第一章 工程材料与制造技术简论

第一章工程材料与制造技术简论

本章教学学时：2

本章内容主要是为了拓宽学生的知识面，所涉及内容十分丰富。从横向看，内容包括工程材料、材料成型、机械加工、计算机技术、自动化技术、工业管理等系列知识；从纵向看，内容则包括了材料与制造技术的发展历程和相关学科发展对制造技术的积极渗透。可以说本章是工科低年级同学进入本课程学习，也是进入专业学习的起点。建议同学在学习中能跳出本课程，站在技术和社会发展的高度，理解该课程的基础地位和重要性。

本章教学方式：课堂讲课及学生自学

主要内容：

一、工程材料发展简述

世界各国对材料传统的分类：金属材料、无机非金属材料（陶瓷）、有机高分子材料和复合材料四大类。

这四类工程材料不同历史阶段所具有的相对重要性急发债趋势见图1-1。

图1-1 工程材料发展历史虽时间推移的相对重要性示意图（时间是非线性的）

（一）金属材料的发展史

（二）金属材料的发展现状及趋势

1．高纯材料以超高纯铁为例，在高纯状态，纯铁不仅有优异的软磁性能，良

好的耐腐蚀性能，残余电阻率高，而且以高纯铁为基础进行合金研制，预计在高真空容器、极低温材料、核反应堆材料等方面的应用将十分引人注目。

2．高强度及超高强度金属材料超高强度是当代材料科学家为减轻重量、节省资源而追求的设计目标，这在航空、航天、原子能、深海潜艇等领域有极大的需求。提高材料强度，严格讲，一是指提高抵抗塑性变形的能力，二是提高材料抵抗破坏的能力。提高抵抗塑性变形的能力通常叫强化，提高材料抵抗破坏的能力叫韧化，两者同时提高，则称强韧化。通常典型超高强材料包括超高强度钢、高强度铝合金、高强度钛合金等。

3．超易切削钢和超高易切削钢金属材料通常要求机械加工，据统计,切削加工费用大约占总成本的75%。若改成超高易切削钢，实验表明刀具寿命可提高30倍，因此零件成本会大幅度下降，甚至可减少一半。其社会效益和经济效益极其显著。

4．硬质合金与金属陶瓷金属陶瓷最早是为耐磨材料而设计，它是金属材料与陶瓷的复合材料。

5．高温合金与难熔合金

很大程度上 6．纤维增强金属基复合材料该类复合材料的比强度极高，其强度σ

c

。目前可供选择的纤维较多，如硼纤维，碳纤维、碳化硅纤取决于增强体纤维强度σ

f

维、玻璃纤维、氧化铝纤维等。纤维的选择原则是：比重小，弹性模量E大，强度σ

f 高。金属复合材料的发展目标是：制备出各种比强度、比弹性模量高的材料。

7．共晶合金定向凝固材料该材料属新型复合材料，是共晶合金在特殊工艺条件下制备出来的复合材料，其性能特点是在超高温情况下呈现更高强度。它是通过温度梯度定向凝固，使共晶各相在本身的相上连续长大而成的复合材料，这种复合也叫原生复合。共晶合金定向凝固材料可广泛用于涡轮叶片等耐热材料，也可以用于偏光材料。

8．快速冷凝金属非晶及微晶材料快速冷凝技术是本世纪下半叶以来材料制备技术中的重大突破，由此产生了一系列非平衡态的金属合金。快速冷凝可以导致非晶和微晶材料。

典型非晶和微晶金属材料：

（1）金属玻璃；（2）金属微晶材料

9．有序金属间化合物金属间化合物是新一代高温结构材料，这类化合物与正常价化合物之间的区别在于，金属间化合物的晶体结构中，其构成元素的原子以整数比构成化合物，不是按照化学价的概念，而是按照金属键或部分共价键结合，由于原子在晶体中作长程有序排列，因而也称有序金属间化合物。

10．纳米金属材料纳米金属是泛指颗粒径小于100纳米(nm)的金属材料，大于100纳米的金属颗粒称为粉末,小于2纳米的金属颗粒则称为原子簇，纳米金属颗粒具有一些明显不同于块状金属和一般粉末金属的属性。

11．形状记忆合金形状记忆合金是指合金材料在一定条件下，虽经变形后仍能恢复到变形前原始形状能力的合金。

12．贮氢合金贮氢合金是一种新型贮能材料。

（三）无机非金属材料（陶瓷）的发展简述

1．陶瓷的发展史

2．先进陶瓷（高技术陶瓷）的主要研究领域与研究现状

先进陶瓷的研究领域包括：粉体、结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、薄膜及喷涂、陶瓷工艺等。其中结构、功能、生物陶瓷分属不同的应用领域，粉体及陶瓷制备工艺的研究则直接影响高技术陶瓷材料的性能、成本、应用和发展水平。作为结构陶瓷，其发展经历了几十年全球性的研究热潮后，目前正围绕陶瓷材料的弱点：脆性大，可靠性、均匀性、重复性差，加工制造成本高等方面转入更细致的基础研究和应用研究。

3．结构陶瓷的研究发展趋势

（1）结构陶瓷的增韧研究

（2）有关结构陶瓷粉体制备的研究

（3）有关陶瓷材料的制备与加工技术研究

（4）有关陶瓷材料的可靠性检测与评价技术

（四）工程塑料的发展简述

塑料是高分子材料中的主要组成部分，工程塑料作为塑料工业的重要分支，新的发展点，是在塑料工业的高分子理论基础和生产实践的大环境中成长起来的。工程塑料是一个特定的名称，其广义上是泛指具有高性能又可能代替金属材料的塑料，狭义上是指比通用塑料的强度与耐热性优异，可作为工业用的结构材料并具有功能作用的高性能塑料。

（五）复合材料的发展简述

1．复合材料的特点

2．复合材料的发展史

3．先进复合材料的研究现状、趋势

（1）金属基复合材料金属基复合材料是由各种纤维、晶须、颗粒增强体与金属基体复合而成的材料，与树脂基复合材料比较，不仅具有较高的耐高温性能和不燃烧性，而且具有高的导热性和导电性、抗辐射性、不稀释和耐老化性，而纤维增强的MMC 还具有较高的横向强度和模量。

（2）陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是由各种纤维、晶须、颗粒增强材料与陶瓷基体复合而成，具有优良的耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀性，同时由于增强体的存在使材料的脆性和裂纹敏感性得到很大的改善，韧性和热疲劳性有很大的提高，