1、貴州大學機械工程學院貴州大學機械工程學院陳之奇陳之奇及其成型技術基礎及其成型技術基礎工程材料及其成形技術基礎課程的性質和任務工程材料及其成形技術基礎課程的性質和任務l課程性質：課程性質：是機械類和近機類各專業的技術基礎課是機械類和近機類各專業的技術基礎課l課程要求：課程要求：初步具備合理選材、正確確定加工方法、初步具備合理選材、正確確定加工方法、妥善安排工藝路線的能力。妥善安排工藝路線的能力。 A A、了解掌握化學成分、組織結構、加工工藝與、了解掌握化學成分、組織結構、加工工藝與性能之間的關系：性能之間的關系：Steel with 0.4%C B B、掌握各類材料改性的方法及應用。、掌握各類材

2、料改性的方法及應用。 C C、掌握各類材料的特點及應用。、掌握各類材料的特點及應用。 D D、了解各種材料成形原理的特點。、了解各種材料成形原理的特點。 化學成分化學成分(成分成分)：組成材料各元素在材料中的組成材料各元素在材料中的濃度。濃度。 組織：組織：用肉眼或借助于不同放大倍數的顯微鏡用肉眼或借助于不同放大倍數的顯微鏡所觀察到的金屬內部的情景。所觀察到的金屬內部的情景。l習慣上把用肉眼或幾十倍放大鏡觀察到的組織習慣上把用肉眼或幾十倍放大鏡觀察到的組織稱低倍組織稱低倍組織或或宏觀組織宏觀組織。l放大放大100 2000倍的組織稱倍的組織稱高倍組織高倍組織或或顯微組織顯微組織。l在電子顯微鏡

3、下放大幾千在電子顯微鏡下放大幾千 幾十萬倍的組織稱幾十萬倍的組織稱精細組織精細組織或或電鏡組織電鏡組織。鋼錠的宏觀組織鋼錠的宏觀組織顯微組織顯微組織電鏡組織電鏡組織 結構：結構：材料中各原材料中各原子的具體組合狀態。子的具體組合狀態。一般通過一般通過X-射線衍射線衍射射或或透射電鏡透射電鏡研究。研究。Al的高分辨透射電鏡象的高分辨透射電鏡象純鐵晶體的純鐵晶體的X-射線衍射譜射線衍射譜 課程特點：課程特點：基本概念多，與實際聯系緊密，是一基本概念多，與實際聯系緊密，是一門應用科學。門應用科學。l成績評定方法：成績評定方法：平時考勤及課堂成績占平時考勤及課堂成績占5% 20% ，課程結束時的期末考

4、試成績占，課程結束時的期末考試成績占80% 95%。l答疑安排：答疑安排：待定待定(協商協商)l每節課均會點名，三分之一曠課，取消考試資每節課均會點名，三分之一曠課，取消考試資格！格！l一、材料和材料科學一、材料和材料科學l二、工程材料的分類二、工程材料的分類l三、工程材料的應用和發展三、工程材料的應用和發展l一、材料和材料科學一、材料和材料科學l1、材料、材料材料是指人類用以制造材料是指人類用以制造各種有用器件的物質。各種有用器件的物質。材料是人類生產和生活材料是人類生產和生活所必須的物質基礎。所必須的物質基礎。手手錘錘銼刀銼刀國產渦噴國產渦噴-7渦輪噴氣發動機渦輪噴氣發動機石器石器鐵器鐵器

5、 象形尊象形尊( (西周西周) )l石器時代石器時代l青銅器時代青銅器時代l鐵器時代鐵器時代由于材料的重要性，由于材料的重要性，歷史學家根據人類所使用的材料來劃分時代。歷史學家根據人類所使用的材料來劃分時代。材料的發展水平和利用程度已成為人類文明進步材料的發展水平和利用程度已成為人類文明進步的標志。的標志。材料的發展與人類社會簡圖材料的發展與人類社會簡圖龍芯龍芯聯想計算機聯想計算機l沒有半導體材料的工業化生產，就不可能有目前沒有半導體材料的工業化生產，就不可能有目前的計算機技術。的計算機技術。沒有高溫高強度的結構材料，就不可能有今天的航沒有高溫高強度的結構材料，就不可能有今天的航空工業和宇航工

