机械工程材料全册配套最完整精品课件3.ppt
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1、 l一、材料和材料科学一、材料和材料科学 l二、工程材料的分类二、工程材料的分类 l三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展 l四、机械工程材料课程的性质和任务四、机械工程材料课程的性质和任务 l五、成绩计算五、成绩计算 l一、材料和材料科学一、材料和材料科学 l1、材料、材料 材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造 各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。 材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活 所必须的物质基础。所必须的物质基础。 手手 锤锤 锉刀锉刀 国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 石器石器 铁器铁器 象形尊象形尊( (西周西周) ) l石器时代石器时代 l
2、青铜器时代青铜器时代 l铁器时代铁器时代 由于材料的重要性,由于材料的重要性, 历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。 材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。 材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图 龙芯龙芯联想计算机联想计算机 l没有半导体材料的工业化生产,就不可能有目前没有半导体材料的工业化生产,就不可能有目前 的计算机技术。的计算机技术。 没有高温高强度的结构材料,就不可能有今天的航没有高温高强度的结构材料,就不可能有今天的航 空工业和宇航工业。空工业和宇航工业。 在航天飞机
3、表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片 飞机发动机叶片飞机发动机叶片 波音客机波音客机 没有低消耗的光导纤维,也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维,也就没有现代的光纤通讯。 二十世纪七十年代,人们把材料与能源和信息并列,二十世纪七十年代,人们把材料与能源和信息并列, 称作现代文明的三大支柱之一。称作现代文明的三大支柱之一。 中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出 过重大贡献。过重大贡献。 l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器时代,年的新石器时代, 中华民族的先人就能中华民族的先人就能 用黏土烧制成陶器,用黏土烧制成陶器
4、, 到东汉时期又出现了到东汉时期又出现了 瓷器,并流传海外。瓷器,并流传海外。 4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜,到殷、商年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜,到殷、商 时期,我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。时期,我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。 司母戊鼎司母戊鼎 河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造青铜铸造 高高133厘米厘米 重重875kg 饰纹优美饰纹优美 春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利 锋能割断头发锋能割断头发 春秋战国时代的春秋战国时代的 青铜剑,剑身及青
5、铜剑,剑身及 剑锋由不同成分剑锋由不同成分 的青铜组成,是的青铜组成,是 复合材料很好的复合材料很好的 例子例子 梯度材料古已有之梯度材料古已有之 这是古代剑刃截面图这是古代剑刃截面图 l黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址 l春秋晚期春秋晚期 l矿井深达矿井深达50m50m l炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达4040万吨万吨 l实属罕见实属罕见 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器,明朝科学我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器,明朝科学 家宋应星在家宋应星在天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳一书中就记载了古代的渗碳 热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前,我国热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前,我
6、国 在金属材料及热处在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。理方面就已经有了较高的成就。 生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图 宋应星宋应星 新中国成立后,先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量新中国成立后,先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量 由由49年的年的15.8万吨上升到万吨上升到10年的年的6.27亿吨。亿吨。 鞍钢 攀钢夜景 原子弹、氢原子弹、氢 弹的爆炸,弹的爆炸, 卫星、飞船卫星、飞船 的上天等都的上天等都 说明了我国说明了我国 在材料的开在材料的开 发、研究及发、研究及 应用等方面应用等方面 有了飞跃的有了飞跃的 发展。发展。 中国第一颗人中国第一颗人 造卫
7、星造卫星 长征火箭大家族长征火箭大家族 中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸 中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸 l18631863年,光学显微镜首次应用年,光学显微镜首次应用 于金属研究,诞生了金相学,使于金属研究,诞生了金相学,使 人们能够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微 观组织联系起来。观组织联系起来。 灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织 光学显微镜光学显微镜 Pb-Sn共晶组织共晶组织 人类对材料的认识是逐步深入的。人类对材料的认识是逐步深入的。 Si表面的重构图象表面的重构图象X-射线衍射仪射线衍射仪 1932年发明了电子年发明了电子 显微镜,把人们带显微镜,把人
