材料的概述熱

材料的概述熱第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二基本要求材料部分：1了解常用金屬材料的成分、組織、性能之間的關(guān)系；

2了解強化金屬材料的基本途徑；

3掌握鋼的熱處理原理，了解熱處理工藝在機械加工中的作用；

4熟悉常用金屬材料的牌號、成分、組織、性能及用途；

5了解非金屬材料的性能、特點和應(yīng)用。成形部分：1掌握主要毛坯（或制品）成形方法的基本原理和工藝特點，具有根據(jù)毛坯（或制品）的使用要求正確選擇成形方法和制定成形工藝的初步能力；

2具有綜合運用工藝知識，分析零件結(jié)構(gòu)工藝性的初步能力；

3了解有關(guān)新工藝、新技術(shù)及其發(fā)展趨勢。第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月工程材料

——現(xiàn)代社會的基石

李集仁主講E-mail:lijiren186@126.com第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一、材料及材料科學(xué)的重要地位社會存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)石器時代：大約在公元前5000年以前的漫長二、三百萬年，分舊、新石器時代。石器材料僅是對自然界天然物質(zhì)作簡單的打、磨加工，陶器才是人類通過加工技術(shù)以一定的工藝制造非天然物質(zhì)材料的起點第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月新石器時代第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月大約在公元前5000年,人類從石器時代進入了銅器時代。勾踐寶劍曾侯乙編鐘司母戊方鼎第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月在公元前1200年左右又進入了所謂鐵器時代。銅、鐵器材料是加工、冶煉技術(shù)和工藝的改進.

滄州鐵獅子1851年倫敦世界博覽會上，英國館中的陳列機器兵器鎧甲第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)展到現(xiàn)代的多種材料時代,從加工改造天然物質(zhì)材料走向以人工化合物為原料的合成材料。合成有機材料氧化物陶瓷光導(dǎo)纖維、納米管第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.商品生產(chǎn)的必要條件原材料零部件工具第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月空客-380猛禽-22

F-16即將投入運營的最大的寬體客機即將服役的最先進的隱形戰(zhàn)機第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機，所用原料是木材和帆布。飛行速度每小時只有16公里，和騎自行車的速度差不多。1911年，鋁合金研制成功，很快取代了木材和帆布，到第一次世界大戰(zhàn)期間，全金屬結(jié)構(gòu)的飛機已很普遍了。從木布結(jié)構(gòu)過渡到金屬結(jié)構(gòu)，使飛機的性能和速度獲得一個飛躍。例如到1939年螺旋槳飛機創(chuàng)造的最高時速已達755公里，僅36年的時間，飛行速度提高了47倍。聲音在空氣中的傳播速度為1200公里/小時，有些人試圖用螺旋槳飛機超過音速，但都沒有成功。失敗和挫折使人們把音速看成是飛機速度無法逾越的障礙，簡稱“音障”。于是人們尋求新的動力，造出了噴氣式飛機。第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月噴氣發(fā)動機的進口溫度很高，需要耐高溫的合金材料，而英國研制出的鎳基合金只能承受700℃，使發(fā)動機推力和飛行速度受到影響。到了50年代，高溫合金有了進一步發(fā)展，已經(jīng)能夠制造耐800℃以上的高溫合金，再加上采用了后掠角更大的機翼和其它減少阻力的措施，終于研制出一種飛行速度超過音速的噴氣式飛機，突破了以前不可逾越的“音障”。這里，噴氣發(fā)動機立了一大功，而耐高溫合金材料則起了關(guān)鍵性的作用。第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月在提高飛行速度的征途上，又出現(xiàn)了新的問題。這就是飛機以超音速飛行時，其表面因受到空氣強烈摩擦而發(fā)熱，使溫度急劇升高。這種現(xiàn)象叫做空氣動力加熱。飛機的速度越快，溫度也愈高。以飛機在同溫層邊界飛行（那里的溫度是-56℃）為例，當(dāng)飛行速度等于音速時，飛機的表面溫度為-18℃；兩倍音速時，溫度為98℃；當(dāng)達到三倍音速時，飛機表面溫度會升至0℃。從鋁合金的耐熱性來講，當(dāng)飛機速度達到兩倍音速時，鋁的強度會顯著降低；三倍音速時，就會發(fā)生空中解體。通常認(rèn)為，飛機速度應(yīng)在二到三倍音速范圍內(nèi)，這種空氣動力加熱又是一堵新的障壁，稱為“熱障”。它對飛機的結(jié)構(gòu)、飛行員工作環(huán)境和各種設(shè)備均帶來不利影響，甚至危害。要制造表面耐溫超過180℃，即飛行速度為音速2.5倍的飛機，需要用鈦合金（可承受550℃溫度）代替鋁合金。飛機是一種更新非常快的產(chǎn)品，它不斷追求的目標(biāo)是安全、迅速、舒適和經(jīng)濟。第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.科學(xué)技術(shù)進步的根本性因素（1）1898年美國的泰勒和懷特發(fā)明了高速鋼，震撼了世界,這種合金有很高的硬度,而且當(dāng)溫度達到600℃時硬度也不會下降,從而大大提高了刀具的耐用度,可使機床的切削速度成倍增長,所以這種鋼被譽為“高速鋼”,它對當(dāng)時機械技術(shù)的發(fā)展起了極其重要的推動作用。（2）單晶硅和鍺研制成功，導(dǎo)致半導(dǎo)體工業(yè)飛躍，控制技術(shù)的巨大發(fā)展及隨后信息時代的到來。

