1、机械制造教研室机械制造教研室 机械工程材料与成形工艺基础机械工程材料与成形工艺基础 全册配套最完整精品课件全册配套最完整精品课件 机械制造教研室机械制造教研室 课课 程程 介介 绍绍 本课程的性质及研究对象 v性质：性质： 金属工艺学金属工艺学( (材料材料成形成形及机械制造及机械制造工工 艺艺基础基础) )是一门研究材料成形工艺和机是一门研究材料成形工艺和机 械制造工艺的综合性基础课。械制造工艺的综合性基础课。 本课程的性质及研究对象 v性质：性质： 金属工艺学金属工艺学( (材料材料成形成形及机械制造及机械制造工工 艺艺基础基础) )是一门研究材料成形工艺和机是一门研究材料成形工艺和机 械
2、制造工艺的综合性基础课。械制造工艺的综合性基础课。 课课 程程 介介 绍绍 本课程的性质及研究对象 v研究对象：研究对象： 1 1、它主要讲授工程材料常用的、它主要讲授工程材料常用的成形方法成形方法及机械及机械加工加工 方法方法和和工艺特点、工艺特点、机械制造过程中常用的一些先进技机械制造过程中常用的一些先进技 术。术。 2 2、各种、各种工艺工艺方法本身的规律性及在机械制造中的方法本身的规律性及在机械制造中的 应用和相互联系；应用和相互联系； 3 3、金属零件的加工、金属零件的加工工艺工艺过程；过程； 4 4、金属材料性能及其对加工、金属材料性能及其对加工工艺工艺的影响；的影响； 5 5、工
3、艺工艺方法的综合比较等。方法的综合比较等。 课课 程程 介介 绍绍 学习本课程的目的 （1） 获得常用的金属材料、非金属材料的获得常用的金属材料、非金属材料的基本理论知基本理论知 识识，了解各种机械工程材料的，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围基本特性和应用范围； （2）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根 据零件的工作条件和失效形式，据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材正确设计和合理选材； （3）能够根据结构、工艺、外界条件（温度、环境介）能够根据结构、工艺、外界条件（温度、环境介 质）改变对材料性能的影响，质）改变对材料性能
4、的影响，正确制定零件的冷、热加工正确制定零件的冷、热加工 工艺路线工艺路线。 课课 程程 介介 绍绍 本课程的重点、难点及学习方法 v重点及难点重点及难点 v基本原理基本原理 v工艺特点工艺特点 v相互关系相互关系 学习方法学习方法 在理解基础上记忆在理解基础上记忆 在记忆基础上加深理解在记忆基础上加深理解 特点：特点： 理论性强理论性强 实践性强实践性强 无公式推导无公式推导 课课 程程 介介 绍绍 关于教材金属工艺学 热加工工艺基础热加工工艺基础冷加工工艺基础冷加工工艺基础 工 程 材 料 导 论 金 属 液 态 成 形 金 属 塑 性 成 形 金 属 连 接 成 形 表表 面面 切切 削
5、削 成成 形形 的的 基基 本本 方方 法法 金 金 属属 切切 削削 加加 工工 基基 础础 课课 程程 介介 绍绍 零件的生产工艺过程 选材选材 选毛坯选毛坯预先热处理预先热处理 机械加工机械加工 最终热处理最终热处理检验检验 应根据零件的性能要求、受载情况、服役条应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、件、 工作环境等：工作环境等： 选材：选材：金属材料种类繁多，性能不一，根据零件的性能要求、金属材料种类繁多，性能不一，根据零件的性能要求、 服役条件的不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。服役条件的不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。 课课 程程 介介 绍绍 毛坯选择毛
6、坯选择 机械加工方法机械加工方法 轴轴 车削车削 传统的有传统的有 现代的有现代的有 有液态成形毛坯有液态成形毛坯 塑性成形毛坯塑性成形毛坯 连接成形毛坯连接成形毛坯 粉末冶金成形粉末冶金成形 型材等毛坯型材等毛坯 车削、刨车削、刨 削、铣削削、铣削 拉削、镗削、磨削等拉削、镗削、磨削等 数控加工、电火花数控加工、电火花 加工、激光加工等加工、激光加工等 特种加工方法特种加工方法 预先热处理预先热处理： 为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度，为使切削加工能顺利进行，可通过预先热处理调整硬度， 为切削加工做好组织准备。为切削加工做好组织准备。 最终热处理：最终热处理： 使材料的性能达
