工程材料基础教学课件

工程材料基础工程材料是现代工业和技术发展的基础，它们为各种工程结构和产品提供了必要的物质基础本课程将系统介绍工程材料的定义与分类，帮助学生理解不同材料的性质和使用要求，以及掌握材料选择的科学方法课程大纲工程材料基本性质探讨材料的物理性质、化学性质、力学性质及工艺性能，建立材料性能评价体系金属材料介绍金属晶体结构、合金相图、钢铁材料、有色金属及其热处理工艺非金属材料讲解陶瓷、玻璃、塑料、橡胶、复合材料等非金属材料的特性与应用材料的成形工艺分析铸造、锻造、焊接等材料成形技术的原理与应用方法材料的测试与选用教学目标掌握工程材料的基本概念与分类理解不同类型工程材料的本质特征，掌握材料分类方法和命名规则，建立系统化的材料知识框架理解材料的主要性能指标熟悉材料的物理、化学、力学和工艺性能参数，掌握材料性能测试与评价方法学会常用工程材料的选择方法基于工程需求和材料特性，能够科学选择适合特定应用场景的工程材料，并进行性能和成本的综合评估了解材料成形技术的基本原理绪论工程材料概述工程材料在机械设计中的材料发展历史及现代工程重要性材料分类工程材料是机械设计的物质基从石器时代、青铜时代到铁器时础，决定了产品的性能、寿命和代，材料的发展推动了人类文明可靠性合理选择材料可以提高进步现代工程材料按组成和结产品质量，降低成本，实现设计构可分为金属材料、无机非金属目标材料选择已成为工程设计材料、有机高分子材料和复合材过程中不可或缺的关键环节料四大类，各具特色新材料发展趋势当前，材料科学正向纳米化、功能化、智能化和绿色化方向发展新型材料如纳米材料、生物材料、智能材料和能源材料等正引领材料科学的革命性进步，为工程技术创新提供强大动力工程材料分类复合材料兼具多种材料优点的高性能工程材料有机高分子材料塑料、橡胶等轻质柔性材料无机非金属材料陶瓷、玻璃等硬脆耐热材料金属材料钢铁、有色金属等强韧导电材料工程材料的分类体系反映了材料科学的发展历程金属材料具有良好的强度、韧性和导电性，是工业革命的基础；无机非金属材料如陶瓷和玻璃具有优异的耐热性和耐腐蚀性；有机高分子材料质轻、绝缘、易加工；而复合材料则通过组合不同材料的优点，获得单一材料无法实现的综合性能第一章工程材料基本性质物理性质化学性质力学性质包括密度、热性描述材料与周围介表征材料在外力作能、电磁性能等，质发生化学反应的用下的变形和断裂反映材料在外部物能力，如耐腐蚀行为，包括强度、理场作用下的行为性、抗氧化性等，硬度、韧性等，是特征这些性质直决定材料在复杂环材料承载能力的重接影响材料在特定境中的耐久性要指标环境下的适用性工艺性能反映材料加工成形的难易程度，如铸造性、焊接性、切削性等，影响材料的制造成本和质量材料的物理性质密度与比重热性能电磁性能密度是单位体积的质量，是材料最基本热性能包括导热系数、热膨胀系数、比电磁性能包括导电性、电阻率、磁导率的物理特性之一不同材料密度差异较热容等导热系数表示材料传导热量的等金属通常具有良好的导电性，而陶大，从轻质的镁合金（约

