材料的概述(熱)課件

緒論本課程的性質(zhì)和基本內(nèi)容性質(zhì)：綜合性的技術(shù)基礎(chǔ)課熱加工特種加工切削加工鍛造鑄造焊接粉末冶金塑性成形成形技術(shù)今后發(fā)展的兩條主線：（1）生產(chǎn)過程的自動(dòng)化；（2）不斷探求新的成形工藝。材料及其改性無機(jī)非金屬材料：硅酸鹽材料——水泥，陶瓷材料，玻璃材料，耐火材料高分子材料：塑料，橡膠，化學(xué)纖維復(fù)合材料黑色金屬鋼鐵基本內(nèi)容二基本要求材料部分：1了解常用金屬材料的成分、組織、性能之間的關(guān)系；

2了解強(qiáng)化金屬材料的基本途徑；

3掌握鋼的熱處理原理，了解熱處理工藝在機(jī)械加工中的作用；

4熟悉常用金屬材料的牌號、成分、組織、性能及用途；

5了解非金屬材料的性能、特點(diǎn)和應(yīng)用。成形部分：1掌握主要毛坯（或制品）成形方法的基本原理和工藝特點(diǎn)，具有根據(jù)毛坯（或制品）的使用要求正確選擇成形方法和制定成形工藝的初步能力；

2具有綜合運(yùn)用工藝知識，分析零件結(jié)構(gòu)工藝性的初步能力；

3了解有關(guān)新工藝、新技術(shù)及其發(fā)展趨勢。工程材料

——現(xiàn)代社會的基石

李集仁主講E-mail:新石器時(shí)代大約在公元前5000年,人類從石器時(shí)代進(jìn)入了銅器時(shí)代。勾踐寶劍曾侯乙編鐘司母戊方鼎在公元前1200年左右又進(jìn)入了所謂鐵器時(shí)代。銅、鐵器材料是加工、冶煉技術(shù)和工藝的改進(jìn).

