机械材料教学课件

机械材料教学课件本课件旨在为本科机械类学生提供全面的机械材料知识体系，从基础概念到前沿应用，帮助学生掌握材料选择、性能评估和工程应用的核心能力通过系统学习，学生将能够理解材料科学的理论基础，分析材料性能与结构关系，以及在实际工程中合理选用和优化材料课程导入与学习意义机械材料工程的基石产业与就业数据机械材料是现代工程技术的物质基础，正如著名材料学家冯·卡门所言科学研究材制造业是中国国民经济的支柱产业，占国内生产总值GDP约27%，提供了超过8000万料的性能，工程则利用这些性能创造有用的结构从微小的电子设备到庞大的桥梁个就业岗位其中，材料相关产业链占制造业总产值的35%以上建筑，从日常生活用品到航天飞机，机械材料无处不在，支撑着人类文明的进步了解材料性能，掌握材料选择原则，是每一位机械工程师的必备技能材料选择失误可能导致灾难性后果，而优化的材料应用则能创造出更高效、更可靠、更经济的工程产品机械材料的基础概念材料定义与分类机械材料是指用于制造机械零部件、工具和结构的各类材料的总称从广义上讲，包括金属材料、非金属材料及复合材料按其组成和结构特点，可分为单一材料和复合材料；按应用领域，可分为结构材料和功能材料；按形态可分为块材、薄膜、粉末等机械工程常用材料大类金属材料包括铁基合金（钢、铸铁）和有色金属（铝、铜、镁、钛等）及其合金，是机械工程中应用最广泛的材料类型非金属材料包括工程塑料、工程陶瓷、橡胶、玻璃等，在特定应用场合具有金属材料无法替代的优势复合材料由两种或两种以上不同性质材料通过物理或化学方法复合而成的新型材料，如碳纤维复合材料、金属基复合材料等现行国家标准简介我国机械材料标准主要包括GB/T（国家推荐标准）和GB（国家强制标准）两类主要涉及材料的化学成分、力学性能、物理性能、检测方法等方面如《GB/T699-2015优质碳素结构钢》、《GB/T1591-2018低合金高强度结构钢》等材料的结构层次微观结构决定宏观性能材料的结构可分为原子尺度（埃级）、显微尺度（微米级）和宏观尺度（毫米级以上）三个层次材料的宏观性能是其微观结构的外在表现，深入理解微观结构是材料科学的核心原子结构与晶格类型金属材料通常具有规则的晶体结构，主要包括•体心立方结构BCC如α-Fe、W、Mo等缺陷与性能关系•面心立方结构FCC如γ-Fe、Cu、Al、Ni等•密排六方结构HCP如Mg、Ti、Zn等实际材料中存在各种缺陷，主要包括不同晶格结构导致不同的物理和力学性能例如，FCC结构通常具有良好的塑性和韧性，而BCC•点缺陷空位、间隙原子、杂质原子结构则强度较高但塑性相对较差•线缺陷位错（刃位错、螺位错）•面缺陷晶界、相界、孪晶界、层错•体缺陷夹杂、气孔、裂纹材料的主要性能物理性能物理性能是材料在热、电、磁等物理场作用下表现出的特性•导电性金属材料通常具有良好的导电性，铜的电导率为

5.8×10^7S/m，是常用导体力学性能•导热性材料传导热量的能力，纯铜的导热系数约为400W/m·K力学性能是材料在外力作用下表现出的力学行为，是机械设计中最基本的性能指标•热膨胀性材料随温度变化而发生尺寸变化的特性，影响精密零件设计•强度材料抵抗永久变形或断裂的能力，包括抗拉强度、•磁性铁磁材料（如铁、钴、镍）具有明显的磁性，在电屈服强度、抗压强度等机、变压器中广泛应用•塑性材料在断裂前发生永久变形的能力，用伸长率和断•密度单位体积的质量，铝的密度

2.7g/cm³约为钢面收缩率表示

7.85g/cm³的1/3•硬度材料抵抗硬物压入其表面的能力，常用布氏硬度HB、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV表示化学性能•韧性材料吸收能量并在塑性变形下抵抗断裂的能力，通化学性能是材料与环境介质发生化学或电化学反应的性能过冲击韧性测定•耐蚀性材料抵抗环境介质腐蚀的能力，不锈钢在氯离子•疲劳强度材料在循环载荷作用下抵抗破坏的能力环境中的腐蚀速率低于

0.1mm/年•耐氧化性材料在高温氧化性气氛中的抵抗能力，高温合金可在1000℃以上环境长期工作•耐辐照性材料在辐射环境下保持性能稳定的能力，核电站关键材料需具备常见力学性能测试方法拉伸试验硬度测试拉伸试验是最基本的力学性能测试方法，通过对标准试样施加单向拉伸载荷，测定材料的强度、塑性等性能指标硬度测试是表征材料抵抗局部变形能力的简便方法，不破坏样品整体性，广泛应用于生产和科研中•试样规格根据GB/T228-2010标准，常用圆形试样（直径10mm）或矩形试样（厚度×宽度为3mm×25mm）•布氏硬度HB用一定直径的淬硬钢球或硬质合金球，在规定载荷下压入试样表面•主要参数弹性模量E（钢约为206GPa）、屈服强度σs、抗拉强度σb、伸长率δ、断面收缩率ψ•洛氏硬度HRC使用金刚石圆锥体或钢球压入试样，测量压痕深度•应力-应变曲线反映材料在拉伸过程中的变形特性，可分为弹性区、屈服区、强化区和颈缩区•维氏硬度HV使用金刚石正四棱锥体压入试样，测量压痕对角线长度冲击试验冲击试验用于测定材料在动态载荷作用下的韧性，评价材料的抗冲击能力•试样标准V型或U型缺口试样，尺寸为10mm×10mm×55mm•冲击功材料吸收的能量，单位为焦耳J，常用冲击韧性ak表示（J/cm²）•低温冲击试验评价材料在低温环境下的脆化倾向金属材料分类有色金属除铁、铬、锰外的金属统称为有色金属•重有色金属铜、铅、锌等，密度大于