7、到要求。使材料的性能达到要求。 课课 程程 介介 绍绍 零件的失效与失效分析零件的失效与失效分析 失效失效: 1、零件完全破坏，不能继续工作、零件完全破坏，不能继续工作 2、零件严重损伤，不能继续安全工作、零件严重损伤，不能继续安全工作 3、零件虽能安全工作，但已不能起到预期作用、零件虽能安全工作，但已不能起到预期作用 课课 程程 介介 绍绍 零件的失效与失效分析零件的失效与失效分析 零件失效方式零件失效方式 断断 裂裂 过量变形过量变形 表面损伤表面损伤 过量塑性变形过量塑性变形 脆性断裂脆性断裂 疲劳断裂疲劳断裂低应力断裂低应力断裂 蠕变断裂蠕变断裂应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂 过量弹性变形过
8、量弹性变形 韧性断裂韧性断裂 磨损磨损 腐蚀腐蚀 接触疲劳接触疲劳 设计不合理设计不合理 选材不合理选材不合理 加工工艺不当加工工艺不当 安装使用不正确安装使用不正确 绪绪 论论 机械工程材料的定义和分类机械工程材料的定义和分类 二二 材料哲学史材料哲学史三三 1 材料概述材料概述一一 材料应用材料应用四四 材料轶事材料轶事五五 材料是社会发展的物质基础、人类文明进步的尺度 1 材料概述材料概述一一 v 旧石器时代旧石器时代 v 新石器时代新石器时代 v 陶器时代陶器时代 v 青铜器时代青铜器时代 v 铁器时代铁器时代 历史学家把某一类材料的特征及其广泛应 用作为人类文明史各个阶段的一种标志
9、材料是社会发展的物质基础、人类文明进步的尺度 1 材料概述材料概述一一 v 钢钢 v 硅硅 v 塑料塑料 v 合成材料合成材料 v 半导体半导体 我们现在所处的时代应该称为什么时代？ v 精密陶瓷精密陶瓷 v 复合材料复合材料 v 纳米材料纳米材料 v 材料成为了一个新的独立的科学门类。这 个新学科与物理、化学、力学、机械、冶金、 化工等传统科学门类水乳交融，但是具有其 独特的鲜明的个性。也正是因为与各个传统 科学门类水乳交融，材料学科在不同的场合 就被划分成了材料物理、材料化学、材料力 学、材料工程学等诸多分支。 1 材料概述材料概述一一 什么是材料？ 1 材料概述材料概述一一 材料是可以用
10、来制造有用的构件、器件 或物品的物质。 师昌绪主编：材料大辞典p.58 材料是“具有一定性能的物质, 可以用 来制成一些机器、器件、结构和产品” 。 美国科学院、美国工程院联合编写 材料：人类的需求 什么是材料？ 1 材料概述材料概述一一 材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质 材 料 = 物 质 Materials = Matter 水是材料？ 冰是材料？ 几乎所有的物质都可以称为是材料 什么样的材料值得我们关注？ 并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注 那么下一个问题就是 先来看看材料的发展历史 什么是材料？ 1 材料概述材料概述一一
11、v群居洞穴的猿人通过简单加工获 得石器以狩猎、护身和生存。 v旧石器时代：这段文化时 期，最早开始于大约 750,000年以前的以狩猎 和打制石器工具为主。 v新石器时代：属于或同始 于大约公元前 10,000年中 东及后来其它一些地方的 文化时期相关，以农业发 展和磨制石具的制作为特 征 。 什么是材料？ 1 材料概述材料概述一一 n 随着对石器加工制作水平的提高，出现了原 始手工业如制陶和纺织 什么是材料？ 1 材料概述材料概述一一 n 青铜时代大约源于4000 5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金， 与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大 促进了农业和手工业
12、的出现。 什么是材料？ 1 材料概述材料概述一一 （3） v铁器时代被认为是始于2000多年前，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器得以广 泛应用，大大促进了当时社会的发展。 什么是材料？ 1 材料概述材料概述一一 什么是材料？ 1 材料概述材料概述一一 v钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会 开始从开始从农业和手工业社会农业和手工业社会进入了进入了工业社会工业社会。 v本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用， 则把人类由则把人类由工业社会工业社会推向推向信息和知识经济社会信息和知识经济社会。 什么是