8、们带 到了微观世界的更到了微观世界的更 深层次(深层次(10-7m) 透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下 l1934年位错理论的提年位错理论的提 出,解决了晶体理论出,解决了晶体理论 计算强度与实验测得计算强度与实验测得 的实际强度之间存在的实际强度之间存在 的巨大差别的矛盾,的巨大差别的矛盾, 对于人们认识材料的对于人们认识材料的 力学性能及设计高强力学性能及设计高强 度材料具有划时代的度材料具有划时代的 意义。意义。 金属钛中的位错金属钛中的位错 材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图 l主要研究内容:主要研究内容: l 研究材料的化学组
9、成、结构与性能的关系;研究材料的化学组成、结构与性能的关系; l 研究材料的形成机理和制取方法;研究材料的形成机理和制取方法; l 研究材料物理性能的测试方法和技术;研究材料物理性能的测试方法和技术; l 分析材料的损坏机理;分析材料的损坏机理; l 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案研究材料的合理加工方法和最佳使用方案 l材料科学是以材料为材料科学是以材料为 研究对象的一门科学。研究对象的一门科学。 挑战者号爆炸瞬间挑战者号爆炸瞬间 l工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主 要要求力学性能的结构材料。要要求力学性能的结构材料。 l按组成与结合键分:
10、按组成与结合键分: l 1、金属材料、金属材料 l 2、高分子材料、高分子材料 l 3、陶瓷材料、陶瓷材料 l 4、复合材料、复合材料 l以金属键结合为主以金属键结合为主 l良好的导电性、导良好的导电性、导 热性、延展性和金热性、延展性和金 属光泽属光泽 l用量最大、应用最用量最大、应用最 广泛广泛 黑色金属黑色金属 有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 铁及铁合金称为黑色金属,即钢铁材料,铁及铁合金称为黑色金属,即钢铁材料,1010年其世界年产量已达年其世界年产量已达1414亿亿 吨,在机械产品中的用量已占整个用材的吨,在机械产品中的用量已占
11、整个用材的60%60%以上。以上。 带材带材 异形材异形材 板材板材管材管材 陶瓷材料陶瓷材料 l以共价键和离子键以共价键和离子键 为主为主 l熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、 耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 l分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特 种陶瓷和金属陶瓷种陶瓷和金属陶瓷 三类三类 传统陶瓷传统陶瓷又称普通陶瓷,是以天然材料又称普通陶瓷,是以天然材料( (如黏土、石如黏土、石 英、长石等英、长石等) )为原料的陶瓷,主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷,主要用作建筑材料使用。 特种陶瓷特种陶瓷又称精细陶瓷,是以人工合成材料为原料的又称精细陶瓷,是以人工合成材料为原料的 陶瓷,常用作工程上的耐
12、热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷,常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。 陶瓷制品陶瓷制品 陶瓷发动机陶瓷发动机 l以分子键和共价键以分子键和共价键 为主为主 l塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电 绝缘性、减振性好,绝缘性、减振性好, 密度小密度小 l包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及 合成纤维等合成纤维等 分子键分子键共价键共价键 高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮 船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业 中被广泛应用。中被广泛应用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯 l包括:包括: l金属基复合材料
13、金属基复合材料 l陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 l高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料 以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。 玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料 l现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室 温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通 过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧 化物粒子弥散强化的镍化物粒子弥散强化的镍 基合金复合材料。很多基合金复合材料。很多 高级游艇、赛艇及体育高级游艇、赛艇及体育 器械等是由碳纤维复合器械等是由碳纤维复
14、合 材料制成的,它们具有材料制成的,它们具有 重量轻,弹性好,强度重量轻,弹性好,强度 高等优点。高等优点。 航空发动机航空发动机 三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展 随着经济的飞速发展和科学技术的进步,对材料的要随着经济的飞速发展和科学技术的进步,对材料的要 求越来越苛刻,结构材料向高比强、高刚度、高韧性、求越来越苛刻,结构材料向高比强、高刚度、高韧性、 耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。 国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机 新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。 机械工业是材料应
15、用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。 l随着机械工业的发展,对产品的要求越来越高。随着机械工业的发展,对产品的要求越来越高。 l在产品设计与制造过程中,会遇到越来越多的材料在产品设计与制造过程中,会遇到越来越多的材料 及材料加工方面的问题。及材料加工方面的问题。 l要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料 工程知识,具备正确选择材料和加工方法、合理安工程知识,具备正确选择材料和加工方法、合理安 排加工工艺路线的能力。排加工工艺路线的能力。 铸造一级涡轮盘铸造一级涡轮盘 四、机械工程材料课程的性质和任务四、机械工程材料课程的性质和任务 l课
16、程性质:课程性质:是机械类和近机类各专业的技术基础课是机械类和近机类各专业的技术基础课 l课程任务:课程任务: 了解工程材料的一般知识;了解工程材料的一般知识; 建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之 间的关系:间的关系: 化学成分化学成分(成分成分):组成材料各元素在材料中的组成材料各元素在材料中的 浓度。浓度。 组织:组织:用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜 所观察到的金属内部的情景。所观察到的金属内部的情景。 l习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织 称低倍组织称低倍组织
