工程材料學(xué) 第0章

工程材料與熱加工基礎(chǔ)Ⅱ南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1第0章緒論2一、材料和材料科學(xué)(1)材料材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)。圖片出自:新華網(wǎng)()3材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)?！吧裰邸逼咛栵w船成功發(fā)射圖片出自:央視國際()奧迪轎車電動工具4

象形尊(西周)石器時代青銅器時代鐵器時代材料是人類進化的里程碑。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代。石器鐵器5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。

材料的發(fā)展與人類社會簡圖6沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算機技術(shù)。

電腦芯片手機7沒有高溫高強度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。

圖片出自:新華網(wǎng)()神舟七號飛船返回艙8沒有低消耗的光導(dǎo)纖維，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，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。

光導(dǎo)纖維9前蘇聯(lián)在1957年把第一顆人造地球衛(wèi)星送入太空，令美國人震驚不已，認識到在導(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展到了陶瓷和高分子聚合物材料?？梢?，高技術(shù)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10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。早在公元前6000~5000年的新石器時代，中華民族的先人就能用黏土燒制成陶器，到東漢時期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。

11秦皇陵兵馬俑這一排排齊整威武的武士俑，宛如一支由幾千名真人組成的“秦之三軍”，氣勢磅礴。形象地再現(xiàn)了秦始皇威震四?！皽缌鶉煜乱弧钡男蹓衍娙?，令人肅然起敬，望而生畏。12

4000年前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(shù)已達到很高水平。

司母戊鼎河南安陽晚商遺址出土青銅鑄造高133cm重875kg飾紋優(yōu)美13秦陵銅車馬我國時代最早，駕具最全，級別最高，制作最精的青銅器珍品，也是世界考古發(fā)現(xiàn)的最大青銅器。14古代劍刃制造中的特殊技術(shù)春秋戰(zhàn)國時代的青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分的青銅組成，是復(fù)合材料很好的例子。梯度材料古已有之這是古代劍刃截面圖15

秦始皇兵馬俑陪葬坑出土的秦箭這些銅錫合金兵器經(jīng)過鉻化處理，雖然埋在埋土里兩千多年，依然刃鋒銳利，閃閃發(fā)光，表明當時已經(jīng)有了很高的冶金技術(shù)，可以視為世界冶金史上的奇跡。16第一顆人造衛(wèi)星長征火箭大家族中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸原子彈、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。17中國的航天事業(yè)“神舟”號飛船“神舟二號”飛船運往發(fā)射工位“神舟”一號飛船

“神舟”一號發(fā)射成功“神舟”二號發(fā)射成功18中國的航天事業(yè)“神舟”號飛船“神舟”三號發(fā)射成功“神舟”四號發(fā)射成功“神舟”三號飛船

“神舟”四號飛船

19中國的航天事業(yè)“神舟”五號載人飛船楊利偉升空返回全人類共同的家園飛天返回艙20“神舟”六號發(fā)射成功,順利返回翟志剛邁出中國太空第一步

神舟七號遨游太空21為建設(shè)空間站邁出關(guān)鍵一步221863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。灰鑄鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織人類對材料的認識是逐步深入的。231912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)的認識從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實。

X射線衍射分析設(shè)備及典型圖譜241932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）。

光鏡下電鏡下透射電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡

25更多現(xiàn)代先進測試分析技術(shù)不斷涌現(xiàn)。原子力顯微鏡26(2)材料科學(xué)主要研究內(nèi)容：⑴研究材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；⑵研究材料的形成機理和制取方法；⑶研究材料物理性能的測試方法和技術(shù)；⑷分析材料的損壞機理；⑸研究材料的合理加工方法和最佳使用方案。材料科學(xué)是以材料為研究對象的一門科學(xué)。“神七”航天員順利出艙27l）工程材料的性能：以力學(xué)性能為主，還要考慮物理性能、化學(xué)性能及工藝性能；2）金屬學(xué)基本理論：使學(xué)生獲得有關(guān)工程材料的基本理論和基本知識；建立化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系。二、本課程的性質(zhì)是機械類、近機類各專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。三、課程的內(nèi)容28工藝-組織-性能之間關(guān)系的例子Steelwith0.4%C29①化學(xué)成分(成分)：組成材料各元素在材料中的濃度。②組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬內(nèi)部的情景。習(xí)慣上把用肉眼或幾十倍放大鏡觀察到的組織稱低倍組織或宏觀組織。放大100～2000倍的組織稱高倍組織或顯微組織。在電子顯微鏡下放大幾千～幾十萬倍的組織稱精細組織或電鏡組織。30鋼的宏觀組織、顯微組織和電鏡組織鋼錠的宏觀組織顯微組織電鏡組織31③結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組合狀態(tài)。一般通過X射線衍射或透射電鏡研究。Al的高分辨透射電鏡像純鐵晶體的X-射線衍射譜透射電鏡衍射斑點32在Au-Pa薄膜上用AFM探針的納米雕刻(北京大學(xué))333）熱處理工藝：掌握鋼的熱處理基本原理和工藝，掌握熱處理各種工藝方法的目的，以便正確選用熱處理工藝方法，合理安排工藝路線。4）常用工程材料：掌握常用的工業(yè)用鋼、鑄鐵、非鐵金屬及其合金的成分、組織、性能和用途；5）熱加工基礎(chǔ)：掌握鑄造、鍛壓和焊接的特點及應(yīng)用范圍，掌握金屬的鑄造性能、鍛造性能和焊接性能；能初步分析各種熱加工零件的結(jié)構(gòu)工藝性，具有初步選擇零件毛坯的能力。6）零件材料與毛坯的選擇：熟悉常用工程材料的生產(chǎn)工藝過程，正確選擇零件的材料、毛坯，并初步安排熱處理在工藝過程中的位置。合理選用工程材料的初步能力。34與專業(yè)課更相似，運用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較少，借助圖表文字表達敘述性強，有相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，與生產(chǎn)實踐結(jié)合較多。四、課程的特點35五、學(xué)習(xí)后應(yīng)達到的要求1、根據(jù)零件的性能要求，能初步合理的選用金屬材料。2、能較合理的安排典型零件的加工工藝路線及正確確定熱處理工藝方法。3、了解和掌握鑄造、鍛壓和焊接成形的理論基礎(chǔ)