工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)第一章.ppt

1、工程材料及成型工藝,Engineering Materials and Foundation of Mechanical Manufacturing,任課老師：韓琪 機(jī)械與車輛學(xué)院 665633 CB302,本課程基本任務(wù),（1）理解材料性能由材料微觀組織結(jié)構(gòu)決定，要改變材料的性能必須改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，材料微觀結(jié)構(gòu)與材料化學(xué)成分和加工工藝有關(guān)。 （2） 掌握材料學(xué)基礎(chǔ)知識，重點(diǎn)掌握金屬材料的成分、組織和性能間的關(guān)系，知道如何強(qiáng)化金屬材料。 （3）掌握常用金屬材料牌號、成分、組織、性能和用途。正確運(yùn)用材料知識，正確選用零件的毛坯材料。 （4）掌握材料成型方法和工藝及幾種常用金屬材料工藝性能，并

2、能根據(jù)材料成型工藝特點(diǎn)，正確設(shè)計(jì)零件的結(jié)構(gòu)。,課程安排,1）工程材料概論（2學(xué)時(shí)） 2）金屬材料的主要性能（2學(xué)時(shí)） 3）金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶（2學(xué)時(shí)） 4）鐵碳合金（6學(xué)時(shí)） 5）鋼的熱處理（6學(xué)時(shí)） 6）常用金屬材料（4學(xué)時(shí)） 7）鑄造成型（6學(xué)時(shí)） 8) 鍛壓成型（2學(xué)時(shí)） 9）焊接成型（2學(xué)時(shí)） 13）非金屬工程材料（2學(xué)時(shí)） 14）實(shí)驗(yàn)課（6學(xué)時(shí)）,考核安排,1、實(shí)驗(yàn)： 10分 2、作業(yè)+出勤：20分 3、期末考試： 70分,考勤1/3 作業(yè) 1/3 實(shí)驗(yàn)缺一次,本課程成績以0分計(jì),本課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課 參考書： 劉天模、徐幸梓編，工程材料，機(jī)械工業(yè)出版社 崔忠圻主編，金屬學(xué)與熱處

3、理，機(jī)械工程出版社 劍虹等編，無機(jī)非金屬材料科學(xué)基礎(chǔ) ，中國建材工業(yè)出版社 沈其文主編，材料成型工藝基礎(chǔ)（第三版），華中科技大學(xué)出版社,第一章 工程材料概述,1.1 材料與材料科學(xué) 1.2 工程材料的分類 1.3 工程材料的應(yīng)用及發(fā)展 1.4 工程材料的選擇 1.5 鋼鐵材料的來源,1.1 材料與材料科學(xué),材料：是指可以用來直接制造有用物件、構(gòu)件或器件的物質(zhì)。,手錘,銼刀,1.1 材料與材料科學(xué),“神舟”四號飛船成功返回,渦輪噴氣發(fā)動機(jī),（1）材料是人類生活生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ),1.1 材料與材料科學(xué),（2）材料是人類進(jìn)步的重要里程碑,石器時(shí)代：公元前2000年,青銅器時(shí)代：公元前2000年公元40

4、0年,鐵器時(shí)代：公元400年20世紀(jì)前半期,由于材料的重要性， 歷史學(xué)家根據(jù)人類所 使用的材料來劃分時(shí)代,新材料時(shí)代：20世紀(jì)80年代,1.1 材料與材料科學(xué),石器時(shí)代利用天然材料制作的工具,我國青銅器時(shí)代制造的工具和生活用品，具有精制的圖案,1.1 材料與材料科學(xué),象形尊(西周),1.1 材料與材料科學(xué),埃菲爾(Eiffel)鐵塔 1889年建造 324 米高 用金屬7300噸,需求：簡單生存 經(jīng)濟(jì)：農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì) 材料：天然材料,1.1 材料與材料科學(xué),鉆木取火,汽車,環(huán)保型住宅,人類對材料的利用,舒適生活 工業(yè)經(jīng)濟(jì) 人工材料,人與自然協(xié)調(diào) 知識經(jīng)濟(jì) 環(huán)境協(xié)調(diào)材料,材料的發(fā)展與人類社會簡圖,1.