17、或或宏观组织宏观组织。 l放大放大100 2000倍的组织称倍的组织称高倍组织高倍组织或或显微组织显微组织。 l在电子显微镜下放大几千在电子显微镜下放大几千 几十万倍的组织称几十万倍的组织称 精细组织精细组织或或电镜组织电镜组织。 钢锭的宏观组织钢锭的宏观组织 显微组织显微组织电镜组织电镜组织 显微镜的使用显微镜的使用 结构:结构:材料中各原材料中各原 子的具体组合状态。子的具体组合状态。 一般通过一般通过X-射线衍射线衍 射射或或透射电镜透射电镜研究。研究。 Al的高分辨透射电镜象的高分辨透射电镜象 纯铁晶体的纯铁晶体的X-射线衍射谱射线衍射谱 了解常用材料的用途了解常用材料的用途 和加工工
18、艺。和加工工艺。 初步具备合理选材、初步具备合理选材、 正确确定加工方法、正确确定加工方法、 妥善安排工艺路线的妥善安排工艺路线的 能力。能力。 课程特点:课程特点:基本概念基本概念 多,与实际联系紧密,多,与实际联系紧密, 是一门应用科学。是一门应用科学。 在在Au-Pa薄膜上用薄膜上用AFM探探 针的纳米雕刻(北大)针的纳米雕刻(北大) 课程的主要内容课程的主要内容 1.1.金属学部分:金属学部分:是本书的1-4章为金属学基础知识,主要介绍金 属材料的基本现象、基本概念和材料的组织与性能的变化基本规 律,它是合理选择、正确使用、以及强化金属材料的理论基础。 它主要包括金属材料的结构、结晶过
19、程、塑性变形、回复与再结 晶,以及二元合金相图、铁碳合金相图等;这一部分是随后两部 分的直接基础。 3.3.金属材料部分:金属材料部分:是本书的68章,这部分主要结合金属学与热 处理基本知识,较全面地介绍常用金属材料的牌号、成分、组织 与性能特点及用途,为正确选用金属材料打基础。它主要包括合 金钢、铸铁、有色金属及合金等。 以上三部分是本课程的重点,其中58章更是全书重点。 2.2.热处理部分:热处理部分:是本书的第5章,主要包括钢的热处理原理与工 艺两方面,本章着重阐述钢在不同工艺条件下的组织转变规律, 并在此基础上,介绍改善与强化钢的组织与性能的常用热处理工 艺,为合理使用热处理做准备。
20、1. 了解和掌握所学工程材料方面的基本理论和基本知识。 2. 了解和掌握各类工程材料的牌号、成分,组织与性能之间的相 互关系及其变化规律。 3. 能正确选择常用工程材料,合理制订其生产工艺流程。 4.4.非金属材料部分:非金属材料部分:是本书的912章,这部分主要包括高分 子材料、陶瓷材料和复合材料,新型材料,由于讲课学时少, 只能简单介绍上述几类材料的结构、组织与性能特点,为初 步了解有关非金属材料的基础知识,打一点基础。 5.5.材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析部分:材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析部分:是 本书的第13章,主要介绍材料的常用机械性能指标,和机械 零件的失效
21、形式、原因与分析方法,以及选材的原则和典型 零件的选材与工艺分析。 学习目的与要求学习目的与要求 l使用性能:使用性能:材料在使用过程材料在使用过程 中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括力学力学 性能、物理性能性能、物理性能和和化学性能。化学性能。 l工艺性能:工艺性能:材料在加工过程材料在加工过程 中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括铸造、铸造、 锻压、焊接、热处理锻压、焊接、热处理和和切削切削 性能等性能等。 神舟一号飞船 l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化,称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化,称 为为变形变形。 l外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称
22、为弹性变形弹性变形。 l外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机 应力应力 = P/F0 应变应变 = (l-l0)/l0 低碳钢的低碳钢的应力应力- -应变曲线应变曲线 拉伸试样拉伸试样 拉伸试验机拉伸试验机 圆形横截面标准拉伸试样圆形横截面标准拉伸试样 l弹性:弹性:指标为弹性极限指标为弹性极限 e e, 即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时 的应力。的应力。 l刚度:刚度:材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性 变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模 量量E E。 )(MPatgE 弹性模量的大小主要取决于材
23、料的本性,除随温度升弹性模量的大小主要取决于材料的本性,除随温度升 高而逐渐降低外,其他强化材料的手段如热处理、冷高而逐渐降低外,其他强化材料的手段如热处理、冷 热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过 增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 l强度:强度:材料在外力作用下材料在外力作用下 抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s:材料发生微量材料发生微量 塑性变形时的应力值。塑性变形时的应力值。 条件屈服强度条件屈服强度 0.2:残余变残余变 形量为形量为0.2%时
24、的应力值。时的应力值。 抗拉强度抗拉强度 b:材料断裂前材料断裂前 所承受的最大应力值。所承受的最大应力值。 0.2 E b e A A B D E E E s p C O O C A B 伸长率:伸长率: %100 0 01 l ll %100 0 10 F FF 断面收缩率:断面收缩率: 断裂后断裂后 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 l说明:说明: l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真用面缩率表示塑性比伸长率更接近真 实变形。实变形。 l 直径直径d0 相同时,相同时,l0 , 。只有当。只有当l0/d0 为常数时,塑性值才有可比性。为常数时,塑性值才有可比性。 l当当l0=10d0
25、 时,伸长率用时,伸长率用 表示;表示; l当当l0=5d0 时,伸长率用时,伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 l 时,无颈缩,为脆性材料表征时,无颈缩,为脆性材料表征 A l AZ 时,无颈缩,为脆性材料表征时,无颈缩,为脆性材料表征 AZ 时,有颈缩,为塑性材料表征时,有颈缩,为塑性材料表征 l弹性:弹性:指标为弹性极限指标为弹性极限,即,即 材料承受最大弹性变形时的材料承受最大弹性变形时的 应力。应力。 l刚度:刚度:材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性 变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模 量量E E。 )(MPatgE 弹性模量的大小主要取决于材料的本性,除随温度升
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