1.8g/cm³）到能力，铝的导热系数高，适合散热器；瓷和高分子材料则多为绝缘体某些特重质的钨（约

19.3g/cm³）在工程设而陶瓷导热系数低，适合隔热材料热殊材料如半导体，其导电性可通过掺杂计中，常用比强度（强度/密度）和比模膨胀系数对结构设计尤为重要，不同材等方式调控磁性材料在电机、变压器量（弹性模量/密度）评价材料的轻量化料间的热膨胀系数差异会导致热应力等领域有广泛应用性能材料的化学性质耐腐蚀性抗氧化性材料抵抗电化学腐蚀的能力，与材料的材料在高温环境下抵抗氧化的能力，影电化学活性有关响高温应用环境适应性耐候性材料在特殊环境（如强酸碱、辐射）中材料抵抗阳光、雨水等自然环境因素影保持性能的能力响的能力材料的化学性质直接决定其服役寿命和应用环境范围不锈钢含铬，表面形成致密氧化铬保护膜，具有优异的耐腐蚀性陶瓷材料化学性质稳定，适用于腐蚀性环境高分子材料的化学性质复杂，某些塑料对溶剂敏感，而其他如聚四氟乙烯则具有优异的化学稳定性材料的力学性质性质类别测试方法重要指标工程意义强度拉伸试验、压缩试屈服强度、抗拉强决定材料承载能力验、弯曲试验度、抗压强度的上限硬度布氏硬度、洛氏硬HB、HRC、HV反映材料抗变形和度、维氏硬度数值耐磨损能力韧性与塑性冲击试验、拉伸试冲击韧性值、伸长表征材料吸收能量验率、断面收缩率和塑性变形能力疲劳与断裂疲劳试验、断裂韧疲劳极限、断裂韧预测材料在循环载性试验性值荷和裂纹存在条件下的行为力学性质是工程材料最关键的性能指标，直接关系到结构的安全性和可靠性在工程设计中，必须根据受力状况选择具有适当力学性能的材料，并留有足够的安全裕度不同材料的力学性能差异显著，从高强度的碳纤维到高韧性的低碳钢，为不同工程需求提供了多样化选择材料的工艺性能铸造性材料通过熔化、浇注、凝固成形的能力良好的铸造性要求材料具有适当的熔点、流动性和收缩率铸铁的流动性好、收缩率小，铸造性优良；而纯铜流动性差，易产生气孔，铸造性较差铸造性好的材料可以制作复杂形状的零件，降低加工成本焊接性材料通过焊接方法连接的适应性良好的焊接性要求材料在焊接过程中不产生裂纹、气孔等缺陷低碳钢焊接性好，而高碳钢和某些铝合金焊接性较差，需要预热或特殊工艺焊接性直接影响结构的完整性和可靠性切削加工性材料通过车、铣、钻等方法进行切削加工的难易程度良好的切削性要求材料硬度适中、切屑易断裂含硫易切钢和黄铜切削性好，而不锈钢和高温合金切削性差，加工困难切削性影响加工效率和工具寿命塑性加工性材料通过轧制、锻造、冲压等方法进行塑性变形的能力良好的塑性加工性要求材料具有适当的塑性和变形抗力低碳钢和纯铜塑性好，冷热加工性能优良；而铸铁和高强度合金塑性差，不适合塑性加工第二章金属材料基础金属晶体结构金属原子的三维周期性排列方式金属的结晶过程液态金属凝固形成晶体的动力学过程合金相图基础表征合金成分、相组成与温度关系的图示钢的热处理原理通过加热冷却控制金属组织和性能的方法金属材料是工程应用最广泛的材料之一，具有良好的强度、韧性和导电性理解金属材料的基础知识，包括晶体结构、结晶过程、合金相图和热处理原理，对于掌握金属材料的性能规律和应用方法至关重要金属材料科学研究的核心是揭示材料成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系，为工程应用提供理论指导通过调控成分和工艺，可以获得性能各异的金属材料，满足不同工程需求金属晶体结构体心立方结构面心立方结构密排六方结构BCC FCCHCP单胞为立方体，除了8个顶点外，还在立单胞为立方体，除了8个顶点外，在6个单胞为六方棱柱，除了顶点和底面中心方体中心有一个原子原子排列不够紧面的中心各有一个原子原子排列紧外，在中间平面有3个原子原子排列同密，配位数为，空间利用率约典密，配位数为，空间利用率约样紧密，配位数为，空间利用率约868%1274%12型金属有（铁素体）、钨、钼、铬典型金属有（奥氏体）、铜、铝、典型金属有镁、锌、钴等α-Feγ-Fe74%HCP等BCC结构金属硬度较高，塑性较镍等FCC结构金属塑性好，冷加工性结构金属常温下滑移系少，塑性较差，差，常温下不易发生滑移，但随温度升能优良，可通过冷变形强化提高强度不易进行冷加工，多采用热加工成形高变形能力增强晶体缺陷是指晶体中原子排列偏离理想位置的区域，包括点缺陷（空位、间隙原子）、线缺陷（位错）、面缺陷（晶界、层错）和体缺陷（夹杂、气孔）这些缺陷虽然浓度很低，但对材料性能影响显著，是理解和控制材料性能的关键合金相图相图基本概念相图是表示合金在平衡条件下，温度、成分与相组成间关系的图形理解相图需掌握相、相律、组元、固溶体和共晶反应等基本概念相图是研究合金的有力工具，可预测合金在不同温度下的组织和可能发生的相变二元合金相图分析二元合金相图包括完全互溶型、共晶型、包晶型等几种基本类型分析相图需要应用杠杆定则和相律，确定合金在各温度下的相组成和各相的含量通过相图分析，可指导合金设计和热处理工艺制定相图详解Fe-CFe-C相图是钢铁材料研究的基础，包括铁素体、奥氏体、渗碳体等相相图中的A

1、A3等临界点对热处理具有重要意义碳含量小于

2.11%为钢，大于

2.11%为铸铁，它们的组织和性能差异显著相图在材料设计中的应用相图指导合金成分设计，可通过控制成分调整相组成；相图也是热处理工艺制定的理论基础，通过控制加热温度和冷却速度，获得所需组织和性能钢铁材料分类及命名标准碳素钢的性能与应用钢铁材料按化学成分可分为碳素钢、合金钢和铸铁；按用途可分为结碳素钢是应用最广泛的钢种，含碳量决定其性能低碳钢（

0.25%C）构钢、工具钢和特种钢中国钢铁材料标准采用字母和数字组合的命塑性好，焊接性好，用于板材、型材；中碳钢（

0.25-

0.6%C）强度名方法，如Q235表示屈服强度为235MPa的普通碳素结构钢，45钢和韧性平衡，用于轴类、齿轮；高碳钢（

0.6%C）硬度高，耐磨，用表示含碳量约

0.45%的中碳钢于工具、弹簧合金钢的特点铸铁的种类与用途合金钢通过添加合金元素改善性能Cr提高耐蚀性和耐热性；Ni提高铸铁含碳量高（

2.11%），铸造性好，分为灰铸铁、白铸铁、球墨铸韧性和耐蚀性；Mo提高高温强度和淬透性；V细化晶粒，提高强度铁和可锻铸铁灰铸铁中碳以片状石墨形式存在，减振性好，用于机根据合金元素含量可分为低合金钢（5%）和高合金钢（≥5%）床床身；球墨铸铁强韧性好，用于曲轴、齿轮等重要零件钢的热处理工艺退火缓慢加热后缓慢冷却正火加热后空气中冷却淬火加热后快速冷却回火淬火后再次加热保温冷却热处理是通过改变钢的内部组织结构来调控其性能的有效手段退火工艺使钢获得接近平衡的组织，硬度降低，塑性提高，主要用于消除内应力、改善切削加工性正火工艺冷却速度快于退火，获得较细小的珠光体组织，强度高于退火状态，常用于中碳钢零件的预处理淬火是将钢加热到奥氏体区后快速冷却，获得马氏体组织，硬度显著提高，但韧性下降合金元素Mo、Cr、Ni等可提高钢的淬透性淬火后的钢通常需要回火，在较低温度加热保温，减少内应力，调整强韧性配合，获得理想的综合性能有色金属及合金有色金属是除铁、铬、锰外的所有金属元素，在工程中主要使用铝、铜、镁、钛等及其合金铝及铝合金密度小（），耐

2.7g/cm³腐蚀，导电导热性好，广泛用于航空、建筑和包装工业铜及铜合金导电导热性优异，耐蚀性好，主要用于电气工程和热交换设备镁是最轻的工程金属（），用于超轻量化结构；钛合金比强度高，耐腐蚀，耐高温，是航空航天领域的关键材料特种金

