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1、绪论,本课程的性质和基本内容 性质：综合性的技术基础课,成形技术今后发展的两条主线：（1）生产过程的自动化；（2）不断探求新的成形工艺。,基本内容,二 基本要求,材料部分：1 了解常用金属材料的成分、组织、性能之间的关系；2 了解强化金属材料的基本途径；3 掌握钢的热处理原理，了解热处理工艺在机械加工中的作用；4 熟悉常用金属材料的牌号、成分、组织、性能及用途；5 了解非金属材料的性能、特点和应用。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艺特点，具有根 据毛坯（或制品）的使用要求正确选择成形方法和制定成形工艺的 初步能力；2 具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力
2、；3 了解有关新工艺、新技术及其发展趋势。,工程材料现代社会的基石,李集仁 主讲,一、材料及材料科学的重要地位,社会存在和发展的物质基础石器时代：大约在公元前5000年以前的漫长二、三百万年，分旧、新石器时代。石器材料仅是对自然界天然物质作简单的打、磨加工，陶器才是人类通过加工技术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点,新石器时代,大约在公元前5000年,人类从石器时代进入了铜器时代。,勾践宝剑,曾侯乙编钟,司母戊方鼎,在公元前1200年左右又进入了所谓铁器时代。铜、铁器材料是加工、冶炼技术和工艺的改进.,沧州铁狮子,1851年伦敦世界博览会上，英国馆中的陈列机器,兵器铠甲,发展到现代的多种材料
3、时代,从加工改造天然物质材料走向以人工化合物为原料的合成材料。,合成有机材料 氧化物陶瓷 光导纤维、纳米管,2.商品生产的必要条件,原材料 零部件 工具,空客-380,猛禽-22,F-16,即将投入运营的最大的宽体客机,即将服役的最先进的隐形战机,1903 年，美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，所用原料是木材和帆 布。飞行速度每小时只有16 公里，和骑自行车的速度差不多。1911 年，铝合金研制成功，很快取代了木材和帆布，到第一次世界大战期间，全金属结 构的飞机已很普遍了。从木布结构过渡到金属结构，使飞机的性能和速度获得一个飞跃。例如到1939 年螺旋桨飞机创造的最高时速已达755 公里，仅
4、36 年的时间，飞行速度提高了47 倍。声音在空气中的传播速度为1200 公里/小时，有些人试图用螺旋桨飞机超过音速，但都没有成功。失败和挫折使人们把音速看成是飞机速度无法逾越的障碍，简称“音障”。于是人们寻求新的动力，造出了喷气式飞机。,喷气发动机的进口温度很高，需要耐高温的合金材料，而英国研制出的镍基合金只能承受700，使 发动机推力和飞行速度受到影响。到了50 年代，高温合金有了进一步发展，已经能够制造耐800以上的高温合金，再加上采用了后掠角更大的机翼和 其它减少阻力的措施，终于研制出一种飞行速度超过音速的喷气式飞机，突破了以前不可逾越的“音障”。这里，喷气发动机立了一大功，而耐高温合
5、金材料则起了关键性的作用。,在提高飞行速度的征途上，又出现了新的问题。这就是飞机以超音速飞行时，其表面因受到空气强烈摩擦而发热，使温度急剧升高。这种现象叫做空气动力加热。飞机的速度越快，温度也愈高。以飞机在同温层边界 飞行（那里的温度是-56）为例，当飞行速度等于音速时，飞机的表面温度 为-18；两倍音速时，温度为98；当达到三倍音速时，飞机表面温度会升至0。从铝合金的耐热性来讲，当飞机速度达到两倍音速时，铝的强度会显著降低；三倍音速时，就会发生空中解体。通常认为，飞机速度应在二到三倍音速范围内，这种空气动力加热又是一堵新的障壁，称为“热障”。它对飞机的结构、飞行员工作环境和各种设备均带来不利
6、影响，甚至危害。要制造表面耐温超过180，即飞行速度为音速2.5 倍的飞机，需要用钛合金（可承受550温度）代替铝合金。飞机是一种更新非常快的产品，它不断追求的目标是安全、迅速、舒适和经济。,3.科学技术进步的根本性因素（1）1898年美国的泰勒和怀特发明了高速钢，震撼了世界,这种合金有很高的硬度,而且当温度达到600时硬度也不会下降,从而大大提高了刀具的耐用度,可使机床的切削速度成倍增长,所以这种钢被誉为“高速钢”,它对当时机械技术的发展起了极其重要的推动作用。（2）单晶硅和锗研制成功，导致半导体工业飞跃，控制技术的巨大发展及随后信息时代的到来。,高速切削刀具 单晶硅和锗,以我国神洲飞船为例
