1、,工程材料与机械制造基础,绪论-工程材料的种类及发展,授 课：贾 非 海洋科学与技术学院 办公地点：D07-210 电 话：13008259750 邮 箱： Q Q：4182013,绪 论,一、材料及其重要性二、工程材料的分类三、工程材料的应用和发展四、课程的性质和任务相 关 事 宜,一、材料及其重要性,材料,哥伦比亚号航天飞机,是人类用以制造用于生活和生产的物品、器件、构件、机器及其他产品的物质，也可以简单定义为：材料是可以制造有用器件的物质。,材料的应用,材料科学与材料技术,新材料：是指那些新出现或正在发展之中的，具有优异性能或特定性能的材料。 传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性
2、能，大幅度增加附加值而成为新材料。新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新材料又往往能推动传统材料的进一步发展。,材料科学,主要研究内容： 研究材料的化学组成、结构与性能的关系； 研究材料的形成机理和制取方法； 研究材料性能的测试方法和技术； 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。,材料科学是以材料为研究对象的一门科学。,材料的分类,根据材料的用途，还可将材料分为两类，即： 结构材料和功能材料。结构材料：以力学性能为主要要求指标，用来制造以受力为主的构件。根据用途不同，对结构材料同时也要求物理和化学性能，如导热率、导电性、耐
3、腐蚀和耐高温性能等。功能材料：则是利用材料特有的物理或化学性能，以实现能量转换、储存、输送或完成特定动作的一类材料。同样，根据使用场合的不同，对功能材料同时也要求一定的力学性能，如强度、耐磨性等。材料的另一种分类方法是根据材料的具体应用领域，分为电子信息材料、能源材料、生态环境材料、生物医用材料、化工材料、航空航天材料、机械工程材料、建筑材料等。,材料科学的重要性,材料作为社会生存与发展的物质基础，其使用与发展一直是标志人类进步的里程碑。 历史上每次产业革命的成功都离不开新材料的开发，它是工业革命的先导，材料与能源、信息、生物技术构成了现代文明社会的四大支柱。 进入21世纪，材料学科对于维护我
4、国的国家安全和国际形象，可持续地发展我国的国民经济，支撑我国国民经济各领域的近、中、长远期科技发展规划，都呈现出比过去任何时期更加突出的现实意义和深远的历史意义。,材料发展的战略地位,材料技术,技术技术是一种本领，是技能、技巧与技艺的总称。因此，材料技术可以理解为是关于材料的制备、成形与加工、表征与评价，以及材料的使用和保护的知识、经验和诀窍。材料技术的定义从学科的观点来考虑，可以将材料技术定义为：将材料科学和其他相关学科（如计算机、机械制造、自动控制）的知识应用于材料（制备）生产、使用的实际，以获得所需产品、提高材料的使用效能的技艺。,材料技术,一般而言，材料技术主要包括以下几类技术：1）制
5、备技术：高分子材料合成技术、粉体制备、人工晶体、材料复合技术等；2）成型与加工技术：如凝固成型、塑性加工、注射成型、连接技术等；3）改质改性技术：如各种热处理技术，材料三束改性技术等（离子束、电子束、激光束），强磁场材料改性技术；4)防护技术：如涂层处理、薄膜、钢板镀锌、隐身材料等；5)评价表征技术：如力学性能试验、成型性试验、无损探伤、显微结构分析等；6)模拟仿真技术：组织性能预报、过程仿真技术，数字化制造技术；7)检测与监控技术：如无损检测技术、在线检测技术和实时监控技术等。,材料的重要性,材料是人类生产和生活所必须的物质基础。,手锤,锉刀,“神舟”四号飞船成功返回,国产涡喷-7涡轮喷气发
6、动机,材料的重要性,石器时代青铜器时代铁器时代,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。,材料的重要性,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,日本学者町田辉史从人类历史发展的观点分析材料的发展，认为历史上发生了五次革命性的变化。第一次革命-时间：公元前4000年（夏朝、商朝）；时代特征：从漫长的石器时代进入青铜器时代；技术发展契机：1铜的熔炼；2铸造技术。对技术和产业的促进作用： 1自然资源加工技术；2器具、工具的发达；3农业和畜牧业的发展。,金有六齐（剂），即青铜器六种不同合金比例：六分其金而锡占一分，用于钟鼎类；五分其金而
7、锡占一分，用于斧斤类工具；四分其金而锡占一分，用于戈戟类兵器；三分其金而锡占一分，用于大刃类兵器；五分其金而锡占二分，用于削杀矢类兵器或远射兵器；金锡各半，用于鉴（铜镜）、阳燧类器物。,材料的发展,司母戊大方鼎（商王文丁祭母而铸。1939年河南安阳出土。带耳高1370mm，器口长1100mm，宽780mm，重875kg，内壁铸铭文“司母戊”三个字）,四羊方尊（商后期酒器。1938年湖南宁乡出土。高583mm，上口每边长524mm，重34.5kg，尊的颈部为蕉叶夔文、兽面纹、云雷纹，肩部浮雕出围绕的四条龙，前肩四面以圆雕形式各铸一大卷角羊的前半身，而头、腹部构成器腹四角）,材料的发展,越王勾践剑