1.74g/cm³属材料如镍基高温合金、形状记忆合金、非晶态金属等具有特殊功能，在特定领域发挥着不可替代的作用第三章无机非金属材料陶瓷材料玻璃材料由金属与非金属元素化合物组成的无机非金非晶态无机材料，具有透明性、绝缘性和化属材料，具有高硬度、耐高温、耐腐蚀等特学稳定性，广泛用于建筑、电子、光学等领点，应用于结构和功能领域域混凝土无机胶凝材料由胶凝材料、骨料和水按一定比例混合而成能与水反应硬化的粉状材料，如水泥、石的复合材料，是现代建筑中使用最广泛的结膏、石灰等，是建筑工程的基础材料构材料无机非金属材料在现代工程中扮演着越来越重要的角色，尤其在特殊环境下可以发挥金属材料无法比拟的优势这类材料通常具有优异的耐高温性能、化学稳定性和绝缘性，但脆性大、抗拉强度低的特点限制了其某些应用陶瓷材料结构陶瓷功能陶瓷制备工艺与应用结构陶瓷主要用于承受机械载荷、热应功能陶瓷利用材料的电、磁、光、热等陶瓷材料的制备通常包括原料制备、成力和化学腐蚀的场合典型材料包括氧特殊物理化学性能包括压电陶瓷、铁型、干燥和烧结几个步骤不同的成型化铝、氮化硅、碳化硅等这类陶瓷具电陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷等这方法适用于不同形状和尺寸的制品先有高硬度、耐磨损、耐高温和耐腐蚀的类材料在电子、通信、能源等领域有重进陶瓷材料在航空航天、生物医学、电特点，但韧性较低通过复合化和精细要应用子通信等领域有广泛应用结构设计可提高韧性•压电陶瓷可转换机械能和电能•发动机部件涡轮叶片、燃烧室•氧化铝陶瓷硬度高，绝缘性好•铁电陶瓷具有自发极化特性•生物医学人工关节、牙科材料•氮化硅高温强度好，热震稳定性优•磁性陶瓷用于变压器、电感器件•电子元件绝缘体、基板、电容器异•碳化硅硬度极高，耐磨性突出无机胶凝材料水泥类型与特性水泥是最重要的无机胶凝材料，主要成分为硅酸钙根据组成和性能可分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥等不同水泥具有不同的强度等级、凝结时间和耐久性，适用于不同环境条件和工程要求石膏材料石膏是硫酸钙半水合物，加水后凝结硬化具有凝结快、体积变化小的特点，主要用于建筑内部装饰、模型制作、医疗固定支具等建筑石膏分为α型和β型，α型强度高，用于精密模型；β型成本低，用于普通装饰石灰材料石灰是以氧化钙为主要成分的胶凝材料，分为生石灰和熟石灰石灰在空气中硬化，形成碳酸钙结构具有价格低廉、工艺简单的特点，常用于砂浆、抹灰和土壤稳定处理但其强度低，收缩大，应用受到限制应用领域4无机胶凝材料是建筑工程的基础材料，广泛用于各类土木工程水泥是混凝土的主要成分，用于桥梁、道路、隧道等基础设施；石膏在室内装饰和医疗器械中应用广泛；石灰在传统建筑和土壤改良中仍有重要作用混凝土与砂浆60%15%骨料比例水泥含量混凝土中粗细骨料占总体积的比例，对强度和工作性有重要影响混凝土中水泥占总体积的典型比例，决定凝结硬化性能