7、，据报道自我研制近2000多种新材料。,二、各种材料的概况,有人对当今浩瀚的材料世界进行过粗略统计，70 年代登记的新老材料达到25 万种，到1980 年登记的材料总和已有36 万种，并且每年还以5的增长率增加。如果把形形色色的材料按化学组成分类，可以分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三大类。它们鼎足而立，构成了材料世界的“三大家族”。如果从使用角度看，不论上面哪一种材料，都可以归纳为两大类：一类叫做结构材料，主要是利用它们的强度、韧性、硬度、弹性等机械性能；另一类是功能材料，是利用它们所具有的电、光、磁、热等性质。,1、金属材料及应用,铁及合金材料（钢铁材料）有色金属及合金材料（铝
8、、铜、镍、镁、钛、锌、锡、铅等及合金材料）,炼钢过程,钢材生产过程,3.高分子材料及应用,高分子材料是由低分子化合物通过聚合反应而形成。主要有塑料、橡胶、胶粘剂和有机纤维等。,其中氯乙烯 就是聚氯乙烯 的单体，就是聚氯乙烯分子键的链节，n就是聚合度。聚合度反映了大分子链的长短和分子量的大小，可见高分子化合物的分子量（M）是链节的分子量（M0）与聚合度（n）的乘积。M=M0n,3.陶瓷材料及应用,传统陶瓷 由粘土、石英、长石等成分组成，以天然为主。2）现代陶瓷 由Al3O2、SiC、Si3N4等成分组成，以合成为主。,三、新材料技术及其进展,1.结构材料（1）金属材料 作为结构材料的金属材料，主
9、要仍是钢铁、铝合金、钛合金，但它们的品种层出不穷，性能也远非昔日可比。金属材料的发展，几乎可用一个“超”字来概括。如发展超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢(用作刀具)、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温材料等等。,超硬质合金钻具 超塑性成形航天器件,（2）无机非金属材料 从陶器发展到瓷器是第一次飞跃，从传统陶瓷到先进陶瓷是第二次飞跃。从先进陶瓷到纳米陶瓷是第三次飞跃。,氧化锆增韧陶瓷材料氧化锆增韧陶瓷材料质白、耐腐蚀、化学稳定性好；在应力诱导下发生马氏体相变而吸收应变能，成为在陶瓷材料中力学性能最好的材,耐磨陶瓷磁选机复合陶瓷件,（3）高分子材料 高性能工程塑料是有机高分子材料发展的一个方
10、向。它同军事工业和尖端技术的发展密切相关，因此，虽在世界塑料总产量中比例很小，仅占1左右，但它们的作用是别的任何材料都无法比拟的，具有不容忽视的地位。,尼龙、聚碳酸脂等工程塑料制品,PPS/PTFE合金适用于干磨场合,2.功能材料（1）信息电子材料是具有信息产生、传输、转换、检测、存储、调制、处理和显示等功能的材料。信息功能材料是当前材料科学中发展最迅速和最活跃的领域。信息功能材料主要有四个方面的应用：集成电路材料、信息储存材料、光导纤维与光通信材料、敏感材料和传感器。如硅是目前最重要的半导体材料。,铌酸锂（LN）晶体具有优良的压 电效应、电光效应、声光效应、非线性效应及光折变效应。广泛应用于
11、光通信、信息处理、集成光路、图象存储、等方面,超大容量纳米级信息存储材料 1平方厘米新材料的信息存储量达到了4万亿比特,（2）超导材料是指工作时处于零电阻的材料。以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体、超导磁浮列车及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。,我国快速发展的超导材料技术应用模型,超导磁浮车演示装置,（3）能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。当前的研究热点和技术前沿包括高能储
12、氢材料、聚合物电池材料、中温固体氧化物燃料电池电解质材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。,纳米锂镍钴正极材料，可显著提高电池性能,（4）生态环境材料应是同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者是能够改善环境的材料。生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要研究方向是：直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，CO 2 气体的固化技术，废物的再资源
