Ch工程材料緒論

1、機械工程材料1 緒 論一、材料與材料技術二、材料的分類與概況三、材料與機械工程四、本課程的學習目的、內容與要求2師昌緒：材料是人類用于制造物品、器件、構件、機器或其他產(chǎn)品的那些物質。材料是物質，但不是所有物質都可以稱作材料。 （2010年度國家最高科學技術獎）朱光亞：材料技術已成為不同工程領域具有共性的關鍵技術。一、材料與材料技術張立同：耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復合材料應用技術 （“摔不碎的陶瓷”，航天飛機隔熱瓦，2004年度國家技術發(fā)明一等獎）（視頻12345）黃伯云：高性能碳碳航空制動材料制備技術 （飛機剎車片，2004年度國家技術發(fā)明一等獎）（視頻1234567） 。潘健生：搞好熱處理，

2、零件一頂幾。某某某：任何好的產(chǎn)品，一要有先進的材料技術，二要信息化。3 材料、能源和信息并列成為現(xiàn)代科學和現(xiàn)代文明的三大支柱， 材料又是最重要的基礎。 材料: 人類生活與社會發(fā)展的主要物質基礎，其品種、數(shù)量和質量是人類文明和社會進步的標志。一、材料與材料技術4一、材料與材料技術 材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎，是所有科技進步的核心，是高新技術發(fā)展和社會現(xiàn)代化的先導，是一個國家科學技術和工業(yè)水平的反映和標志。 新材料的出現(xiàn)和使用往往會給技術進步、新產(chǎn)業(yè)的形成，乃至整個經(jīng)濟和社會的發(fā)展帶來重大影響。不斷開發(fā)和有效使用材料的能力是衡量社會技術水平和未來技術發(fā)展的重要尺度。 師昌緒5人類使用材料的

3、7個時代公元前10萬年 石器時代公元前3000年 青銅器時代公元前1000年 鐵器時代公元0年 水泥時代1800年 鋼時代1950年 硅時代（信息時代）1990年 新材料時代一、材料與材料技術6一、材料與材料技術7一、材料與材料技術8二、材料的分類與概況 結構材料是以力學性能為基礎，制造受力構件所用材料。 功能材料則主要是利用物質的獨特物理、化學性質或生物功能等而形成的一類材料。 一種材料往往既是結構材料又是功能材料，如鐵、銅、鋁等。 結構材料對物理或化學性能也有一定要求，如光澤、熱導率、抗輻照、抗腐蝕、抗氧化等。（一）按材料的性能特點分： 結構材料 、功能材料9二、材料的分類與概況（二）按材

4、料的化學屬性分:金屬材料（1）黑色金屬：鐵及鐵基合金材料（2）有色金屬：輕金屬、重金屬、貴金屬、稀有金屬2. 高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維和膠粘劑3. 陶瓷材料：傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷4. 復合材料：樹脂基復合材料、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料例：（1） 底特律活塞隊；（2）曼聯(lián)隊；（3） 浦項制鐵隊10二、材料的分類與概況（三）按材料的用途分: 分為電子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。11金屬材料舉例12 金屬材料舉例1：泰坦尼克號事件（泰坦尼克號遇難有新說） 造船廠使用劣質材料 釀成震驚世界慘禍劣質鉚釘！13金屬材料舉例2：9.11，世貿大廈是豆腐渣

5、工程 造價11億美元 用鋼7.8萬噸 110層 411米 歷時7年竣工 企業(yè)1200家 5萬人上班 游客15萬人 3000多人喪生 ！世貿大廈倒塌視頻14151617181920管狀支撐結構，由中心的鋼管和外壁鋼管組成，中心鋼管主要承受垂直方向的載荷（50000 t），外壁鋼管承受部分垂直方向的載荷和所有的橫向載荷（4.9107 N）。21角聯(lián)接外壁鋼管中心鋼管地板托梁粘彈性減震裝置地板聯(lián)接示意圖22被撞擊后，非常集中的力被鋼管和混凝土的彎曲、扭曲和局部撕裂所吸收。外壁鋼管受到的載荷被重新分配到臨近的其它鋼管上。整個世貿的結構設計把受到的沖擊能量迅速消散掉了。飛機沒有撞倒世貿大廈23 世貿大火