4.5g/cm³黑色金属合金•轻有色金属铝、镁等，密度小于

4.5g/cm³以铁为基础的金属材料，是机械制造中使用最广泛的材料类•贵金属金、银、铂等，化学性质稳定由两种或两种以上的金属，或金属与非金属按一定比例混合型而成的具有金属特性的材料•稀有金属钛、锆、钼等，储量少、提取难•钢铁碳合金，含碳量一般不超过

2.11%•钢合金不锈钢、工具钢、轴承钢等•铸铁铁碳合金，含碳量一般在

2.11%-

4.3%之间•铝合金硬铝、超硬铝、铸造铝合金等钢的年产量超过18亿吨，占全球金属材料总产量的95%以上，•铜合金黄铜、青铜、白铜等是当今最重要的工程材料金属材料的分类方法多种多样，除上述分类外，还可按用途分为结构用金属材料和功能用金属材料；按生产工艺分为铸造材料、变形材料和粉末冶金材料等不同分类体系反映了金属材料的不同特性和应用侧重点钢及其工程应用碳素钢主要合金元素为碳的钢，按含碳量可分为•低碳钢C≤

0.25%，如Q235钢，具有良好的塑性和韧性，可焊性好，用于一般结构件•中碳钢C为

0.25%-

0.60%，如45钢，综合力学性能好，用于传动轴、齿轮等•高碳钢C

0.60%，如T

8、T10钢，硬度高，用于刀具、量具、弹簧等碳素钢价格低廉，应用最为广泛，我国年产量约8亿吨合金钢在碳素钢基础上加入一种或多种合金元素以改善性能的钢种•低合金钢合金元素总量5%，如16Mn、40Cr钢，强度高于碳素钢•中合金钢合金元素总量5%-10%，如轴承钢GCr15，具有特定用途•高合金钢合金元素总量10%，如高速钢W18Cr4V，性能优异，价格高常见合金元素作用Mn增加强度和韧性；Cr提高耐磨性和耐蚀性；Ni改善韧性；Mo提高高温强度和淬透性；V细化晶粒特种钢铁材料为满足特殊性能要求而研制的钢材•不锈钢含Cr≥

10.5%，具有优异的耐蚀性，如304不锈钢18Cr-8Ni•耐热钢能在600℃以上长期工作的钢，如12Cr1MoV•工具钢用于制造各种刀具和模具的钢，如Cr12MoV•弹簧钢具有高弹性极限和疲劳强度的钢，如60Si2Mn铸铁与其作用铸铁的分类与特性铸铁是含碳量超过

2.11%的铁碳合金，碳主要以石墨或碳化物形式存在铸铁具有良好的铸造性能、减震性能和一定的耐磨性，是重要的铸造材料灰铸铁碳以片状石墨形式析出，断口呈灰色，故名灰铸铁•优点铸造性能好，切削加工容易，减震性能好，耐磨性好，价格低•缺点抗拉强度低，塑性和韧性几乎为零•性能指标抗拉强度为100-300MPa，硬度HB130-250•应用机床床身、汽车发动机缸体、底座、齿轮箱等球墨铸铁通过球化和孕育处理，使碳以球状石墨形式析出•优点强度高，有一定塑性和韧性，接近低碳钢性能•缺点生产工艺复杂，成本高于灰铸铁•性能指标抗拉强度为370-800MPa，伸长率1%-17%•应用曲轴、凸轮轴、齿轮、阀门、管道等其他类型铸铁白口铸铁碳以碳化物形式存在，断口呈银白色，硬度高但脆性大，主要用作生产可锻铸铁的原料可锻铸铁由白口铸铁经退火处理得到，碳以团絮状石墨形式存在，具有一定的塑性和韧性蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状，性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，应用于汽车缸体、缸盖等典型应用实例机床床身采用HT250-HT300灰铸铁，具有良好的减震性能和稳定性，可吸收切削振动，保证加工精度汽车发动机缸体现代汽车多采用蠕墨铸铁或高强度灰铸铁，兼顾强度和导热性，一些高端车型采用铝合金替代以减轻重量有色金属及合金铝及铝合金铝是地壳中含量第二多的金属元素，密度仅为

2.7g/cm³，具有良好的导电性、导热性和耐蚀性•铸造铝合金如ZL

101、ZL114，用于复杂形状铸件•变形铝合金如2024硬铝、7075超硬铝，强度高•热处理通过固溶和时效处理可显著提高强度•应用航空结构件、汽车车身、建筑型材、包装材料高强铝合金7075-T6的抗拉强度可达570MPa，接近中碳钢，但密度仅为钢的1/3镁及镁合金镁是最轻的工程结构金属，密度仅为

1.74g/cm³，比强度高•镁合金分类铸造镁合金如AZ91和变形镁合金如AZ31•主要特点密度低、比强度高、减震性好、屏蔽电磁波•缺点耐蚀性差，易燃，铸造时需保护•应用笔记本电脑外壳、手机壳、方向盘、座椅框架镁合金在航空航天领域应用日益广泛，波音787使用了大量镁合金部件，减重效果显著铜及铜合金铜具有优异的导电性、导热性和耐蚀性，是重要的工业材料•黄铜铜锌合金，如H

