙策筑炉、岳年，从孙策筑炉、岳飞锻剑，到张之洞洋飞锻剑，到张之洞洋务建厂，再到现代的务建厂，再到现代的大冶铁矿开采，最终大冶铁矿开采，最终形成了形成了“亚洲第一采亚洲第一采坑坑”。而这个见证中。而这个见证中国矿冶文明千年历史国矿冶文明千年历史的的“亚洲第一采坑亚洲第一采坑” 亚洲第一采坑亚洲第一采坑湖北省当阳县湖北省当阳县“如如来舍利宝塔来舍利宝塔”。始。始建于北宋嘉祐六年建于北宋嘉祐六年（公元（公元1061年），它年），它是我国目前最高是我国目前最高（七丈十三层）、（七丈十三层）、最重（十万六千六最重（十万六千六百斤）和保存最完百斤）和保存最完整的铁塔。工艺精整的铁塔。工艺精湛，造型挺秀典雅。湛，造型挺秀典雅。1982年定为全国重年定为全国重点文物保护单位。点文物保护单位。金顶坐落在武当山主峰天柱峰上，金顶坐落在武当山主峰天柱峰上，海拔海拔1612米。米。建于明永乐年间建于明永乐年间（1416），是我国现存最大的铜铸），是我国现存最大的铜铸鎏金大殿。鎏金大殿。 金殿高金殿高5.54米，宽米，宽4.4米，进深米，进深3.15米，构件严密精确，密不透风。米，构件严密精确，密不透风。殿内供奉着殿内供奉着“真武祖师大帝真武祖师大帝”的的鎏金铜像，重达十吨。鎏金铜像，重达十吨。 史载，该殿由史载，该殿由20吨精铜和吨精铜和300公斤公斤黄金在北京铸造而成，然后送往黄金在北京铸造而成，然后送往武当山的。武当山的。 金殿最为奇特的地方就是它本身金殿最为奇特的地方就是它本身是良导体，每逢电闪雷鸣的时候，是良导体，每逢电闪雷鸣的时候，光球在金殿四周滚动，但霹雳却光球在金殿四周滚动，但霹雳却击不到金殿，这一奇观被称为击不到金殿，这一奇观被称为“烈火炼殿烈火炼殿”。 金殿造了已经五、六百年了，仍金殿造了已经五、六百年了，仍完好如初，光彩夺目！它是怎样完好如初，光彩夺目！它是怎样冶炼的、怎样铸造的、是怎样焊冶炼的、怎样铸造的、是怎样焊接的接的这可是五百多年以前我这可是五百多年以前我们的祖先所掌握的科学和技术啊们的祖先所掌握的科学和技术啊! 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋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应星在天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理等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n18631863年，光学显微镜首次应用于年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。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共晶组织共晶组织材料科学从实践到理论，从感性到理性材料科学从实践到理论，从感性到理性认识走过了漫长的历史。认识走过了漫长的历史。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晶体衍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。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年发明了电子显年发明了电子显微镜，把人们带到了微镜，把人们带到了微观世界的更深层次微观世界的更深层次（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宏观组织与微观组织宏观组织与微观组织习惯上把肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称为习惯上把肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称为低倍组低倍组织或宏观组织织或宏观组织；放大；放大10010020002000倍的组织称为高倍组织倍的组织称为高倍组织或显微组织；在电子显微镜下放大几千到几十万倍的组或显微组织；在电子显微镜下放大几千到几十万倍的组织称为织称为精细组织或电镜组织精细组织或电镜组织。材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图与材料有关的基础学科与材料有关的基础学科n化学、物理化学、高分子化学、量子力学、固体物理化学、物理化学、高分子化学、量子力学、固体物理学、晶体学等，有力地推动了材料研究的深化。在此学、晶体学等，有力地推动了材料研究的深化。在此基础上，逐步形成了跨越多学科的材料科学。基础上，逐步形成了跨越多学科的材料科学。材料学主要研究内容：材料学主要研究内容： 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。高新材料是高科技发展的关键基础高新材料是高科技发展的关键基础n我国高新材料发展很快，在能源、交通、通讯、我国高新材料发展很快，在能源、交通、通讯、航空航天、国防等领域得到了广泛应用。机械航空航天、国防等领域得到了广泛应用。机械工程材料是材料科学的一个分支，随着国民经工程材料是材料科学的一个分支，随着国民经济的迅速发展，对材料综合性能的要求越来越济的迅速发展，对材料综合性能的要求越来越高。作为工程技术人员应具备更加广泛的工程高。作为工程技术人员应具备更加广泛的工程材料知识，为振兴中华民族贡献力量。材料知识，为振兴中华民族贡献力量。鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢、武钢等大新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢、武钢等大型钢铁基地。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6点多点多亿吨。亿吨。 中国第一颗人中国第一颗人造卫星造卫星长征火箭大家族长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、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。（从发展。（从神神-1到神到神-8 ）中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”号飞船号飞船“神舟二号神舟二号”飞船运飞船运往发射工位往发射工位 “神舟神舟”一号飞船一号飞船 “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”号飞船号飞船“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“神舟神舟”三号飞船三号飞船 “神舟神舟”四号飞船四号飞船 中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”五号载人飞船五号载人飞船杨利伟杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱三、本课程的目的、任务和学习方法三、本课程的目的、任务和学习方法n1、课程性质、课程性质n本课程是高职、高专机械类专业必修的技术基本课程是高职、高专机械类专业必修的技术基础课。础课。n2、教学目的、教学目的使学生获得工程材料的基本理论知识和基础知使学生获得工程材料的基本理论知识和基础知识，为学习其它有关课程和将来从事生产技术识，为学习其它有关课程和将来从事生产技术工作奠定必要的基础。工作奠定必要的基础。3、课程的主要内容和具体任务课程的主要内容和具体任务n课程的内容主要由金属材料的力学性能、金属学的基本知识、钢的热处理、常用金属材料、非金属材料、复合材料以及工程材料的选用等组成。n本课程的具体任务是：熟悉常用工程材料的成份、组织结构与性能间的关系，以及加工工艺对其性能的影响；初步掌握常用机械工程材料的性能和应用，初步具备选用常用材料的能力；初步具有正确选定一般零件的热处理方法及确定其工序位置的能力。4、本课程的学习方法、本课程的学习方法n本课程具有较强的理论性与应用性，学习中应本课程具有较强的理论性与应用性，学习中应注重分析、理解与应用、并注意前后知识的衔注重分析、理解与应用、并注意前后知识的衔接与联系；为了提高分析问题、解决问题的能接与联系；为了提高分析问题、解决问题的能力，在理论学习的同时，要注意联系生产实际，力，在理论学习的同时，要注意联系生产实际，重视实验环节，认真完成作业及实验课题。重视实验环节，认真完成作业及实验课题。5、本课程的成绩评定方法、本课程的成绩评定方法n平时作业成绩占平时作业成绩占5%，实验成绩占，实验成绩占5%（缺一次（缺一次实验成绩，本门课程计实验成绩，本门课程计0分），课程结束时的分），课程结束时的期末考试成绩占期末考试成绩占90%。n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n答疑安排：答疑安排：待定待定(协商协商)n随机点名，三次旷课，本门课程成绩以随机点名，三次旷课，本门课程成绩以0分计分计