_工程材料课件

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例如，美国福特公司新车型中使用的主要材料如图 所示。从图中可见，黑色金属用量将大幅减少，而 铝、镁合金用量将大幅增加。
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在航天航空和国防工业上，材料减重，获得的效益 更大，如卫星减重1kg，可减少发射推力5kg，如对一枚 小型洲际导弹，减轻结构质量1kg，在有效载荷不变的条 件下，可增加射程15km左右，可减轻导弹起飞质量约 50kg。
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石 器 时代
11
青铜器时代
12
铁器时代及现代
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• 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。
龙芯
联想计算机
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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。
飞机发动机叶片
在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片
波音客机
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没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。
1903年世界上第一架飞机所用的主要结构材料是木 材和帆布，飞行速度仅16km/h；1911年硬铝合金研制成 功，金属结构使飞机性能和速度获得一个飞跃；喷气式 飞机超过音速，高温合金材料制造涡轮发动机起到重要 作用；当飞机速度达到2-3倍音速时，飞机表面温度会升 到300℃ ，飞机材料只能采用不锈钢或钛合金；
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人类对材料的认识是逐步深入的。
• 1863年，光学显微镜首次应用 于金属研究，诞生了金相学，使 人们能够将材料的宏观性能与微 观组织联系起来。
光学显微镜
灰铸铁的显微组织
Pb-Sn共晶组织
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1912年发现了X-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 从最初的假想到科学的现实。
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组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到 的金属内部的情景。
• 习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍 组织或宏观组织。
• 放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 • 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组
织或电镜组织。
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钢的宏观组织、显
类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材 料逐步向高比强度、比模量方向发展。例如，20世纪 上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段， 把铝合金的强度提高到700MPa，铝的比强度是钢的比 强度的4倍有余。
美国1990年汽车平均质量为1020kg，2000年则为
820kg。铸铁的比例由11％减至8％。此时铝合金由9％
攀钢夜景
鞍钢
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近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业 为例，2008年，我国钢产量5亿t，是世界钢产量的38 ％，钢材出口量为5620万t，二者均为世界第一。从 1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪， 中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂 的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产 量的0.1％，只相当于现在全国不到几小时的产量。 1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第 一产钢大国。2006年起，又成为钢材出口第一大国。
…… 42
工程材料根据其属性和结合键性质可分为： 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料 ……
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用于机械结构和机械零件并且主要要求力学
性能的工程材料分类如下：
铸铁
黑
色
金
属
碳
钢
金 属 材 料
有
色
金属
合
金
钢
铝合金
铜合金
其
他
有
色
金
属
塑料
机械工程材料
高
分
子
材
宋应星
生铁炒熟铁图
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在春秋时期，发明了生铁冶炼技术，开始大量使
用铁器做工具，铸造和热处理技术已普遍应用于制剑
中，这比欧洲国家早1800多年。我国还是世界上应用
焊接技术最早的国家之一。在河南辉县战国墓中出土
的铜器上，其本体、耳、足都是用锡钎焊和银钎焊连
接的，这比欧洲国家早2000多年。明朝科学家宋应星
料
合
橡 成
胶 纤
维
胶 粘 剂
陶
瓷
材
料
传
特
统 种
陶 陶
瓷 瓷
金属基复合材料
复
合
材
料
高
分
子
基复合材
料
陶
瓷
基
复
合
材
料
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铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界 年产量已达14亿吨，在机械产品中的用量已占整 个用材的60%以上。
带材
异形材
板材
管材
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金属材料制品
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陶瓷制品
陶瓷发动机
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至于航天飞机，机体表面温度会高达1000℃以上，只能 采用高温合金材料及防氧化涂层；目前，玻璃纤维增强 塑料等复合材料在飞机、航天飞行器上已获得广泛应用。
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原子弹、氢 弹的爆炸， 卫星、飞船 的上天等都
中
造 卫 星
国 第 一 颗
人
说明了我国
中
国
在材料的开
第
发、研究及
一 颗
应用等方面
原 子
有了飞跃的
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高分子材料在机械、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。
烯丙酰氯-苯乙烯
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复合材料
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。
玻璃纤维增强高分子复合材料
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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。
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我国又是一个钢的消费大国，2008年我国钢消费 4.53亿t。我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许 多高附加值的优质钢材仍需进口，2008年就进口了1543 万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是 探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理 论强度应能高于800MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低 合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有 800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1 倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这 个超级钢计划展示了材料挖潜的前景。我国在这方面已 取得了显著的成绩，使碳钢和低合金钢强度提高1倍的 设想不仅在大生产线上经受了考验，而且已装车使用26。