13、材料？ 1 材料概述材料概述一一 一方面，材料是人类生存和生活必不可缺少 的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接 推动社会发展的动力。 另一方面，随着社会的发展，科学技术的进 步以及自然资源和能源的逐渐减少，人们所关注 的、所使用的材料种类也在发生着变化 什么是材料？ 1 材料概述材料概述一一 因此材料的定义可以发展为：因此材料的定义可以发展为： 人类社会所能够接受的经人类社会所能够接受的经 济地制造有用器件的物质济地制造有用器件的物质 什么是材料？ 1 材料概述材料概述一一 一个例子 1 材料概述材料概述一一 高比强铝合金給高比强铝合金給 20 世纪的世纪的“新新” 材料带来了第一个突破
14、材料带来了第一个突破 比强：比强度，也就是材料比强：比强度，也就是材料 的的强度与密度之比强度与密度之比。具有高。具有高 强度、低密度的材料无疑具强度、低密度的材料无疑具 有应用优势。有应用优势。 钢的比强度为：钢的比强度为： 0.64 106 cm 铝合金的比强度为：铝合金的比强度为：2.64 106 cm 后者是前者的后者是前者的 4 倍，这对于结构材料来倍，这对于结构材料来 说是几千年来的一个飞跃。说是几千年来的一个飞跃。 一个例子 1 材料概述材料概述一一 铝铝 v铝是一种轻金属，密度铝是一种轻金属，密度 2.7 g/cm3,大约是铁的大约是铁的 1/3 。纯铝的拉伸强度只有。纯铝的拉
15、伸强度只有 48 MPa，只有钢的，只有钢的1/10 左右。因此在早期并未得到重视。左右。因此在早期并未得到重视。 vAl 在地壳中含量丰富，占在地壳中含量丰富，占 1/12，但主要以，但主要以 Al2O3的状态存在。的状态存在。18 世纪发现了世纪发现了 Al 元素的存元素的存 在，在，1825 年丹麦物理学家年丹麦物理学家 Hans Oersted 第一次第一次 成功地提炼出金属铝，但是提炼方法比较复杂成功地提炼出金属铝，但是提炼方法比较复杂 ，产量很低，使得其价格极为昂贵。，产量很低，使得其价格极为昂贵。 铝曾经比金银还要珍贵铝曾经比金银还要珍贵 v100多年前，为了表彰门捷列夫对化学的
16、 杰出贡献，英国皇家学会不惜重金制作 了一个比黄金还要贵重的奖杯铝杯， 赠送给门捷列夫。 v法国皇帝拿破仑三世为了显示自己的尊 贵，用铝作了一顶头盔，成为轰动一时 的新闻。每逢盛大国宴，别人都用银制 餐具，而他独自使用一套铝制餐具。 一个例子 1 材料概述材料概述一一 技术的进步让铝走出了首饰店技术的进步让铝走出了首饰店 v1886 年，年， 22 岁的美国人岁的美国人 Hall 发明了熔盐电解发明了熔盐电解 法制取金属铝，此法投产后，金属铝的产量迅法制取金属铝，此法投产后，金属铝的产量迅 速增长，价格则大幅度下降速增长，价格则大幅度下降 ，从而把铝的大规，从而把铝的大规 模生产变成了现实。这
17、个年轻人组成了一个大模生产变成了现实。这个年轻人组成了一个大 公司，这就是今天美国美铝公司公司，这就是今天美国美铝公司 (Alcoa) 的前的前 身。身。 将氧化铝将氧化铝 (A12O3) 溶解在熔融的冰晶石溶解在熔融的冰晶石 (Na3AlF6) 中进行电解中进行电解( 电解液温度接近电解液温度接近 1000) 在在 上可以找到很多关于铝以上可以找到很多关于铝以 及铝合金的信息及铝合金的信息 一个例子 1 材料概述材料概述一一 v铝的应用市场的打开是从 20 世纪 30 年代开始 的。为了提高铝的比强度，当时关于铝的研究 有两个热门话题： 合金强化 时效硬化 在 Al 中加入 Cu、Mn、Si
18、、Mg、Fe、Zn 等元素，形成所 谓的铝合金以提高 Al 的强度。 把合金强化处理后形成的铝合金加热到一定温度以上进行 “熔解处理”，使合金处于均匀的单相状态，然后快速淬 火，保持其单相组织。此后再在稍高于室温的温度下加热， 使合金中慢慢析出第二相，以提高合金的强度。 一个例子 1 材料概述材料概述一一 铝合金的出现，大大拓宽了铝的用途铝合金的出现，大大拓宽了铝的用途 n 航天飞机、大型客机 n 铝门窗、铝活动建筑 n 铝细粉是一种火箭固体燃料 n 铝 箔 n 铝电缆 n 易拉罐 n 2000年，光美国就生产了1000亿个铝易拉罐。轻、薄、耐腐蚀。易 拉罐上的易拉扣，的确是一项高技术，代表了