5、1 材料與材料科學(xué),材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。,1.1 材料與材料科學(xué),（3）材料是現(xiàn)代文明的四大支柱之一,能源科學(xué)與技術(shù),生物科學(xué)與技術(shù),信息科學(xué)與技術(shù),材料科學(xué)與技術(shù),四 大 支 柱技術(shù),龍芯,1.1 材料與材料科學(xué),沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)， 就沒有今天的數(shù)字化生活,1.1 材料與材料科學(xué),沒有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不 可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè),在航天飛機(jī)表面裝陶瓷防護(hù)瓦片,飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片,波音客機(jī),1.1 材料與材料科學(xué),沒有低消耗的光導(dǎo)纖維，就不可能有現(xiàn)在的光纖通訊,由此可見，能源、信息和生物等技術(shù)的發(fā)展，一定程度上要依賴材料的進(jìn)步。,TITANIC

6、,TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)!,哥倫比亞號航天飛機(jī)失事,“挑戰(zhàn)者號”航天飛機(jī)失事,爆炸的主要原因是燃料艙的O形環(huán)失效,費(fèi)曼博士用實(shí)驗(yàn)證明橡膠O形環(huán)在冰水的浸泡下發(fā)生脆性行為，已經(jīng)失效,前蘇聯(lián)在1957年把第一顆人造衛(wèi)星送入太空，令美國人震驚不已，認(rèn)識到在導(dǎo)彈火箭技術(shù)上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大學(xué)中陸續(xù)建立了材料科學(xué)研究中心，并把約 2/3 大學(xué)的冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學(xué)系或材料科學(xué)與工程系。其涉及的材料由金屬擴(kuò)展到了陶瓷和高分子聚合物材料?？梢?，高技術(shù)需要先進(jìn)材料的支持。,前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運(yùn)載火箭,1.1 材料與材料科學(xué),早在公元前6000 50

7、00年的新石器時(shí)代，中華民族的先人就能用黏土燒制成陶器，到東漢時(shí)期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。,1.1 材料與材料科學(xué),（4）中華民族在人類歷史上為材料的發(fā)展和應(yīng)用作出過重大貢獻(xiàn),4000年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時(shí)期，我國的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。,司母戊鼎 河南安陽晚商遺址出土 青銅鑄造 高133厘米 重875kg 飾紋優(yōu)美,1.1 材料與材料科學(xué),越王勾踐寶劍,春秋晚期越國青銅兵器 出土于湖北江陵楚墓 長55.7厘米 千年不銹 劍鍔鋒芒犀利 鋒能割斷頭發(fā),1.1 材料與材料科學(xué),古代劍刃制造中的特殊技術(shù),1.1 材料與材料科學(xué),黃石古銅礦遺址 春秋晚期 礦井深達(dá)5

8、0m 煉銅爐渣多達(dá)40萬噸 實(shí)屬罕見,1.1 材料與材料科學(xué),我國從春秋戰(zhàn)國時(shí)期便開始大量使用鐵器，明朝科學(xué)家宋應(yīng)星在天工開物一書中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝。這說明早在歐洲工業(yè)革命之前,我國在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高成就。,1.1 材料與材料科學(xué),新中國成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地。鋼產(chǎn)量由1949年的15.8萬噸上升到現(xiàn)在的一億噸。,原子彈、氫彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船的上天等都說明了我國在材料的開發(fā)、研究及應(yīng)用等方面有了飛躍的發(fā)展。,中國的航天事業(yè)-“神舟”號飛船,中國的航天事業(yè)-“神舟”號飛船,中國的航天事業(yè)-“神舟”五號載人飛船,1.1 材料與材料科學(xué),

