工程材料与成型工艺 授课老师：何莉萍 教授 Email：lphe@hnu.edu.cn 湖南大学机械与运载工程学院

任课教师办公地点：汽车国家重点实验室303 主要参考书： 于永泗 齐 民：机械工程材料 ， 大连理工出版社 徐善国 于永泗：机械工程材料—辅导. 习题. 实验 成绩评定方法：平时作业成绩占30%；实验成绩占10% ；期末考试成绩占60%。 实验课安排：与材料学院和工训中心联系确定 答疑安排：小班讨论课协同 随机点名，三次无故旷课，本门课成绩以0分计。

本课程的特点及学习方法 本课程特点： 概念术语多，交叉学科。与实际联系紧密,是一门应用科学。 学习方法： 作为一门应用学科，基础理论和基本概念要掌握，注意重点，做好笔记；要理论联系实践；要学以致用，善于归纳总结。

绪 论 一、材料和材料科学 二、工程材料的分类 三、工程材料的应用和发展 四、材料成型技术概论 五、课程的性质和任务

材料是指可以用来直接制造有用物件、构件或器件的物质。 哥伦比亚号航天飞机 一、材料和材料科学 1、材料 材料是指可以用来直接制造有用物件、构件或器件的物质。

手锤 锉刀 “神舟”四号飞船成功返回 国产涡喷-7涡轮喷气发动机 材料是人类生产和生活所必须的物质基础。

材料发展的历程示意图

材料是人类进化的里程碑。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 石器时代 青铜器时代 铁器时代 石器 铁器 象形尊(西周)

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

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。 龙芯

www.autosteel.org

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。 飞机发动机叶片 波音客机 在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片

没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。 光纤的尺寸非常小，直径只有0.6毫米，由二氧化硅材料做成，在较宽的红外线光波里，比较适合做传感网络。 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。

TITANIC TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关!!!

哥伦比亚号航天飞机失事

“挑战者号”航天飞机失事 Richard P. Feynman eloquently demonstrates the brittle behavior of the rubber O-ring in a clamp after submersion in ice water (below Tg!) The explosion was blamed on faulty o-rings in the shuttle's booster rockets.

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。 早在公元前6000~ 5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，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 河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造 高133厘米 重875kg 饰纹优美

越王勾践宝剑 春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓 长55.7厘米 剑锷锋芒犀利 锋能割断头发

古代剑刃制造中的特殊技术 春秋战国时代的 青铜剑，剑身及 剑锋由不同成分 的青铜组成，是 复合材料很好的 例子。 梯度材料古已有之 这是古代剑刃截面图

黄石铜矿遗址 春秋晚期 矿井深达50m 炼铜炉渣多达40万吨 实属罕见

我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在《天工开物》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，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高成就。 生铁炒熟铁图 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。钢产量由1949年的15.8万吨上升到现在的一亿吨。 鞍钢 攀钢夜景

原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。 中国第一颗人造卫星 长征火箭大家族 中国第一颗原子弹爆炸 中国第一颗氢弹爆炸 原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。

中国的航天事业-“神舟”号飞船 “神舟二号”飞船运往发射工位 “神舟”一号飞船 “神舟”一号发射成功 “神舟”二号发射成功

1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。 人类对材料的认识是逐步深入的 光学显微镜 Pb-Sn共晶组织 1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。 灰铸铁的显微组织

1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。 Si表面的重构图象

1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）。 光镜下 电镜下 透射电子显微镜 扫描电子显微镜

1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。 金属钛中的位错

⑴ 研究材料的化学组成、结构与性能的关系； ⑵ 研究材料的形成机理和制取方法； ⑶ 研究材料物理性能的测试方法和技术； 2、材料科学 “挑战者号”爆炸瞬间 材料科学是以材料为研究对象的一门科学。 主要研究内容： ⑴ 研究材料的化学组成、结构与性能的关系； ⑵ 研究材料的形成机理和制取方法； ⑶ 研究材料物理性能的测试方法和技术； ⑷ 分析材料的损坏机理； ⑸ 研究材料的合理成型加工方法和最佳使用方案。

二、工程材料的分类 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。 按组成与结合键分： 1、金属材料 2、高分子材料 3、陶瓷材料 4、复合材料

金属材料 黑色金属 有色金属—轻金属,重金属,贵金属,稀有金属 以金属键结合为主 良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽 用量最大、应用最广泛

铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。 带材 异形材 板材 管材

金属材料制品 车轮 车轴 轴承 配件 刹车片 精密 齿轮 金属 工具 零件 减震器 

陶瓷材料 以共价键和离子键为主 熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类

传统陶瓷又称普通陶瓷, 是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷, 主要用作建筑材料使用 传统陶瓷又称普通陶瓷, 是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷, 主要用作建筑材料使用. 特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。 陶瓷制品 陶瓷发动机

高分子材料 以分子键和共价键为主 塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小 包括塑料、橡胶及合成纤维等

高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。 烯丙酰氯-苯乙烯

复合材料 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。 包括： 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 玻璃纤维增强高分子复合材料 包括： 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料

（“中气计划”） 试制某款车B柱产品

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、抗辐照和多功能方向发展。 国产东风4D-0088内燃机车 美国F-117隐身飞机

机械工业是材料应用的重要领域。

随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。 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。 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、合理安排加工工艺路线的能力。 铸造一级涡轮盘

四、材料成型技术---金属材料 金属液态成型： 铸造 金属塑形成型 金属液态成型/塑形成型 焊接成形方法 金属的焊接成形方法

金属液态成型 将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。

铸造 手工 砂型 机器 砂型铸造 熔 模 铸 造 离 心 压 力 低 特种铸造 ...

铸件示例1

金属塑形成型 指利用外力使金属材料产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，从而获得各种产品的加工方法。 金属塑性成形特点：（1）产品力学性能优于铸件和切削加工件； （2）材料利用率高，生产率高； （3）产品形状不能太复杂； （4）易实现机械化、自动化，模具投资较大。

焊接成形技术 材料、型材或零件连接成零件或机器部件的方式

四、材料成型技术---非金属材料 复合材料成型技术：缠绕成型、浸渍成型、 粉末冶金 陶瓷成型方法：粉末冶金、烧结、压制 工程塑料的成形：注塑成型、挤出成型、压塑成型、 浇铸成型、吸塑成型 复合材料成型技术：缠绕成型、浸渍成型、 粉末冶金 陶瓷成型方法：粉末冶金、烧结、压制

四、材料新型成型技术 快速原型技术（Rapid Prototyping：3D打印 http://v.youku.com/v_show/id_XNTM0MTgyNTAw.html

五、课程的性质和任务 课程性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课 课程任务： ⑴ 了解工程材料的一般知识； ⑵ 建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系： 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。 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或宏观组织。 放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织. 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组织。

钢的宏观组织、显微组织和电镜组织 钢锭的宏观组织 显微组织 电镜组织

③ 结构：材料中各原子的具体组合状态。 一般通过X-射线衍射或透射电镜研究。 Al的高分辨透射电镜象 ③ 结构：材料中各原子的具体组合状态。 一般通过X-射线衍射或透射电镜研究。 纯铁晶体的X-射线衍射谱 透射电镜衍射斑点

工艺-组织-性能之间关系的例子 Steel with 0.4%C

⑷ 初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。 ⑶ 了解常用材料的用途和成型与加工工艺。 ⑷ 初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。