19、铝材和铝加工的现代 成就。 一个例子 1 材料概述材料概述一一 美国纽约的世界 贸易大厦是一个 大量使用铝合金 贴面的雄伟建筑。 可惜已经灰飞烟 灭了。 一个例子 1 材料概述材料概述一一 长期以来人们一直认为铝是无毒的，因此用起来长期以来人们一直认为铝是无毒的，因此用起来 很放心。但是医学家经过长期研究后发现，人体摄很放心。但是医学家经过长期研究后发现，人体摄 入过量的铝也会带来危害。入过量的铝也会带来危害。 由于铝制品的大量使用，特别是铝制品盛放咸的、由于铝制品的大量使用，特别是铝制品盛放咸的、 酸性的或碱性的食物时，其表面的保护膜就会遭到酸性的或碱性的食物时，其表面的保护膜就会遭到 破坏
20、，氧化铝就会被溶解，使人体摄入铝的量增加，破坏，氧化铝就会被溶解，使人体摄入铝的量增加， 日积月累，对健康会产生影响。日积月累，对健康会产生影响。 友情提示 一个例子 1 材料概述材料概述一一 一般说来，一种材料能否在一个时代引起一般说来，一种材料能否在一个时代引起 人们关注、得到广泛使用应该从以下几方人们关注、得到广泛使用应该从以下几方 面加以分析面加以分析 v 资资 源源 v 能能 源源 v 环环 保保 v 经经 济济 v 质质 量量 材料生命周期 1 材料概述材料概述一一 新陈代谢这一生命规律在材料中也是同样存在 的。事实上，每种材料都有其生命曲线 出现发展成熟 衰退 衰退主要是由于社会
21、 发展和科学技术进步 导致的。 一个新材料的诞生，从实 验室研制出样品到工业上 的大规模实际使用，大概 需要 15 20 年时间。 材料生命周期 1 材料概述材料概述一一 所谓的“材料科学”的主要研究对象是新 材料，或者是想方设法使传统材料获得新 生。 出现发展成熟 衰退 新材料传统材料 材料生命周期 1 材料概述材料概述一一 v石棉是含有铁、镁、镍、钙、铝等元素的硅酸 盐，分为温石棉和青石棉两种，由于具有结实 、抗弯、绝缘、隔热、保温、耐酸碱腐蚀等优 点，所以被广泛用于建筑、造船、航天和交通 机械中隔热、保温、防火等领域。 v石棉经过加工后制成的纺织、石棉水泥制品， 具有耐磨、绝缘等特点，还
22、可制成防火材料、 滤料、填料等。据统计，石棉的各种用途已逾 千种 。 石棉 “夕阳材料” 1 材料概述材料概述一一 v近年来的研究表明石棉是一种致癌物质，欧美 国家许多癌症的病因，都曾与石棉污染有关。 目前这种状况正在向发展中国家转移。 v据保守估计，今后30年中死于石棉污染者将达 到100万，其中大多数是制造含石棉的地板、 天花板、屋顶材料、接合剂和自动闸的工人。 若进行大规模楼层定向爆破、拆除等工作时， 现场附近人员不采取防护措施，也极可能被构 成伤害。 石棉 “夕阳材料” 1 材料概述材料概述一一 v专家估计，全世界每年约有20万人死于与石棉 有关的癌症，其中约25死于肺癌，10死于 恶
23、性间皮瘤。 v在欧盟的15个国家中，已有12个禁止使用石棉 ，沙特阿拉伯也将它列在禁用之列，阿根廷、 智利等国也随之仿效。目前美国也不再生产石 棉，其石棉使用仅依靠进口。 石棉 “夕阳材料” 1 材料概述材料概述一一 v钢铁工业在发达国家已进入衰退阶段，原因是有 许多新材料来代替钢铁，并且钢铁生产污染环境 ，他们往往把这些企业放在第三世界国家。 v钢铁在我国还在成熟阶段，钢铁的需求量很大， 不但每年产量有所增加,每年还需进口2000万吨。 钢铁 “夕阳材料” 1 材料概述材料概述一一 v据估计,我国的钢产量达到12000万15000万吨， 才能满足国内市场需要。 钢铁钢铁 “夕阳材料” 1 材
24、料概述材料概述一一 在“911”事件中变成废墟的纽约世贸大厦的数十万吨废钢铁 被运往中国和印度，将在那里回炉后重新使用。从这两座 100 多层的双子大厦废墟中回收的钢材数量相当可观，估计 多达 40 万吨。 “夕阳材料” 1 材料概述材料概述一一 陶瓷陶瓷 “常青树” 1 材料概述材料概述一一 绪绪 论论 机械工程材料的定义和分类机械工程材料的定义和分类 二二 材料哲学史材料哲学史三三 1 材料概述材料概述一一 材料应用材料应用四四 材料轶事材料轶事五五 机械工程材料的定义和分类机械工程材料的定义和分类 二二 分类（按化学成分分） 复合材料复合材料 工程材料工程材料 金属材料金属材料 陶瓷材料
25、陶瓷材料 高分子材料高分子材料 机械工程材料的定义和分类机械工程材料的定义和分类 二二 分类（按化学成分分） 复合材料复合材料轻、高的比强度、比刚度，结合轻、高的比强度、比刚度，结合 两种材料的性能优点，用于航空航天等领域两种材料的性能优点，用于航空航天等领域 工程材料工程材料 金属材料金属材料综合性能好，用量最综合性能好，用量最 大、应用范围最广大、应用范围最广 陶瓷材料陶瓷材料高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘，高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘， 用于电器、化工、航空航天等等用于电器、化工、航空航天等等 高分子材料高分子材料质轻、质轻、 耐腐蚀，常用于化工、耐腐蚀，常用于化工、 机械、航空航天等机械