9、（5）人類對材料的認(rèn)識是逐步深入的,灰鑄鐵的顯微組織,1863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來。,1.1 材料與材料科學(xué),1912年發(fā)現(xiàn)了X-射線對晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。,Si表面的重構(gòu)圖象,1932年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m）。,1.1 材料與材料科學(xué),1934年位錯(cuò)理論的提出，解決了晶體理論計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)際強(qiáng)度之間存在的巨大差別的矛盾，對于人們認(rèn)識材料的力學(xué)性能及設(shè)計(jì)高強(qiáng)度材料具有劃時(shí)代的意義。,金屬鈦中的位錯(cuò),1.

10、1 材料與材料科學(xué),從地下得到 原材料,采礦、鉆 探、挖掘 或采集,變?yōu)?大塊材料,如：金屬錠、 碎石、石油化 工材料和木材,如：鋼材、 有色金屬材料、 塑料、膠合板 和混凝土等,材料按預(yù)定 目的為人類 使用過后,滿足社會對 最終產(chǎn)品 要求,直到最后 廢棄,回到大地， 它們將為再加工和下一次被 利用而重新進(jìn)入循環(huán),作為 廢料,制成 工程材料,1.1 材料與材料科學(xué),（6）材料是流動在一個(gè)循環(huán)中,1.1 材料與材料科學(xué),（7）材料科學(xué)的定義及研究內(nèi)容,材料科學(xué)是以材料為研究對象的一門科學(xué)。,主要研究內(nèi)容： 研究材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系； 研究材料的形成機(jī)理和制取方法； 研究材料物理性能的

11、測試方法和技術(shù)； 分析材料的損壞機(jī)理； 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案。,1.2 工程材料的分類,工程材料是用于制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件并主要要求力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料。,1.按經(jīng)濟(jì)部門分：土木建筑材料、機(jī)械工程材料、電子材料、航空航天材料、醫(yī)學(xué)材料等 2.按材料的功能分：結(jié)構(gòu)材料、功能材料,3.按組成與結(jié)合鍵分： 金屬材料 高分子材料 陶瓷材料（無機(jī)非金屬材料） 復(fù)合材料,1.2 工程材料的分類,金屬鍵,金屬材料特點(diǎn)： 1、以金屬鍵結(jié)合為主 2、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤 3、用量最大、應(yīng)用最廣泛,1.2 工程材料的分類,鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達(dá)10億

12、噸，在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整個(gè)用材的60%以上。,無縫鋼管,角鋼,槽鋼,1.2 工程材料的分類,金屬材料制品,高分子材料特點(diǎn)： 1、以分子鍵和共價(jià)鍵為主 2、塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小 3、包括塑料、橡膠及合成纖維等,1.2 工程材料的分類,高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。,1.2 工程材料的分類,陶瓷材料特點(diǎn)： 1、以共價(jià)鍵和離子鍵為主 2、熔點(diǎn)高、硬度大、耐腐蝕、脆性大 3、包括傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷,傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷, 是以天然材料(如黏土、石英、長石等)為原料的陶瓷, 主要用作建筑材料使用。,陶瓷制品,

13、陶瓷發(fā)動機(jī),特種陶瓷又稱精細(xì)陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。,1.2 工程材料的分類,玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料,復(fù)合材料：是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。,常用復(fù)合材料 1、玻璃鋼； 2、碳纖維復(fù)合材料； 3、硼纖維復(fù)合材料； 4、金屬纖維復(fù)合材料； 5、晶須復(fù)合材料。,1.3 工程材料的應(yīng)用及發(fā)展,隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對材料的要求越來越苛刻，結(jié)構(gòu)材料向高比強(qiáng)、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能方向發(fā)展。,1.3 工程材料的應(yīng)用及發(fā)展,新材料不斷地涌現(xiàn),1.3 工程材料的應(yīng)