13、化技术，环境污染修复技术，；开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、绿色新材料等。,100M3厌氧消化器及秸秆喷淋固体床2.47 Kg干物质生产1 M3沼气和1.5 Kg有机肥，并且不产生任何污水。,（5）生物材料是指具有特殊生理行为的材料，可用来构成人体骨骼和牙齿等部位，甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某种组织和器官，或增进其功能。据统计，近几年全世界每年要求进行人工关节移植手术者多达15万人，仅在美国，每年就有12万人做人工髋关节移植手术，3.5万人安装人工心脏瓣膜，18万人移植人工血管。中国每年髋关节病患者至少1万人。,陶瓷生物材料,（6）智能材料 智能材料
14、是能适时地感知与响应外界环境的变化，具有自检测、自诊断、自适应、自修复等功能的材料。是是现代高技术新材料发展的重要方向之一，科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司开发出一种快速反应形状记忆合金用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；以它作制动器时、反应时间，仅为10秒钟。,利用智能材料的可控动态特性研究切削系统稳定性在线控制方法,3.材料技术的发展趋势,（1）从均质材料向复合材料发展。以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。,碳纤维复合材
15、料 生产设施,一维纳米孔复合材料，制备有序材料,（2）由结构材料为主向功能材料、多功能材料并重的方向发展。随着高技术的发展，其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材料层出不穷，终会有一天功能材料将同结构材料在材料领域平分秋色。,腔内隔绝术，记忆合金支架随之慢慢张开,介电材料为导电性高分子材料的固态电容,（3）材料结构的尺度向越来越小的方向发展。如以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米(100 万分之一米)方向发展的材料。由于颗粒极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。如 以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制造发动机零件。,CP
16、U 风扇之纳米陶瓷轴承,碳纳米材料，强度是钢100倍，密度仅1/6,（4）由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展。过去的材料不会对外界环境的作用作出反应，守全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应。,纳米仿生技术,开展基于新型纳米器件的人造神经纤维、人造神经元、人工记忆神经元等研究，组成仿生神经网络,（5）通过仿生途径来发展新材料。生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。通过“师法自然”并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径。,纳米生物技术与纳米医学,开发用于疾病早期诊断治疗
17、的纳米药物载体及新剂型、微型智能化医疗器械等。,四、工程材料在机械制造中的地位和作用,机械制造的一般过程新材料的性能已成为决定产品功能的首要因素，因而掌握新材料就握有先机。新材料的出现又往往要求新的制造（加工）工艺，从而推动机械制造技术向前发展。如精密工程技术等,以超精密加工的前沿部分、微细加工、纳米技术为代表,将进入微型机械电子技术和微型机器人的时代。超精密加工的加工精度：在2000 年已达到 nm；,分子马达,在21 世纪初开发的分子束生长技术、离子注入技术和材料合成、扫描隧道工程(STE)可使加工精度达到nm；,美国康纳尔大学研制成的纳米直升机示意图,现在精密工程正向其终极目标-原子级精度的加工逼近,也就是说,可以做到移动原子级别的加工。,用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，使它们排成圆形。,学习本课程的基本要求,1 掌握常用金属材料的成分、组织、性能之间的关系；2 掌握强化金属材料的基本途径；3 掌握钢的热处理原理，了解热处理工艺在机械加工中的作用；4 熟悉常用金属材料的牌号、成分、组织、性能及用途；5 了解非金属材料的性能、特点和应用。,