26、、航空航天等 机械工程材料的定义和分类机械工程材料的定义和分类 二二 定义 机械工程材料主要指用于机械工程机械工程 （机械装备制造）（机械装备制造）、电器工程、建筑、电器工程、建筑 工程（工程（图图0-10-1）、石油化工工程、航空）、石油化工工程、航空 航天工程、国防建设交通运输航天工程、国防建设交通运输等领域 的材料。 材料、信息、能源、生物称为现代技术 的四大支柱。 机械工程材料的定义和分类机械工程材料的定义和分类 二二 机械工程材料的常用性能 包括两方面 材料材料使用性能使用性能 材料材料工艺性能工艺性能 力学性能力学性能（强度、塑性韧性等）强度、塑性韧性等） 物理性能物理性能（光、热
27、、电、磁等）（光、热、电、磁等） 化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等） 加工性能加工性能（切削、锻造等）（切削、锻造等） 铸造性能铸造性能（适合铸造与否）（适合铸造与否） 焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否） 热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化） 绪绪 论论 机械工程材料的定义和分类机械工程材料的定义和分类 二二 材料哲学史材料哲学史三三 1 材料概述材料概述一一 材料应用材料应用四四 材料轶事材料轶事五五 材料哲学史材料哲学史三三 The Philosophy History of Materials 材料哲学史材料哲学史三三 The Philosop
28、hy History of Materials 材料哲学史材料哲学史三三 The Philosophy History of Materials 一部材料发展哲学史就是一部人类探索、认识、改 造物质世界包括人类自身的思想发展史。 材料哲学史材料哲学史三三 最能引起哲学反思的新材料克隆人 中国社会科学院哲学所伦理学博士后李隼认为克隆造人是人类道德水平 的提高 ？ 有些人认为，世界上多一些年龄差距大的同卵双胞胎, 实在没有多少值 得大惊小怪的 还有学者认为，我们不能盲目地跨进克隆人的时代，当我们 在技术上已经能够克隆人时，但为了公正的伦理原则，为了 尊重人类遗传学和医学遗传学中所公认的伦理原则，也
29、不能 克隆人。 既然人类经历了猿人、直立人、能人、智人、现代 人等突变过程，为什么不会出现克隆人时代？ 只不过前者是自然突变，而后者则是人力突变。 绪绪 论论 机械工程材料的定义和分类机械工程材料的定义和分类 二二 材料哲学史材料哲学史三三 1 材料概述材料概述一一 材料应用材料应用四四 材料轶事材料轶事五五 材料应用材料应用四四 材料科学 20 世纪对于材料的发展历史来说是一个值得世纪对于材料的发展历史来说是一个值得 大书特书的时期。大书特书的时期。20 世纪科学技术领域一系列惊世纪科学技术领域一系列惊 人的重大发现导致了原子能、航空航天、激光、信人的重大发现导致了原子能、航空航天、激光、信
30、 息、能源等领域的巨大变化，而这些巨大变化则有息、能源等领域的巨大变化，而这些巨大变化则有 力地促进了材料的发展，使得材料在力地促进了材料的发展，使得材料在 20 世纪中叶世纪中叶 发生了一次发生了一次“革命性革命性”的飞跃，这个飞跃的标志就的飞跃，这个飞跃的标志就 是是“材料科学材料科学”的形成。的形成。 材料应用材料应用四四 材料科学 v 超音速飞机超音速飞机 ( (镍基超级合金镍基超级合金) ) v 计计 算算 机机 ( (晶体管、半导体晶体管、半导体) ) v 航天飞机航天飞机 ( (高温结构陶瓷高温结构陶瓷) ) 20 世纪中叶的几项成果世纪中叶的几项成果 材料应用材料应用四四 材料
31、科学 1947 年，在美国新墨西哥州哥西维尔地方， 有一艘外星来的宇宙飞船坠毁了。科学家们纷纷云 集此地，对这艘飞船进行了全方位的研究，于是地 球上就诞生了半导体、光纤、激光器等一系列对当 代文明产生了显著影响的新材料。 后来美国政府将这艘飞船隐匿起来了 20 世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领 域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其 中的主要内容之一。中的主要内容之一。 v1957 年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而 引发了全球性的材料科学研究。 v美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材 料科学作为一个学科对待。