62、H68，强度适中，加工性好•青铜铜锡合金，如QSn4-3，耐磨性好，用于轴承•白铜铜镍合金，如BZn18-18，耐蚀性好，用于硬币•应用电气导体、热交换器、阀门、轴承、装饰件铜的导热系数为401W/m·K，导电率为57MS/m，仅次于银，是电子电气领域的关键材料材料热处理基础热处理的本质与目的常见热处理工艺热处理是通过加热、保温和冷却的方式改变材料内部组织结构，从而获得所需性能的工艺过程它是改变材料性能最有效的方退火法之一，不改变材料的化学成分和整体形状将材料加热到适当温度，保温后缓慢冷却的热处理工艺热处理主要目的包括•完全退火加热至Ac3+30~50℃，得到细珠光体组织•提高硬度和强度（如淬火）•球化退火获得球状珠光体，提高切削加工性能•改善塑性和韧性（如退火）•应力消除退火550~650℃低温退火，消除内应力•消除内应力（如回火）正火•改善切削加工性能（如正火）•获得特定的物理或化学性能将钢加热至Ac3+30~50℃，保温后在空气中冷却得到索氏体或细片状珠光体组织，强度高于退火状态，成本低于淬火常用于中、低碳钢的最终热处理或高碳钢的预处理淬火将钢加热至奥氏体区，保温后快速冷却（水淬、油淬或盐浴淬火），获得马氏体组织，显著提高硬度和强度45钢经淬火后硬度可从HB200提高到HRC45以上回火将淬火钢加热到临界点以下温度，保温后冷却的工艺目的是降低脆性，调整硬度和强度•低温回火150~250℃保留高硬度，减少脆性•中温回火350~500℃获得高弹性和韧性热处理实例分析齿轮淬火处理失效案例分析创新热处理技术齿轮是机械传动中的关键零件，某大型船用曲轴在使用3个月后传统热处理能耗高、变形大，现工作时承受交变载荷，要求具有发生断裂，经分析是热处理不当代热处理技术注重节能环保和精高的表面硬度和良好的韧性导致确控制失效原因感应淬火利用电磁感应加热工热处理工艺20CrMnTi齿轮钢经件表面，加热速度快，变形小，•淬火温度过高920℃，超过930℃渗碳20小时后，直接850℃能耗低适用于轴类、齿轮等局推荐的860±10℃，导致晶油淬+170℃低温回火部硬化需求表面硬度可达粒粗大HRC58-62，硬化层深度

0.5-5mm性能变化表面硬度从HB220提•冷却速度不均匀，产生过大可控升至HRC58-62（提升约30-的内应力60%），表面碳含量达

0.8-

1.0%，激光淬火利用高能激光束加热•回火温度过低，未能充分释形成深度为

1.5-

2.0mm的硬化层，材料表面，热影响区小，变形极放内应力心部保持原有韧性小，适合精密零件局部硬化处金相分析显示断裂区存在明显的理后硬度提升40-50%，表面粗效果齿轮寿命提高3-5倍，抗过热组织和残余奥氏体，硬度分糙度变化小于Ra

0.2疲劳性能显著增强，满足重载工布不均，产生应力集中况要求改进措施严格控制加热温度，采用预热+阶梯淬火工艺，提高回火温度至520℃，保温时间延长至4小时，消除内应力非金属材料简介陶瓷材料玻璃材料陶瓷是无机非金属材料经成型和高温烧结制成的产品玻璃是非晶态固体材料，主要由二氧化硅和其他氧化物组成•传统陶瓷以硅酸盐为主，如瓷器、砖瓦•工程陶瓷如氧化铝、氮化硅、碳化硅等•普通玻璃钠钙硅玻璃，用于窗户、容器•优点耐高温（可达1600℃以上）、硬度高、耐腐蚀、•特种玻璃钢化玻璃、夹层玻璃、光学玻璃耐磨损•优点透明度好、化学稳定性高、绝缘性好•缺点脆性大、抗冲击能力差、加工困难•缺点脆性大、抗冲击能力差•应用切削刀具、轴承、密封件、绝缘体•应用建筑、光学器件、显示屏、实验室器皿复合材料高分子材料由两种或两种以上不同性质的材料复合而成的新材料由分子量较大的长链分子组成的有机材料•纤维增强复合材料如碳纤维复合材料、玻璃纤维复合•热塑性塑料如PE、PP、PVC、尼龙、PC等材料•热固性塑料如酚醛、环氧、不饱和聚酯等•颗粒增强复合材料如碳化钨-钴硬质合金•弹性体如天然橡胶、合成橡胶•优点可设计性强、比强度高、比模量高•优点密度低、比强度高、绝缘性好、耐腐蚀•缺点制造工艺复杂、成本高、回收困难•缺点耐热性差、易老化、强度低于金属•应用航空航天结构、体育器材、风电叶片•应用包装、管道、机械零件、绝缘材料工程陶瓷及应用工程陶瓷的特性与分类工程陶瓷是专为满足工程应用而设计的高性能陶瓷材料，与传统陶瓷相比具有更优异的力学性能和功能特性氧化物陶瓷•氧化铝Al₂O₃硬度高HV1800，耐磨，绝缘性好，但韧性低•氧化锆ZrO₂高强度900MPa，高韧性，良好的抗热震性•应用切削刀具、喷砂嘴、密封环、生物陶瓷非氧化物陶瓷•碳化硅SiC硬度极高HV2500，耐磨，导热系数高120W/m·K•氮化硅Si₃N₄高强度，良好的耐热震性，低热膨胀系数•应用高温轴承、涡轮增压器转子、发动机部件性能参数对比碳化硅陶瓷密度为

3.2g/cm³，抗弯强度可达450MPa，可在1400℃高温下长期工作；氧化锆强韧化陶瓷断裂韧性可达10MPa·m¹/²，接近某些金属材料典型应用实例汽车火花塞绝缘体采用高纯氧化铝陶瓷Al₂O₃含量

