機械工程材料緒論

1、鄧鄧 德德 偉偉大連理工大學大連理工大學材料科學與工程學院材料科學與工程學院l相 關 事 宜l一、材料和材料科學一、材料和材料科學l二、工程材料的分類二、工程材料的分類l三、工程材料的應用和發(fā)展三、工程材料的應用和發(fā)展l四、機械工程材料課程的性質和任務四、機械工程材料課程的性質和任務l主要參考書：主要參考書：機械工程材料機械工程材料機械工程材料機械工程材料輔導輔導. . 習題習題. . 實驗實驗Foundmentals of Materials Science and EngineeringFoundmentals of Materials Science and Engineeringhtt

2、p:/ Idea=加分！加分！期末考試成績占期末考試成績占65%。l實驗課安排：實驗課安排：材料實驗中心聯(lián)系確定材料實驗中心聯(lián)系確定(高老師：高老師l答疑安排：答疑安排：待定待定(協(xié)商協(xié)商)l隨機點名，三次曠課，本門課成績以隨機點名，三次曠課，本門課成績以0分計！分計！l交流（公&私）互動 英慎用！北山科技園大廈510l守時l手機l一、材料和材料科學一、材料和材料科學l1、材料、材料材料是指人類用以制造材料是指人類用以制造各種有用器件的物質。各種有用器件的物質。材料是人類生產(chǎn)和生活材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質基礎。所必須的物質基礎

3、。手手錘錘銼刀銼刀國產(chǎn)渦噴國產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機石器石器鐵器鐵器 象形尊象形尊( (西周西周) )l石器時代石器時代l青銅器時代青銅器時代l鐵器時代鐵器時代由于材料的重要性，由于材料的重要性，歷史學家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時代。歷史學家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時代。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進步材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進步的標志。的標志。材料的發(fā)展與人類社會簡圖材料的發(fā)展與人類社會簡圖龍芯龍芯聯(lián)想計算機聯(lián)想計算機l沒有半導體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前沒有半導體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算機技術。的計算機技術。沒有高溫高強度的結構

4、材料，就不可能有今天的航?jīng)]有高溫高強度的結構材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。空工業(yè)和宇航工業(yè)。在航天飛機表面裝陶瓷防護瓦片在航天飛機表面裝陶瓷防護瓦片飛機發(fā)動機葉片飛機發(fā)動機葉片波音客機波音客機沒有低消耗的光導纖維，也就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。沒有低消耗的光導纖維，也就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。二十世紀七十年代，人們把材料與能源和信息并列，二十世紀七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。l前蘇聯(lián)在前蘇聯(lián)在1957年把第一顆人造衛(wèi)星送入年把第一顆人造衛(wèi)星送入太空，令美國人震驚不已，認識到在導太空，令美國人震驚不已，認識到在導彈火箭技術上落后了

5、。因此在其后的十彈火箭技術上落后了。因此在其后的十年里，年里，在十多所大學中陸續(xù)建立了材料在十多所大學中陸續(xù)建立了材料科學研究中心，并把約科學研究中心，并把約2/3大學的冶金大學的冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學系或系或礦冶系改建成了冶金材料科學系或材料科學與工程系。材料科學與工程系。其涉及的材料由金其涉及的材料由金屬擴展到了陶瓷和高分子聚合物材料。屬擴展到了陶瓷和高分子聚合物材料?？梢?，可見，高技術需要先進材料的支持。高技術需要先進材料的支持。 前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運載火箭前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星及其運載火箭中華民族在人類歷史上為材料的發(fā)展和應用作出中華民族在人類歷史上為材料的發(fā)展和應用作

6、出過重大貢獻。過重大貢獻。l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器時代，年的新石器時代，中華民族的先人就能中華民族的先人就能用黏土燒制成陶器，用黏土燒制成陶器，到東漢時期又出現(xiàn)了到東漢時期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。瓷器，并流傳海外。 4000年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商年前的夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時期，我國的青銅冶煉和鑄造技術已達到很高水平。時期，我國的青銅冶煉和鑄造技術已達到很高水平。司母戊鼎司母戊鼎河南安陽晚商遺址出土河南安陽晚商遺址出土青銅鑄造青銅鑄造高高133厘米厘米 重重875kg飾紋優(yōu)美飾紋優(yōu)美春秋晚期越國青銅兵器春秋晚期越國青銅兵器出土于湖北