高速切削刀具單晶硅和鍺第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月以我國神洲飛船為例，據(jù)報道自我研制近2000多種新材料。第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月飛船順利進入預(yù)定返回軌道，并進行首次調(diào)姿。第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月飛船軌道艙與返回艙分離。第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月飛船二次調(diào)姿。第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月飛船返回艙與推進艙解鎖，兩艙成功分離。第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月脫減速傘，主傘打開。先后打開引導(dǎo)散減速散主傘，共三把傘，如果有必要，還要打開第四把瑟—備份傘第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二、各種材料的概況有人對當(dāng)今浩瀚的材料世界進行過粗略統(tǒng)計，70年代登記的新老材料達到25萬種，到1980年登記的材料總和已有36萬種，并且每年還以5％的增長率增加。如果把形形色色的材料按化學(xué)組成分類，可以分為金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料三大類。它們鼎足而立，構(gòu)成了材料世界的“三大家族”。如果從使用角度看，不論上面哪一種材料，都可以歸納為兩大類：一類叫做結(jié)構(gòu)材料，主要是利用它們的強度、韌性、硬度、彈性等機械性能；另一類是功能材料，是利用它們所具有的電、光、磁、熱等性質(zhì)。第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1、金屬材料及應(yīng)用鐵及合金材料（鋼鐵材料）有色金屬及合金材料（鋁、銅、鎳、鎂、鈦、鋅、錫、鉛等及合金材料）第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月煉鋼過程第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼材生產(chǎn)過程

第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.高分子材料及應(yīng)用高分子材料是由低分子化合物通過聚合反應(yīng)而形成。主要有塑料、橡膠、膠粘劑和有機纖維等。

其中氯乙烯就是聚氯乙烯的單體，就是聚氯乙烯分子鍵的鏈節(jié)，n就是聚合度。聚合度反映了大分子鏈的長短和分子量的大小，可見高分子化合物的分子量（M）是鏈節(jié)的分子量（M0）與聚合度（n）的乘積。M=M0×n

第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.陶瓷材料及應(yīng)用傳統(tǒng)陶瓷由粘土、石英、長石等成分組成，以天然為主。2）現(xiàn)代陶瓷由Al3O2、SiC、Si3N4等成分組成，以合成為主。第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三、新材料技術(shù)及其進展

