工程材料与成型技术概述

1、工程材料与成型技术工程材料与成型技术 主讲教师：丁兰英主讲教师：丁兰英电电 话：话mail: 办办 公公 室：室： B413 材料是社会进步的材料是社会进步的物质基础与先导，是人物质基础与先导，是人类进步的里程碑类进步的里程碑。而任。而任何材料在被制造成有用何材料在被制造成有用物品物品( (无论是生活用品无论是生活用品或是或是生产工具生产工具等等) )的过的过程中，都要经过成形加程中，都要经过成形加工，显然材料成型工艺工，显然材料成型工艺是人类生产活动中始终是人类生产活动中始终不可缺少的基础性技术。不可缺少的基础性技术。 了解金属材料的性能和加工工艺的基础知识，为学好

2、其他了解金属材料的性能和加工工艺的基础知识，为学好其他专业课和从事机械设计和制造奠定必要的基础。专业课和从事机械设计和制造奠定必要的基础。 材料材料材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。材料是人类生产和生活所必须材料是人类生产和生活所必须的物质基础。的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机石器石器铁器铁器 象形尊象形尊( (西周西周) ) 石器时代石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代由于材料的重要性，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。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。材料的发

3、展水平和利用程度已成为材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。人类文明进步的标志。 材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图龙芯龙芯联想计算机联想计算机 没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前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。的计算机技术。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。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。 在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片飞机发动机叶片波音客机波音客机没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯

4、。 二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，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。称作现代文明的三大支柱之一。 前苏联在前苏联在19571957年把第一颗人造卫星送年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约研究中心，并把约2/32/3大学的冶金系或矿大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。

5、其涉及的材料由金属扩展到了与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术需要先进材料的支持。需要先进材料的支持。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭 材料成形工艺是伴随着人类使用材料的材料成形工艺是伴随着人类使用材料的历史而发展的。历史而发展的。 在人类使用材料之初，用过在人类使用材料之初，用过兽骨兽骨，还通，还通过将天然材料石头、陶土打制成石器和烧制成过将天然材料石头、陶土打制成石器和烧制成陶器（陶器（瓷器瓷器），在烧陶过程中人们掌握了金属），在烧陶过程中人们掌握了金属（青铜）冶炼技术及金属成形工艺。（

6、青铜）冶炼技术及金属成形工艺。 旧石器时代晚期，残长8.2厘米，北京周口店出土。骨 针 我国在原始社会后期开始有陶器，在我国在原始社会后期开始有陶器，在仰韶文化仰韶文化和和龙山文化龙山文化时期制陶技术已相当成熟。时期制陶技术已相当成熟。 我国是世界上应用铜、铁最早的国家，远在我国是世界上应用铜、铁最早的国家，远在40004000年前就已经开始使用铜合金，至商周时代年前就已经开始使用铜合金，至商周时代( (公公元前元前1616世纪一公元前世纪一公元前8 8世纪世纪) )达到了青铜文化的鼎达到了青铜文化的鼎盛时期。盛时期。 公元前六七世纪的春秋时期，我国已开始使公元前六七世纪的春秋时期，我国已开始

7、使用铁器，这比欧洲国家早了用铁器，这比欧洲国家早了18001800多年。多年。战国时期战国时期, ,我国就发明了炼钢技术，创造了多种在当时比较我国就发明了炼钢技术，创造了多种在当时比较先进的炼钢方法先进的炼钢方法, ,并将其用于制造农具和兵器等。并将其用于制造农具和兵器等。 铸造技术在我国源远流长，并达到了很高的水平，铸造技术在我国源远流长，并达到了很高的水平，形成了形成了闻名于世的以闻名于世的以泥范泥范( (砂型砂型) )、铁范铁范( (金属型金属型) )和和失失蜡铸造蜡铸造为代表的中国古代三大铸造技术为代表的中国古代三大铸造技术。 据考证据考证, ,早在早在30003000年前的商周时期年

