緒論本課程的性質和基本內容性質：綜合性的技術基礎課熱加工特種加工切削加工鍛造鑄造焊接粉末冶金塑性成形成形技術今后發展的兩條主線：（1）生產過程的自動化；（2）不斷探求新的成形工藝。材料及其改性無機非金屬材料：硅酸鹽材料——水泥，陶瓷材料，玻璃材料，耐火材料高分子材料：塑料，橡膠，化學纖維復合材料黑色金屬鋼鐵基本內容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，分析零件結構工藝性的初步能力；

3了解有關新工藝、新技術及其發展趨勢。工程材料

——現代社會的基石

李集仁主講E-mail:新石器時代大約在公元前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2.商品生產的必要條件原材料零部件工具1903年，美國萊特兄弟發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，到第一次世界大戰期間，全金屬結構的飛機已很普遍了。從木布結構過渡到金屬結構，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。噴氣發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展，已經能夠制造耐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，噴氣發動機立了一大功，而耐高溫合金材料則起了關鍵性的作用。在提高飛行速度的征途上，又出現了新的問題。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熱，使溫度急劇升高。這種現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，就會發生空中解體。通常認為，飛機速度應在二到三倍音速范圍內，這種空氣動力加熱又是一堵新的障壁，稱為“熱障”。它對飛機的結構、飛行員工作環境和各種設備均帶來不利影響，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品，它不斷追求的目標是安全、迅速、舒適和經濟。以我國神洲飛船為例，據報道自我研制近2000多種新材料。飛船順利進入預定返回軌道，并進行首次調姿。飛船軌道艙與返回艙分離。飛船返回艙與推進艙解鎖，兩艙成功分離。脫減速傘，主傘打開。先后打開引導散減速散主傘，共三把傘，如果有必要，還要打開第四把瑟—備份傘二、各種材料的概況有人對當今浩瀚的材料世界進行過粗略統計，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：一類叫做結構材料，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。1、金屬材料及應用鐵及合金材料（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）煉鋼過程3.高分子材料及應用高分子材料是由低分子化合物通過聚合反應而形成。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，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）是鏈節的分子量（M0）與聚合度（n）的乘積。M=M0×n

3.陶瓷材料及應用傳統陶瓷由粘土、石英、長石等成分組成，以天然為主。2）現代陶瓷由Al3O2、SiC、Si3N4等成分組成，以合成為主。三、新材料技術及其進展

1.結構材料（1）金屬材料作為結構材料的金屬材料，主要仍是鋼鐵、鋁合金、鈦合金，但它們的品種層出不窮，性能也遠非昔日可比。金屬材料的發展，幾乎可用一個“超”字來概括。如發展超高純度鐵、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。超硬質合金鉆具超塑性成形航天器件（2）無機非金屬材料

從陶器發展到瓷器是第一次飛躍，從傳統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白、耐腐蝕、化學穩定性好；在應力誘導下發生馬氏體相變而吸收應變能，成為在陶瓷材料中力學性能最好的材耐磨陶瓷磁選機復合陶瓷件

（3）高分子材料

高性能工程塑料是有機高分子材料發展的一個方向。它同軍事工業和尖端技術的發展密切相關，因此，雖在世界塑料總產量中比例很小，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2.功能材料（1）信息電子材料是具有信息產生、傳輸、轉換、檢測、存儲、調制、處理和顯示等功能的材料。信息功能材料是當前材料科學中發展最迅速和最活躍的領域。信息功能材料主要有四個方面的應用：集成電路材料、信息儲存材料、光導纖維與光通信材料、敏感材料和傳感器。如硅是目前最重要的半導體材料。鈮酸鋰（LN）晶體具有優良的壓電效應、電光效應、聲光效應、非線性效應及光折變效應。廣泛應用于光通信、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