6、是燃油過量的非化學計量比燃燒，溫度大概在825，遠低于鋼的熔點1500 ，因此，鋼管沒有熔化。 世貿大廈鋼管沒有被大火熔化，但在高溫下，鋼管的強度大大降低了，大約只有室溫強度的3040，所以鋼管的強度被大大弱化了。 外壁溫度低，內部溫度高，大的溫度梯度造成外壁與內部熱膨脹的失配。 較長的地板托梁各部分受到的熱量是不一致的。 鋼管強度的弱化、結構完整性的破壞和彎曲引起的形變是大廈倒塌的主要原因。24高熱量的火焰迅速擴散25結構單元開始變形，松弛并下垂26強度弱化和變形引起橫梁與鋼管脫離27墜落的橫梁沖擊下面的橫梁并使其脫離鋼管強度弱化，失去橫梁支撐的外壁鋼管變形彎曲28沖擊改變了橫梁承受的載荷大

7、火弱化了橫梁的強度并使其扭曲某些樓層地板橫梁發(fā)生彎曲墜落的樓層地板橫梁沖擊下面的樓層多米諾骨牌效應，一層接一層坍塌，最終引起大廈垂直坍塌結構單元開始失效，使鋼管失去支撐29高 溫鋼梁鋼柱嚴重軟化強度急劇降低倒 塌建筑材料燃燒釋放大量有毒煙霧導致人窒息死亡45鋼室溫600 b1/2Al合金室溫400 b1/10 30 88層 425m 共消耗鋼管樁1.8萬噸 主樓鋼管樁430根(壁厚20mm) 914mm83.5m 裙樓鋼管樁632根(壁厚20mm) 609mm47m 金屬材料舉例3： 上海金茂大廈 31高分子材料舉例32 高分子材料舉例：水立方（water cube）33 水立方：177177

8、30米 采用乙烯-四氟乙烯共聚物，俗稱聚氟乙烯（ETFE）制造外部膜 1. 較好延展性：拉到本身的3 4 倍長都不斷裂； 2. 抗壓性：充氣后，每塊膜都能承受1輛汽車的重量， 可抵御暴雨、冰雹、沙塵暴； 3. 耐火性：燃點715，燃燒后無擴散、無煙，無燃燒物； 4. 自潔性：ETFE膜摩擦系數(shù)很小，塵土不容易粘在上面， 自己能雨水洗臉。 國際地理頻道紀錄片視頻水立方1 2 3李興鋼、趙小鈞、天津大學、建筑學34陶瓷材料舉例35陶瓷材料舉例1: Si3N4陶瓷刀具36陶瓷材料舉例1: Si3N4陶瓷滾珠37YT硬質合金機夾刀片硬質合金鑲齒木工圓鋸片陶瓷材料舉例2: YT硬質合金38陶瓷材料舉例3

9、: Si3N4陶瓷航天飛機防熱瓦39復合材料舉例40 復合材料舉例1：撐桿 撐高跳女皇 伊辛巴耶娃竹 竿金屬桿碳纖維復合材料玻璃纖維Glass fiber web/epoxyGlass fiber ringsLongitudinal carbon fibers/epoxy41 復合材料舉例2：跑鞋鞋底 聚氨酯跑道:100米短跑時運動員在聚氨酯跑道上要比在傳統(tǒng)跑道上快0.2秒以上，跳遠成績可提高2030厘米。 紅色魔鞋：重量不到99克，碳纖維復合材料鞋底，鞋釘采用輕合金。42 復合材料舉例2：賽艇 杭州產(chǎn) “HF-5型碳纖維復合材料四人新型賽艇”采用單向碳纖維制造，重量輕、強度高、剛性好，不僅提

10、高了賽艇的安全性，也提高了劃船效率。幫助中國四朵金花一舉拿下2008北京奧運會賽艇女子四人雙槳的金牌。 43 復合材料舉例3：網(wǎng)球拍李娜納米網(wǎng)球拍200克，由碳纖維、塑料、鈦組成。44機翼后中段：Ti合金機翼中段：Al、Ti及復合材料機身：主梁、發(fā)動機艙用輕金 屬、復合材料，其余用碳纖維、 石墨纖維等復合材料，不易反射 雷達波。機翼前緣：全部包覆吸波材料。機體：噴涂吸波油漆。 復合材料舉例4：美國B-2A型戰(zhàn)機45復合材料舉例5：“哥倫比亞號”航天飛機主貨艙門：碳纖維/環(huán)氧樹脂壓力容器：凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂主機隔框和翼梁：硼/鋁復合材料發(fā)動機的噴管：碳/碳復合材料發(fā)動機組傳力架：鈦基復合材料機