8、前的商周时期, ,我国已发明了我国已发明了古代古代失蜡铸造法失蜡铸造法；战国中期，出现了金属型铸造战国中期，出现了金属型铸造；隋；隋唐以后，我国已掌握了大型铸件的生产技术。唐以后，我国已掌握了大型铸件的生产技术。 河南安阳武官村出土的商代司母戊鼎河南安阳武官村出土的商代司母戊鼎，重八百多，重八百多公斤，体积庞大，花纹精巧，造型精美。公斤，体积庞大，花纹精巧，造型精美。司母戊大方鼎司母戊大方鼎 藏于国家博物馆的商代藏于国家博物馆的商代晚期（公元前晚期（公元前1313前前1111世纪）青铜器，通高世纪）青铜器，通高133cm，口长，口长116cm、宽、宽79cm，重，重832.84kg，是，是迄今

9、发掘出土最大、最迄今发掘出土最大、最重的青铜礼器重的青铜礼器 湖北江陵楚墓湖北江陵楚墓中发现的越王勾践中发现的越王勾践青铜宝剑青铜宝剑，地下埋，地下埋藏了藏了20002000多年，但多年，但依然刃口锋利，寒依然刃口锋利，寒光闪闪，可一次割光闪闪，可一次割透叠在一起的十多透叠在一起的十多层纸张。层纸张。 西汉时期曾大量使用的西汉时期曾大量使用的“透光透光”铜镜，被西方人称为铜镜，被西方人称为 “ “中国魔镜中国魔镜”，就是我国古代工匠们巧妙地利用了，就是我国古代工匠们巧妙地利用了因铸件壁厚不同形成的铸造应力及变因铸件壁厚不同形成的铸造应力及变形的原理而制成的。形的原理而制成的。 现存于北京大钟寺

10、内的明现存于北京大钟寺内的明朝永乐年间铸造的朝永乐年间铸造的大铜钟大铜钟，重，重46465 t5 t，钟身内外遍铸经文，钟身内外遍铸经文2020余万字，是世界上铸字最多的余万字，是世界上铸字最多的大钟，其钟声浑厚虽在悦耳，大钟，其钟声浑厚虽在悦耳，远传百里。远传百里。 我国锻造和焊接技术也有着悠久的历史。我国锻造和焊接技术也有着悠久的历史。 在河北藁城出土的商朝铁刃铜钺在河北藁城出土的商朝铁刃铜钺( (越越) )是我国是我国发现的最早的锻件。发现的最早的锻件。( (距今距今3 0003 000多年多年) ) 在河南辉县战国墓中发掘出的殉葬铜器在河南辉县战国墓中发掘出的殉葬铜器, ,其其耳和足是

11、用钎焊方法与本体连接的。耳和足是用钎焊方法与本体连接的。 我国还是最早使用我国还是最早使用粘接技术粘接技术的国家，在陕的国家，在陕西临潼西临潼秦始皇陵陪葬坑秦始皇陵陪葬坑发现的发现的铜车马铜车马中，金银中，金银饰件的固定用的就是一饰件的固定用的就是一种无机粘接剂。种无机粘接剂。 我国明朝科学家我国明朝科学家宋应星宋应星著著天工开物天工开物一书一书中，记载了中，记载了冶铁、炼铜、铸钟、锻铁、焊接、淬冶铁、炼铜、铸钟、锻铁、焊接、淬火等多种金属成形和改性方法及生产经验火等多种金属成形和改性方法及生产经验, ,是世是世界上有关界上有关金属加工工艺金属加工工艺最早的科学著作之一。最早的科学著作之一。

12、近年，我国近年，我国的材料成形技术的材料成形技术有了突飞猛进的有了突飞猛进的发展发展, ,如三峡水利如三峡水利建设中建设中, ,440t440t不锈不锈钢转轮钢转轮、750t750t蜗蜗壳和壳和300t300t的闸门的闸门都是世界上最重都是世界上最重的钢铁结构。的钢铁结构。 “鸟巢鸟巢”结构设计结构设计奇特新颖，而这次搭建奇特新颖，而这次搭建它的钢结构的它的钢结构的Q460也也有很多独到之处：有很多独到之处：Q460是一种低合金高是一种低合金高强度钢，它在受力强度强度钢，它在受力强度达到达到460兆帕时才会发兆帕时才会发生塑性变形，这个强度生塑性变形，这个强度要比一般钢材大，因此要比一般钢材大