6、業。空工業和宇航工業。在航天飛機表面裝陶瓷防護瓦片在航天飛機表面裝陶瓷防護瓦片飛機發動機葉片飛機發動機葉片波音客機波音客機二十世紀七十年代，人們把材料與能源和信息并列，二十世紀七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現代文明的三大支柱之一。稱作現代文明的三大支柱之一。l前蘇聯在前蘇聯在1957年把第一顆人造衛星送入太空，令美國年把第一顆人造衛星送入太空，令美國人震驚不已，認識到在導彈火箭技術上落后了。因此人震驚不已，認識到在導彈火箭技術上落后了。因此在其后的十年里，在其后的十年里，在十多所大學中陸續建立了材料科在十多所大學中陸續建立了材料科學研究中心，并把約學研究中心，并把約2/3大學的冶金

7、系或礦冶系改建成大學的冶金系或礦冶系改建成了冶金材料科學系或材料科學與工程系。了冶金材料科學系或材料科學與工程系。其涉及的材其涉及的材料由金屬擴展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可見，料由金屬擴展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可見，高技術需要先進材料的支持。高技術需要先進材料的支持。 中華民族在人類歷史上為材料的發展和應用作出中華民族在人類歷史上為材料的發展和應用作出過重大貢獻。過重大貢獻。l早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器時代，年的新石器時代，中華民族的先人就能中華民族的先人就能用黏土燒制成陶器，用黏土燒制成陶器，到東漢時期又出現了到東漢時期又出現了瓷器，并流傳海外。瓷器，并流傳海

8、外。 4000年前的夏朝我們的祖先已經能夠煉銅，到殷、商年前的夏朝我們的祖先已經能夠煉銅，到殷、商時期，我國的青銅冶煉和鑄造技術已達到很高水平。時期，我國的青銅冶煉和鑄造技術已達到很高水平。司母戊鼎司母戊鼎河南安陽晚商遺址出土河南安陽晚商遺址出土青銅鑄造青銅鑄造高高133厘米厘米 重重875kg飾紋優美飾紋優美春秋晚期越國青銅兵器春秋晚期越國青銅兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 長長55.7厘米厘米 劍鍔鋒芒犀利劍鍔鋒芒犀利鋒能割斷頭發鋒能割斷頭發 春秋戰國時代的春秋戰國時代的青銅劍，劍身及青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分劍鋒由不同成分的青銅組成，是的青銅組成，是復合材料很好的復合材料很好

9、的例子例子梯度材料古已有之梯度材料古已有之這是古代劍刃截面圖這是古代劍刃截面圖l黃石銅礦遺址黃石銅礦遺址l春秋晚期春秋晚期l礦井深達礦井深達50m50ml煉銅爐渣多達煉銅爐渣多達4040萬噸萬噸l實屬罕見實屬罕見 我國從春秋戰國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學我國從春秋戰國時期便開始大量使用鐵器，明朝科學家宋應星在家宋應星在天工開物天工開物一書中就記載了古代的滲碳一書中就記載了古代的滲碳熱處理等工藝。這說明早在歐洲工業革命之前，我國熱處理等工藝。這說明早在歐洲工業革命之前，我國在金屬材料及熱處在金屬材料及熱處理方面就已經有了較高的成就。理方面就已經有了較高的成就。生鐵炒熟鐵圖生鐵炒熟鐵圖宋應星

10、宋應星鞍鋼攀鋼夜景新中國成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大新中國成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、寶鋼等大型鋼鐵基地。鋼產量由型鋼鐵基地。鋼產量由49年的年的15.8萬噸上升到現在的萬噸上升到現在的一億噸。一億噸。 中國第一顆人中國第一顆人造衛星造衛星長征火箭大家族長征火箭大家族中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆原子彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸中國第一顆氫彈爆炸原子彈、氫原子彈、氫彈的爆炸，彈的爆炸，衛星、飛船衛星、飛船的上天等都的上天等都說明了我國說明了我國在材料的開在材料的開發、研究及發、研究及應用等方面應用等方面有了飛躍的有了飛躍的發展。發展。 “神舟二號神舟二號”飛船運往飛船運往發射工位發

