《机械工程材料(第4版)》第一章教案

工程材料基础

绪论

1.材料与社会进步

材料是人类生活的物质基础，人类社会的进步与材料的发展密切相关。由于材料对人类社会的发展和进步，一直都在起着巨大的推动作用。所以,人们便把历史的发展阶段按照人类使用材料的特点来划分，例如，远古时代，由于人类只能使用天然的石头作为工具，所以，远古时代就被称为石器时代。而火的发现和使用，由于使人类能够制造人造材料，所以伴随着各种材料制备技术的出现，人类历史又依次进入到陶器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代和新材料时代(信息时代)。可见，在人类社会发展的过程中，材料是推动社会进步的重要因素，没有新材料的出现，人类社会就不会进步。

2.材料与技术进步

能源、信息和材料是现代技术的三大支柱，而能源、信息产业的发展，同样离不开材料的进步，如果材料的制备水平和应用水平跟不上，就会制约着能源、信息产业的发展。实际上，不仅能源、信息产业的发展离不开材料的进步，对许多领域而言，技术的进步都是与老材料的改进和新材料的开发有关（说明在坦克和炮弹的技术进步中，炮弹攻击力的增强和坦克防弹能力的提高，与老材料的改进和新材料的开发有关）。

材料推动技术进步和社会发展的实例很多，如：

① 1911年德国开发出了强度与软钢相近的硬铝合金之后，人类才开始进行真正的航空工业；

②镍基高温合金的开发成功，由于能大大提高发动机的燃烧室温度，能显著提高发动机的功率，使飞机制造业从此迈进了能够制造特大型飞机的时代；

③单晶硅的出现，导致大规模集成电路的问世，使计算机等产品陆续走进了我们的生活，使社会步入到了信息时代；

④远程通信技术的发展与光导纤维的问世密切相关，由于光导纤维的出现使信息的传输方式发生了巨大的变化，所以光导纤维的问世被誉为是百年不遇的重大发明；

⑤ 20世纪最后一次技术革命，导致了超导技术的出现，对社会的发展也起到了巨大的推动作用。例如，利用安装在列车中的超导磁体与地面线圈之间的电磁排斥力，而能将列车悬浮起来的现象，就能制造出时速可达300Km的磁悬浮列车。

从以上实例可见，材料是推动技术进步和社会发展的重要因素。

3.工程材料及分类

所谓材料，是可用来制造有用物品的物质。能用于工程目的的材料就是工程材料。按照材料的性能特点和用途的不同，工程材料可分为结构材料和功能材料两大类。其中

结构材料：是以力学性能为主要使用性能，专门用于制造机械零件和工程结构的材料。由其用途可知，结构材料在工业生产中发挥着巨大的作用。由于大到海洋平台，小到螺丝钉，都要承受机械载荷，所以无论是哪种工程结构和机械零件，都要采用结构材料来制造。

功能材料：是以物理性能、化学性能和生物功能为主要使用性能，专门用于制造具有特殊功能的元器件和生物组织的材料。功能材料是当代新技术的物质基础，也就是说，由于信息技术、航空航天技术、能源技术、先进制造技术和生物工程技术都需使用功能材料，所以，功能材料实际上就是新技术革命的先导。

而按照材料的属性来分类，工程材料则可分为四大类，分别是金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。其中，有一部分金属材料、陶瓷材料和高分子材料就是功能材料。

4. 材料科学与工程的基本要素

材料科学：是着重于材料本质的发现、分析和研究的科学，能为开发新材料和新工艺提供理论基础。

材料工程：通过确定合理的生产工艺来控制材料的内部组织，使材料能够达到使用要求。

由于材料的成分、组织与性能之间存在着紧密的联系，材料的生产工艺与性能之间也存在着紧密的联系，所以，材料的成分、组织、制造工艺和使用性能也就成了材料科学与工程的基本要素。将这些基本要素联系起来作为分析问题、解决问题的基本思路，就是进行失效分析和选材、用材的基本方法。

5. 学习目的

①了解材料的成分、组织、制造工艺与使用性能之间的关系。

②熟悉各种工程材料的特点与用途。

③能做到正确选材和用材。

工程材料的性能是指材料所具有的使用性能和工艺性能。

使用性能：是指材料在使用条件下所具备的性能，主要是指材料所具有的力学性能、物理性能、化学性能和生物功能

工艺性能：是指材料在加工过程中所具备的性能，主要是指材料的切削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能和热处理性能。

第一章机械零件的失效分析

一、失效的定义和失效分析的任务

1.失效的定义

机械产品的主要质量标志是:功能、寿命、重量/容量比、经济性、安全性和外观。所谓功能：是指用来传递力、能量和做规定的机械运动等。对机械产品来说，功能是最主要的质量标志。

所谓失效：指“零件失去了设计所要求的功能”。

主要表现在在以下三方面:完全丧失功能、功能衰退、失去可靠性与安全性。