0.5C60水灰比强度等级混凝土中水与水泥的质量比，是影响强度的关键因素表示混凝土立方体抗压强度标准值，单位为MPa混凝土是由水泥、骨料、水和外加剂按一定比例混合而成的复合材料，是当今使用量最大的人工材料混凝土配合比设计的目标是在保证工作性和强度的前提下，尽量减少水泥用量，降低成本和收缩混凝土强度主要取决于水灰比，水灰比越小，强度越高特种混凝土包括高强混凝土、轻质混凝土、自密实混凝土、纤维增强混凝土、聚合物混凝土等这些特种混凝土针对特定工程需求，具有常规混凝土所不具备的特殊性能，在现代工程中应用越来越广泛砂浆是由胶凝材料、细骨料和水组成的材料，主要用于砌筑和抹面第四章有机高分子材料塑料橡胶以合成树脂为主要成分的高分子材料，可塑具有高弹性的高分子材料，可承受大变形并性好，加工成型简便恢复原状胶粘剂纤维能使不同材料表面粘合的高分子材料，具有长径比大的细长高分子材料，具有良好的力良好的粘接性能学性能有机高分子材料是由碳、氢、氧、氮等元素组成的大分子化合物，具有质轻、绝缘、加工性好等特点这类材料在世纪得到迅速发展，已成为现20代工业、建筑、电子、医药等领域不可或缺的重要材料高分子材料的结构特点是分子链长、分子量大，其性能与分子结构、分子量及其分布、结晶度和取向等因素密切相关通过调控这些因素，可以设计出性能各异的高分子材料，满足不同应用需求塑料材料分类代表材料特点主要应用热塑性塑料聚乙烯PE、聚丙加热软化，冷却硬包装、管道、日用烯PP、聚氯乙烯化，可重复加工品、容器PVC、聚苯乙烯PS热固性塑料酚醛树脂、环氧树加热硬化后不能再电器外壳、粘合剂、脂、不饱和聚酯熔融，耐热性好复合材料基体工程塑料聚酰胺PA、聚碳力学性能好，可替机械零件、汽车部酸酯PC、聚甲醛代金属用于结构件件、电子电器POM特种工程塑料聚砜PSF、聚酰亚耐高温、耐腐蚀、航空航天、电子、胺PI、聚四氟乙特殊功能化工设备烯PTFE塑料材料的改性是指通过添加各种助剂或改变分子结构，改善塑料的性能常用的改性方法包括增强、增韧、阻燃、抗老化等增强改性常用玻璃纤维、碳纤维等；增韧改性可使用弹性体；阻燃改性添加阻燃剂；抗老化改性添加抗氧剂和紫外线吸收剂橡胶材料天然橡胶合成橡胶橡胶制品天然橡胶是从橡胶树中提取的胶乳加工合成橡胶是通过化学合成的方法制得的橡胶制品的生产工艺包括配料、混炼、而成的弹性体，主要成分是顺式-1,4-聚弹性体，种类繁多，各具特色主要包成型和硫化等步骤硫化是橡胶加工的异戊二烯天然橡胶具有优异的弹性、括丁苯橡胶SBR、丁腈橡胶NBR、关键工序，通过硫化可使线性高分子链耐磨性和粘接性，但耐油性、耐热性和氯丁橡胶CR、硅橡胶、氟橡胶等合形成交联网络结构，显著改善橡胶的力耐老化性较差经过硫化处理后，天然成橡胶可根据不同需求设计分子结构，学性能和耐热性橡胶制品广泛应用于橡胶的性能显著提高，成为重要的工程获得特定性能交通运输、机械制造、电子电器、建筑材料和日常生活等领域•丁苯橡胶性能接近天然橡胶，价格天然橡胶主要用于轮胎、减震制品、传低廉随着科技发展，热塑性弹性体TPE作为送带、密封件等橡胶和塑料的复合体，兼具两者优点，•丁腈橡胶耐油性好，用于油封应用越来越广泛•氯丁橡胶耐热性、耐候性好•硅橡胶耐高低温性能优异•氟橡胶耐化学腐蚀性极佳高分子材料成型工艺注塑成型注塑成型是最常用的塑料成型方法，适用于热塑性塑料将塑料加热熔融，通过高压注入模具型腔，冷却固化后得到成品这种方法生产效率高，制品尺寸精度好，表面光洁，适合生产形状复杂的小型制品常用于电子外壳、玩具、日用品等挤出成型挤出成型是将熔融塑料通过机筒和螺杆挤出，经过模具成型，适合生产连续截面的制品这种方法设备简单，生产效率高，适用于管材、型材、薄膜、板材等制品挤出成型通常用于PVC管、塑料薄膜、电线电缆护套等产品的生产吹塑成型吹塑成型是将热塑性塑料预成型坯料放入模具中，通过压缩空气吹胀，使其紧贴模壁成型这种方法适合生产中空制品，如塑料瓶、油桶、玩具等根据坯料形式不同，可分为挤出吹塑和注射吹塑两种工艺，各有优缺点模压成型主要用于热固性塑料，将塑料粉料直接放入加热模具中，在加热和压力作用下固化成型这种方法设备简单，投资少，但生产效率较低，适用于小批量生产常用于电器绝缘件、厨房用具手柄等第五章复合材料复合材料基本概念增强相与基体相复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学方法复合而成复合材料通常由增强相和基体相组成增强相主要承担载荷，提供强度和刚度，的新型材料复合材料保持各组分的基本特征，同时产生单一材料不具备的性形式包括纤维、颗粒和片状等；基体相起到粘结、保护增强相和传递载荷的作能复合材料的设计理念是扬长避短，优势互补，实现性能的最优化用，可以是金属、陶瓷或高分子材料增强相和基体相的界面状态对复合材料性能影响显著分类与性能应用实例复合材料按基体材料分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和高分子基复合材复合材料在航空航天、汽车工业、体育用品、建筑工程等领域有广泛应用例料；按增强相形态分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层状复合材料如，碳纤维复合材料用于飞机结构件，玻璃纤维复合材料用于游艇和风力发电复合材料通常具有高比强度、高比刚度、设计性强等特点叶片，碳/碳复合材料用于飞机刹车片和火箭喷管等纤维增强复合材料碳纤维复合材料玻璃纤维复合材料芳纶纤维复合材料碳纤维是目前最重要的高性能纤维之一，由聚丙烯腈玻璃纤维是最早发展和应用最广泛的增强纤维，价格芳纶纤维是一种芳香族聚酰胺纤维，具有高强度、高（PAN）、沥青或粘胶纤维等有机纤维经碳化处理低廉，性能适中根据成分不同，分为E玻璃纤维模量和低密度的特点芳纶纤维分为对位芳纶制得碳纤维具有高强度（3500-7000MPa）、（普通型）、S玻璃纤维（高强型）和C玻璃纤维（Kevlar）和间位芳纶（Nomex）两种对位芳纶高模量（230-830GPa）和低密度（