11、身防熱瓦：陶瓷基復合材料46功能材料舉例47功能材料舉例1： 形狀記憶合金 1963年，美國海軍一個研究所在一次試驗中需要一些鎳- 鈦合金絲，當將合金絲領回來卻發(fā)現(xiàn)這些鎳鈦合金絲是彎彎曲曲的，使用起來不方便。于是他們就將這些細絲一根根地拉直，并用在試驗中。在試驗過程中，當溫度升到一定值的時候，這些已經(jīng)被拉得直直的鎳鈦合金絲，突然又全部恢復到原來彎彎曲曲的形狀，而且絲毫不差。他們反復作了多次試驗，結果都是這樣被拉直或做成其他形狀的鎳鈦合金絲，只要遇到這個溫度，便立即恢復到原來那種彎彎曲曲的樣子。好像從前被“凍”得失去知覺時，被人們改變了形狀，而當溫度升高到一定值的時候，它們“蘇醒”了，又“記憶”

12、起了自己原來的模樣，于是便不顧一切地恢復了自己的“本來面目”。類似的現(xiàn)象是在50年代初期就不止一次地被觀察到，只不過當時沒有引起足夠的重視，所以使記憶合金的真正實用化晚了十幾年。48 功能材料舉例2：磁懸浮列車（超導材料） 49 超導磁懸浮列車如何懸?。?在每節(jié)車廂的底部安裝了超導磁體，路面上埋許多閉合Al環(huán)。在超導磁體的線圈中通入電流產(chǎn)生很強的磁場。列車開動后，超導磁體相對于Al環(huán)運動，在Al環(huán)里感應出強電流，并相應形成強磁場。超導體的完全抗磁性使車上的超導磁體受到地面Al環(huán)的向上托力，車速愈快，托力愈大。 當超導體處于一塊永久磁Fe的上方時，超導體與磁鐵之間產(chǎn)生排斥力，超導體就會懸浮在磁F

13、e上方。 當車速150km/h，托力大于列車自重，列車浮起。當列車停下時，Al環(huán)中無感應電流，不能產(chǎn)生磁場，因此在開車啟動和減速停車時有一段時間仍需用車輪在軌道上運行。 50酒精傳感器10.4 常用陶瓷材料 功能材料舉例3：氣敏半導體陶瓷51綠色材料舉例52 溫哥華冬奧會電子垃圾鑄獎牌 53 “科學美國人”網(wǎng)站報道：將計算機、監(jiān)控器、打印機和玻璃制品等粉碎，隨后分離出鋼、鋁、銅、玻璃和其他有用物質，并將余下的碎片倒入1200高溫的熔爐中，以獲取那些不能通過簡單粉碎提煉出的金屬材料。 獎牌直徑100mm，厚6mm，重量500576克。每塊金牌中有1.5%左右的成分來自于從電子垃圾碎片中提取的金屬

14、。54納米nm材料舉例555657綜合舉例58綜合舉例1:汽車中各種材料鋁合金5%10%塑料10%20%鐵合金60%75%其它59汽車中的輕合金汽車每減重1kg，1L汽油可多跑0.1km。 車身用Al合金，每車用1kgAl，汽車 2.25kg。 泡沫Al制汽車零件，只有鋼重的1/2，剛度卻是鋼的10倍；絕熱性能比Al高95，對800Hz的噪聲有很強的消聲能力。 汽車若能用70kgMg，CO2減排30。用于殼體可以降低噪聲，用于座椅、輪圈可以減振。未來汽車有望換上輕“骨架”視頻60汽車中的塑料汽車減重10，油耗降低68。 塑料在轎車上占車身重1030 汽車中用聚丙烯100kg可替代200300k

15、g其它材料，相應地在15萬km的平均壽命里可減少燃料消耗750L。 與鋼材相比，聚丙烯保險杠輕10.2kg，發(fā)動機罩輕2.2kg，燃料箱輕5kg，寶馬M3塑料翼子板減重1.5kg。61福特汽車用材料62綜合舉例2:飛機用材料波音767亞音速飛機19851995鋁合金 81%鋼14%鈦合金2%復合材料3%復合材料65%鋼14%鋁合金 11%其它10飛機發(fā)動機1kg飛機4kg飛行上限10m航天飛行器1kg運載火箭500kg6364綜合舉例3:導彈殼體用材料65 綜合舉例4：受電弓滑板材料66受電弓滑板材料性能要求 受電弓滑板集高導電性、抗磨性和減摩性能于一體，既要有良好的導電性、集電能力，又要與弓