32、材料应用材料应用四四 材料科学 20 世纪世纪 80 年代出现的新技术革命把新材料、信息年代出现的新技术革命把新材料、信息 技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。 v 美国国防部美国国防部1991年提出年提出20项关键技术，有项关键技术，有5项以材料项以材料 为主。为主。 v 同年，美国白宫发布美国国家关键技术项目共同年，美国白宫发布美国国家关键技术项目共6领域领域 22项关键，材料为项关键，材料为6领域之一。材料合成与加工、电领域之一。材料合成与加工、电 子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金5
33、项为关键。项为关键。 v 从从1995年至年至2001年每两年更新一次的美国国家关键年每两年更新一次的美国国家关键 技术报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的技术报告中，特种功能材料和制品技术占了很大的 比例。比例。 材料应用材料应用四四 材料科学 20 世纪世纪 80 年代出现的新技术革命把新材料、信息年代出现的新技术革命把新材料、信息 技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。技术、生物技术并列为新技术革命的重要标志。 v2001年日本文部省发布的第七次技术预测研究年日本文部省发布的第七次技术预测研究 报告中列出了影响未来的报告中列出了影响未来的100项重要课题项重要课题,一半一半 以上
34、为新材料或依赖于新材料发展的课题以上为新材料或依赖于新材料发展的课题,而其而其 中绝大部分均为功能材料。中绝大部分均为功能材料。 v欧盟第六框架计划和韩国的国家计划等把功能欧盟第六框架计划和韩国的国家计划等把功能 材料技术列为关键技术之一加以重点支持。材料技术列为关键技术之一加以重点支持。 v我国我国863高技术发展计划，材料是高技术发展计划，材料是7个重点之一个重点之一 ，重大基础研究攀登计划的，重大基础研究攀登计划的30个重大课题中有个重大课题中有 7个与材料直接有关。个与材料直接有关。 材料应用材料应用四四 材料科学 材料涉及的领域极为广泛，举凡国材料涉及的领域极为广泛，举凡国 家的工农
35、业建设和国防建设，人民生活家的工农业建设和国防建设，人民生活 水平的提高，无不与材料密切相关。所水平的提高，无不与材料密切相关。所 以材料的科学研究、新产品的开发、工以材料的科学研究、新产品的开发、工 业大生产与合理应用都关系到社会进步、业大生产与合理应用都关系到社会进步、 国家安全，因此人们把材料誉为现代文国家安全，因此人们把材料誉为现代文 明的三大支柱之一。明的三大支柱之一。 摘自：师昌绪主编摘自：师昌绪主编材料大辞典材料大辞典前言前言 新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。 不妨看几个简单的数据不妨看几个简单的数据 v以每公斤产品的出
36、厂价格计算，把原材料比作以每公斤产品的出厂价格计算，把原材料比作1， 那么小轿车为那么小轿车为5，家电为，家电为30，飞机为，飞机为200，计算机，计算机 为为1000，集成电路芯片则为，集成电路芯片则为10000。产品中的技术。产品中的技术 含量越高，收益就越高。含量越高，收益就越高。 v 2000 年，世界新材料市场销售额达到年，世界新材料市场销售额达到 4000 亿美亿美 元，美国占市场份额元，美国占市场份额 40%，日本占市场份额，日本占市场份额 20% (预计数据预计数据)。 v据据 1982 年统计，美国每年因材料腐蚀造成的直接年统计，美国每年因材料腐蚀造成的直接 经济损失为经济损
37、失为 1260 亿美元。材料断裂和磨损造成的亿美元。材料断裂和磨损造成的 损失分别为损失分别为 1190 亿和亿和 1000 亿美元。亿美元。 材料应用材料应用四四 材料科学 战后日本经济的迅速崛起，与战后日本经济的迅速崛起，与 其政府对材料的高度重视有关。其政府对材料的高度重视有关。 材料应用材料应用四四 材料科学与综合国力 700 1700 2755 2082 9690 2500 0 2000 4000 6000 8000 10000 年产量 (万吨)年产量 (万吨) 1952年1962年1972年 日本 英国 n 二战结束的时候，钢铁仍然是整个世界经济的支柱。 意识到必须具有高质量和低成