1.76-（耐腐蚀型）等玻璃纤维复合材料具有良好的绝缘强度高，用于增强材料；间位芳纶耐热性好，主要用

2.0g/cm³）的特点，是理想的轻量化结构材料性、耐腐蚀性和成本优势于防火材料碳纤维复合材料主要用于航空航天结构件、体育用品玻璃纤维增强塑料（GFRP）广泛用于船艇、储罐、芳纶纤维复合材料在防弹材料、航空航天、体育器材和高端汽车部件碳纤维增强环氧树脂复合材料是波管道、建筑材料和民用车辆等领域近年来，风力发等领域有重要应用芳纶蜂窝夹层结构广泛用于飞机音787和空客A350飞机的主要结构材料电叶片成为玻璃纤维复合材料的重要应用领域内饰板和地板芳纶纤维还是防弹衣和防弹头盔的关键材料复合材料的特性各向异性纤维增强复合材料在不同方向上表现出不同的性能，这种特性称为各向异性沿纤维方向，材料表现出最高的强度和刚度；垂直于纤维方向，性能则主要由基体决定这种各向异性可以通过调整纤维排列方式和层合设计加以利用，实现材料性能的定向优化比强度与比刚度比强度和比刚度是复合材料的最大优势比强度是强度与密度之比，比刚度是弹性模量与密度之比高性能纤维增强复合材料的比强度和比刚度远高于传统金属材料，使其成为航空航天等轻量化领域的理想选择碳纤维/环氧树脂复合材料的比强度是钢的5倍以上疲劳性能复合材料的疲劳性能通常优于金属材料在相同应力水平下，复合材料的疲劳寿命更长这主要归因于纤维的高强度和复合材料特有的损伤发展机制疲劳损伤在复合材料中的扩展速度较慢，且不会像金属那样出现灾难性的快速断裂这使得复合材料特别适用于风力发电叶片等疲劳敏感部件断裂行为复合材料的断裂行为复杂，涉及多种损伤模式，包括纤维断裂、基体开裂、界面脱粘和层间分层等这些损伤模式相互作用，形成渐进式失效过程与金属材料相比，复合材料的损伤通常在宏观断裂前就已开始，这为结构健康监测提供了可能复合材料的应用复合材料在航空航天领域的应用最为广泛和深入现代民用飞机如波音和空客的结构重量中，复合材料占比已超过复合787A35050%材料的使用不仅大幅减轻了飞机重量，提高燃油效率，还改善了抗疲劳性能，延长了检修周期航天器结构、火箭发动机壳体和太空望远镜等也大量使用复合材料汽车工业正逐步增加复合材料的应用比例，尤其是高端跑车和电动汽车建筑工程中，复合材料用于桥梁加固、抗震结构和装饰材料体育用品如网球拍、高尔夫球杆、自行车车架等广泛采用复合材料，以提供更好的性能体验未来，随着制造成本的降低和技术的进步，复合材料的应用领域将进一步扩大第六章材料成形技术铸造成形将熔融金属浇注到模具中成形塑性成形利用材料塑性变形获得所需形状焊接通过局部熔化或压力实现材料连接切削加工通过去除多余材料获得精确尺寸材料成形技术是将工程材料加工成具有特定形状、尺寸和性能的零件或结构的工艺方法不同的成形技术适用于不同的材料和产品要求，选择合适的成形技术对于保证产品质量和降低制造成本至关重要随着计算机技术和自动化的发展，材料成形技术正向精密化、智能化、绿色化方向发展数控加工、增材制造3D打印等先进制造技术的应用，大大提高了成形精度和效率，拓展了材料成形的可能性铸造成形技术铸造工艺原理铸造方法分类特种铸造工艺铸造是将熔融金属浇注到与零件形状相按铸型材料和性质分类砂型铸造、金精密铸造包括熔模铸造、陶瓷型精密铸适应的铸型中，冷却凝固后获得铸件的属型铸造、陶瓷型铸造、石膏型铸造造等，可获得高精度、高表面质量的铸成形方法铸造过程涉及金属的熔化、等砂型铸造适应性强，成本低，是最件，广泛用于航空发动机叶片、医疗器浇注、凝固和冷却等阶段金属凝固时常用的铸造方法；金属型铸造冷却速度械等伴随着体积收缩和晶体生长，这些现象快，铸件尺寸精度高，表面质量好消失模铸造使用泡沫塑料模型，浇注时对铸件质量有重要影响按成形方式分类重力铸造、压力铸模型气化，金属填充型腔，适合复杂形合理的浇注系统设计和冒口设置可以保造、离心铸造、连续铸造等压力铸造状零件证型腔充型顺序合理，补缩充分，减少填充速度快，铸件致密，适合薄壁复杂低压铸造和真空铸造通过控制浇注压缺陷铸造是生产形状复杂零件的经济零件；离心铸造利用离心力使金属充填力，获得高质量铸件粉末冶金技术结方法，特别适合大型零件和复杂内腔结型腔，适合生产回转体空心零件合了铸造和烧结原理，适合特殊材料和构高精度零件塑性加工技术轧制金属通过旋转轧辊的挤压变形锻造金属在锻压设备作用下变形成形挤压金属在挤压力作用下通过模具成形冲压成形金属板材在模具中成形塑性加工是利用金属材料的塑性，在外力作用下使其产生塑性变形而获得所需形状和尺寸的加工方法与铸造相比，塑性加工得到的零件具有更好的力学性能和更精确的尺寸塑性加工中的变形抗力与材料性质、变形温度、变形速度和变形程度有关轧制是生产金属板材、型材的主要方法，可分为热轧和冷轧热轧变形抗力小，变形量大，但精度较低；冷轧精度高，表面质量好，同时可获得加工硬化效果锻造分为自由锻和模锻，用于生产重要的承载零件挤压可获得复杂截面的长条产品，如铝型材冲压成形包括冲裁、弯曲、拉深等工序，广泛用于汽车车身、家电外壳等薄壁件的制造焊接技术熔焊熔焊是通过热源使工件接头处局部熔化，并添加或不添加填充金属实现连接的方法常用的熔焊方法包括电弧焊、气焊、电子束焊和激光焊等电弧焊是最常用的焊接方法，根据电极类型可分为手工电弧焊、气体保护焊MIG/TIG和埋弧焊等电弧焊适用性广，成本低，但对操作者技能要求高压焊压焊是在压力作用下，使工件接触表面形成原子间结合的焊接方法常见的压焊方法包括电阻焊、摩擦焊、超声波焊接等电阻焊利用电流通过接触面产生的热量和压力实现焊接，包括点焊、缝焊和对焊摩擦焊利用摩擦产生的热量和压力实现焊接，特别适合异种金属的连接压焊变形小，热影响区小焊接质量控制焊接质量控制包括焊前控制、焊中控制和焊后检验焊前控制涉及材料选择、焊接工艺参数确定和设备校验；焊中控制包括工艺参数监测和调整；焊后检验采用无损检测方法评估焊缝质量常见的焊接缺陷包括气孔、夹渣、未熔合、裂纹和变形等，通过合理的工艺设计和操作可以避免或减少这些缺陷钎焊与粘接是两种特殊的连接方法钎焊使用熔点低于母材的钎料，通过毛细作用填充接头间隙，实现连接粘接使用胶粘剂连接材料，适用于不同材料的连接，尤其是不易焊接的材料这两种方法变形小，可连接异种材料，但强度通常低于焊接使用理论解决工程材料问题TRIZ理论简介工程矛盾与物理矛盾个发明原理TRIZ40是俄语发明问题解决理论的缩将矛盾分为工程矛盾和物理矛盾理论总结了个发明原理，这些原TRIZTRIZ TRIZ40写，由前苏联科学家阿奇舒勒创立它工程矛盾是指改善系统的一个参数时，理是解决工程矛盾的工具例如分割原是一种系统化的创新方法，通过分析大另一个参数会恶化，如增加材料强度往理、抽取原理、局部质量原理等在材量专利，提炼出发明创新的普遍规律和往会降低韧性物理矛盾是指对同一参料工程中，这些原理可以帮助设计新材解决问题的原理TRIZ理论认为技术系数的相互矛盾的要求，如材料既要轻又料或改进现有材料例如，复合材料的统的发展遵循一定的规律，技术问题的要坚固TRIZ提供了系统化的方法来解设计就体现了分割原理和非对称性原解决方案往往已经在其他领域或行业中决这些矛盾理；梯度材料体现了局部质量原理存在在材料工程中的应用包括材料选择、材料设计、工艺优化和失效分析等方面通过方法，可以系统地分析材料性能矛盾，TRIZ TRIZ寻找创新解决方案例如，利用方法设计轻量化高强度结构，开发多功能智能材料，优化材料加工工艺等不仅提供解决TRIZ TRIZ方案，还能激发创新思维，拓展问题解决的思路分割原理TRIZ分割原理概述分割原理是TRIZ40个发明原理中的第一个原理，它指导我们将对象分割成独立的部分，使部件易于拆卸，或增加分割程度在材料工程中，分割原理表现为将材料在宏观或微观层面进行分割，以获得新的性能或解决矛盾问题材料设计中的应用案例多孔材料是分割原理的典型应用，如泡沫金属、多孔陶瓷等这些材料通过引入空隙，大幅降低密度，同时保持较好的力学性能，解决了轻量化与强度的矛盾另一个例子是微纳米结构材料，通过控制晶粒尺寸在纳米级别，显著提高材料强度，体现了微观分割的思想复合材料设计中的分割思想复合材料本身就是分割原理的体现通过将不同性质的材料组合在一起，发挥各自优势，克服单一材料的局限性例如，碳纤维增强复合材料中，纤维提供强度和刚度，基体传递载荷并保护纤维，共同形成高性能材料系统分层复合材料更是直接应用了分割原理活动式训练思考如何应用分割原理改进现有材料