1.結(jié)構(gòu)材料（1）金屬材料作為結(jié)構(gòu)材料的金屬材料，主要仍是鋼鐵、鋁合金、鈦合金，但它們的品種層出不窮，性能也遠(yuǎn)非昔日可比。金屬材料的發(fā)展，幾乎可用一個“超”字來概括。如發(fā)展超高純度鐵、超高強度鋼、超高速鋼(用作刀具)、超硬合金、超塑性合金、超耐熱合金、超低溫材料等等。超硬質(zhì)合金鉆具超塑性成形航天器件第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）無機非金屬材料

從陶器發(fā)展到瓷器是第一次飛躍，從傳統(tǒng)陶瓷到先進陶瓷是第二次飛躍。從先進陶瓷到納米陶瓷是第三次飛躍。氧化鋯增韌陶瓷材料氧化鋯增韌陶瓷材料質(zhì)白、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好；在應(yīng)力誘導(dǎo)下發(fā)生馬氏體相變而吸收應(yīng)變能，成為在陶瓷材料中力學(xué)性能最好的材耐磨陶瓷磁選機復(fù)合陶瓷件

第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）高分子材料

高性能工程塑料是有機高分子材料發(fā)展的一個方向。它同軍事工業(yè)和尖端技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，因此，雖在世界塑料總產(chǎn)量中比例很小，僅占1％左右，但它們的作用是別的任何材料都無法比擬的，具有不容忽視的地位。尼龍、聚碳酸脂等工程塑料制品

PPS/PTFE合金適用于干磨場合第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.功能材料（1）信息電子材料是具有信息產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、檢測、存儲、調(diào)制、處理和顯示等功能的材料。信息功能材料是當(dāng)前材料科學(xué)中發(fā)展最迅速和最活躍的領(lǐng)域。信息功能材料主要有四個方面的應(yīng)用：集成電路材料、信息儲存材料、光導(dǎo)纖維與光通信材料、敏感材料和傳感器。如硅是目前最重要的半導(dǎo)體材料。鈮酸鋰（LN）晶體具有優(yōu)良的壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、非線性效應(yīng)及光折變效應(yīng)。廣泛應(yīng)用于光通信、信息處理、集成光路、圖象存儲、等方面超大容量納米級信息存儲材料1平方厘米新材料的信息存儲量達到了4萬億比特

第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）超導(dǎo)材料是指工作時處于零電阻的材料。以NbTi、Nb3Sn為代表的實用超導(dǎo)材料已實現(xiàn)了商品化，在核磁共振人體成像（NMRI）、超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁浮列車及大型加速器磁體等多個領(lǐng)域獲得了應(yīng)用；SQUID作為超導(dǎo)體弱電應(yīng)用的典范已在微弱電磁信號測量方面起到了重要作用，其靈敏度是其它任何非超導(dǎo)的裝置無法達到的。我國快速發(fā)展的超導(dǎo)材料技術(shù)應(yīng)用模型