99.5%，具有优异的绝缘性能（体积电阻率10¹⁴Ω·cm），高温稳定性好，能承受-40℃到800℃的温度变化和高达30kV的电压冲击陶瓷切削刀具主要材料为Al₂O₃、SiC、Si₃N₄等，硬度高（HV1800-2500），耐磨性好，热稳定性高与高速钢刀具相比，切削速度可提高3-5倍，加工精度提高30%，使用寿命延长5-10倍陶瓷轴承采用Si₃N₄、ZrO₂等材料，自重仅为钢球的40%，摩擦系数低（

0.1-

0.2），耐腐蚀，无需润滑，寿命是钢球轴承的3-5倍广泛应用于高速机床、医疗设备和食品机械等对洁净度要求高的场合高分子材料与复合材料热塑性工程塑料热固性高分子材料先进复合材料能够反复加热软化和冷却硬化的高分子材料，具有良好的加工性一旦固化成型后不能再熔融的高分子材料，耐热性和尺寸稳定性以高性能纤维为增强体，以高分子材料为基体的新型复合材料能好•碳纤维复合材料CFRP比强度是钢的5-8倍，比模量是铝的•聚酰胺PA俗称尼龙，强度高，耐磨，吸水性大•环氧树脂粘接强度高，收缩率低，电绝缘性好3倍•聚碳酸酯PC透明度高，抗冲击，阻燃性好•酚醛树脂耐热性好可达200℃，阻燃，价格低•芳纶纤维复合材料比强度高，耐冲击，防弹性能好•聚酯PET,PBT尺寸稳定性好，电绝缘性优良•不饱和聚酯树脂固化快，成本低，常用于复合材料基体•玻璃纤维复合材料GFRP成本低，绝缘性好，广泛应用•聚苯醚PPO耐热性好，电性能优异，阻燃•硅树脂耐高温可达350℃，电绝缘性好，耐候性优异•玄武岩纤维复合材料耐高温，耐腐蚀，价格适中应用齿轮、轴承、泵体、电子电器外壳、汽车零部件应用电子封装材料、绝缘零件、复合材料基体、涂料、粘合剂波音787机身约50%采用CFRP材料，与传统铝合金相比减重20%，提高燃油效率约20%，使用寿命延长30%，维护成本降低30%机械材料选用原则性能匹配原则材料性能必须满足零件工作条件和功能要求•承载零件选择强度、刚度和韧性满足要求的材料•耐磨零件选择硬度高、耐磨性好的材料•耐腐蚀零件选择耐介质腐蚀的材料•电气零件考虑导电性或绝缘性•特殊工况考虑耐高温、抗疲劳等特性安全系数的选择静载荷通常取

1.5-

2.5，动载荷取2-4，冲击载荷取4-8关键零件如承压容器需更高安全系数经济合理原则在满足使用要求的前提下，综合考虑材料成本和加工成本•材料采购成本贵重金属合金如钛合金价格是普通钢的10-50倍•加工成本材料的可加工性直接影响加工效率和刀具寿命•表面处理成本考虑是否需要热处理、涂装等•使用寿命和维护成本耐用材料可能降低长期成本•报废回收价值某些材料具有较高的回收价值优化建议大批量生产的常规零件应优先考虑经济性；重要零件则优先考虑可靠性工艺适用原则所选材料必须具有良好的工艺性能，适合预定的制造工艺•铸造性能流动性、充型能力、收缩率、热裂倾向•塑性加工性能变形抗力、塑性、回弹性•切削加工性能切削力、表面质量、刀具寿命•焊接性能焊接裂纹敏感性、热影响区性能•热处理性能淬透性、变形和开裂倾向不同材料的工艺性能差异显著例如，铝合金可切削性为60-150%以45钢为100%，而钛合金仅为15-30%，加工效率和成本相差数倍资源与环境原则材料选择应考虑资源可获得性和环境友好性•资源储量稀有金属如钽、铼等储量有限且价格波动大•能源消耗铝的冶炼能耗是钢的4-5倍•碳排放不同材料生产过程的碳足迹差异大•可回收性设计时应考虑材料的可回收和再利用•有害物质避免使用含铅、镉等有害物质的材料材料失效类型疲劳失效材料在循环载荷作用下产生的渐进性局部损伤•特点在低于静载强度的应力下也会发生，约80%的机械失效与疲劳断裂失效有关材料在外力作用下分离为两部分或多部分的过程•阶段裂纹萌生、裂纹扩展、最终断裂•脆性断裂几乎没有塑性变形，断裂前无明显征兆，危险性大•影响因素应力幅值、平均应力、应力集中、表面状态、环境•韧性断裂伴随明显塑性变形，能量吸收多，断裂前有征兆防止措施减小应力集中，改善表面质量，表面强化处理，控制使用环境•断裂力学参数断裂韧性KIC，临界应力强度因子防止措施选用高韧性材料，避免应力集中，控制工作温度磨损失效材料表面在相对运动过程中逐渐损失材料的现象•磨料磨损由硬颗粒或凸起物切削或犁削表面引起•黏着磨损接触表面间产生微焊点，相对运动导致撕裂•腐蚀磨损机械磨损与腐蚀协同作用•疲劳磨损表面反复承受应力循环导致微裂纹蠕变失效防止措施材料表面硬化处理，改善润滑条件，减小接触应力材料在恒定应力和高温下随时间发生的永久变形腐蚀失效•三个阶段瞬时伸长、稳态蠕变、加速蠕变材料与环境发生化学或电化学反应导致的损伤•蠕变极限在特定温度下，材料长期承受而不发生破坏的最大应力•电化学腐蚀金属在电解质溶液中发生的氧化还原反应•典型工况高温设备，如汽轮机叶片、高温管道•化学腐蚀金属与气体或非电解质直接反应防止措施控制工作温度，降低工作应力，选用耐蠕变材料•应力腐蚀开裂应力与腐蚀环境共同作用导致的开裂•腐蚀疲劳循环应力与腐蚀环境共同作用导致的疲劳破坏防止措施选用耐腐蚀材料，使用防护涂层，阴极保护，改变环境金属材料的腐蚀与防护腐蚀机理与类型腐蚀是材料与环境介质之间的物理化学反应，导致材料性能退化金属腐蚀每年造成的经济损失约占GDP的3-5%，是工程材料失效的主要原因之一电化学腐蚀机理电化学腐蚀基于原电池原理，包括四个要素阳极（失电子氧化）、阴极（得电子还原）、电解质溶液和电子传导路径以铁在含氧酸性溶液中的腐蚀为例•阳极反应Fe→Fe²⁺+2e⁻（铁失去电子被氧化）•阴极反应2H⁺+2e⁻→H₂（氢离子得到电子被还原）•或O₂+4H⁺+4e⁻→2H₂O（氧气得到电子被还原）腐蚀类型•均匀腐蚀金属表面均匀减薄，如普通碳钢在潮湿大气中锈蚀•点蚀局部深度腐蚀，形成小孔，如不锈钢在氯离子环境中•缝隙腐蚀在接缝、垫片下等缝隙处发生的局部腐蚀•晶间腐蚀沿晶界优先腐蚀，强度下降显著•应力腐蚀开裂应力与腐蚀环境共同作用，如黄铜在氨环境中•腐蚀疲劳循环应力与腐蚀共同作用，疲劳寿命大幅降低•电偶腐蚀两种不同电位的金属接触导致电化学腐蚀加速腐蚀防护方法材料选择•耐蚀合金不锈钢、镍基合金、钛合金等•非金属材料塑料、陶瓷、玻璃等替代金属表面保护•金属涂层如镀锌、镀铬、镀镍等•有机涂层环氧、聚氨酯、氟碳等防腐涂料•无机涂层搪瓷、陶瓷涂层等•表面转化磷化、氧化、钝化等电化学保护•阴极保护牺牲阳极法（如管道埋设镁阳极）和外加电流法•阳极保护适用于能形成钝化膜的金属表面处理工艺1化学热处理通过扩散使工件表面层化学成分和组织结构发生变化的表面强化方法•渗碳在850-950℃下向钢表面渗入碳原子，形成