16、網(wǎng)耦合系統(tǒng)相匹配。 在高速運行過程中，滑板與接觸網(wǎng)導線不斷產(chǎn)生電沖擊與機械沖擊磨耗，是電力機車中更換最頻繁，消耗量最大的部件。受電弓滑板質量的優(yōu)劣將直接影響到其自身的更換頻率和接觸導線的使用壽命。 因此，受電弓滑板材料要求：良好的導電性能；優(yōu)良的抗磨損性能和自潤滑性；機械強度高，能經(jīng)受一定振動和沖擊載荷且不損壞；硬度值低于接觸導線的硬度；輕量化。而且，提高滑板材料的某一方面性能往往是以犧牲其它性能為代價的。67受電弓滑板材料種類（1）金屬滑板（2）粉末冶金滑板（3）純炭質滑板（4）浸金屬炭滑板（5）復合材料滑板 炭纖維復合材料滑板 炭-金屬纖維復合材料滑板 炭-銅復合材料滑板（6）鈦硅炭系導電

17、陶瓷材料滑板68（1）金屬滑板 金屬滑板直接采用導電金屬為材質制得的滑板，分為銅、鋼兩種。 金屬滑板和接觸導線材質相近，與接觸網(wǎng)導線粘著效應較強，無自潤滑性能，對接觸網(wǎng)導線磨損非常嚴重，導致接觸網(wǎng)導線迅速磨耗和頻繁更換，早期電力機車采用鋼滑板。如日本在第二次世界大戰(zhàn)前主要使用純銅受電弓滑板；1961年我國開通的第一條電氣化鐵道采用了法國進口的6Y2型電力機車，其滑板為鋼板條。這種滑板機械強度高、使用壽命長、導電性好，但因對接觸導線的磨耗較大，特別是對銅接觸導線的磨耗嚴重。因此，金屬滑板只能在采取潤滑措施的鋼鋁導線區(qū)段使用，不能在混架區(qū)段和銅接觸線區(qū)段使用。 顯然，該類型滑板現(xiàn)在已不能適應電氣化

18、鐵路發(fā)展的需要。69（2）粉末冶金滑板 粉末冶金滑板是采用粉末壓制成型，再進行燒結和機加工制得的滑板?？煞譃殍F基、銅基粉末冶金滑板，鐵基的使用最多。鐵基滑板適用于鋼-鋁導線，銅基滑板適用于銅導線。 粉末冶金滑板具有較高的機械強度和優(yōu)異的抗沖擊性，較低的電阻率及良好的熱傳導性，但由于粉末冶金滑板材料是金屬體，和導線材質相似，其自潤滑性能差，所以粉末冶金滑板對導線磨損較大、抗電弧能力弱，尤其在離線或觸線的瞬間，易出現(xiàn)電弧，將滑板燒熔或把網(wǎng)線燒熔，造成斷線、粘連，形成凹凸不平和毛刺等狀況。我國于20世紀80年代末在京-秦線、大-秦線的銅導線上使用粉末冶金滑板，僅運行兩年，銅導線就被嚴重磨損。 70（

19、3）純炭質滑板 炭滑板主要是由炭、石墨和瀝青組成，其自潤滑性和減磨性能好，對接觸導線磨耗小，滑動時電磁噪聲小且耐高溫，不易與接觸網(wǎng)導線發(fā)生焊附現(xiàn)象。炭滑板在與銅接觸導線摩擦時可在導線上形成一層潤滑炭膜，改善了對導線的磨損狀況。但炭滑板機械強度低，耐沖擊性差，運行中遇到導線硬點容易造成滑板折斷或破裂，特別是在雨季和潮濕地區(qū)，易局部拉溝，出現(xiàn)弓網(wǎng)事故。另外，炭滑板固有電阻大，集電容量小，接觸區(qū)溫度高，易引起導線過熱氧化腐蝕，燒成麻坑，加速導線磨損。炭滑板因損傷更換極快，而且使用過程中整修工作繁重，為機務段和電務段工作人員帶來了極大不便，因而適用范圍受到了限制。 炭滑板是歐洲國家的主流產(chǎn)品，法國TG

20、V大西洋線早期使用的是鋼和炭滑板兩種，現(xiàn)在 TGV 上普遍都使用炭滑板。德國ICE（250km/h）自1991年運行以來，一直采用純炭滑板。國內高速鐵路大多采用德國西門子公司研制的受電弓和純炭整支滑板，該類炭滑板安裝有鋁合金托架，具有使用壽命長、對導線磨耗小、受流性能優(yōu)良和抗沖擊能力較強等特點，且在銅接觸線、銅鋁接觸線或混架區(qū)段均能良好使用的一種進口滑板。71（4）浸金屬炭滑板 浸金屬炭滑板是在高溫高壓環(huán)境下，在炭基體中滲入純金屬或合金熔體，使之填充到炭基體的空隙中，達到提高炭基體機械強度和導電性能的目的。浸金屬炭滑板導電性能優(yōu)良，有整體式和組裝式兩類，既具有粉末冶金滑板機械強度高、電阻率小的