8、,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,材料的发展,古代剑刃制造中的特殊技术,材料的发展,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,材料的发展,第二次革命-时间：公元前1350年（商朝）；时代特征：从青铜器时代进入铁器时代；技术发展契机：1铁的规模冶炼；2锻造技术。对技术和产业的促进作用：1低熔点合金的钎焊；2武器的发达；3铸铁技术、大规模铸铁产品；4混凝土等的出现。,材料的发展,第三次革命-时间：公元1500年（明朝）；时代特征：从铁器时代进入合金化时代；技术发展契机：1高炉技术的发展和成熟；2纯金属的精炼和合金化。对技术和产
9、业的促进作用：1钢结构（军舰、铁桥）；2蒸汽机、内燃机；3机床；4电镀，电解铝；5不锈钢，铜、铝等有色合金。,材料的发展,第四次革命-时间：20世纪初期；时代特征：合成材料时代的到来；技术发展契机：1酚醛树脂、尼龙等塑料合成技术；2陶瓷材料合成制备技术。对技术和产业的促进作用：1结构材料轻质化；2材料复合技术；3航空航天技术迅速发展；4陶瓷材料的发展与应用；5人造金刚石；6超导材料与技术；7计算机技术与信息技术；8新材料大量涌现和应用。,材料的发展,第五次革命-时间：20世纪末期；时代特征：新材料设计与制备、加工工艺时代的开始；技术发展契机：1资源材料制品界限的弱化与消失；2材料性能设计与工艺
10、设计的一体化要求。对技术和产业的促进作用：1生物工程；2环境工程；3可持续发展；4太空时代（太空资源开发、太空旅游）。,材料的重要性,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。,材料的重要性,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。,在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片,材料的重要性,没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。,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。,材料的重要性,前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究
11、中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。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,材料的发展,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。,材料的发展,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。,材料的发展,中国的航天事业-“神舟”号飞船,材料的发展,中国的航天事业-“神舟”五号载人飞船,材料的
12、发展,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。,人类对材料的认识是逐步深入的。,材料的发展,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。,Si表面的重构图象,材料的发展,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）,材料的发展,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。,金属钛中的位错,二、工程材料的分类,工程材料主要指
13、用于机械工程和建筑工程等领域的材料，是用于制造结构、机器、工具和功能器件的各类材料的统称。按组成与结合键分： 1、金属材料 2、高分子材料 3、陶瓷材料 4、复合材料,金属材料,金属材料,以金属键结合为主 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,金属材料,铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。,金属材料制品,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,陶瓷材料,传统陶瓷：又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)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
14、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。,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,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,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,复合材料,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