38、本的钢铁，日本开始 大力发展钢铁工业 这一技术政策推动了日本的汽车工业和其他一些主 要用钢材的产品，使得日本经济得到了很大的发展。 材料应用材料应用四四 材料科学与综合国力 n 1970 年以后，日本认识到当今世界已经处于硅时 代，因此在保持钢的生产优势的同时，日本瞄准 了硅材料，开始大力发展半导体工业，使得家用 电器的生产在世界市场中占据了绝对优势。 n 英国此时却忽略了硅时代的到来，由于没有相应 的技术政策和战略眼光，其结果是英国有2000 名 研究硅材料的科学家流入美国硅谷。 n 1988 年仅在信息技术产品这一项上，英国对日本 的贸易赤字就高达 2.2 亿英镑，这还不包括由硅片 控制的
39、自动聚焦的照相机之类的产品。 材料应用材料应用四四 材料科学与综合国力 英国人悲哀地说：英国没有硅工业了，英国从第一 流的经济大国变为了第二流的经济发达国家，而日 本却从第二流的经济发达国家变成了第一流的经济 大国，英国的态度恰似一个仍然停留在石器时代的 国家，而没有进展到青铜器时代。 材料应用材料应用四四 材料科学与综合国力 材料应用材料应用四四 中国国家大剧院 设计灵魂：设计灵魂： 外壳、生命和开放。外壳、生命和开放。 材料应用材料应用四四 中国国家大剧院 材料应用材料应用四四 中国国家大剧院 材料应用材料应用四四 中国国家大剧院 大剧院建筑屋面呈半椭圆型,由钛金属板覆 盖,前后两侧有两个
40、类 似三角形的渐开式玻璃 幕墙切面,整个建筑漂浮于人造水面之上. 国家大剧院主体建筑钢结构超椭 球体壳为一个超大空间壳体，壳 体是经过精确数字计算得出的系 数为2.24的超级椭球，它集建筑、 材料、设备等高科技于一身，其 外围护装饰板面积约36000m2。 巨大的壳体是建筑与结构的融合 体、墙面与顶面浑然一体没有界 限。整个钢壳体由顶环梁、钢架 构成骨架，148榀(其中102榀不 露明，46榀露明)弧形钢架呈放 射状分布，钢架之间由连杆、斜 撑连接，壳体钢架从外观看似是 落在水中，实际上下部是支撑在 3m宽2m高的巨大混凝土圈梁 上。设计考虑到方便施工及加工 周期问题，壳体钢结构构件尽量 标准
41、化，并易于装配。 材料应用材料应用四四 中国国家大剧院 大剧院建筑屋面呈半椭圆型大剧院建筑屋面呈半椭圆型,由钛金属板覆由钛金属板覆 盖盖,前后两侧有两个类前后两侧有两个类 似三角形的渐开式玻璃似三角形的渐开式玻璃 幕墙切面幕墙切面,整个建筑漂浮于人造水面之上整个建筑漂浮于人造水面之上. 钛金属板 大剧院壳体除部分为玻璃幕墙外， 其它均为钛金属复合板装饰 总面 积约30800m2，每块尺寸约 2000mm800mm4mm的 钛板(0.3mm钛板+3.4mm氧化 铝+0.3mm不锈钢)，共使用了 20000多块。钛金属板最外层的 0.3mm“贴膜”钛金属是日本 进口的，并对其进行了特殊氧化 处理以
42、经得起将来的清洗。其特 点为化学性质稳定常态下不易被 氧化、表面金属光泽极具质感、 自重轻、强度高、耐腐蚀、15年 不变颜色。目前在国际上还没有 这么大面积在建筑物表面使用钛 金属板的先例。 材料应用材料应用四四 中国国家大剧院 大剧院的多层结构和功能厅大剧院的多层结构和功能厅. . 从满足功能(防水、保温、声学、 消防排烟等)及美观效果方面出 发，壳体的不同层次构造都是 经过精心设计的，共分六层材 料(从外向内的顺序)：钛板(外 装饰)、锤纹铝镁合金板(防水)、 16kgm3长玻璃纤维棉(保 温)、2mm钢板(衬板)、 100kgm3K13粉末(吸音)和 红木吊顶(内装饰)。主要构造 为 主
43、钢梁上的调节牛腿固定檩 条及次檩一条，在次檩条上固 定2mm钢衬板及T型码，在 2mm衬板上粘贴固定长玻璃纤 维保温层，其上为固定在T型码 上防水板的，T型码上再固定三 次檩条，最外层的钛板固定在 三次檩条上，2mm衬板内层喷 K13的吸音材料，在主钢梁内 侧固定钢龙骨安装红木吊顶。 金属网 建筑师利用金属网的通透性， 使简单厚重的建筑结构在视觉上 形成为多维空间，轻盈简捷又不 失空间的纵深感站在壳体的公共 空间内，人们可以看到弧形的金 属网从高处垂下，将歌剧院与壳 体公共空间分隔开来隐隐透出淡 黄色人们可以透过金属网看到歌 剧院环廊内人们活动的场景，若 隐若现，朦胧而神秘，激发人们 的好奇、