21、特點，又具有純炭滑板對導線磨耗小、能在導線摩擦表面形成潤滑膜，且熄弧性強等特點，被認為是目前對導線適應能力較強的滑板類型。 經(jīng)每萬弓次統(tǒng)計，浸金屬炭滑板對銅導線的磨耗比炭滑板的高1020倍，卻僅為粉末冶金滑板的1/61/4；浸金屬炭滑板自身磨耗量是粉末冶金滑板的2.2倍，但為純炭滑板的l/41/3。 浸金屬炭滑板雖然保留了炭滑板的潤滑性和耐腐蝕性好，與炭滑板相比具有高機械強度、低電阻率的特點，但其對導線的磨耗仍然偏大，造價昂貴，且仍以炭為基體，相對強度較低。為了提高滑板的運行可靠性，使其在應用中不發(fā)生掉角、崩邊等現(xiàn)象，遇到硬點沖擊時滑板卻不斷裂，目前已出現(xiàn)了采用鋁外包結構的形式，鋁合金占滑板總

22、體積1/4，其導電性好，有助于受流。72（5）復合材料滑板 5-1 炭纖維復合材料滑板 炭纖維復合材料滑板主要是采用金屬纖維、金屬粉末、金屬絲網(wǎng)或金屬鍍層為導電成分，以炭纖維和礦物纖維為增強材料，以石墨、二硫化鉬等為潤滑成分，以熱固性樹脂為粘結劑，并添加抗沖擊改性劑等熱壓而成，對成型后的坯件進行固化，使其內部結構穩(wěn)定，形成具有一定規(guī)則的骨架和網(wǎng)絡結構，達到機械性能和導電性能優(yōu)良的預制成品，最后再進行機械加工而得到電力機車使用的成品件。 此類復合材料滑板具有優(yōu)良的摩擦磨損性能、機械性能和導電性能，但其生產(chǎn)周期長、成本高。目前雖已申請專利，但尚未投入使用。735-2 炭-金屬纖維復合材料滑板 炭-

23、金屬纖維復合材料滑板主要以金屬纖維、金屬粉末、金屬絲網(wǎng)或它們的混合物增強炭基體，采用適當?shù)幕炝戏绞绞乖鰪妱┚鶆虻胤植加诨w之中，然后進行冷壓或熱壓，再經(jīng)過高溫燒結即得到該復合材料。這種炭/金屬纖維復合材料滑板的抗彎強度大于139.1MPa，沖擊強度大于1.5MPa，每100km的滑動距離磨耗不超過13mm3。745-3 炭-銅復合材料滑板 炭-銅復合材料滑板主要是由銅、炭纖維、石墨和添加劑等構成，經(jīng)冷壓成型后再燒結制得的復合材料。炭-銅復合材料因具有良好的導電、導熱、耐磨、抗電弧侵蝕性能、高強度以及良好的經(jīng)濟性而被廣泛應用于集成電路的引線框架、各種電焊電極、電器工程開關的觸頭、發(fā)動機的集電環(huán)、

24、電樞和電力機車架空導線中要求高的導電導熱環(huán)境中。石墨在銅基體中的均勻分布，不僅對材料具有保護作用，而且還起潤滑和抗熔焊作用。75（6）鈦硅炭系導電陶瓷材料滑板 鈦硅炭（Ti3SiC2）材料是結構、導電和自潤滑多功能合一的新型材料體系，這種復合材料目前可采用熱等靜壓、熱壓燒結以及兩步合成的方法，制備出純度在8599%的Ti3SiC2塊體材料，發(fā)現(xiàn)該材料的綜合性能明顯優(yōu)于已知的普通炭基材料和銅基或鐵基燒結材料。 此類材料的研制對于解決高速機車受電弓滑板的摩擦和電弧灼蝕耦合損傷問題具有重要指導意義。但目前 Ti3SiC2 材料的工業(yè)化生產(chǎn)還欠成熟。76材料科學：研究材料的結構和性質之間的關系。材料工程：通過結構設計和加工以達到利用材料的某一特殊性質的目的。 性質合成/制備結構/成份使用效能 合成/制備結構/成份 性質 性能材料科學與工程四面體三、材料與機械工程77三、材料與機械工程合理的材料優(yōu)良的設計合適的加工優(yōu)質、適用的機械產(chǎn)品78四、本課程的目的、內容與學習要求 一條主線：材料成分工藝組織結構性能應