15、、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。,工程材料的种类,工程材料的发展,工程材料的发展,工程材料的发展,三、工程材料的应用及发展,工程材料的发展,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。,工程材料的发展,新材料在不断地涌现。,工程材料的发展,机械工业是材料应用的重要领域。,工程材料的发展,随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。 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。 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
16、正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。,铸造一级涡轮盘,工程材料的发展-化工设备,海洋 工程材料,工程船物探船,海底石油天然气,波浪能潮流能,海水淡化 提取元素,海底探测 海洋生物,可燃冰深海采矿,工程材料的发展,金属材料,非晶合金表面改性双金属复合多孔金属,无机材料,复相陶瓷空心玻璃多孔陶瓷约束陶瓷,高强、高硬耐磨、耐蚀减振、轻量,高韧、轻质耐磨、耐蚀保温、声呐,工程材料的发展-海洋工程,高分子材料,耐热塑料耐菌塑料绝热材料高压密封,先进复合材料,纤维增强浮力材料超低温材料金属复层材料,耐热、耐候耐磨、高弹抗生物腐蚀,轻质、高强低密、抗压柔性、绝热,工程材料的发展-海洋工程,工
17、程材料的发展-知识产权,工程材料的发展,工程材料的发展,工程材料的发展-纳米材料,工程材料的发展-石墨烯,工程材料的发展-碳纤维,工程材料的发展-碳纳米管,工程材料的发展-轻合金,工程材料的发展-超导材料,工程材料的发展-半导体材料,工程材料的发展-功能薄膜,工程材料的发展-智能材料,工程材料的发展-生物材料,工程材料的发展-特种玻璃,课程任务： 了解工程材料的一般知识； 建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系：,四、课程的性质和任务,课程性质：是机电类及工科非机械类重要技术基础课，将材料基础与加工制造技术结合，主要讲授材料的结构及性能、常用工程材料、失效分析及选材、各种加工制造方法
18、的特点及应用。教学目标：认识了解材料，选择分析材料，制备加工材料，满足建造工程装备的需要。,课程的性质和任务,工艺-组织-性能之间关系的例子,Steel with 0.4%C,课程的性质和任务, 化学成分(成分)：组成材料各元素在材料中的浓度。 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1002000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。,课程的性质和任务,钢的宏观组织、显微组织和电镜组织,课程的性质和任务, 结构：材料中各原子的具体组合状态。一般通过X-
19、射线衍射或透射电镜研究。,Al的高分辨透射电镜象,课程的性质和任务, 了解常用材料的用途和加工工艺。 初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。 课程特点：基本概念多，与实际联系紧密，是一门应用科学。,在Au-Pa薄膜上用AFM探针的纳米雕刻,相关事宜-主要参考资料,教材工程材料与机械制造基础. 参考书齐乐华 主编. 工程材料与机械制造基础. 吕烨，王丽凤 主编. 机械工程材料. 闫康平 主编. 工程材料(第2版). 卢秉恒 主编. 机械制造技术基础(第3版).王昕，黄翔 等编著. 海洋材料工程.许立坤 等编著. 海洋工程的材料失效与防护.,相关事宜-课程主要内容,1. 工程
20、材料 绪论（材料概述、工程材料分类、工程材料发展趋势）、金属材料的主要性能（静载下金属材料的力学性能、动载和高温下金属材料的力学性能、金属材料的物理、化学和工艺性能）、金属的晶体结构与结晶（金属的晶体结构、实际金属的结构、金属的结晶）、铁碳合金（合金的相结构、二元合金状态图的建立、铁碳合金的结构和相图）、钢的热处理（钢在加热时的组织转变、钢在非平衡冷却时的转变、钢的常用热处理工艺、表面热处理工艺）、常用金属材料（工业用钢、铸铁、有色金属及其合金）。,2. 热成形工艺基础 铸造成形、锻压成形、焊接成形。3. 冷成形工艺 金属切削的基础知识、常用加工方法综述、典型表面加工分析。,4. 补充内容 工程材料部分：高分子材料、无机非金属材料、复合材料。 过程装备失效与材料的关系 过程装备选材的原则,相关事宜-考核与评价,成绩评定方法平时作业成绩及课堂出席情况占30%，课程结束时的结课考试成绩占70%。实验课安排海洋科学与技术专业实验室联系确定答疑安排待定(协商)随机点名或课堂作业，缺席三分之一，取消结课考试资格！,谢谢！,