滄州鐵獅子1851年倫敦世界博覽會上，英國館中的陳列機(jī)器兵器鎧甲2.商品生產(chǎn)的必要條件原材料零部件工具1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機(jī)，所用原料是木材和帆布。飛行速度每小時(shí)只有16公里，和騎自行車的速度差不多。1911年，鋁合金研制成功，很快取代了木材和帆布，到第一次世界大戰(zhàn)期間，全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)已很普遍了。從木布結(jié)構(gòu)過渡到金屬結(jié)構(gòu)，使飛機(jī)的性能和速度獲得一個(gè)飛躍。例如到1939年螺旋槳飛機(jī)創(chuàng)造的最高時(shí)速已達(dá)755公里，僅36年的時(shí)間，飛行速度提高了47倍。聲音在空氣中的傳播速度為1200公里/小時(shí)，有些人試圖用螺旋槳飛機(jī)超過音速，但都沒有成功。失敗和挫折使人們把音速看成是飛機(jī)速度無法逾越的障礙，簡稱“音障”。于是人們尋求新的動(dòng)力，造出了噴氣式飛機(jī)。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口溫度很高，需要耐高溫的合金材料，而英國研制出的鎳基合金只能承受700℃，使發(fā)動(dòng)機(jī)推力和飛行速度受到影響。到了50年代，高溫合金有了進(jìn)一步發(fā)展，已經(jīng)能夠制造耐800℃以上的高溫合金，再加上采用了后掠角更大的機(jī)翼和其它減少阻力的措施，終于研制出一種飛行速度超過音速的噴氣式飛機(jī)，突破了以前不可逾越的“音障”。這里，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)立了一大功，而耐高溫合金材料則起了關(guān)鍵性的作用。在提高飛行速度的征途上，又出現(xiàn)了新的問題。這就是飛機(jī)以超音速飛行時(shí)，其表面因受到空氣強(qiáng)烈摩擦而發(fā)熱，使溫度急劇升高。這種現(xiàn)象叫做空氣動(dòng)力加熱。飛機(jī)的速度越快，溫度也愈高。以飛機(jī)在同溫層邊界飛行（那里的溫度是-56℃）為例，當(dāng)飛行速度等于音速時(shí)，飛機(jī)的表面溫度為-18℃；兩倍音速時(shí)，溫度為98℃；當(dāng)達(dá)到三倍音速時(shí)，飛機(jī)表面溫度會升至0℃。從鋁合金的耐熱性來講，當(dāng)飛機(jī)速度達(dá)到兩倍音速時(shí)，鋁的強(qiáng)度會顯著降低；三倍音速時(shí)，就會發(fā)生空中解體。通常認(rèn)為，飛機(jī)速度應(yīng)在二到三倍音速范圍內(nèi)，這種空氣動(dòng)力加熱又是一堵新的障壁，稱為“熱障”。它對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、飛行員工作環(huán)境和各種設(shè)備均帶來不利影響，甚至危害。要制造表面耐溫超過180℃，即飛行速度為音速2.5倍的飛機(jī)，需要用鈦合金（可承受550℃溫度）代替鋁合金。飛機(jī)是一種更新非?？斓漠a(chǎn)品，它不斷追求的目標(biāo)是安全、迅速、舒適和經(jīng)濟(jì)。以我國神洲飛船為例，據(jù)報(bào)道自我研制近2000多種新材料。飛船順利進(jìn)入預(yù)定返回軌道，并進(jìn)行首次調(diào)姿。飛船軌道艙與返回艙分離。飛船返回艙與推進(jìn)艙解鎖，兩艙成功分離。脫減速傘，主傘打開。先后打開引導(dǎo)散減速散主傘，共三把傘，如果有必要，還要打開第四把瑟—備份傘二、各種材料的概況有人對當(dāng)今浩瀚的材料世界進(jìn)行過粗略統(tǒng)計(jì)，70年代登記的新老材料達(dá)到25萬種，到1980年登記的材料總和已有36萬種，并且每年還以5％的增長率增加。如果把形形色色的材料按化學(xué)組成分類，可以分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料三大類。它們鼎足而立，構(gòu)成了材料世界的“三大家族”。如果從使用角度看，不論上面哪一種材料，都可以歸納為兩大類：一類叫做結(jié)構(gòu)材料，主要是利用它們的強(qiáng)度、韌性、硬度、彈性等機(jī)械性能；另一類是功能材料，是利用它們所具有的電、光、磁、熱等性質(zhì)。1、金屬材料及應(yīng)用鐵及合金材料（鋼鐵材料）有色金屬及合金材料（鋁、銅、鎳、鎂、鈦、鋅、錫、鉛等及合金材料）煉鋼過程3.高分子材料及應(yīng)用高分子材料是由低分子化合物通過聚合反應(yīng)而形成。主要有塑料、橡膠、膠粘劑和有機(jī)纖維等。

其中氯乙烯就是聚氯乙烯的單體，就是聚氯乙烯分子鍵的鏈節(jié)，n就是聚合度。聚合度反映了大分子鏈的長短和分子量的大小，可見高分子化合物的分子量（M）是鏈節(jié)的分子量（M0）與聚合度（n）的乘積。M=M0×n

3.陶瓷材料及應(yīng)用傳統(tǒng)陶瓷由粘土、石英、長石等成分組成，以天然為主。2）現(xiàn)代陶瓷由Al3O2、SiC、Si3N4等成分組成，以合成為主。三、新材料技術(shù)及其進(jìn)展

1.結(jié)構(gòu)材料（1）金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料的金屬材料，主要仍是鋼鐵、鋁合金、鈦合金，但它們的品種層出不窮，性能也遠(yuǎn)非昔日可比。金屬材料的發(fā)展，幾乎可用一個(gè)“超”字來概括。如發(fā)展超高純度鐵、超高強(qiáng)度鋼、超高速鋼(用作刀具)、超硬合金、超塑性合金、超耐熱合金、超低溫材料等等。超硬質(zhì)合金鉆具超塑性成形航天器件（2）無機(jī)非金屬材料