11、射工位 “神舟神舟”一號飛船一號飛船 “神舟神舟”一號一號發射成功發射成功“神舟神舟”二號發射成二號發射成功功“神舟神舟”三號三號發射成功發射成功“神舟神舟”四號四號發射成功發射成功“神舟神舟”三號飛船三號飛船 “神舟神舟”四號飛船四號飛船 楊利偉楊利偉升空返回全人類共同的家園飛天返回艙l18631863年，光學顯微鏡首次應用年，光學顯微鏡首次應用于金屬研究，誕生了金相學，使于金屬研究，誕生了金相學，使人們能夠將材料的宏觀性能與微人們能夠將材料的宏觀性能與微觀組織聯系起來。觀組織聯系起來。灰鑄鐵的顯微組織灰鑄鐵的顯微組織光學顯微鏡光學顯微鏡Pb-Sn共晶組織共晶組織人類對材料的認識是逐步深入的

12、。人類對材料的認識是逐步深入的。Si表面的重構圖象表面的重構圖象X-射線衍射儀射線衍射儀1932年發明了電子年發明了電子顯微鏡，把人們帶顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更到了微觀世界的更深層次（深層次（10-7m）透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 光鏡下光鏡下電鏡下電鏡下l1934年位錯理論的提年位錯理論的提出，解決了晶體理論出，解決了晶體理論計算強度與實驗測得計算強度與實驗測得的實際強度之間存在的實際強度之間存在的巨大差別的矛盾，的巨大差別的矛盾，對于人們認識材料的對于人們認識材料的力學性能及設計高強力學性能及設計高強度材料具有劃時代的度材料具有劃時代的意義。意義。

13、金屬鈦中的位錯金屬鈦中的位錯l主要研究內容：主要研究內容：l 研究材料的化學組成、結構與性能的關系；研究材料的化學組成、結構與性能的關系；l 研究材料的形成機理和制取方法；研究材料的形成機理和制取方法；l 研究材料物理性能的測試方法和技術；研究材料物理性能的測試方法和技術；l 分析材料的損壞機理；分析材料的損壞機理；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材料科學是以材料為材料科學是以材料為研究對象的一門科學。研究對象的一門科學。挑戰者號爆炸瞬間挑戰者號爆炸瞬間l工程材料是用于制造工程結構和機械零件并主工程材料是用于制造工程結構和機械零件并主要要求力學性能

14、的結構材料。要要求力學性能的結構材料。l按組成與結合鍵分：按組成與結合鍵分： l 1、金屬材料、金屬材料l 2、高分子材料、高分子材料l 3、陶瓷材料、陶瓷材料l 4、復合材料、復合材料l以金屬鍵結合為主以金屬鍵結合為主 l良好的導電性、導良好的導電性、導熱性、延展性和金熱性、延展性和金屬光澤屬光澤 l用量最大、應用最用量最大、應用最廣泛廣泛黑色金屬黑色金屬有色金屬有色金屬輕金屬輕金屬, ,重金屬重金屬, ,貴金屬貴金屬, ,稀有金屬稀有金屬 鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產量已達年產量已達10億噸，在機械產品中的用量已占整億噸，在機械產

15、品中的用量已占整個用材的個用材的60%以上。以上。帶材帶材異形材異形材板材板材管材管材陶瓷材料陶瓷材料l以共價鍵和離子鍵以共價鍵和離子鍵為主為主l熔點高、硬度高、熔點高、硬度高、耐腐蝕、脆性大耐腐蝕、脆性大 l分為傳統陶瓷、特分為傳統陶瓷、特種陶瓷種陶瓷傳統陶瓷傳統陶瓷又稱普通陶瓷，是以天然材料又稱普通陶瓷，是以天然材料( (如黏土、石如黏土、石英、長石等英、長石等) )為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特種陶瓷特種陶瓷又稱精細陶瓷，是以人工合成材料為原料的又稱精細陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。陶瓷，常用作工程上的