1.设计一种轻量化但强度高的结构材料；

2.提出一种既耐热又耐冲击的陶瓷材料方案；

3.设计一种既导电又绝缘的复合材料通过分析这些问题，加深对分割原理在材料工程中应用的理解抽取原理TRIZ抽取原理概述材料减重设计案例多孔材料设计抽取原理是TRIZ40个发明原理中轻量化结构设计是抽取原理的典型多孔材料是抽取原理在材料设计中的第2个原理，它指导我们从对象应用通过拓扑优化，可以在保证的重要应用通过在材料中引入孔中分离干扰部分或性质，或只抽取结构强度的前提下，去除非承载区隙，可以获得特殊功能，如轻量化、所需的部分或性质在材料工程中，域的材料，显著减轻重量航空航隔热、吸声、过滤等金属泡沫、抽取原理可以理解为通过去除不必天领域的蜂窝结构、格栅结构都是多孔陶瓷、气凝胶等都是典型的多要的材料或组分，保留或强化所需成功案例，它们保留了结构的支撑孔材料，它们在保留基体材料主要功能，实现材料的优化设计功能，同时大幅减少了材料用量性能的同时，通过孔隙结构获得了新的功能活动式训练应用抽取原理解决以下问题

1.设计一种既轻量又高强度的桥梁结构材料；

2.开发一种既导热又绝缘的电子封装材料；

3.提出一种既隔热又透光的建筑材料方案通过这些实际问题的思考，加深对抽取原理在材料工程中应用的理解局部质量原理TRIZ局部质量原理概述表面强化处理案例梯度材料设计局部质量原理是TRIZ40个发明原理中的第3表面强化处理是局部质量原理的典型应用如功能梯度材料FGM是局部质量原理的高级个原理，它指导我们使对象的结构由均质转为表面淬火、渗碳、渗氮等热化学处理，使材料应用，它在材料内部形成连续的成分或结构梯非均质，使外部环境（或外部作用）由均质转表面获得高硬度和耐磨性，而内部保持韧性度，使性能平滑过渡这种设计避免了传统复为非均质，或者使不同部位具有执行不同功能这种处理方法解决了硬度与韧性的矛盾，广泛合材料界面处的应力集中，提高了材料的整体的能力在材料工程中，局部质量原理体现为用于齿轮、轴类零件表面喷涂、电镀、激光性能典型应用包括高温部件热障涂层、生物在材料不同部位实现不同的组成或性能，以满熔覆等工艺也是实现局部性能改善的有效手段医用材料和切削工具等足复杂的使用要求•热障涂层从金属基体到陶瓷表面的热膨•渗碳钢表面硬度高达HRC60以上，心胀系数渐变部保持韧性•硬质合金刀具从韧性心部到硬质表面的•激光表面强化实现精确区域的硬化处理梯度过渡•表面喷涂赋予基材表面特殊性能，如耐•生物植入材料模拟骨骼的梯度结构磨、耐蚀活动式训练应用局部质量原理解决以下材料问题设计一种既耐磨又抗冲击的采矿设备材料；提出一种既导热又耐热的热交换器材料方案；

1.

2.设计一种既生物相容又具有机械强度的植入材料

3.非对称性原理TRIZ非对称性原理概述非对称性原理是TRIZ40个发明原理中的第4个原理，它指导我们用不对称形状替代对称形状，或者如果对象已经不对称，则增加不对称程度在材料工程中，非对称性原理体现为利用材料在结构、组成或性能上的不对称性，解决特定问题或获得特殊功能材料设计中的非对称应用在结构设计中，非对称排布可以优化材料的力学性能例如，复合材料中纤维的非对称排列可以提供方向性能，适应复杂应力状态；蜂窝结构的非对称设计可以实现可控变形和能量吸收在电子材料中，非对称掺杂可以形成P-N结，是半导体器件的基础各向异性材料开发案例各向异性材料是非对称性原理的直接体现单晶材料、取向硅钢、碳纤维复合材料等都具有方向性能这种各向异性可以有目的地设计和利用，如取向硅钢在电机铁芯中的应用，减少了磁滞损耗；纤维增强复合材料在飞机结构中的定向设计，实现了轻量化和高强度的结合活动式训练应用非对称性原理解决以下材料问题

1.设计一种能够适应复杂载荷的结构材料；

2.提出一种具有特定导电路径的电子材料方案；

3.设计一种在特定方向上具有特殊性能的复合材料通过这些实际问题的思考，加深对非对称性原理在材料工程中应用的理解多用性原理TRIZ多功能材料设计智能材料开发案例多功能材料是多用性原理的直接应智能材料是多用性原理的高级应用，用，它在单一材料中集成多种功能它能够对外部环境变化做出响应并改例如，导电防腐涂层既具有导电性又变自身性能形状记忆合金、压电材多用性原理概述有防腐蚀功能；阻燃隔热材料同时提料、磁流变材料等都是典型的智能材供阻燃和隔热性能；抗菌耐磨材料兼料，广泛应用于传感器、执行器和自多用性原理是TRIZ40个发明原理中具抗菌和耐磨两种特性适应结构活动式训练的第6个原理，它指导我们让一个对象执行多项功能，减少其他对象的数应用多用性原理设计以下材料