0.6-

1.2mm的高碳层•渗氮在500-570℃下向钢表面渗入氮原子，形成

0.2-

0.6mm的硬化层•渗硼在900-1000℃下向钢表面渗入硼原子，表面硬度可达HV1800-2000•碳氮共渗同时渗入碳和氮，结合两者优点渗碳齿轮表面硬度可从HB200提高到HRC58-62，疲劳寿命提高3-5倍2表面强化处理通过机械或物理方法改变表面层组织结构和应力状态的处理方法•表面冷作硬化如喷丸、滚压、挤压等，引入压应力，提高疲劳强度20-40%•激光表面硬化利用激光束快速加热表面，自冷淬火，硬化深度

0.1-

1.5mm•电子束表面硬化利用高能电子束加热表面，原理类似激光硬化•超声波表面强化利用超声波震动能量，引入表面压应力轴类零件经滚压处理后表面硬度提高30-50%，疲劳强度提高40-60%3表面涂镀层技术在工件表面覆盖一层具有特殊性能的金属或非金属材料•电镀利用电解原理在基体表面沉积金属，如镀铬、镀镍、镀锌•化学镀无需外加电流，通过化学反应沉积金属，如化学镀镍•热浸镀将工件浸入熔融金属中，如热镀锌，镀层厚度60-120μm•气相沉积包括PVD和CVD，沉积硬质涂层如TiN、CrN，硬度可达HV2500以上•喷涂包括火焰喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂HVOF等刀具经TiN涂层处理后，表面硬度提高至HV2300-2500，寿命延长3-5倍4表面改性技术利用高能束流直接改变表面层的微观结构和性能•离子注入高能离子束轰击材料表面，离子植入表层（深度约

0.01-1μm）•离子镀结合蒸发和离子轰击，形成致密涂层•等离子体表面处理利用低温等离子体改性表面性能•激光合金化/熔覆将合金元素或粉末熔入基体表面模具经离子氮化处理后表面硬度可达HV1200-1400，耐磨性提高5-10倍，使用寿命延长2-3倍现代高性能材料高温合金陶瓷基复合材料金属间化合物材料能在600℃以上高温环境长期工作的合金材料，主要包括以陶瓷为基体，添加纤维、晶须等增强体的复合材料由两种或多种金属元素形成的具有固定成分的化合物•镍基高温合金如Inconel

718、GH4169，工作温度可达1100℃•碳化硅纤维增强碳化硅SiC/SiC耐高温1400℃，断裂韧性高•γ-TiAl基合金密度

3.9-

4.2g/cm³，比强度高，800℃以下性能优异•钴基高温合金如FSX-414，耐热冲击，用于燃气轮机•碳纤维增强碳C/C高温强度保持好，导热性好，但易氧化•Ni₃Al基合金高温强度好，抗氧化性优异，但室温塑性差•铁基高温合金如GH2132，成本较低，用于650-800℃环境•氧化铝纤维增强氧化铝Al₂O₃/Al₂O₃绝缘性好，耐腐蚀•MoSi₂耐高温氧化，但高温强度和韧性有限性能参数1000℃/100小时持久强度可达120MPa，热疲劳寿命超过性能特点克服了单一陶瓷材料脆性大的缺点，断裂韧性可达20-γ-TiAl合金密度约为镍基高温合金的一半，700℃的比强度是镍基合金的10000次循环，耐氧化、耐热腐蚀性能优异30MPa·m¹/²，同时保持陶瓷的耐高温、耐腐蚀特性