7、江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 長長55.7厘米厘米 劍鍔鋒芒犀利劍鍔鋒芒犀利鋒能割斷頭發(fā)鋒能割斷頭發(fā) 春秋戰(zhàn)國時代的春秋戰(zhàn)國時代的青銅劍，劍身及青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分劍鋒由不同成分的青銅組成，是的青銅組成，是復合材料很好的復合材料很好的例子例子梯度材料古已有之梯度材料古已有之這是古代劍刃截面圖這是古代劍刃截面圖l黃石銅礦遺址黃石銅礦遺址l春秋晚期春秋晚期l礦井深達礦井深達50m50ml煉銅爐渣多達煉銅爐渣多達4040萬噸萬噸l實屬罕見實屬罕見 我國從春秋戰(zhàn)國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學我國從春秋戰(zhàn)國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學家宋應星在家宋應星在天工開物天工開物一書中就記載了古代的

8、滲碳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在金屬材料及熱處理方面就已經(jīng)有了較高的成就。理方面就已經(jīng)有了較高的成就。生鐵炒熟鐵圖生鐵炒熟鐵圖宋應星宋應星鞍鋼攀鋼夜景新中國成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大新中國成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地。鋼產(chǎn)量由型鋼鐵基地。鋼產(chǎn)量由49年的年的15.8萬噸上升到現(xiàn)在的萬噸上升到現(xiàn)在的一億噸。一億噸。 中國第一顆人中國第一顆人造衛(wèi)星造衛(wèi)星長征火箭大家族長征火箭大家族中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸原

9、子彈、氫原子彈、氫彈的爆炸，彈的爆炸，衛(wèi)星、飛船衛(wèi)星、飛船的上天等都的上天等都說明了我國說明了我國在材料的開在材料的開發(fā)、研究及發(fā)、研究及應用等方面應用等方面有了飛躍的有了飛躍的發(fā)展。發(fā)展。 “神舟二號神舟二號”飛船運飛船運往發(fā)射工位往發(fā)射工位 “神舟神舟”一號飛船一號飛船 “神舟神舟”一號發(fā)一號發(fā)射成功射成功“神舟神舟”二號發(fā)射成功二號發(fā)射成功“神舟神舟”三號發(fā)三號發(fā)射成功射成功“神舟神舟”四號發(fā)四號發(fā)射成功射成功“神舟神舟”三號飛船三號飛船 “神舟神舟”四號飛船四號飛船 楊利偉楊利偉升空返回全人類共同的家園飛天返回艙l18631863年，光學顯微鏡首次應用年，光學顯微鏡首次應用于金屬研究，

10、誕生了金相學，使于金屬研究，誕生了金相學，使人們能夠將材料的宏觀性能與微人們能夠將材料的宏觀性能與微觀組織聯(lián)系起來。觀組織聯(lián)系起來?；诣T鐵的顯微組織灰鑄鐵的顯微組織光學顯微鏡光學顯微鏡Pb-Sn共晶組織共晶組織人類對材料的認識是逐步深入的。人類對材料的認識是逐步深入的。lMetallography is the science and art of preparing a metal surface for analysis by grinding, polishing, and etching to reveal microstructual constituents. After prep

11、aration, the sample can easily be analyzed using optical or electron microscopy. A skilled technician is able to identify alloys and predict material properties, as well as processing conditions by metallography alone.Si表面的重構圖象表面的重構圖象X-射線衍射儀射線衍射儀P r i n t o f W i l h e l m Rntgens (1845-1923) first

12、x-ray, the hand of his wife Anna, presented to Professor Ludwig Zehnder of the Physik Institut, University of Freiburg, on 1 January 1896.Nobel Prize in Physics in 1901X-ray diffraction pattern of crystallized 3Clpro, a SARS protease1933年發(fā)明了電子年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更到了微觀世界的更深層次（深層次（10-7m）透射電子顯

13、微鏡透射電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 光鏡下光鏡下電鏡下電鏡下l1934年位錯理論的提年位錯理論的提出，解決了晶體理論出，解決了晶體理論計算強度與實驗測得計算強度與實驗測得的實際強度之間存在的實際強度之間存在的巨大差別的矛盾，的巨大差別的矛盾，對于人們認識材料的對于人們認識材料的力學性能及設計高強力學性能及設計高強度材料具有劃時代的度材料具有劃時代的意義。意義。 金屬鈦中的位錯金屬鈦中的位錯Nobel Prize for Physics in 19861933材料發(fā)展的歷程示意圖材料發(fā)展的歷程示意圖l主要研究內(nèi)容：主要研究內(nèi)容：l 研究材料的化學組成、結構與性能的關系；研究材料的化

14、學組成、結構與性能的關系；l 研究材料的形成機理和制取方法；研究材料的形成機理和制取方法；l 研究材料物理性能的測試方法和技術；研究材料物理性能的測試方法和技術；l 分析材料的損壞機理；分析材料的損壞機理；l 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案研究材料的合理加工方法和最佳使用方案l材料科學是以材料為材料科學是以材料為研究對象的一門科學。研究對象的一門科學。挑戰(zhàn)者號爆炸瞬間挑戰(zhàn)者號爆炸瞬間l工程材料是用于制造工程結構和機械零件并主工程材料是用于制造工程結構和機械零件并主要要求力學性能的結構材料。要要求力學性能的結構材料。l按組成與結合鍵分：按組成與結合鍵分： l 1、金屬材料、金屬材料l 2、

