11工程材料學(xué)南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院22第0章第1部分緒論330.1材料和材料科學(xué)(1)材料材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)。圖片出自:新華網(wǎng)()44材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。“神舟”七號(hào)飛船成功發(fā)射圖片出自:央視國際()奧迪轎車電動(dòng)工具55

象形尊(西周)石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代材料是人類進(jìn)化的里程碑。由于材料的重要性，歷史學(xué)家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時(shí)代。石器鐵器材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。

材料的發(fā)展與人類社會(huì)簡圖77沒有半導(dǎo)體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)。

電腦芯片手機(jī)88沒有高溫高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空和航天工業(yè)。

圖片出自:新華網(wǎng)()神舟七號(hào)飛船返回艙99沒有低消耗的光導(dǎo)纖維，就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。

二十世紀(jì)七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。

光導(dǎo)纖維1010中華民族在人類歷史上為材料的發(fā)展和應(yīng)用作出過重大貢獻(xiàn)。早在公元前6000~5000年的新石器時(shí)代，中華民族的先人就能用黏土燒制成陶器，到東漢時(shí)期又出現(xiàn)了瓷器，并流傳海外。

1111秦皇陵兵馬俑12124000年前夏朝我們的祖先已經(jīng)能夠煉銅，到殷、商時(shí)期，我國的青銅冶煉和鑄造技術(shù)已達(dá)到很高水平。

司母戊鼎河南安陽晚商遺址出土青銅鑄造高133cm重875kg飾紋優(yōu)美1313秦陵銅車馬我國時(shí)代最早，駕具最全，級(jí)別最高，制作最精的青銅器珍品，也是世界考古發(fā)現(xiàn)的最大青銅器。1414古代劍刃制造中的特殊技術(shù)春秋戰(zhàn)國時(shí)代的青銅劍，劍身及劍鋒由不同成分的青銅組成，是復(fù)合材料很好的例子。梯度材料古已有之這是古代劍刃截面圖1515

秦始皇兵馬俑陪葬坑出土的秦箭16161863年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于金屬研究，誕生了金相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來?；诣T鐵的顯微組織光學(xué)顯微鏡Pb-Sn共晶組織人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是逐步深入的。17171912年發(fā)現(xiàn)了X-射線對(duì)晶體的作用并在隨后被用于晶體衍射分析，使人們對(duì)固體材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)從最初的假想到科學(xué)的現(xiàn)實(shí)。

X射線衍射分析設(shè)備及典型圖譜1932年發(fā)明了電子顯微鏡，把人們帶到了微觀世界的更深層次（10-7m）。

光鏡下電鏡下透射電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡

1919更多現(xiàn)代先進(jìn)測試分析技術(shù)不斷涌現(xiàn)。原子力顯微鏡2020(2)材料科學(xué)主要研究內(nèi)容：⑴研究材料的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；⑵研究材料的形成機(jī)理和制取方法；⑶研究材料物理性能的測試方法和技術(shù)；⑷分析材料的損壞機(jī)理；⑸研究材料的合理加工方法和最佳使用方案。材料科學(xué)是以材料為研究對(duì)象的一門科學(xué)?！吧衿摺焙教靻T順利出艙21210.2工程材料的分類工程材料是用于制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件并主要要求力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料。按組成與結(jié)合鍵分：

(1)金屬材料

(2)高分子材料

(3)陶瓷材料

(4)復(fù)合材料2222金屬材料以金屬鍵結(jié)合為主良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤用量最大、應(yīng)用最廣泛黑色金屬有色金屬輕金屬,重金屬,貴金屬,稀有金屬

2323鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達(dá)10億噸，在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整個(gè)用材的60%以上。

帶材異形材板材管材2424陶瓷材料以共價(jià)鍵和離子鍵為主熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆性大；分為傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷三類。

激光燒結(jié)陶瓷材料2525傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、長石等)為原料的陶瓷，主要用作建筑材料。

特種陶瓷又稱精細(xì)陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)2626高分子材料

以分子鍵和共價(jià)鍵為主塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小包括塑料、橡膠及合成纖維等

分子鍵共價(jià)鍵高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

烯丙酰氯-苯乙烯2828雪碧，“晶晶亮，透心涼”的背后？2929圖片攝自：南京偉東包裝制品有限公司3030復(fù)合材料包括：金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料高分子復(fù)合材料