44、想象和思索。建筑师充 分利用了金属网的特点来提升室 内的装饰效果。 金属网构造其纵向采用5根 2mm不锈钢绳索 间距77mm， 横向用3.5mm铝镀金色单纤丝 杆，间距11mm 透过歌剧院的金属网看外景 材料应用材料应用四四 中国国家大剧院 材料应用材料应用四四 埃菲尔铁塔 312+12 材料应用材料应用四四 东京铁塔 333 材料应用材料应用四四东方明珠 467.9 材料应用材料应用四四俄罗斯莫斯科电视塔537 材料应用材料应用四四加拿大国家电视塔553 材料应用材料应用四四 中国广州电视观光塔 600 材料应用材料应用四四 东京天空树电视塔 634 材料应用材料应用四四 Titanic 材
45、料应用材料应用四四 Titanic 材料应用材料应用四四 Titanic 材料应用材料应用四四 Titanic 17吨残片吨残片 材料应用材料应用四四 Titanic 公元公元1912年初，英国制造的年初，英国制造的“泰坦尼克号泰坦尼克号” 超级豪华巨轮建成下水，首航途中撞击冰山超级豪华巨轮建成下水，首航途中撞击冰山 右舷破裂进水，船头斜插入海，船尾翘上天，右舷破裂进水，船头斜插入海，船尾翘上天， 然后从半腰折断沉入深海，其时巨响震天、然后从半腰折断沉入深海，其时巨响震天、 浊浪排空、夜色沉沉浮冰闪烁、人声惊恐夜浊浪排空、夜色沉沉浮冰闪烁、人声惊恐夜 色凄怆。几十年之后，人们才寻觅到它的残色凄
46、怆。几十年之后，人们才寻觅到它的残 骸，拍摄几万张照片，收集船中物品和金属骸，拍摄几万张照片，收集船中物品和金属 碎片分析研究，企图探索当年沉没的详细情碎片分析研究，企图探索当年沉没的详细情 景，可惜原始文献太少，使深入研究困难重景，可惜原始文献太少，使深入研究困难重 重。重。 材料应用材料应用四四 Titanic 据说制造上述巨轮的钢材是当时最好的，这是一种含S量高的钢材，所用的欧洲铁 矿90%以上含P，并且很难除去。S、P都是有害杂质。S使金属晶粒粗大变脆，P、 As、Al在钢中生成低熔点共晶物增加钢的热脆性；或从熔体析出，使材料在焊接 中开裂。而O2、N2、H2等气体在钢中生成氧化物夹杂
47、，使材料疲劳而破坏。Si在 钢中形成多种形态的脆性物质，Si-Fe合金硬而脆。H2的溶入导致H2病增加脆性， 使转轴容易扭断。 高强度合金钢应该是低含C量，这有可能提高焊缝的韧性和硬度。添加微量元素 于钢中可细化晶粒并提高强度和韧性与可加工性。由此而采用快速冷却的热轧工 艺，严格控制夹杂物的形态和浓度。船用不锈钢一般是含Cr11%12%的Fe基合 金或Cr-Ni合金，这是一种马氏体或奥氏体不锈钢，只有它才能有效抵抗酸碱气体 和海水的腐蚀。但从打捞起来的船钉来看，其长10cm，端口有平行黑色条纹，呈 玻璃颗粒状夹杂，其杂质含量超过9%。 由于冰山撞破船底及侧舷板，同时划裂6个缺口，海水汹涌灌入舱
48、房，使船体迅速 倾斜，船内一切重物因固定螺钉失效而滑向船头，人和物更是如此。于是船头重 量骤增，船尾越翘越高，庞大的船体结构（也称龙骨）已经无法承受如此巨大的 扭矩，于是顷刻崩断，并非弯曲，因为高S钢缺少延展性，在冰冷（-2）的海水 中不会收缩，一经冰山冲击，立即如玻璃一样迸裂四散，碎片如雨。仅仅在两小 时之内人船俱沉，一片凄凉。 材料应用材料应用四四 波音公司 1970年，年，B747硬铝、钢铁硬铝、钢铁 材料应用材料应用四四 波音公司 1990年，年，B777硬铝、钢铁与钛合金硬铝、钢铁与钛合金 材料应用材料应用四四 波音公司 2010年，年，B787钛合金与复合材料钛合金与复合材料 材料
49、应用材料应用四四 手机各种金属材料 2009年，日本回收年，日本回收4000万部手机中，含万部手机中，含 有有0.65吨金和吨金和5.5吨银。吨银。 材料应用材料应用四四 春秋名剑 考古学家们却发现了考古学家们却发现了2500年前的几把吴王夫差剑和一把越王勾践年前的几把吴王夫差剑和一把越王勾践 剑。剑。 吴王夫差剑锈蚀严重，不过 在剑身上的两行阴文篆书 “攻玫王夫差自乍其元用” 却依然清晰可辨。这把赫赫 有名的吴王夫差剑，残锷至 今仍锋利非常;剑首六个同心 圆状的花纹，细如发丝、十 分完好;剑格部分镶嵌着绿松 石，构成的图案还依稀可辨。 材料应用材料应用四四 春秋名剑 越王勾践剑越王勾践剑 1965年年12月在湖北省江陵县，距春秋战国月在湖北省江陵县，距春秋战国 时楚国的郢都纪南城故址时楚国的郢都纪南城故址7公里的一座楚墓公里的一座楚墓 里，一柄装在黑色漆木剑鞘内的青铜剑出土里，一柄装在黑色漆木剑鞘内的青铜剑出土 了，这就是闻名中外的了，这就是闻名中外的“越王勾践剑越王勾践剑”。剑。剑 通长通长55.7厘米，宽厘米，宽4.6厘米，柄长厘米，柄长8.4厘米。厘米。 剑身满布黑色棱形花纹，庄重华贵剑身满布黑色棱形花纹，庄重华贵;靠近剑靠近剑 格处有格处有8个错银鸟篆字个错银鸟篆字“越王鸠浅（勾践）越王鸠浅（勾践） 自作用（剑）自作用（剑）“;剑格两面都用蓝色琉璃镶剑格两面都用蓝色琉璃