14、用及發(fā)展,機(jī)械工業(yè)是材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域,1.3 工程材料的應(yīng)用及發(fā)展,隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品的要求越來越高。 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中，會遇到越來越多的材料及材料加工方面的問題。 要求機(jī)械工程技術(shù)人員掌握必要的材料科學(xué)與材料工程知識，具備正確選擇材料和加工方法、合理安排加工工藝路線的能力。,鑄造一級渦輪盤,1.3 工程材料的應(yīng)用及發(fā)展,應(yīng)用科學(xué)家和工程師都用到材料,必須了解材料的性能和行為特征。,汽車用材料：鋼鐵、玻璃、塑料、橡膠等。僅鋼材有2000多種不同種類、型號品種。制造一個(gè)特定零件，應(yīng)根據(jù)什么原則選擇材料呢？ 材料選擇時(shí)，首先考慮強(qiáng)度、導(dǎo)電性或?qū)嵝?，密度及其它性能。然后考慮材料加工

15、性能和使用行為(可成型性、機(jī)械加工性、電穩(wěn)定性、化學(xué)持久性及輻照行為)。最后考慮成本和材料來源。,1.4 機(jī)械制造與材料選擇簡介（結(jié)構(gòu)性能加工工藝）,如變速齒輪用鋼須易機(jī)械加工，要有足夠韌性及沖擊性。 如車身連接件金屬須易成型，又要有抗沖擊形變能力。,1. 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能 工程師須把握支配材料性能基本原則。即材料的性能由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括原子、原子在晶體中、分子中與鄰近原子結(jié)合方式及顯微結(jié)構(gòu)。,1.4 機(jī)械制造與材料選擇簡介（結(jié)構(gòu)性能加工工藝）,2. 加工工藝與材料性能 常見加工方法改變材料幾何形狀。性能對加工過程很重要。特硬材料打壞刀刃，軟材料“粘住”鋸條、砂輪。高強(qiáng)度材料

16、尤脆性材料不適合塑性形變。如：金屬絲拉拔直徑減小，本身強(qiáng)化和變硬。材料形變，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其性能也跟著變化。 熱加工也影響材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括退火，高溫淬火及其它熱處理。了解結(jié)構(gòu)變化的本質(zhì)，便于制定適當(dāng)工藝流程。,1.4 機(jī)械制造與材料選擇簡介（結(jié)構(gòu)性能加工工藝）,1.4 機(jī)械制造與材料選擇簡介（結(jié)構(gòu)性能加工工藝）,3. 材料的使用行為 成品材料有一套滿足設(shè)計(jì)要求的性能強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性、密度等。使用過程材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒變化，將永遠(yuǎn)保持這些性能。反之。 橡膠在陽光和空氣中逐漸硬化？鋁不能用在超音速飛機(jī)中？金屬在周期性載荷作用下產(chǎn)生疲勞？ 材料選用，考慮初始要求及使用條件。 金屬材料優(yōu)良使用性能（機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能）和加工工藝性能（鑄造、鍛造、焊接、熱處理、機(jī)械加工性能等）。特別金屬材料可通過成分配制，不同工藝方法改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，而改善性能。,了解鋼鐵材料的生產(chǎn)工藝。掌握鋼與鐵的區(qū)別。 小型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)工藝流程：采礦選礦燒結(jié)(或球團(tuán))煉鐵煉鋼軋鋼(鋼材),1.5 鋼鐵材料的來源,1.5 鋼鐵材料的來源,熱軋鋼板,鋼與生鐵 1.鋼與生鐵區(qū)別：碳含量，C2.11%=鋼，熔點(diǎn)1450-1500； C2.11%=生鐵。 2.生鐵按用途：煉鋼生鐵、鑄造生鐵、合金生鐵。3.鋼分類：按組成元素分碳素鋼、合金鋼。4