超導(dǎo)磁浮車演示裝置第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）能源材料是指實現(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。當(dāng)前的研究熱點和技術(shù)前沿包括高能儲氫材料、聚合物電池材料、中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料、多晶薄膜太陽能電池材料等。太陽能電池材料是新能源材料研究開發(fā)的熱點，IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池，轉(zhuǎn)換率高達40%。美國能源部在全部氫能研究經(jīng)費中，大約有50%用于儲氫技術(shù)。納米鋰鎳鈷正極材料，可顯著提高電池性能第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）生態(tài)環(huán)境材料應(yīng)是同時具有滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性，或者是能夠改善環(huán)境的材料。生態(tài)環(huán)境材料是20世紀(jì)90年代在國際高技術(shù)新材料研究中形成的一個新領(lǐng)域，其研究開發(fā)在日、美、德等發(fā)達國家十分活躍，主要研究方向是：①直接面臨的與環(huán)境問題相關(guān)的材料技術(shù)，例如，生物可降解材料技術(shù)，CO2氣體的固化技術(shù)，廢物的再資源化技術(shù)，環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)，；②開發(fā)能使經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境協(xié)調(diào)性材料，如仿生材料、環(huán)境保護材料、綠色新材料等。100M3厭氧消化器及秸稈噴淋固體床2.47Kg干物質(zhì)生產(chǎn)1M3沼氣和1.5Kg有機肥，并且不產(chǎn)生任何污水。第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）生物材料是指具有特殊生理行為的材料，可用來構(gòu)成人體骨骼和牙齒等部位，甚至可望部分或整體地修復(fù)或替換人體的某種組織和器官，或增進其功能。據(jù)統(tǒng)計，近幾年全世界每年要求進行人工關(guān)節(jié)移植手術(shù)者多達15萬人，僅在美國，每年就有12萬人做人工髖關(guān)節(jié)移植手術(shù)，3.5萬人安裝人工心臟瓣膜，18萬人移植人工血管。中國每年髖關(guān)節(jié)病患者至少1萬人。陶瓷生物材料第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）智能材料智能材料是能適時地感知與響應(yīng)外界環(huán)境的變化，具有自檢測、自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能的材料。是是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，科學(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。國外在智能材料的研發(fā)方面取得很多技術(shù)突破，如英國宇航公司開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金用于測試飛機蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；以它作制動器時、反應(yīng)時間，僅為10秒鐘。利用智能材料的可控動態(tài)特性研究切削系統(tǒng)穩(wěn)定性在線控制方法第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.材料技術(shù)的發(fā)展趨勢（1）從均質(zhì)材料向復(fù)合材料發(fā)展。以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質(zhì)材料，現(xiàn)在開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結(jié)合在一起的復(fù)合材料。

碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)施第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一維納米孔復(fù)合材料，制備有序材料第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）由結(jié)構(gòu)材料為主向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展。隨著高技術(shù)的發(fā)展，其他高技術(shù)要求材料技術(shù)為它們提供更多更好的功能材料，而材料技術(shù)也越來越有能力滿足這一要求。所以現(xiàn)在各種功能材料層出不窮，終會有一天功能材料將同結(jié)構(gòu)材料在材料領(lǐng)域平分秋色。腔內(nèi)隔絕術(shù)，記憶合金支架隨之慢慢張開介電材料為導(dǎo)電性高分子材料的固態(tài)電容第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來越小的方向發(fā)展。如以前組成材料的顆粒，尺寸都在微米(100萬分之一米)方向發(fā)展的材料。由于顆粒極度細(xì)化，使有些性能發(fā)生了截然不同的變化。如以前給人以極脆印象的陶瓷，居然可以用來制造發(fā)動機零件。CPU風(fēng)扇之納米陶瓷軸承

碳納米材料，強度是鋼100倍，密度僅1/6第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）由被動性材料向具有主動性的智能材料方向發(fā)展。過去的材料不會對外界環(huán)境的作用作出反應(yīng)，守全是被動的。新的智能材料能夠感知外界條件變化、進行判斷并主動作出反應(yīng)。納米仿生技術(shù)開展基于新型納米器件的人造神經(jīng)纖維、人造神經(jīng)元、人工記憶神經(jīng)元等研究，組成仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）通過仿生途徑來發(fā)展新材料。生物通過千百萬年的進化，在嚴(yán)峻的自然界環(huán)境中經(jīng)過優(yōu)勝劣汰，適者生存而發(fā)展到今天，自有其獨特之處。通過“師法自然”并揭開其奧秘，會給我們以無窮的啟發(fā)，為開發(fā)新材料又提供了一條廣闊的途徑。納米生物技術(shù)與納米醫(yī)學(xué)開發(fā)用于疾病早期診斷治療的納米藥物載體及新劑型、微型智能化醫(yī)