工程材料緒論

1、緒緒 論論工程材料工程材料 人類的文明進(jìn)程是依據(jù)什么而劃分的？人類的文明進(jìn)程是依據(jù)什么而劃分的？可以使用的占主導(dǎo)地位的材料。可以使用的占主導(dǎo)地位的材料。石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代、合成材料時(shí)代、復(fù)合材料時(shí)代。1.1 1.1 材料與人類文明發(fā)展材料與人類文明發(fā)展材料應(yīng)用的發(fā)展是人類發(fā)展的里程碑！一、材料的重要作用一、材料的重要作用400,000 BC4,500 BC400,000 BC4,500 BC石器時(shí)代（石器時(shí)代（Stone AgeStone Age） 燧(sui)石：神奇的石頭陶器（陶器（Pottery）陶器的出現(xiàn)是人類跨入新石器時(shí)代的重要標(biāo)志新石器時(shí)代的重要標(biāo)志之一，據(jù)目前

2、已知的考古資料，中國(guó)的陶器制作至少已有8000年年以上的歷史。西安半坡人面網(wǎng)紋陶盆西安半坡人面網(wǎng)紋陶盆戰(zhàn)國(guó)陶制四通水管戰(zhàn)國(guó)陶制四通水管4,500 BC1,000 BC4,500 BC1,000 BC青銅時(shí)代青銅時(shí)代（Bronze AgeBronze Age） 從礦石中提煉銅冶金業(yè)的黎明這張埃及古墓壁畫是這張埃及古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一人類冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一青銅-銅與其它化學(xué)元素（錫、鎳、鉛、磷等）的合金。史學(xué)上所稱的“青銅時(shí)代”是指大量使用青銅工具及青銅禮器的時(shí)期。保守的估計(jì)，這一時(shí)期主要從夏商周直至秦漢，時(shí)間跨度約為兩千年左右，這也是青銅器從發(fā)展、成熟乃至鼎盛的輝煌期。到春秋戰(zhàn)國(guó)

3、時(shí)期，齊國(guó)工匠總結(jié)科技經(jīng)驗(yàn)寫成的考工記考工記一書(shū)中，提出了金有六齊，這是世界科技史上最早的冶銅經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。 青青 銅銅夏鉞戈三星堆三星堆 立人像鑄于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上最大的青銅立人像，被尊稱為“世界銅像之王”。 突目面具鑄于商代晚期，原件高64.5厘米，寬138厘米，眼球柱狀外突長(zhǎng)達(dá)13.5厘米，其造型在世界上亦屬首見(jiàn)。司母戊鼎司母戊鼎 司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133厘米，重875公斤。為已知的中國(guó)古代體量最大的青銅器。n銅禁，中國(guó)已知最早應(yīng)用失蠟法鑄造的作品，春秋時(shí)代的楚國(guó)王子午墓出土的，年代為公元前6世紀(jì)。1450BC鐵制車輪

4、1500AD廉價(jià)的冶鐵業(yè)鐵器時(shí)代（鐵器時(shí)代（Iron AgeIron Age） 1000BC1000BC華夏文明的獨(dú)特貢獻(xiàn)華夏文明的獨(dú)特貢獻(xiàn) 瓷器瓷器(CHINA)(CHINA)是中國(guó)先民的偉大發(fā)明，要比國(guó)外出現(xiàn)早1500 年以上，它是中華民族的寶貴歷史遺產(chǎn)之一。 青銅器 熱處理:清水淬其鋒(東漢)這件江蘇南京出土的吳國(guó)這件江蘇南京出土的吳國(guó)青瓷羊是成熟青瓷的代表作青瓷羊是成熟青瓷的代表作1.2 1.2 材料與人類現(xiàn)代文明材料與人類現(xiàn)代文明 支撐人類現(xiàn)代文明大廈的四大支柱技術(shù)：材料材料科學(xué)與技術(shù)生物生物科學(xué)與技術(shù)能源能源科學(xué)與技術(shù)信息信息科學(xué)與技術(shù)材料是發(fā)展高科技的先導(dǎo)和基石材料是發(fā)展高科技的

5、先導(dǎo)和基石其中材料是基礎(chǔ)，是技術(shù)大廈的磚石其中材料是基礎(chǔ)，是技術(shù)大廈的磚石 材料是所有科技進(jìn)步的核心建筑、交通、能源、計(jì)算機(jī)、通信、多媒體、生物醫(yī)學(xué)工程無(wú)一不依賴材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)和突破。沒(méi)有鋼鐵材料，就沒(méi)有今天的高樓大廈；沒(méi)有為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的材料，就沒(méi)有靠飛機(jī)旅行的今天；沒(méi)有耐高溫復(fù)合涂層材料，就沒(méi)有人類探索外空的飛船；沒(méi)有半導(dǎo)體材料，就沒(méi)有固體微電子電路，就沒(méi)有計(jì)算機(jī)。建筑建筑交通交通福特2000與西納給2010這兩款由材料工程師設(shè)計(jì)的汽車將成為未來(lái)交通工具。汽車用高強(qiáng)鋼，比原先的輕24%，而強(qiáng)度高34%。汽車汽車 在美國(guó)卡拉維納爾角航天基地待升空的（穿梭機(jī)）。它是人類高技術(shù)的結(jié)