16、耐熱、耐蝕、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷發動機陶瓷發動機l以分子鍵和共價鍵以分子鍵和共價鍵為主為主l塑性、耐蝕性、電塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，絕緣性、減振性好，密度小密度小 l包括塑料、橡膠及包括塑料、橡膠及合成纖維、膠粘劑合成纖維、膠粘劑分子鍵分子鍵共價鍵共價鍵高分子材料高分子材料在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業和化學、交通運輸、航空航天等工業船等制造工業和化學、交通運輸、航空航天等工業中被廣泛應用。中被廣泛應用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯l包括：包括：l金屬基復合材料金屬基復合材料l陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料l高分子復合

17、材料高分子復合材料 l是把兩種或兩種以上不同性質或不同結構的材料是把兩種或兩種以上不同性質或不同結構的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強高分子復合材料玻璃纖維增強高分子復合材料航空發動機航空發動機l現代航空發動機燃燒室溫度最高的材料就是通過粉末現代航空發動機燃燒室溫度最高的材料就是通過粉末冶金法制備的氧化物粒子彌散強化的鎳基合金復合材冶金法制備的氧化物粒子彌散強化的鎳基合金復合材料。很多高級游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復料。很多高級游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復合材料制成的，它們具有重量輕，彈性好，強度高等合材料制成的，

18、它們具有重量輕，彈性好，強度高等優點。優點。 三、工程材料的應用和發展三、工程材料的應用和發展隨著經濟的飛速發展和科學技術的進步，對材料的要隨著經濟的飛速發展和科學技術的進步，對材料的要求越來越苛刻，結構材料向高比強、高剛度、高韌性、求越來越苛刻，結構材料向高比強、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發展。耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發展。 國產東風國產東風4D-0088內燃機車內燃機車美國美國F-117隱身飛機隱身飛機新材料在不斷地涌現。新材料在不斷地涌現。機械工業是材料應用的重要領域。機械工業是材料應用的重要領域。l隨著機械工業的發展，對產品的要求越來越高。隨著機械

19、工業的發展，對產品的要求越來越高。 l在產品設計與制造過程中，會遇到越來越多的材料在產品設計與制造過程中，會遇到越來越多的材料及材料加工方面的問題。及材料加工方面的問題。 鑄造一級渦輪盤鑄造一級渦輪盤零部件所受的各種負荷：零部件所受的各種負荷： 1、力學負荷、力學負荷 2、熱負荷、熱負荷 3、環境介質的作用、環境介質的作用神舟一號飛船使用性能：使用性能：材料在使用過程中所表現的性能。材料在使用過程中所表現的性能。 力學性能、物理性能力學性能、物理性能和和化學性能。化學性能。工藝性能：工藝性能：材料在加工過程中所表現的性能。材料在加工過程中所表現的性能。 鑄造、鍛壓、焊接、熱處理鑄造、鍛壓、焊接

20、、熱處理和和切削性能等切削性能等。l材料在外力的作用下將發生形狀和尺寸變化，稱材料在外力的作用下將發生形狀和尺寸變化，稱為為變形變形。l外力去處后能夠恢復的變形稱為外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形彈性變形。l外力去處后不能恢復的變形稱為外力去處后不能恢復的變形稱為塑性變形塑性變形。 五萬噸水壓機五萬噸水壓機低碳鋼的應力低碳鋼的應力- -應變曲線應變曲線拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗機拉伸試驗機應力應力 = P/F0應變應變 = (l-l0)/l0l彈性：彈性：指標為彈性極限指標為彈性極限 e e，即即材料承受最大彈性變形時材料承受最大彈性變形時的應力。的應力。l剛度：剛度：材料受力時抵抗彈性材料

21、受力時抵抗彈性變形的能力。變形的能力。指標為彈性模指標為彈性模量量E E。 ）（MPatgE e彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。只有只有通過通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。 l強度：強度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。抵抗變形和破壞的能力。 屈服強度屈服強度 s：材料發生微量材料發生微量