把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)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(qiáng)高分子復(fù)合材料3131現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)化的鎳基合金復(fù)合材料。很多高級(jí)游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復(fù)合材料制成的，它們具有重量輕，彈性好，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)32320.3工程材料的應(yīng)用和發(fā)展隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)材料的要求越來越苛刻，結(jié)構(gòu)材料向高比強(qiáng)、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展。

國產(chǎn)東風(fēng)4D-0088內(nèi)燃機(jī)車美國F-117隱身飛機(jī)新材料在不斷地涌現(xiàn)。航空航天、機(jī)械工業(yè)是材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

3636隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的要求越來越高。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中，會(huì)遇到越來越多的材料及材料加工方面的問題。要求機(jī)械工程技術(shù)人員掌握必要的材料科學(xué)與材料工程知識(shí)，具備正確選擇材料和材料加工方法、合理安排加工工藝路線的能力。

鑄造一級(jí)渦輪盤37370.4機(jī)械工程材料課程的性質(zhì)和任務(wù)課程性質(zhì)：是機(jī)械類和近機(jī)類各專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課課程任務(wù)：

⑴

了解工程材料的一般知識(shí)；

⑵建立化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝與性能之間的關(guān)系：3838工藝-組織-性能之間關(guān)系的例子Steelwith0.4%C①

化學(xué)成分(成分)：組成材料各元素在材料中的濃度。②組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬內(nèi)部的情景。習(xí)慣上把用肉眼或幾十倍放大鏡觀察到的組織稱低倍組織或宏觀組織。放大100～2000倍的組織稱高倍組織或顯微組織。在電子顯微鏡下放大幾千～幾十萬倍的組織稱精細(xì)組織或電鏡組織。4040鋼的宏觀組織、顯微組織和電鏡組織鋼錠的宏觀組織顯微組織電鏡組織③

結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組合狀態(tài)。一般通過X射線衍射或透射電鏡研究。Al的高分辨透射電鏡像純鐵晶體的X-射線衍射譜透射電鏡衍射斑點(diǎn)4242⑶

了解常用材料的用途和加工工藝。⑷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。主要參考書：

(1)教材

(2)《工程材料與成形工藝基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)》，化學(xué)工業(yè)出版社，2007年。答疑安排：待定4444第2部分材料的性能材料的性能：使用性能和工藝性能

1.使用性能：指材料在使用條件下（過程）表現(xiàn)出的各種性能，包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能---材料在外載或外載和環(huán)境（溫度、介質(zhì)等）共同作用下表現(xiàn)出來的性能，即材料抵抗外載引起的變形和斷裂的能力。

2.工藝性能：指材料在加工成型過程中表現(xiàn)出的性能，即加工的難易程度，如鑄造性、焊接性、鍛造性、切削加工性能、熱處理性能等。材料的力學(xué)性能是零件或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、材料選用、工藝評(píng)定及材料檢驗(yàn)的重要依據(jù)。4545§2-0材料的力學(xué)性能§2-0-1靜載時(shí)材料的力學(xué)性能拉伸機(jī)上,低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變圖4646重點(diǎn)介紹力學(xué)性能一、強(qiáng)度與塑性（一）強(qiáng)度：指材料抵抗在外力作用下的變形和斷裂的能力。大?。河脝挝幻娣e上作用的力的大小來表示，即用應(yīng)力大小表示強(qiáng)度高低。單位：Mpa(MN/m2)

類型：根據(jù)載荷作用方式不同強(qiáng)度分為抗拉、抗壓、抗彎、抗剪、抗扭強(qiáng)度等。一般多以抗拉強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度）σb為基本強(qiáng)度指標(biāo)。47471.拉伸強(qiáng)度的測試方法---拉伸實(shí)驗(yàn)根據(jù)GB6397-86

規(guī)定，拉伸實(shí)驗(yàn)試樣可制成圓形、板形，分為長試樣和短試樣。4848圖3-1拉伸試樣（a）拉伸前（b）拉斷后4949拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象5050拉伸過程5151圖1-2低碳鋼的拉伸曲線5252ΔlFΔl

bΔl

uΔl

pFpeFeFbbFssgfop段：比例彈性變形階段；pe段：非比例彈性變形階段；平臺(tái)或鋸齒（es段）：屈服階段(解釋)；sb段：均勻塑性變形階段，即強(qiáng)化階段。b點(diǎn)：形成了“縮頸”。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點(diǎn)斷裂。斷裂總伸長為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測得的伸長)，彈性伸長gf。KO拉伸過程分為以下幾個(gè)階段：5353圖幾種類型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（a）硬化程度較高材料的σ-ε曲線（c）強(qiáng)化能力較強(qiáng)材料的σ-ε曲線（b）脆性材料的σ-ε曲線（d）塑性變形能力大的材料之σ-ε曲線不同材料在拉伸中經(jīng)歷的過程有所不同：5454低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵退火低碳鋼中碳調(diào)質(zhì)鋼55552.應(yīng)力--應(yīng)變應(yīng)力：材料受外載作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生與外力抗衡的力稱為內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力σ