13、，因此生产难度很大。生产难度很大。 材料成形加工是制造业的重要组成部分。材料成形加工是制造业的重要组成部分。 据统计，据统计，全世界全世界7575的钢材经塑性加工，的钢材经塑性加工，4545的的金属结构用焊接得以成形金属结构用焊接得以成形。 我国铸件年产量超过我国铸件年产量超过14001400万吨，成为世界铸件生万吨，成为世界铸件生产第一大国。产第一大国。 汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。 据统计，全球据统计，全球汽车用材总质量的汽车用材总质量的6565由由钢材钢材( (约约4545) )、铝合金、铝合金( (约约1313) )及铸铁及铸铁( (约约

14、7 7) )通过锻压、焊通过锻压、焊接和铸造成形接和铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。需的实用性能。 18631863年，光学显微镜首次应用于年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。组织联系起来。灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织光学显微镜光学显微镜Pb-SnPb-Sn共晶组织共晶组织人类对材料的认识是逐步深入人类对材料的认识是逐步深入的的。 1912 1912年发现了年发现了X-X-射线对晶体的作用并在随后被射线对晶体的作用并在随

15、后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的用于晶体衍射分析，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。认识从最初的假想到科学的现实。 SiSi表面的重构图象表面的重构图象X-X-射线衍射仪射线衍射仪 1932年发明了电年发明了电子显微镜，把人们带子显微镜，把人们带到了微观世界的更深到了微观世界的更深层次（层次（10-7m） 透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下 1934 1934年位错理论的年位错理论的提出，解决了晶体理论提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨实际强度之间存在的巨大差别

16、的矛盾，对于人大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有及设计高强度材料具有划时代的意义。划时代的意义。材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图1 1、认识工程材料的各种（物理、化学、力学）性、认识工程材料的各种（物理、化学、力学）性 能及应用。能及应用。钢：强度高钢：强度高铝：比重小铝：比重小铜：导电好铜：导电好陶瓷：硬、耐蚀陶瓷：硬、耐蚀2 2、能正确选择、使用材料及相应的材料改性工艺及、能正确选择、使用材料及相应的材料改性工艺及成形方法和工艺成形方法和工艺。铜铜钢钢花岗岩花岗岩铝合金铝合金用什么材料，用什么材料，如何加工？如何加工？洲际导弹洲际导弹协

17、和客机协和客机数控机床数控机床复合材料复合材料工程材料工程材料：材料的种类和性能、材料的组织结构、：材料的种类和性能、材料的组织结构、金属热处理及表面改性、钢铁材料及其用途、非铁金属热处理及表面改性、钢铁材料及其用途、非铁材料、失效及选材材料、失效及选材热成形工艺基础热成形工艺基础：铸造、压力加工、焊接、非金属：铸造、压力加工、焊接、非金属及复合材料成形方法、毛坯成形方法选择及质量控及复合材料成形方法、毛坯成形方法选择及质量控制制 基本原理（三种关系）：材料三要素（成分、结构基本原理（三种关系）：材料三要素（成分、结构、微观组织）与使用性能的关系；材料改性及表面、微观组织）与使用性能的关系；材料改性及表面强化工艺与材料成分、性能间的关系；材料成形工强化工艺与材料成分、性能间的关系；材料成形工艺与材料组织、性能间的关系艺与材料组织、性能间的关系 基本知识：各类工程材料的特点及应用；材料改性基本知识：各类工程材料的特点及应用；材料改性工艺的特点及应用；各种成形工艺的特点与应用；工艺的特点及应用；各种成形工艺的特点与应用；零件材料质量的控制；新材料的发展及现代改性与零件材料质量的控制；新材料的发展及现代改性与成形工艺的进展成形工艺的进展 工程应用：掌握工程材料与成形工艺的合理选用；工程应用：掌握工程材料与成形工艺的合理选用；掌握各种成形零件的