（2）超導材料是指工作時處于零電阻的材料。以NbTi、Nb3Sn為代表的實用超導材料已實現了商品化，在核磁共振人體成像（NMRI）、超導磁體、超導磁浮列車及大型加速器磁體等多個領域獲得了應用；SQUID作為超導體弱電應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的裝置無法達到的。我國快速發展的超導材料技術應用模型

超導磁浮車演示裝置（3）能源材料是指實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術中所要用到的關鍵材料。當前的研究熱點和技術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的熱點，IBM公司研制的多層復合太陽能電池，轉換率高達40%。美國能源部在全部氫能研究經費中，大約有50%用于儲氫技術。納米鋰鎳鈷正極材料，可顯著提高電池性能（4）生態環境材料應是同時具有滿意的使用性能和優良的環境協調性，或者是能夠改善環境的材料。生態環境材料是20世紀90年代在國際高技術新材料研究中形成的一個新領域，其研究開發在日、美、德等發達國家十分活躍，主要研究方向是：①直接面臨的與環境問題相關的材料技術，例如，生物可降解材料技術，CO2氣體的固化技術，廢物的再資源化技術，環境污染修復技術，；②開發能使經濟可持續發展的環境協調性材料，如仿生材料、環境保護材料、綠色新材料等。100M3厭氧消化器及秸稈噴淋固體床2.47Kg干物質生產1M3沼氣和1.5Kg有機肥，并且不產生任何污水。（5）生物材料是指具有特殊生理行為的材料，可用來構成人體骨骼和牙齒等部位，甚至可望部分或整體地修復或替換人體的某種組織和器官，或增進其功能。據統計，近幾年全世界每年要求進行人工關節移植手術者多達15萬人，僅在美國，每年就有12萬人做人工髖關節移植手術，3.5萬人安裝人工心臟瓣膜，18萬人移植人工血管。中國每年髖關節病患者至少1萬人。陶瓷生物材料（6）智能材料智能材料是能適時地感知與響應外界環境的變化，具有自檢測、自診斷、自適應、自修復等功能的材料。是是現代高技術新材料發展的重要方向之一，科學家預言，智能材料的研制和大規模應用將導致材料科學發展的重大革命。國外在智能材料的研發方面取得很多技術突破，如英國宇航公司開發出一種快速反應形狀記憶合金用于測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況；以它作制動器時、反應時間，僅為10秒鐘。利用智能材料的可控動態特性研究切削系統穩定性在線控制方法3.材料技術的發展趨勢（1）從均質材料向復合材料發展。以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質材料，現在開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結合在一起的復合材料。

碳纖維復合材料生產設施一維納米孔復合材料，制備有序材料（2）由結構材料為主向功能材料、多功能材料并重的方向發展。隨著高技術的發展，其他高技術要求材料技術為它們提供更多更好的功能材料，而材料技術也越來越有能力滿足這一要求。所以現在各種功能材料層出不窮，終會有一天功能材料將同結構材料在材料領域平分秋色。腔內隔絕術，記憶合金支架隨之慢慢張開介電材料為導電性高分子材料的固態電容（3）材料結構的尺度向越來越小的方向發展。如以前組成材料的顆粒，尺寸都在微米(100萬分之一米)方向發展的材料。由于顆粒極度細化，使有些性能發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動機零件。CPU風扇之納米陶瓷軸承

碳納米材料，強度是鋼100倍，密度僅1/6（4）由被動性材料向具有主動性的智能材料方向發展。過去的材料不會對外界環境的作用作出反應，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。納米仿生技術開展基于新型納米器件的人造神經纖維、人造神經元、人工記憶神經元等研究，組成仿生神經網絡（5）通過仿生途徑來發展新材料。生物通過千百萬年的進化，在嚴峻的自然界環境中經過優勝劣汰，適者生存而發展到今天，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，為開發新材料又提供了一條廣闊的途徑。納米生物技術與納米醫學開發用于疾病早期診斷治療的納米藥物載體及新劑型、微型智能化醫療器械等。四、工程材料在機械制造中的地