机械工程材料-绪论

1、 绪绪 论论 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 二、材料的分类与概况二、材料的分类与概况 三、材料科学与机械工程三、材料科学与机械工程 四、本课程的目的、内容与学习要求四、本课程的目的、内容与学习要求 师昌绪：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他师昌绪：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他 产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称作材产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称作材 料。料。 朱光亚：材料技术已成为不同工程领域具有共性的关键技术。朱光亚：材料技术已成为不同工程领域具有共性的关键技术。 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 张立同张立同：耐

2、高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术（：耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术（“摔摔 不碎的陶瓷不碎的陶瓷”，20042004年度国家技术发明一等奖年度国家技术发明一等奖）（视频）（视频 1 12 23 34 45 5） 。 黄伯云黄伯云：高性能碳碳航空制动材料制备技术（：高性能碳碳航空制动材料制备技术（ 20042004年度国年度国 家技术发明一等奖家技术发明一等奖）（视频）（视频1 12 23 34 45 56 67 7） 。 潘健生：搞好热处理，零件一顶几。潘健生：搞好热处理，零件一顶几。 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 例例1：泰坦尼克号事件：泰坦尼克号事件（泰坦尼克号遇难

3、有新说）（泰坦尼克号遇难有新说） 造船厂使用劣质材料造船厂使用劣质材料 酿成震惊世界惨祸酿成震惊世界惨祸 劣质铆钉 ！ 例例2：9.11世贸大厦是豆腐渣工程世贸大厦是豆腐渣工程 （阻燃材料（阻燃材料、环保材料环保材料、钢结构）钢结构） 造价造价11亿美元亿美元 用钢用钢7.8万吨万吨 110层层 411米米 历时历时7年竣工年竣工 企业企业1200家家 5万人上班万人上班 游客游客15万人万人 30003000多人丧生多人丧生 ！ 世贸大厦倒塌世贸大厦倒塌 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 一是用一是用阻燃材料；阻燃材料； 二是用二是用绿色环保材料。绿色环保材料。 高高 温温 钢梁钢柱严重

4、软钢梁钢柱严重软 化化 强度急剧降低强度急剧降低 倒倒 塌塌 建筑材料燃烧建筑材料燃烧 释放大量有毒烟雾释放大量有毒烟雾 导致导致人窒息死亡人窒息死亡 解决办法解决办法： 45钢室温钢室温600 b1/2 Al合金室温合金室温400 b1/10 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 88层层 425m 共消耗钢管桩共消耗钢管桩1.8万吨万吨 主楼主楼钢管桩钢管桩430根根(壁厚壁厚20mm) 914mm83.5m 裙楼裙楼钢管桩钢管桩632根根(壁厚壁厚20mm) 609mm47m 例例3：上海金茂大厦：上海金茂大厦 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 机翼后中段机翼后中段：Ti合金合金 机

5、翼中段：机翼中段：Al、Ti及复合材料及复合材料 机身：主梁、发动机舱用轻金机身：主梁、发动机舱用轻金 属、复合材料，其余用碳纤维、属、复合材料，其余用碳纤维、 石墨纤维等复合材料，不易反射石墨纤维等复合材料，不易反射 雷达波。雷达波。 机翼前缘：全部包覆吸波材料。机翼前缘：全部包覆吸波材料。 机体：喷涂吸波油漆。机体：喷涂吸波油漆。 例例4：美国美国B-2A型战机（伊拉克）每架型战机（伊拉克）每架20亿美元亿美元 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 例例5：未来的航天飞机（复合材料）：未来的航天飞机（复合材料） 主结构用合成材料。航天主结构用合成材料。航天 飞机返回地球时，飞机返回地球时，