1.5倍，已在航空发动机低压涡轮叶片上应用，减重30-40%应用航空发动机涡轮叶片、导向叶片、燃烧室、工业燃气轮机、核电应用航天飞机热防护系统、高超音速飞行器热端部件、核聚变反应堆应用航空发动机涡轮叶片、压气机叶片、汽车涡轮增压器转子等设备等第一壁轻量化与绿色制造趋势轻量化设计理念轻量化是当代工程设计的主要趋势之一，尤其在交通运输领域减轻重量可显著降低能源消耗，减少碳排放，提高性能，节约资源材料轻量化路径•低密度材料替代用铝、镁、钛合金替代钢铁•高强度材料应用采用先进高强钢、高强铝合金•复合材料应用碳纤维复合材料CFRP、玻璃纤维复合材料GFRP•材料梯度化设计不同部位使用不同材料•多材料混合结构铝-钢、镁-铝-钢混合结构典型应用案例汽车轻量化宝马i系列大量采用CFRP车身，减重约30%；特斯拉Model Y采用铝合金一体化压铸技术，减少零件数量70%，减重10%航空轻量化空客A350和波音787机身约50%由复合材料制成，减重20%，燃油效率提高约25%绿色制造与可持续材料绿色材料开发•低能耗材料生产过程能源消耗低的材料•可回收材料设计阶段考虑材料回收和再利用•生物基材料源自可再生资源的材料•无毒无害材料不含重金属、有机溶剂等有害物质节能减排贡献据研究，通过材料优化和轻量化设计，全球交通运输领域碳排放可减少15-20%仅在汽车领域，每减重10%可降低油耗6-8%铝的回收再利用仅需原生产能耗的5%，而钢的回收再利用需要原生产能耗的25-30%提高材料回收率对节能减排具有重要意义未来发展方向材料全生命周期设计从原料获取、生产、使用到回收处理的全过程低碳设计生物仿生材料模仿自然结构设计的高性能低能耗材料智能材料与功能材料形状记忆合金压电材料磁流变材料在特定温度或应力条件下能恢复预先设定形状的特殊合金能将机械能与电能相互转换的功能材料在磁场作用下能迅速改变流变性能的智能流体•常见种类镍钛合金Nitinol、铜基和铁基形状记忆合金•常见种类压电陶瓷PZT、压电单晶PMN-PT、压电聚合物PVDF•组成铁磁微粒悬浮于载体液体中•工作原理基于马氏体-奥氏体相变，可实现6-8%的可逆应变•工作原理压电直接效应和逆效应，应力-电压之间相互转换•工作原理外加磁场使铁磁粒子形成链状结构，改变流变特性•特性参数恢复应力可达600-900MPa，响应温度范围-100℃至+100℃可调•性能指标压电常数d₃₃可达300-700pC/N，机电耦合系数k可达

0.6-

0.75•性能指标反应时间小于10ms，屈服应力可从0变化至50-100kPa应用航空器机翼自适应变形、机器人驱动器、管道连接器、医疗支架、温控应用超声换能器、精密定位器、传感器、能量收集装置、射频滤波器等应用半主动减震器、离合器、制动器、可调节阻尼器已在部分高端汽车悬开关等挂系统中应用，可在毫秒级实现阻尼特性调整，提高行驶舒适性和安全性智能材料的机械系统应用智能材料正逐步改变传统机械系统的设计理念，使机械结构具备感知、响应和自适应能力例如•结构健康监测压电材料可嵌入结构中，实时监测应变、振动和裂纹发展•自适应控制形状记忆合金驱动器可根据环境条件自动调整结构形态•振动抑制压电材料和磁流变材料组合的半主动控制系统可有效抑制结构振动•能量收集利用压电材料将环境振动能转化为电能，为微型传感器供电增材制造（打印）材料3D增材制造技术简介增材制造材料种类增材制造Additive Manufacturing,AM，俗称3D打印，是一种基于数字模型，通过材料逐层堆积制造三维物体的技金属粉末材料术与传统减材制造相比，具有设计自由度高、材料利用率高、制造周期短等优点金属粉末通常采用气体雾化或水雾化方法制备，粒度分布在15-45μm，球形度、流动性和密度是关键参数主要成型方法•钛合金如Ti6Al4V，密度低、强度高、生物相容性好，用于航空和医疗•粉末床熔融PBF SLM、EBM、SLS•镍基合金如Inconel718，耐高温、耐腐蚀，用于航空发动机部件•直接能量沉积DED LENS、WAAM•铝合金如AlSi10Mg，轻量化，用于轻量化结构件•材料挤出ME FDM•不锈钢如316L、17-4PH，成本低、综合性能好，应用广泛•光聚合VP SLA、DLP•钴铬合金如CoCrMo，生物相容性好，用于医疗植入物•粘结剂喷射BJ3DPTi6Al4V3D打印件可达到抗拉强度≥900MPa，延伸率≥10%，疲劳性能接近锻件高分子材料•热塑性材料ABS、PLA、PA、PEEK等，以丝材或粉末形式应用•光敏树脂丙烯酸酯、环氧基等，用于光固化成型•复合材料碳纤维/尼龙、玻璃纤维/PLA等增强复合材料高性能PEEK材料可耐受260℃高温，强度达到90MPa，已用于航空零件陶瓷与其他材料•陶瓷浆料氧化铝、氧化锆等，用于光固化或材料挤出•生物材料羟基磷灰石、生物可降解聚合物等•复合生物墨水含细胞的水凝胶，用于生物3D打印工程应用实例40%80%100+零件减重交付周期缩短医疗植入物材料标准与认证材料标准体系材料标准是材料生产、检验、使用的技术依据，确保材料质量和性能的一致性•国家标准GB/T如GB/T699-2015《优质碳素结构钢》，全国统一实施•行业标准JB/T等如JB/T5000《机械工业基础标准》，特定行业使用•企业标准Q/企业代号企业内部使用的标准•国际标准ISO（国际标准化组织）、ASTM（美国材料与试验协会）、DIN（德国标准）、JIS（日本工业标准）等标准编号含义以GB/T1591-2018为例，GB表示国家标准，T表示推荐性标准，1591为标准序号，2018为发布年份材料标准内容材料标准通常包含以下主要内容•材料分类与牌号统一的命名系统，如45钢表示含碳量约