22、塑性變形時的應力值。塑性變形時的應力值。 條件屈服強度條件屈服強度 0.2：殘余變殘余變形量為形量為0.2%時的應力值。時的應力值。 抗拉強度抗拉強度 b：材料斷裂前所材料斷裂前所承受的最大應力值。承受的最大應力值。s0.2 伸長率：伸長率：%100001 lll %100010 FFF 斷面收縮率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現象拉伸試樣的頸縮現象l說明：說明：l 用面縮率表示塑性比伸長率更接近真用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。實變形。l 直徑直徑d0 相同時，相同時，l0 ， 。只有當。只有當l0/d0 為常數時，塑性值才有可比性。為常數時，塑性值才有可比性。l當當l0=10d

23、0 時，伸長率用時，伸長率用 表示；表示；l當當l0=5d0 時，伸長率用時，伸長率用 5 表示。顯然表示。顯然 5 l 時，無頸縮，為脆性材料表征時，無頸縮，為脆性材料表征 時，有頸縮，為塑性材料表征時，有頸縮，為塑性材料表征l是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。l指標為沖擊韌性值指標為沖擊韌性值ak(通過沖擊實驗測得通過沖擊實驗測得)。l材料的沖擊韌性隨溫材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。度下降而下降。在某在某一溫度范圍內沖擊韌一溫度范圍內沖擊韌性值急劇下降的現象性值急劇下降的現象稱稱韌脆轉變韌脆轉變。發生韌發生韌脆轉變的溫度范圍稱脆轉變的溫度范圍

24、稱韌脆轉變韌脆轉變溫度溫度。材料材料的使用溫度應高于韌的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。脆轉變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉體心立方金屬具有韌脆轉變溫度，而大多數面心立變溫度，而大多數面心立方金屬沒有。方金屬沒有。TITANIC建造中的建造中的Titanic 號號TITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質量與船體材料的質量直接有關直接有關Titanic 號鋼板號鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用鋼板近代船用鋼板（右圖）（右圖）的沖擊試驗結果的沖擊試驗結果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板l材料在低于材料在低于 s的重復交變應力作用下發生斷裂的現象。的重復交變應力作用下發生斷裂的現象。l材料在規定次

25、數應力循環后仍不發生斷裂時的最大應材料在規定次數應力循環后仍不發生斷裂時的最大應力稱為力稱為疲勞極限疲勞極限。用。用 -1表示。表示。l鋼鐵材料規定次數為鋼鐵材料規定次數為107，有色金屬合金為，有色金屬合金為108。疲勞應力示意圖疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖通過通過改善材料的形狀結構改善材料的形狀結構，減少表面缺陷減少表面缺陷，提高表面提高表面光潔度光潔度，進行表面強化進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片）五、硬度五、硬度l材料抵抗表面局部塑性變形的能力。材料抵抗表面局部塑性變形的

26、能力。l布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計布氏硬度計l壓頭為鋼球時壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號，布氏硬度用符號HBS表示，適用于表示，適用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。l壓頭為硬質合金球時壓頭為硬質合金球時，用符號，用符號HBW表示，適用于布表示，適用于布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符號符號HBS或或HBW之前的數字表示之前的數字表示硬度值硬度值, 符號后面的數字按順序分符號后面的數字按順序分別表示球體直徑別表示球體直徑、載荷及載荷保載荷及載荷保持時間。持時間。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直

27、徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷）載荷作用下保持作用下保持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕l布氏硬度的優點：布氏硬度的優點：測量誤差小，數據穩定。測量誤差小，數據穩定。l缺點：缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。還硬的材料。l適于測量適于測量退火、正火、調質鋼退火、正火、調質鋼, 鑄鐵及有色金屬的硬度。鑄鐵及有色金屬的硬度。l材料的材料的 b與與HB之間的經驗關系：之間的經驗關系： 對于低碳鋼對于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對于高碳鋼：對于高碳鋼： b(MPa)3.4HB 對于鑄鐵：對于鑄鐵： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計l洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002l