6、机身温度超机身温度超 过过1000 ，以前的航天飞机外，以前的航天飞机外 表面使用碳陶瓷片，在二次飞表面使用碳陶瓷片，在二次飞 行期间许多碳陶瓷片需更换，行期间许多碳陶瓷片需更换， 很麻烦。很麻烦。 新的航天飞机新的航天飞机外壳用外壳用Ni- Cr-Fe合金合金制造，制造，外层隔热板外层隔热板 由一层由一层TiAl合金与一层绝热材合金与一层绝热材 料料组成。组成。 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 例例6：磁悬浮列车（超导材料）：磁悬浮列车（超导材料） 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 超导磁悬浮列车如何悬浮？超导磁悬浮列车如何悬浮？在每节车厢的底部安装了超导磁体，路面在每节车厢的底部

7、安装了超导磁体，路面 上埋许多闭合上埋许多闭合Al环。在超导磁体的线圈中通入电流产生很强的磁场。列车环。在超导磁体的线圈中通入电流产生很强的磁场。列车 开动后，超导磁体相对于开动后，超导磁体相对于Al环运动，在环运动，在Al环里感应出强电流，并相应形成环里感应出强电流，并相应形成 强磁场。超导体的完全抗磁性使车上的超导磁体受到地面强磁场。超导体的完全抗磁性使车上的超导磁体受到地面Al环的向上托环的向上托 力，车速愈快，托力愈大。力，车速愈快，托力愈大。 当超导体处于一块永久磁当超导体处于一块永久磁Fe的上方时，超导体与磁铁之间产生排斥的上方时，超导体与磁铁之间产生排斥 力，超导体就会悬浮在磁力

8、，超导体就会悬浮在磁Fe上方。上方。 当车速当车速150km/h，托力大于列车自重，列车浮起。当列车停下时，托力大于列车自重，列车浮起。当列车停下时， Al环中无感应电流，不能产生磁场，因此在开车启动和减速停车时有一段环中无感应电流，不能产生磁场，因此在开车启动和减速停车时有一段 时间仍需用车轮在轨道上运行。时间仍需用车轮在轨道上运行。 上海的磁悬浮线路上海的磁悬浮线路2002年建成，年建成，2003年正式商业运营。时速年正式商业运营。时速430km/h 。 例例6：磁悬浮列车（超导材料）：磁悬浮列车（超导材料） 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 专辑：北京奥运会的新材料（专辑：北京奥运会

9、的新材料（1） 专辑：北京奥运会的新材料（专辑：北京奥运会的新材料（1） 水立方（水立方（water cube）17717730米米 采用采用聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（ETFE）制造外部膜制造外部膜 1. 较好较好延展性延展性：拉到本身的拉到本身的3 4 倍长都不断裂；倍长都不断裂； 2. 抗压性抗压性：充气后，每块膜都能承受充气后，每块膜都能承受1辆汽车的辆汽车的 重量，可抵御暴雨、冰雹、沙尘暴；重量，可抵御暴雨、冰雹、沙尘暴； 3. 耐火性耐火性：燃点：燃点715，燃烧后无扩散、无烟，燃烧后无扩散、无烟， 无燃烧物；无燃烧物； 4. 自洁性自洁性：ETFE膜摩擦系数很小，尘土不容易膜摩擦系数

10、很小，尘土不容易 粘在上面，自己能雨水洗脸。粘在上面，自己能雨水洗脸。 国际地理频道纪录片1 2 3 专辑：北京奥运会的新材料（专辑：北京奥运会的新材料（2） 李娜纳米网球拍李娜纳米网球拍200克，克， 由由碳纤维、塑料、钛碳纤维、塑料、钛组成。组成。 专辑：北京奥运会的新材料（专辑：北京奥运会的新材料（3） 冰背心冰背心德国研德国研 制，夹层里密布细小的制，夹层里密布细小的 水管，水管中流淌着水管，水管中流淌着 17的降温液的降温液，可抵御，可抵御 高温、保持体能。背心高温、保持体能。背心 外层隔温性非常好，可外层隔温性非常好，可 有效阻断外部热量，降有效阻断外部热量，降 温效果持久。温效果