15、高分子材料、高分子材料l 3、陶瓷材料、陶瓷材料l 4、復合材料、復合材料l以金屬鍵結合為主以金屬鍵結合為主 l良好的導電性、導良好的導電性、導熱性、延展性和金熱性、延展性和金屬光澤屬光澤 l用量最大、應用最用量最大、應用最廣泛廣泛黑色金屬黑色金屬有色金屬有色金屬輕金屬輕金屬, ,重金屬重金屬, ,貴金屬貴金屬, ,稀有金屬稀有金屬 鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達年產(chǎn)量已達10億噸，在機械產(chǎn)品中的用量已占整億噸，在機械產(chǎn)品中的用量已占整個用材的個用材的60%以上。以上。帶材帶材異形材異形材板材板材管材管材陶瓷材料陶瓷材料l以共價鍵

16、和離子鍵以共價鍵和離子鍵為主為主l熔點高、硬度高、熔點高、硬度高、耐腐蝕、脆性大耐腐蝕、脆性大 l分為傳統(tǒng)陶瓷、特分為傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷種陶瓷和金屬陶瓷三類三類 傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷，是以天然材料又稱普通陶瓷，是以天然材料( (如黏土、石如黏土、石英、長石等英、長石等) )為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特種陶瓷特種陶瓷又稱精細陶瓷，是以人工合成材料為原料的又稱精細陶瓷，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。陶瓷，常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷發(fā)動機陶瓷發(fā)動機l以分子鍵和共價鍵以分子

17、鍵和共價鍵為主為主l塑性、耐蝕性、電塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，絕緣性、減振性好，密度小密度小 l包括塑料、橡膠及包括塑料、橡膠及合成纖維等合成纖維等 分子鍵分子鍵共價鍵共價鍵高分子材料高分子材料在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業(yè)和化學、交通運輸、航空航天等工業(yè)船等制造工業(yè)和化學、交通運輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應用。中被廣泛應用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯l包括：包括：l金屬基復合材料金屬基復合材料l陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料l高分子復合材料高分子復合材料 l是把兩種或兩種以上不同性質或不同結構的材料是把兩種或兩種以上不同性質或

18、不同結構的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強高分子復合材料玻璃纖維增強高分子復合材料l現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室現(xiàn)代航空發(fā)動機燃燒室溫度最高的材料就是通溫度最高的材料就是通過粉末冶金法制備的氧過粉末冶金法制備的氧化物粒子彌散強化的鎳化物粒子彌散強化的鎳基合金復合材料。很多基合金復合材料。很多高級游艇、賽艇及體育高級游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復合器械等是由碳纖維復合材料制成的，它們具有材料制成的，它們具有重量輕，彈性好，強度重量輕，彈性好，強度高等優(yōu)點。高等優(yōu)點。 航空發(fā)動機航空發(fā)動機三、工程材料的應用和發(fā)展三、工程材料的應用和發(fā)

19、展Feb. 1, 2003隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和科學技術的進步，對材料的要隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和科學技術的進步，對材料的要求越來越苛刻，結構材料向高比強、高剛度、高韌性、求越來越苛刻，結構材料向高比強、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展。耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展。 國產(chǎn)東風國產(chǎn)東風4D-0088內(nèi)燃機車內(nèi)燃機車美國美國F-117隱身飛機隱身飛機新材料在不斷地涌現(xiàn)。新材料在不斷地涌現(xiàn)。機械工業(yè)是材料應用的重要領域。機械工業(yè)是材料應用的重要領域。l隨著機械工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品的要求越來越高。隨著機械工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品的要求越來越高。 l在產(chǎn)品設計與制造過程中，會遇到越來越多的材料在產(chǎn)品設計與制造過程中，會遇到越來越多的材料及材料加工方面的問題。及材料加工方面的問題。 l要求機械工程技術人員掌握必要的材料科學與材料要求機械工程技術人員掌握必要的材料科學與材料工程知識，具備正確選擇材料和加工方法、合理安工程知識，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。排加工工藝路線的能力。 鑄造一級渦輪盤鑄造一級渦輪盤四、機械工程材料課程的性質和任務四、機械工程材料課程的性質和任務l課程性質：課程性質：是機械類和近機類各專業(yè)的技術基礎課是機械類和近機類各專業(yè)的技術基礎課l課程任務：課程任務： 了解工程材料的一般知識；了解工程材料的一般知識； 建立化學