6、晶。它應(yīng)用了成千上萬(wàn)種材料，特別是一些高技術(shù)的新型材料（本照片選自美國(guó)Kennedy Space Center 的Tourbook）。航天飛機(jī)航天飛機(jī)衛(wèi)星天線衛(wèi)星天線(Ni-Ti形狀記憶合金形狀記憶合金)超導(dǎo)磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車 西南交通大學(xué)已研制成功全國(guó)唯一一輛“世紀(jì)號(hào)”高溫超導(dǎo)磁懸浮列車。1980s：高溫超導(dǎo)體磁懸浮列車:能源能源p 新能源材料則是指實(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。主要包括儲(chǔ)氫電極合金材料為代表的鎳氫電池材料嵌鋰碳負(fù)極和LiCoO2正極為代表的鋰離子電池材料、燃料電池材料Si半導(dǎo)體材料為代表的太陽(yáng)能電池材料鈾、氘、氚為代表的反應(yīng)堆核能材料等

7、。 核能材料核能材料Nuclear power station at Leibstadt, Switzerland uranium oxide beads 核反應(yīng)堆材料：耐中子輻射、腐蝕、高溫?zé)Y(jié)后燒結(jié)后燒結(jié)前燒結(jié)前信息信息人類正在步入信息時(shí)代，同時(shí)也是信息材料競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。電子管電子管晶體管晶體管集成電路集成電路電子管電子管16K內(nèi)存器。圖中的女士要用顯微鏡才看得到現(xiàn)在的集集成電路成電路16 K內(nèi)存器n第一臺(tái)電子管電子管組成的計(jì)算機(jī)重達(dá)30噸，用電相當(dāng)于一個(gè)小的城市。鎢、鉬鎢、鉬電極。鍺、硅半導(dǎo)體。鍺、硅半導(dǎo)體。單晶硅片，高純鈦、單晶硅片，高純鈦、SiO2和鉻等薄膜和鉻等薄膜生物、生活生物、生

8、活材料技術(shù)的發(fā)展改變我們的生活材料技術(shù)的發(fā)展改變我們的生活仿真手臂仿真手臂人工關(guān)節(jié)“自行車發(fā)燒友自行車發(fā)燒友” 的首選的首選鈦結(jié)構(gòu)自行車架微機(jī)械微機(jī)械 通常按材料本性或其結(jié)合鍵的性質(zhì)，分為四大類。1、金屬材料： 指的是金屬和以金屬為基的合金 。2、無(wú)機(jī)非金屬材料： 由一種或多種金屬元素與非金屬元素(通常為氧)的化合物。3、高分子材料： 屬有機(jī)合成材料，亦稱聚合物，具有一系列優(yōu)良性能，是工程上發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材料。4、復(fù)合材料： 由兩種或兩種以上不同材料的組合材料。是一類特殊的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。 二、工程材料的分類二、工程材料的分類工程材料分類工程材料分類 . 金屬材料： 艦船

9、裝備90%以上采用的是金屬材料，如：船體、管路、武備等。 . 非金屬材料： 應(yīng)用越來(lái)越多，如：塑料生活用品，救生用品、絕緣材料，隔（熱、音、震）材料，甲板覆蓋層，玻璃鋼船殼等。三、工程材料在海軍艦船武備方面的應(yīng)用三、工程材料在海軍艦船武備方面的應(yīng)用 四四、本課程的研究?jī)?nèi)容及研究思路、本課程的研究?jī)?nèi)容及研究思路. . 研究?jī)?nèi)容：研究?jī)?nèi)容： 材料學(xué)的基本理論； 鋼的熱處理； 常用金屬材料； 工程材料的選用。2 2、研究思路、研究思路工藝成分組織性能應(yīng)用p獲得有關(guān)材料與材料科學(xué)方面的基本理論知識(shí)； p掌握控制工程材料性能的途徑、基本原理與方法； p熟悉常用機(jī)械工程材料的性能特點(diǎn) ： p使學(xué)生具有合理

10、選用機(jī)械工程材料并妥善安排其加工工藝路線的初步能力。 3 3 課程的主要目的課程的主要目的五、學(xué)習(xí)特點(diǎn)與要求五、學(xué)習(xí)特點(diǎn)與要求 （一）特點(diǎn)：（一）特點(diǎn)： 1、多學(xué)科交叉； 2、屬應(yīng)用科學(xué)； 3、概念多、說(shuō)理多、圖表多、數(shù)學(xué)推導(dǎo)少。（二）要求：（二）要求： 1、知識(shí)面廣； 2、聯(lián)系實(shí)際； 3、在理解的基礎(chǔ)上加強(qiáng)記憶。 六、學(xué)習(xí)本課程的重要性六、學(xué)習(xí)本課程的重要性 1 1、是基礎(chǔ)課、是基礎(chǔ)課： 為后續(xù)課程打基礎(chǔ)。 2 2、也是專業(yè)課、也是專業(yè)課： 直接應(yīng)用相關(guān)知識(shí)解決今后工作中的實(shí)際問(wèn)題。英國(guó)詩(shī)人英國(guó)詩(shī)人T.S.Eliot: 縱使被迫研讀不感興趣縱使被迫研讀不感興趣的科目的科目, 你仍然會(huì)獲得真正