1.一量在材料工程中，多用性原理体现种既导热又导电的封装材料；

2.一种为设计具有多种功能的材料，减少系既透光又隔热的建筑材料；

3.一种既统的复杂性和成本轻量又高强度的结构材料嵌套原理TRIZ嵌套原理概述层级复合材料设计三明治结构材料案例嵌套原理是TRIZ40个发明原理中的第7个原理，层级复合材料是嵌套原理的典型应用通过在不同三明治结构是嵌套原理在结构设计中的重要应用它指导我们将一个对象放置在另一个对象内部，将尺度上设计材料结构，可以获得优异的综合性能它由两层高强度面板和中间轻质芯材组成，兼具轻一个对象穿过另一个对象的空腔在材料工程中，例如，纳米复合材料在基体中引入纳米级增强相，量化和高刚度特点常见的三明治结构包括金属面嵌套原理体现为设计多层次、多尺度的结构，以获显著提高材料强度和韧性；多层膜材料通过不同功板-蜂窝芯材、复合材料面板-泡沫芯材等这种结得特殊的性能组合或解决矛盾问题能层的组合，实现复杂的性能要求，如光学滤波、构广泛应用于航空航天、船舶和建筑领域，实现了气体阻隔等重量轻、刚度高的设计目标活动式训练应用嵌套原理解决以下材料问题

1.设计一种既轻量又抗冲击的防护材料；

2.提出一种既隔热又强度高的建筑材料方案；

3.设计一种既导电又绝缘的电子封装材料通过这些实际问题的思考，加深对嵌套原理在材料工程中应用的理解复制原理TRIZ复制原理概述材料微结构设计复制原理是TRIZ40个发明原理中的第26个原理，它指导我们使用简单廉材料微结构的重复排列是复制原理的典型应用周期性结构如光子晶体、价的复制品代替昂贵、不方便或易碎的对象在材料工程中，复制原理体声子晶体等，通过规则排列的微结构单元，实现特定波长的电磁波或声波现为通过复制和模仿特定结构或形态，获得所需的材料性能，或者通过批调控这种设计广泛应用于光学滤波器、声学隔离材料等同样，晶体材量复制降低成本、提高效率料中原子的周期性排列也是一种自然的复制结构仿生材料开发案例活动式训练仿生材料是复制原理的高级应用，通过模仿自然界生物结构和功能，设计应用复制原理解决以下材料问题