0.45%的碳素钢•化学成分规定各元素的含量范围，如C、Si、Mn、P、S等•力学性能规定强度、塑性、硬度等指标•物理性能规定密度、导电率、热膨胀系数等指标•工艺性能规定可焊性、可锻性等工艺特性•检验方法规定取样、试验和检验的程序和方法•供货状态规定材料的交付状态（如热轧、冷拉、退火等）不同国家的材料牌号存在对应关系，如中国45钢对应美国AISI

1045、德国C

45、日本S45C材料认证与质量管理材料认证是确保材料符合特定标准和要求的过程，对安全关键材料尤为重要•材料证书类型•

3.1证书厂家检验证书，厂家质检部门签发•

3.2证书第三方验证证书，由独立检验机构签发•关键行业认证•航空航天AS9100质量体系，NADCAP特种工艺认证•汽车工业IATF16949质量管理体系•船舶行业各国船级社认证•材料追溯系统保证材料从生产到使用全过程可追溯高端制造业通常要求材料供应商建立完整的质量管理体系和追溯系统，确保每批材料均符合技术要求机械材料与数字化仿真材料模型与参数材料数据库与数字孪生计算机辅助工程CAE分析是现代机械设计的重要工具，而准确的材料模型是CAE分析的基础不同的分析类型需要不同的材料模型随着数字化设计的发展，材料数据库和数字孪生技术日益重要静力分析材料模型材料数据库•线弹性模型仅需弹性模量E和泊松比v•商业数据库如GRANTA EduPack、Total Materia、JAHM Curve•弹塑性模型需要完整的应力-应变曲线•开源数据库NIST MaterialsData Repository、MatWeb•超弹性模型用于橡胶等大变形材料•企业内部数据库集成企业自有材料试验数据动力学分析材料模型先进材料数据库不仅包含标准数据，还包括不同处理状态、环境条件下的性能数据，以及材料的统计分散性数据•弹性阻尼模型需要材料阻尼比材料数字孪生•粘弹性模型需要复数模量或松弛模量材料数字孪生是材料在虚拟环境中的完整数字表示，包括•高速冲击模型需要Johnson-Cook参数•微观结构模型晶粒大小、相分布、缺陷等热分析材料模型•多尺度模型从原子到宏观的多层次模拟•导热模型需要导热系数、比热容、密度•性能演化模型材料在服役过程中性能变化的预测•热-结构耦合需要热膨胀系数和温度相关的力学性能•失效模型裂纹扩展、疲劳、蠕变等失效机制模拟通过材料数字孪生，可实现材料全生命周期的虚拟设计和优化，大幅减少实验成本和开发周期典型机械零件材料对比曲轴材料对比1曲轴是发动机中承受复杂载荷的关键零件，材料选择直接影响发动机性能和可靠性性能指标42CrMo钢QT700-2球墨铸铁2618铝合金2齿轮材料对比齿轮材料需具备高硬度、高疲劳强度和良好的耐磨性密度g/cm³

7.

857.

22.76抗拉强度MPa1000-1200700-800440-480性能指标20CrMnTi钢40Cr钢铝青铜尼龙66屈服强度MPa800-950450-500370-420表面硬度HRC58-62HRC50-55HB280-320HB85-95疲劳强度MPa450-550320-380180-220接触疲劳极限MPa1400-16001000-1200500-700100-150成本比例

1.

51.

03.0允许传递功率高中中低低噪音水平中中低极低应用42CrMo钢曲轴广泛用于重载柴油机；QT700-2球墨铸铁曲轴用于中小型汽油机；2618铝合金曲轴主要用于赛车和航空发动机加工难度高中中低刀具材料对比3应用20CrMnTi钢齿轮用于汽车变速箱；40Cr钢齿轮用于一般机械传动；铝青铜齿轮用于腐蚀环境；尼龙齿轮用于低负荷、低噪声场合刀具材料的选择直接影响切削效率、加工精度和刀具寿命性能指标高速钢硬质合金陶瓷刀具CBN/PCD硬度HV800-9001400-18001800-22003500-8000耐热性℃600-650900-10001200-14001400-1600韧性很好中等较差差切削速度m/min30-60100-300300-800500-3000成本比例15-1010-2030-50应用高速钢用于复杂形状刀具和冲击载荷场合；硬质合金是最通用的刀具材料；陶瓷刀具用于高速切削铸铁和硬化钢；CBN/PCD用于超硬材料和超精密加工材料创新案例新型超级钢碳纤维复合材料车体增材制造轻量化部件近年来，超高强度钢材料取得重大突破，强度已超过2000MPa，同碳纤维增强复合材料CFRP在汽车轻量化领域应用日益广泛，特别3D打印技术突破了传统制造工艺的限制，实现了复杂结构的一体化时保持良好韧性是电动汽车领域成型，开创了结构设计的新范式•纳米贝氏体钢通过等温淬火获得纳米级贝氏体组织，强度可•材料特性密度仅为