11、持久。 专辑：北京奥运会的新材料（专辑：北京奥运会的新材料（4） 以特氟纶纤维制成的鲨鱼皮以特氟纶纤维制成的鲨鱼皮 泳衣，表面模仿了鲨鱼表皮成泳衣，表面模仿了鲨鱼表皮成 排的排的脊柱形小突起脊柱形小突起，能减少，能减少4 的阻力，减少的阻力，减少5的氧气消耗，的氧气消耗， 成绩提高成绩提高2。 英国英国“速比涛速比涛”(Speedo)公公 司的第四代鲨鱼皮司的第四代鲨鱼皮LZR Racer， 售价售价7000元人民币，寿命只有元人民币，寿命只有6 次。次。 专辑：北京奥运会的新材料（专辑：北京奥运会的新材料（5） 撑撑 高高 跳跳 女女 皇皇 伊伊 辛辛 巴巴 耶耶 娃娃 竹竹 竿竿 金属杆金

12、属杆 碳纤维复合材料碳纤维复合材料 玻璃纤维玻璃纤维 专辑：北京奥运会的新材料（专辑：北京奥运会的新材料（6） 杭州产杭州产 “HF-5型型碳纤维复碳纤维复 合材料合材料四人新型赛艇四人新型赛艇”采用单向采用单向 碳纤维制造，重量轻、强度高、碳纤维制造，重量轻、强度高、 刚性好，不仅提高了赛艇的安全刚性好，不仅提高了赛艇的安全 性，也提高了划船效率。帮助中性，也提高了划船效率。帮助中 国四朵金花一举拿下赛艇女子四国四朵金花一举拿下赛艇女子四 人双桨的金牌。人双桨的金牌。 专辑：温哥华冬奥会的新材料（专辑：温哥华冬奥会的新材料（1） 电子垃圾铸奖牌电子垃圾铸奖牌 专辑：温哥华冬奥会的新材料（专辑

13、：温哥华冬奥会的新材料（1） 电子垃圾铸奖牌电子垃圾铸奖牌 奖牌直径奖牌直径100mm，厚，厚 6mm，重量，重量500576克。每克。每 块金牌中有块金牌中有1.5%左右的成左右的成 分来自于从电子垃圾碎片中分来自于从电子垃圾碎片中 提取的金属。提取的金属。 科学美国人科学美国人网站报道：网站报道： 将计算机、监控器、打印机和将计算机、监控器、打印机和 玻璃制品等粉碎，随后分离出玻璃制品等粉碎，随后分离出 钢、铝、铜、玻璃和其他有用钢、铝、铜、玻璃和其他有用 物质，并将余下的碎片倒入物质，并将余下的碎片倒入 1200高温的熔炉中，以获取高温的熔炉中，以获取 那些不能通过简单粉碎提炼出那些不能

14、通过简单粉碎提炼出 的金属材料。的金属材料。 专辑：温哥华冬奥会的新材料（专辑：温哥华冬奥会的新材料（1） 电子垃圾铸奖牌电子垃圾铸奖牌 速滑竞赛服就在大腿处速滑竞赛服就在大腿处 使用了比普通纤维弹性强数使用了比普通纤维弹性强数 十倍的橡胶材料，可最大程十倍的橡胶材料，可最大程 度地减少体力消耗；右胯部度地减少体力消耗；右胯部 以内附着的是以内附着的是“3M”合成纤合成纤 维，可有效减小摩擦力。维，可有效减小摩擦力。 为减少空气阻力，为减少空气阻力，韩国韩国 代表团代表团在比赛服的双手及双在比赛服的双手及双 腿处使用了蜂窝样式的聚氨腿处使用了蜂窝样式的聚氨 酯材料。酯材料。 专辑：温哥华冬奥会