從陶器發(fā)展到瓷器是第一次飛躍，從傳統(tǒng)陶瓷到先進(jìn)陶瓷是第二次飛躍。從先進(jìn)陶瓷到納米陶瓷是第三次飛躍。氧化鋯增韌陶瓷材料氧化鋯增韌陶瓷材料質(zhì)白、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好；在應(yīng)力誘導(dǎo)下發(fā)生馬氏體相變而吸收應(yīng)變能，成為在陶瓷材料中力學(xué)性能最好的材耐磨陶瓷磁選機(jī)復(fù)合陶瓷件

（3）高分子材料

高性能工程塑料是有機(jī)高分子材料發(fā)展的一個(gè)方向。它同軍事工業(yè)和尖端技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，因此，雖在世界塑料總產(chǎn)量中比例很小，僅占1％左右，但它們的作用是別的任何材料都無法比擬的，具有不容忽視的地位。尼龍、聚碳酸脂等工程塑料制品

PPS/PTFE合金適用于干磨場合2.功能材料（1）信息電子材料是具有信息產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、檢測、存儲、調(diào)制、處理和顯示等功能的材料。信息功能材料是當(dāng)前材料科學(xué)中發(fā)展最迅速和最活躍的領(lǐng)域。信息功能材料主要有四個(gè)方面的應(yīng)用：集成電路材料、信息儲存材料、光導(dǎo)纖維與光通信材料、敏感材料和傳感器。如硅是目前最重要的半導(dǎo)體材料。鈮酸鋰（LN）晶體具有優(yōu)良的壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、非線性效應(yīng)及光折變效應(yīng)。廣泛應(yīng)用于光通信、信息處理、集成光路、圖象存儲、等方面超大容量納米級信息存儲材料1平方厘米新材料的信息存儲量達(dá)到了4萬億比特

（2）超導(dǎo)材料是指工作時(shí)處于零電阻的材料。以NbTi、Nb3Sn為代表的實(shí)用超導(dǎo)材料已實(shí)現(xiàn)了商品化，在核磁共振人體成像（NMRI）、超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁浮列車及大型加速器磁體等多個(gè)領(lǐng)域獲得了應(yīng)用；SQUID作為超導(dǎo)體弱電應(yīng)用的典范已在微弱電磁信號測量方面起到了重要作用，其靈敏度是其它任何非超導(dǎo)的裝置無法達(dá)到的。我國快速發(fā)展的超導(dǎo)材料技術(shù)應(yīng)用模型