1.5-

1.6g/cm³，比强度是钢的7-8倍，刚度•设计方法拓扑优化、晶格结构、仿生设计达2200MPa，断裂韧性超过30MPa·m¹/²是铝的3倍•材料优化Ti6Al4V合金、AlSi10Mg铝合金、Inconel718高温合•中锰钢含锰5-12%，通过相变诱导塑性TRIP效应，实现强度•制造工艺预浸料热压、树脂传递模塑RTM、湿法缠绕金-延性优异组合•成本挑战原材料成本是钢的15-20倍，生产周期长•性能提升通过优化微观组织，3D打印钛合金部件疲劳性能已•马氏体时效钢利用纳米级析出相强化，强度可达2500MPa接近锻件宝马i3电动车采用CFRP乘员舱和铝底盘混合结构，整车减重约20%，应用高强钢已在汽车防撞梁、安全笼等关键部件应用，减重30-在保证安全性的同时提高了续航里程约25%新工艺如高压RTM已将GE公司通过3D打印技术重新设计的燃油喷嘴，将19个零件整合为1个，50%同时提高安全性；航空起落架部件采用超高强度钢减重15-20%，CFRP部件生产周期从传统的数小时缩短至几分钟，大幅提高了生产减重25%，寿命提高5倍，生产成本降低30%空客A350XWB飞机上提高可靠性效率已有超过1000个3D打印钛合金零件应用，有效降低了飞机重量和制造成本材料工程师职业发展行业岗位分布技能需求与职业发展材料工程师是连接材料科学与工程应用的桥梁，在各行各业有着广泛的就业机会核心技能要求主要就业领域•专业知识材料科学基础、材料性能评价、热处理工艺等•工程能力CAD/CAE软件应用、制造工艺理解、实验设计•分析能力数据分析、问题诊断、失效分析•沟通能力跨部门协作、技术报告撰写、结果呈现•项目管理计划制定、资源协调、风险控制制造业汽车行业航空航天能源行业建筑行业电子电气材料供应商其他典型职位•材料选型工程师负责为产品选择合适的材料•失效分析工程师分析材料和零件的失效原因•材料开发工程师开发新材料或改进现有材料职业发展路径•材料测试工程师测试和评估材料性能•质量控制工程师确保材料和产品符合质量标准材料工程师的职业发展通常有以下几条路径•工艺工程师优化材料加工和制造工艺•技术专家路线初级工程师→高级工程师→技术专家→首席技术专家•技术支持工程师为客户提供材料应用技术支持•管理路线工程师→项目主管→部门经理→技术总监•研发路线研发工程师→研发主管→研发总监→首席技术官•创业路线利用专业知识创办材料技术或服务公司随着工作经验积累，材料工程师可向更专业的领域发展，如高温材料专家、复合材料设计师、失效分析顾问等课程实验与项目学习说明常规实验内容实验是机械材料课程的重要组成部分，通过亲身实践加深对理论知识的理解本课程包含以下基础实验材料力学性能测试•金属材料拉伸试验测定抗拉强度、屈服强度、弹性模量、伸长率•硬度测试布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度测定及转换•冲击韧性测试常温及低温条件下的冲击功测定•疲劳性能测试确定材料的疲劳极限和S-N曲线金相组织观察•金相试样制备切割、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀•金相显微镜使用不同放大倍数下组织观察•碳钢组织观察铁素体、珠光体、马氏体等组织识别•铸铁组织观察灰铸铁、球墨铸铁石墨形态对比•有色金属组织观察铝合金、铜合金显微组织特点热处理实验•退火实验完全退火、球化退火工艺及组织变化•正火实验比较正火与退火状态组织差异•淬火与回火实验不同冷却介质和回火温度效果对比•表面热处理感应淬火或火焰淬火硬化层观察项目学习安排项目学习采用小组协作形式，每组3-5人，通过实际案例分析和创新设计，培养综合应用能力材料选型与优化项目•选择一种常见机械零件（如齿轮、轴、弹簧等）•分析其工作条件和性能要求总结与互动提问理论与实践结合工程能力培养本课程通过系统讲授机械材料的基本理论知识，结合丰富的工程实例和通过材料选型、失效分析和创新设计等项目式学习，培养学生解决实际实验实践，帮助学生建立完整的材料科学知识体系从材料的微观结构工程问题的能力工程师面对的不是理想化的模型，而是复杂多变的现到宏观性能，从基础概念到工程应用，形成了理论与实践紧密结合的教实世界，需要综合考虑性能、成本、工艺、环境等多种因素学模式本课程注重培养学生的工程思维，使学生不仅了解是什么，更要理解材料科学是一门实践性很强的学科，只有将理论知识与实际应用相结合，为什么和怎么做，提升解决复杂工程问题的能力才能真正掌握材料选择和应用的核心能力未来发展视野创新意识激发材料科学与技术是一个快速发展的领域，本课程不仅关注当前主流技术，材料创新是推动工业技术进步的重要引擎通过介绍前沿材料技术和创还前瞻性地介绍了新兴材料和未来趋势，如智能材料、绿色材料、功能新案例，激发学生的创新意识鼓励学生跳出传统思维框架，探索材料材料等，拓展学生的专业视野与结构、工艺的创新组合，寻找解决工程难题的新方法希望通过本课程的学习，学生能够建立持续学习的意识，保持对新材料、未来的工程师不仅要会用材料，更要能够参与材料的改进和创新，这是新技术的敏感性，为未来的职业发展奠定坚实基础应对日益复杂的工程挑战的必备能力课后讨论题与开放性探索方向•如何在工程设计中平衡材料性能、成本和可持续性的多重要求？•人工智能技术如何改变未来的材料研发和应用模式？•在碳中和背景下，机械材料领域面临哪些机遇和挑战？•智能材料将如何重塑传统机械系统的设计理念？•数字孪生技术对材料研发和应用有何影响？•生物材料和仿生设计对机械工程有何启示？欢迎同学们带着问题参与课堂讨论，积极思考，勇于提出自己的见解材料科学是一个开放的领域，没有标准答案，只有不断探索和创新才能推动学科发展希望本课程能成为大家认识材料世界的窗口，激发对材料科学的兴趣和热情。