1.设计一种具有特殊光学性能的表面材具有特殊性能的材料例如，仿荷叶结构的超疏水材料，复制了荷叶表面料；

2.提出一种轻质高强的结构材料方案；

3.设计一种自清洁表面材的微纳米复合结构；仿蝶翅结构的结构色材料，模仿了蝴蝶翅膀的光子晶料通过这些实际问题的思考，加深对复制原理在材料工程中应用的理体结构；仿骨骼结构的轻质高强材料，复制了骨骼的多层次结构设计解第七章材料测试与分析无损检测技术不破坏材料完整性的检测方法微观组织分析研究材料内部结构和相组成物理化学性能测试测定材料的物理和化学特性力学性能测试评价材料在外力作用下的行为材料测试与分析是工程材料学科的重要组成部分，它为材料的研发、选用和质量控制提供科学依据通过各种测试手段，可以获取材料的性能参数、内部结构特征和使用可靠性等关键信息，指导材料的优化设计和应用随着科学技术的发展，材料测试方法不断创新，测试精度和效率持续提高现代材料测试已经从宏观性能测试扩展到微观、纳观尺度的精细分析，为深入理解材料结构与性能的关系提供了有力工具力学性能测试方法拉伸试验硬度试验冲击试验与疲劳试验拉伸试验是最基本的力学性能测试方硬度试验测量材料抵抗局部变形的能冲击试验评价材料在动态载荷下的抗冲法，通过对标准试样施加轴向拉伸载荷力，是最简便的材料性能测试方法常击能力，常用的方法有夏比试验和落锤直至断裂，测定材料的弹性模量、屈服用的硬度测试方法包括布氏硬度HB、冲击试验试验结果反映材料的韧性和强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率洛氏硬度HRA/HRB/HRC、维氏硬度脆性疲劳试验评价材料在循环载荷作等参数试验过程中记录的载荷-变形曲HV和显微硬度等不同的硬度测试方用下的寿命和强度，通过施加重复载荷线可以全面反映材料的力学行为法适用于不同类型和尺寸的材料直至材料断裂，得到应力-循环次数S-曲线，确定疲劳极限或疲劳强度N•金属材料通常采用圆柱形或板状试样•布氏硬度用于软金属，压痕较大疲劳试验分为低周疲劳次和高周≤10⁴•洛氏硬度测试迅速，分多个标度疲劳次，测试时间长但对工程设10⁴•塑料和橡胶采用哑铃形试样•维氏硬度适用范围广，精度高计至关重要•复合材料通常使用板状试样，测试方•显微硬度测试微小区域的硬度分布向与纤维取向有关微观组织分析光学显微镜分析光学显微镜是观察材料微观组织的基本工具，放大倍数通常在50-1500倍样品需要经过切割、磨制、抛光和腐蚀等处理，显示出组织特征光学显微镜可以观察材料的相组成、晶粒大小、缺陷分布等信息，是材料分析的基础手段对于金属材料，可以观察铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体等不同组织；对于复合材料，可以观察纤维分布和界面状态；对于陶瓷材料，可以观察晶粒形态和气孔分布电子显微镜分析电子显微镜包括扫描电子显微镜SEM和透射电子显微镜TEM，放大倍数可达数十万倍SEM利用二次电子和背散射电子成像，具有较大的景深和分辨率，可以观察材料表面形貌和成分分布TEM利用透过样品的电子束成像，可以观察材料的晶体结构、位错和界面等纳米尺度特征现代电子显微镜常配备能谱仪EDS和波谱仪WDS，可以进行材料的元素分析和成分映射，是材料科学研究的重要工具射线衍射分析XX射线衍射XRD是研究材料晶体结构的重要方法它基于X射线与晶体原子排列的相互作用产生衍射现象，通过分析衍射图谱可以确定材料的晶体结构、相组成、晶粒尺寸和残余应力等信息XRD广泛用于金属、陶瓷、高分子和复合材料的相分析和结构表征此外，X射线荧光光谱XRF可用于材料的元素分析，小角X射线散射SAXS可用于研究纳米材料的结构特征这些技术与XRD互为补充，共同构成了X射线分析技术体系无损检测技术超声波检测射线检测磁粉检测X超声波检测利用超声波在材料X射线检测利用X射线穿透材料磁粉检测适用于铁磁性材料，中传播和反射的特性，检测材的能力，通过成像显示内部结通过磁化被检材料，使缺陷处料内部缺陷它可以检测裂构和缺陷它能够检测气孔、产生漏磁场，再利用磁粉指示纹、夹杂、孔洞等不连续性缺裂纹、夹杂等缺陷，尤其适合缺陷位置这种方法操作简陷，还可以测量材料厚度超检测焊缝和铸件计算机断层便，成本低，特别适合检测表声波检测具有深度大、精度扫描CT技术结合X射线成像，面和近表面的裂纹、夹杂等缺高、安全性好的特点，广泛用可以获得材料内部三维结构信陷磁粉检测广泛用于钢铁于金属结构、复合材料和焊接息，是现代无损检测的重要手件、铸件和焊接结构的检验接头的检测段渗透检测渗透检测利用毛细作用原理，通过渗透剂渗入表面开口缺陷，然后使用显像剂将缺陷显示出来这种方法简单直观，适用于各种材料的表面缺陷检测，特别是非铁磁性材料渗透检测常用于铸件、锻件和焊接件的表面质量检查此外，还有涡流检测、声发射检测、红外热像检测等技术，它们各有特点和适用范围现代无损检测技术正向数字化、智能化方向发展，结合计算机图像处理和人工智能技术，提高检测的自动化程度和精确性第八章材料选择方法材料选择基本原则合理选择适合使用环境和工作要求的材料材料性能与成本平衡在满足性能要求的前提下优化经济性材料选择流程系统化的材料评估和决策过程案例分析通过实际案例学习材料选择方法材料选择是工程设计中的关键环节，它直接影响产品的性能、寿命、成本和可靠性科学的材料选择需要考虑多种因素，包括使用环境、载荷条件、工艺要求、经济性和环保要求等材料选择不仅仅是选择具有特定性能的材料，更是一个平衡多种要求的优化过程随着材料种类的不断增多和应用需求的日益复杂，传统的经验选材方法已不能满足现代工程需要系统化的材料选择方法和计算机辅助选材技术的应用，使材料选择过程更加科学和高效材料选择基本流程功能分析明确部件的功能、使用环境和服役条件，确定材料需要满足的基本要求这一阶段需要考虑机械载荷、工作温度、环境介质、使用寿命等因素，为后续的性能指标确定提供依据功能分析是材料选择的起点，直接影响选材的方向和范围性能指标确定将功能要求转化为具体的材料性能指标，包括力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能等这些性能指标应该是可测量的，具有明确的数值范围或限值常用的性能指标包括强度、刚度、硬度、耐腐蚀性、耐热性、导电性等对性能指标进行优先级排序，区分必要条件和优选条件材料筛选根据确定的性能指标，从材料数据库中筛选符合要求的候选材料筛选过程通常分为初筛和精筛两个阶段初筛主要考虑关键性能指标，快速排除不符合要求的材料；精筛则综合考虑多种性能、成本和工艺因素，对候选材料进行详细评价和比较最终评估与决策对筛选出的候选材料进行综合评估，考虑性能、成本、供应情况、环保要求等因素，最终确定最佳材料方案评估方法包括加权评分法、性能/成本分析、多目标优化等最终决策还需要考虑企业的实际情况和战略目标，可能需要进行样件试制和性能验证材料数据库应用工程材料的可持续发展绿色材料设计材料的生命周期评价从源头考虑材料的环境友好性和可持续性全面评估材料从原料获取到废弃处理的环境影响低碳材料开发材料回收与再利用研发能耗低、碳排放少的新型材料减少废弃物产生，实现资源循环利用工程材料的可持续发展是当今材料科学领域的重要课题绿色材料设计强调减少有害物质使用，降低能源消耗，延长使用寿命生物基材料、可降解材料和无毒材料的开发正在快速推进材料的生命周期评价LCA方法可以系统分析材料的环境影响，包括原料获取、制造加工、使用维护和废弃处理各阶段的能耗和排放材料回收与再利用是实现循环经济的关键金属材料回收技术已相对成熟，但高分子材料和复合材料的回收仍面临挑战开发易于分离和回收的材料设计，提高再生材料的性能和附加值，是未来发展方向低碳材料开发关注生产过程的能耗和碳排放，以及材料在使用过程中的节能减排效果轻量化材料、隔热材料和功能材料在降低能源消耗方面具有重要作用新材料发展趋势纳米材料是当前材料科学的研究热点，尺寸效应和表面效应使纳米材料具有独特的物理化学性质纳米材料包括纳米颗粒、纳米纤维、纳米薄膜等，应用于催化、电子、医药等领域生物材料融合了材料科学和生命科学，包括植入材料、组织工程支架、药物载体等生物相容性、生物活性和生物降解性是生物材料设计的关键考虑因素智能材料能够对外界刺激做出响应并改变自身性能，包括形状记忆合金、压电材料、磁流变材料、光致变色材料等智能材料广泛应用于传感器、执行器和自适应结构能源材料是新能源技术发展的物质基础，包括太阳能电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、氢存储材料等能源材料的研究重点是提高能量转换效率和存储能力，降低成本，延长使用寿命总结与展望课程知识体系回顾本课程系统介绍了工程材料的基础知识，包括材料的基本性质、金属材料、非金属材料、复合材料的特性与应用，以及材料成形技术、测试分析和选择方法通过学习，建立了完整的工程材料知识框架，掌握了材料性能与应用的基本规律工程材料发展方向工程材料正向着高性能化、功能化、智能化、绿色化方向发展纳米材料、生物材料、智能材料和能源材料代表了未来的发展趋势材料设计的理念从经验型向理论指导型转变，计算材料学的发展使材料设计更加精确和高效学习方法与资源推荐建议采用理论与实践相结合的学习方法，重视材料实验和案例分析推荐的学习资源包括经典教材、学术期刊、材料数据库和在线课程参与材料相关的科研项目和学科竞赛，可以深化对材料知识的理解和应用能力期末考核要求期末考核包括理论考试和课程设计两部分理论考试重点考察基本概念、原理和分析方法；课程设计要求选择一个具体工程案例，完成材料选择分析报告评分标准包括知识掌握程度、分析问题能力和创新思维。