金属钛中的位错
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材料发展的历程示意图
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1.2 材料的分类
根据工程用途可分为：
机械工程材料
土建工程材料
电工材料
电子材料
……
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根据使用性能可分为：
利用其力学性能的结构材料（主要是强调
强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，用来制 造机器零件和工程构件的材料）。
利用其物理性能的功能材料（是指具有特
殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理 化效应的各种新材料。用以对信息和能量的感 受、计测、传导、显示、发射转换和变换的目 的，是现代高新技术发展的物质基础）。
Si表面的重构图象
X-射线衍射仪
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1932年发明了电子 显微镜，把人们带 到了微观世界的更 深层次（10-7m）
光镜下
电镜下
透射电子显微镜
扫描电子显微镜
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• 1934年位错理论的 提出，解决了晶体理 论计算强度与实验测 得的实际强度之间存 在的巨大差别的矛盾， 对于人们认识材料的 力学性能及设计高强 度材料具有划时代的 意义。
国产东风4D-0088内燃机车
美国F-117隐身飞机
50
新材料在不断地涌现。
51
机械工业是材料应用的重要领域
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1.3 材料的性能
结构
组织
性能
加工工艺
材料的结构是指构成材料的基本质点(离子、原子 或分子等)是如何结合与排列的，它表明材料的构 成方式。 材料的组织是指借助于显微镜所观察到的材料微 观组成与形貌---通常称为显微组织。
“神舟”六号飞船成功返 回
锉刀
手
锤
国产涡喷-7涡轮喷气发动机7
材料是人类文明生活的物质基础，也是科 学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为 当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史， 是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的 历史。
材料是人类进化的里程碑。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。
增至15％；高分子材料由9％增至13％。美国新一代汽
车研究计划目标每100km 的油耗要减少到3L。汽车重
量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。
为了达到这个目标，要求整车重量要减轻40%~50%，其
中，车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统
必须减轻10%。
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宝马Z-3 东风车架
绪论 材料结构的基本知识
钢的热处理 工业用钢
材料的晶体结构
铸铁
材料的制备过程
有色金属及其合金
合金的相结构及相图 常用非金属材料
材料的变形
工程材料的选用
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第一章 绪论
本章主要知识： 材料发展简史 材料的分类 材料的性能 材料成形技术概述及发展趋势*
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1.1 材料及其成型工艺发展简史
材料是指人类用以制造 各种有用器件的物质。
二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列， 称作现代文明的三大支柱之一。
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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6000- 5000 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。
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4000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。
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
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越王勾践剑
春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓 长55.7厘米 剑锷锋芒犀利 锋能割断头发
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古代剑刃制造中的特殊技术
梯
度
材
料
春秋战国时代的
古 已
青铜剑，剑身及
有 之
这 是 古 代 剑 刃 截 面
剑锋由不同成分
图
各位同学
下午好！
1
Байду номын сангаас
《工程材料》 授课教师：管锋
2
本课程在专业培养中的地位和作用
本课程是机械专业学生的 一门技术基础课，是其它专业 课的基础。
3
本课程教学的目的和要求
培养机械类专业学生需要 的和工程设计与制造紧密相关 的材料知识，以及如何在具体 零件的材料选择和加工工艺路 线中加以应用。
4
本课程教学内容
的青铜组成，是
复合材料很好的
例子
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• 黄石铜矿遗址
• 春秋晚期 • 矿井深达50m • 炼铜炉渣多达40万吨 • 实属罕见
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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。
弹
爆
发展。
炸
长 征 火 箭 大 家 族
中 国 第 一 颗 氢 弹 爆 炸
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中国的航天事业-“神舟”五号载人飞 船
升 空
杨 利
伟
返 回
全人类共同的家园
飞天
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返回舱
飞船返回舱的降温主要通过三种方法：一是吸热式防热，在返 回舱的某些部位，采用导热性能好、熔点高和热容量大的金属 吸热材料来吸收大量的气动热量；二是辐射式防热，用具有辐 射性能的钛合金及陶瓷等复合材料，将热量辐射散发出去；三 是烧蚀防热，利用高分子材料在高温加热时表面部分材料融化、 蒸发、升华或分解汽化带走大量热量的方法散热。
编著的《天工开物》是举世公认的世界上有关金属加
工的最早的科学技术著作之一，书中记载冶铁、铸造、
锻造、焊接、淬火等金属加工的方法。至于我国古代
的陶瓷及天然高分子材料如丝绸，在世界文明史上也
占有光辉的一页。古代中国还将胶接技术、表面处理
技术用于器具、工艺品的制造。
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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 近5亿吨。
研制人员经过多次的实验最终选定了一种低密度的烧蚀防热材
料，使得飞船外部即使是在零下100度到零上3000度的时候，舱
内温度仍能保持在零上20度左右。
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神七宇航员在出舱进行太空行走时，将可轻巧地捡起一枚 1分硬币，依靠这些橡胶制品可以在零下120℃至120℃温 度范围内具有足够的柔韧性，又具有耐太空辐射和宇宙漂 浮颗粒物等侵害的特殊性能。
工程材料的性能主要是指材料的使用性能和工艺 性能。
将未经成型的坯料加工成零件所要求的形状和性 能所采取的手段。
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结构：材料中各原子 的具体组合状态。 一般通过X-射线衍 射或透射电镜研究。
Al的高分辨透射电镜象
纯铁晶体的X-射线衍射谱
透射电镜衍射斑54点
在Au-Pa薄膜上用AFM探针的纳米 雕刻（北大）
8
认识工具材料 制造工具 使用工具
9
在远古时代，人类的祖先是以石器为主要工 具的。他们在不断改进石器和寻找石料的过程中 发现了天然铜块和铜矿石，并在用火烧制陶器的 生产中发现了冶铜术，后来又发现把锡矿石加到 红铜里一起熔炼，制成的物品更加坚韧耐磨，这 就是青铜。公元前5000年人类进入青铜器时代。 公元前1200年左右，人类进入铁器时代。开始使 用的是铸铁，后来制钢工业迅速发展，成为18世 纪产业革命的重要内容和物质基础。