超導(dǎo)磁浮車演示裝置（3）能源材料是指實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)中所要用到的關(guān)鍵材料。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和技術(shù)前沿包括高能儲氫材料、聚合物電池材料、中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料、多晶薄膜太陽能電池材料等。太陽能電池材料是新能源材料研究開發(fā)的熱點(diǎn)，IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池，轉(zhuǎn)換率高達(dá)40%。美國能源部在全部氫能研究經(jīng)費(fèi)中，大約有50%用于儲氫技術(shù)。納米鋰鎳鈷正極材料，可顯著提高電池性能（4）生態(tài)環(huán)境材料應(yīng)是同時(shí)具有滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性，或者是能夠改善環(huán)境的材料。生態(tài)環(huán)境材料是20世紀(jì)90年代在國際高技術(shù)新材料研究中形成的一個(gè)新領(lǐng)域，其研究開發(fā)在日、美、德等發(fā)達(dá)國家十分活躍，主要研究方向是：①直接面臨的與環(huán)境問題相關(guān)的材料技術(shù)，例如，生物可降解材料技術(shù)，CO2氣體的固化技術(shù)，廢物的再資源化技術(shù)，環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)，；②開發(fā)能使經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料，如仿生材料、環(huán)境保護(hù)材料、綠色新材料等。100M3厭氧消化器及秸稈噴淋固體床2.47Kg干物質(zhì)生產(chǎn)1M3沼氣和1.5Kg有機(jī)肥，并且不產(chǎn)生任何污水。（5）生物材料是指具有特殊生理行為的材料，可用來構(gòu)成人體骨骼和牙齒等部位，甚至可望部分或整體地修復(fù)或替換人體的某種組織和器官，或增進(jìn)其功能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年全世界每年要求進(jìn)行人工關(guān)節(jié)移植手術(shù)者多達(dá)15萬人，僅在美國，每年就有12萬人做人工髖關(guān)節(jié)移植手術(shù)，3.5萬人安裝人工心臟瓣膜，18萬人移植人工血管。中國每年髖關(guān)節(jié)病患者至少1萬人。陶瓷生物材料（6）智能材料智能材料是能適時(shí)地感知與響應(yīng)外界環(huán)境的變化，具有自檢測、自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能的材料。是是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，科學(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。國外在智能材料的研發(fā)方面取得很多技術(shù)突破，如英國宇航公司開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金用于測試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；以它作制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間，僅為10秒鐘。利用智能材料的可控動(dòng)態(tài)特性研究切削系統(tǒng)穩(wěn)定性在線控制方法3.材料技術(shù)的發(fā)展趨勢（1）從均質(zhì)材料向復(fù)合材料發(fā)展。以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質(zhì)材料，現(xiàn)在開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結(jié)合在一起的復(fù)合材料。

碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)施一維納米孔復(fù)合材料，制備有序材料（2）由結(jié)構(gòu)材料為主向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展。隨著高技術(shù)的發(fā)展，其他高技術(shù)要求材料技術(shù)為它們提供更多更好的功能材料，而材料技術(shù)也越來越有能力滿足這一要求。所以現(xiàn)在各種功能材料層出不窮，終會有一天功能材料將同結(jié)構(gòu)材料在材料領(lǐng)域平分秋色。腔內(nèi)隔絕術(shù)，記憶合金支架隨之慢慢張開介電材料為導(dǎo)電性高分子材料的固態(tài)電容（3）材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來越小的方向發(fā)展。如以前組成材料的顆粒，尺寸都在微米(100萬分之一米)方向發(fā)展的材料。由于顆粒極度細(xì)化，使有些性能發(fā)生了截然不同的變化。如以前給人以極脆印象的陶瓷，居然可以用來制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件。CPU風(fēng)扇之納米陶瓷軸承

碳納米材料，強(qiáng)度是鋼100倍，密度僅1/6（4）由被動(dòng)性材料向具有主動(dòng)性的智能材料方向發(fā)展。過去的材料不會對外界環(huán)境的作用作出反應(yīng)，守全是被動(dòng)的。新的智能材料能夠感知外界條件變化、進(jìn)行判斷并主動(dòng)作出反應(yīng)。納米仿生技術(shù)開展基于新型納米器件的人造神經(jīng)纖維、人造神經(jīng)元、人工記憶神經(jīng)元等研究，組成仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（5）通過仿生途徑來發(fā)展新材料。生物通過千百萬年的進(jìn)化，在嚴(yán)峻的自然界環(huán)境中經(jīng)過優(yōu)勝劣汰，適者生存而發(fā)展到今天，自有其獨(dú)特之處。通過“師法自然”并揭開其奧秘，會給我們以無窮的啟發(fā)，為開發(fā)新材料又提供了一條廣闊的途徑。納米生物技術(shù)與納米醫(yī)學(xué)開發(fā)用于疾病早期診斷治療的納米藥物載體及新劑型、微型智能化醫(yī)療器械等。四、工程材料在機(jī)械制造中的地