11、的你仍然會(huì)獲得真正的學(xué)識(shí)和教養(yǎng)學(xué)識(shí)和教養(yǎng), 因?yàn)閺?qiáng)迫自己對(duì)因?yàn)閺?qiáng)迫自己對(duì)缺乏悟性的科目感興趣缺乏悟性的科目感興趣,是教是教育的一部分育的一部分.第一章第一章 材料的機(jī)械性能材料的機(jī)械性能材料的性能材料的性能表征材料在給定外界條件下的行為 鑄造性鑄造性 可鍛性可鍛性 可焊性可焊性 切削加工性切削加工性 熱處理性熱處理性 工程材料的性能工程材料的性能 使用性能使用性能力學(xué)性能力學(xué)性能物理性能物理性能化學(xué)性能化學(xué)性能 工藝性能工藝性能 機(jī)械性能（力學(xué)性能）機(jī)械性能（力學(xué)性能）：材料承受各種載荷時(shí)的行為或材料抵抗外力作用的能力 。 剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度（承受靜力時(shí)的行為）沖擊韌性（承受沖擊力時(shí)的行為

12、）疲勞強(qiáng)度（承受交變應(yīng)力時(shí)的行為）常用機(jī)械性能：一、靜載單向靜拉伸應(yīng)力一、靜載單向靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸變形一般分為三個(gè)階段拉伸變形一般分為三個(gè)階段: II彈性變形階段彈性變形階段 IIII塑性變形塑性變形 IIIIII斷裂斷裂低碳鋼拉伸變形中出現(xiàn)兩個(gè)現(xiàn)象：低碳鋼拉伸變形中出現(xiàn)兩個(gè)現(xiàn)象： 屈服現(xiàn)象 頸縮現(xiàn)象（一）彈性和剛度 在彈性范圍內(nèi)：E=E= R R/ / ( / ) / ) MN/m2(MPa)(MPa) E E 剛度（二）強(qiáng)度 在外力的作用下，材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。 1、屈服強(qiáng)度（屈服極限）材料抵抗微量塑性變形的能力， 用R Relel ( s s

13、)表示表示。 2、抗拉強(qiáng)度材料抵抗最大均勻塑性變形或斷裂的能力， 用R Rm m ( b) )表示 。（三）塑性 斷裂前材料發(fā)生塑性變形的能力 。強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo) 塑性指標(biāo)： A （ ）、 Z （ ） %100ZSSS0u0 100%L0L0LuA L0原始標(biāo)距， Lu斷裂后標(biāo)距長(zhǎng)度 S0原始截面積，Su斷口處截面積 A和Z值越大，材料的塑性越好不同性能材料的拉伸曲線:二：硬度二：硬度( hardness )( hardness ) 抵抗外物壓入的能力，稱為硬度1 1布氏硬度布氏硬度HB ( Brinell-hardness )HB ( Brinell-hardness ) 適用于未經(jīng)淬火的鋼

14、、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。 布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 適用范圍適用范圍:v 450HBS;v 650HBW;2 2洛氏硬度洛氏硬度HR HR ( Rockwll hardness )( Rockwll hardness ) 定義：每0.002mm相當(dāng)于洛氏1度洛氏硬度常用標(biāo)尺有：B、C、A三種HRB 輕金屬，未淬火鋼HRC 較硬，淬硬鋼制品HRA 硬、薄試件h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度洛氏硬度計(jì)計(jì)10HRCHBS3 3維氏硬度維氏硬度( diamond penetrator hardness )( diamond penetrator hardness ) 維

15、氏硬度計(jì) 維氏硬度的壓力一般可選5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的壓力可以測(cè)定顯微組織硬度。適用范圍：適用范圍： 測(cè)量薄板類；測(cè)量薄板類； HVHBS；三、沖擊韌性三、沖擊韌性 ( notch toughness )( notch toughness ) 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為為:A k = m g H m g h (J) Ak值低脆性材料：斷裂時(shí)無(wú)明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。 Ak值高韌性材料：明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無(wú)光澤。韌性與溫度有關(guān)韌性與溫度有關(guān)脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度TK溫度對(duì)沖擊韌性的影響溫度對(duì)沖擊韌性的影響1943年美國(guó)年美國(guó)T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂疲勞現(xiàn)象： 承受載荷的大小和方同隨時(shí)間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。80%的斷裂由疲勞造成的斷裂由疲勞造成四、疲勞強(qiáng)度四、疲勞強(qiáng)度max min時(shí)間 t 0圖110 交變載荷示意圖 交變應(yīng)力定義： 疲勞極限 -1 -1 ： 材料經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。循環(huán)次數(shù)Nmax(MN/m2) 0圖111 疲勞曲線示意圖1N14N43N32N2N1N2N3N4N4N523 4566N6不斷裂5N5條件疲勞極限： 經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)