應(yīng)變：ε=伸長量△l/原長度l0

3.彈性極限σe

、屈服極限σs

、抗拉強(qiáng)度σb

彈性極限σe

：材料保持彈性變形而不產(chǎn)生塑性變形所受的最大應(yīng)力，是彈性零件的設(shè)計(jì)依據(jù)。

σ0.01--試樣殘余伸長量為0.01%時(shí)的應(yīng)力作為規(guī)定的σe

。屈服極限σs

：材料產(chǎn)生屈服時(shí)的最小應(yīng)力，表征材料抵抗塑性變形的能力。σs=Ps/F05656

σs是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一，不容許有明顯塑性變形的零件（如緊固螺栓），以σs為強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)拉伸曲線上無明顯屈服現(xiàn)象的材料，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：試樣塑性變形量為標(biāo)距長度的0.2%時(shí)承受的應(yīng)力作為“規(guī)定屈服極限”，用“σ0.2

”表示。

σb為材料能承受的最大應(yīng)力，σb=Pb/F0它易測量且較為精確，表示材料對(duì)最大均勻變形的抗力，或?qū)嗔训目沽Α?7574.彈性固態(tài)工程材料均具有彈性行為，即在力的作用下產(chǎn)生變形且變形量與力成線性關(guān)系，外力去除后變形完全消失，物體恢復(fù)到原來形狀，這種變形叫彈性變形。用彈性模量E來表征材料抵抗彈性變形的能力，工程上E稱為剛度，

E=σ/ε（Mpa）材料的彈性模量E由材料本性決定，反映了材料內(nèi)部原子間的結(jié)合力強(qiáng)弱，與成分和組織變化關(guān)系不明顯。材料的剛度和零件的剛度不是一回事，零件的剛度還與零件的結(jié)構(gòu)（厚度、截面積）有關(guān)。5858

（二）塑性–材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力（或材料在外力作用下斷裂前具有塑性變形的能力）。有兩個(gè)指標(biāo)：

1.伸長率（δ，又稱延伸率）

δ=（l1-l0)/l0×100%

對(duì)同一種材料，長試樣和短試樣測出的

δ不同，分別用

δ5

、

δ10表示。

2.斷面收縮率（Ψ）

Ψ=（F0-F1）/F0×100%

Ψ

不受試樣尺寸影響。

5959二、硬度硬度是指材料的軟硬程度，即材料抵抗另一硬物壓入其中的能力，表征材料抵抗表面局部塑性變形及破壞的能力。硬度的測量方法一般用壓入法，即用一定的壓力將壓頭壓入材料表面，根據(jù)壓力大小、壓痕面積或深度來確定硬度大小。常用的硬度測定方法有以下幾種：6060

（一）布氏硬度HB

壓頭：直徑分別為10、5、2.5、2、1mm五種球,壓頭材料有淬火鋼球和硬質(zhì)合金球兩類。大?。河脝挝粔汉勖娣e上所承受的平均壓力大小表示。數(shù)值小于450，用HBS表示，壓球?yàn)槠胀ù慊鹎?；?shù)值在450~650，用HBW表示，壓球?yàn)橛操|(zhì)合金球；數(shù)值大于650，不用該方法測定硬度。特點(diǎn)：壓坑大，誤差??；不宜檢測成品、小件、薄件；主要用于毛坯、原料硬度檢測；需計(jì)算。6161圖1-3布氏硬度測試原理布氏硬度計(jì)

6262

符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。6363

（二）洛氏硬度HR

壓頭：Φ1.588mm的淬火鋼球和頂角為120o的金剛石錐。加載方式：(1)加初載10Kg;(2)

再加主載，有50、90、140Kg

大?。河脡汉凵疃缺硎?。計(jì)算方法：HR=（K-Δh）/0.002K—常數(shù)，Δh—兩次加載壓痕深度差，0.002mm為一個(gè)硬度單位，硬度值在硬度計(jì)上直接讀出。

6464圖1-4洛氏硬度測試原理h1-h0洛氏硬