15、的新材料（专辑：温哥华冬奥会的新材料（2） 聚氨酯速滑服聚氨酯速滑服 材料、能源和信息材料、能源和信息并列成为现代科学和并列成为现代科学和 现代文明的三大支柱，现代文明的三大支柱， 材料又是最重要的材料又是最重要的 基础。基础。 材料材料: 人类生活与社会发展的主要物质人类生活与社会发展的主要物质 基础基础，其品种、数量和质量是人类文明和社其品种、数量和质量是人类文明和社 会进步的标志。会进步的标志。 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 人类使用材料的七个时代人类使用材料的七个时代 公元前公元前10万年万年 石器时代石器时代 公元前公元前3000年年 青铜器时代青铜器时代 公元前公元前100

16、0年年 铁器时代铁器时代 公元公元0年年 水泥时代水泥时代 1950年年 硅时代硅时代(信息时代信息时代) 1990年年 新材料时代新材料时代 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑 一、材料与材料技术一、材料与材料技术 二、材料的分类与概况二、材料的分类与概况 按材料的按材料的性能特点性能特点分：分： 1. 结构材料结构材料 2. 功能材料功能材料 二、材料的分类与概况二、材料的分类与概况 按材料的按材料的化学属性化学属性分分: 1. 金属材料金属材料 黑色金属黑色金属：铁及铁基合金材料铁及铁基合金

17、材料 有色有色金属：金属：轻金属、重金属、贵金属、稀有金属轻金属、重金属、贵金属、稀有金属 2. 高分子材料：高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维和胶粘剂塑料、橡胶、合成纤维和胶粘剂 3. 陶瓷材料：陶瓷材料：传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷 4. 复合材料：复合材料：树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料 例例1 底特律活塞队底特律活塞队 例例2 曼联队曼联队 例例3 浦项浦项队队 农业文明：农业文明：牛、马、羊、土地（农业经济）牛、马、羊、土地（农业经济） 工业文明：工业文明：钢、铁钢、铁 （工业经济）（工业经济）

18、现代文明：现代文明：纳米等新材料纳米等新材料 （知识经济）（知识经济） 汽车汽车中各种材料的大致比例中各种材料的大致比例 铝合金铝合金5%10% 塑料塑料10%20% 铁合金铁合金60%75% 其它其它 汽车汽车中的轻合金中的轻合金 汽车每减重汽车每减重1kg，1L汽油可多跑汽油可多跑0.1km。 车身用车身用Al合金，每车用合金，每车用1kgAl，汽车，汽车 2.25kg。 泡沫泡沫Al制汽车零件，只有钢重的制汽车零件，只有钢重的1/2，刚度却是钢的，刚度却是钢的 10倍；绝热性能比倍；绝热性能比Al高高95，对，对800Hz的噪声有很强的消的噪声有很强的消 声能力。声能力。 汽车若能用汽车

19、若能用70kgMg，CO2减排减排30。用于壳体可以降低。用于壳体可以降低 噪声，用于座椅、轮圈可以减振。噪声，用于座椅、轮圈可以减振。 汽车汽车中的塑料中的塑料 汽车减重汽车减重10，油耗降低，油耗降低68。 塑料在轿车上占车身重塑料在轿车上占车身重1030 汽车中用聚丙烯汽车中用聚丙烯100kg可替代可替代200300kg其它材料，相其它材料，相 应地在应地在15万万km的平均寿命里可减少燃料消耗的平均寿命里可减少燃料消耗750L。 与钢材相比，聚丙烯保险杠轻与钢材相比，聚丙烯保险杠轻10.2kg，发动机罩轻，发动机罩轻2.2kg， 燃料箱轻燃料箱轻5kg，宝马，宝马M3塑料翼子板减重塑料翼子板减重1.5kg。 福特汽车中使用的材料福特汽车中使用的材料 汽车发动机和传动系示意图汽车发动机和传动系示意图