工程材料教学课件

工程材料教学课件第一章绪论工程材料概述工程材料定义重要性学科关系工程材料是指在工程领域中用于制造各种机材料是实现工程设计的物质基础，材料的性材料科学研究材料的组成、结构与性能关械、设备、建筑物等的物质材料，是现代工能直接决定产品的质量、寿命和可靠性，对系；工程学则将这些知识应用于实际产品设业和工程技术的基础和支撑工程技术创新具有决定性影响计与制造，二者相辅相成课程学习目标第二章材料的分类金属材料无机非金属材料按化学成分分为陶瓷氧化物、非氧化物陶瓷玻璃钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃铁基合金钢、铸铁水泥与混凝土建筑材料基础非铁基合金铝、铜、镁、钛等合金特点耐高温、耐腐蚀、硬度高但脆性大特点高强度、良好导电导热性、塑性加工性能好高分子材料复合材料与智能材料塑料热塑性、热固性塑料复合材料纤维增强、颗粒增强橡胶天然橡胶、合成橡胶智能材料形状记忆合金、压电材料纤维天然纤维、合成纤维功能材料半导体、超导体特点质轻、绝缘、耐腐蚀、易加工材料分类示意图工程材料可按照组成、结构和性能进行分类，主要分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类每一大类材料又可细分为多个子类，它们在工程应用中各有优势和局限性材料的合理选择和搭配使用是工程设计成功的关键因素之一第三章金属材料基础金属的晶体结构与缺陷金属原子通常以密排方式排列，形成三种基本晶体结构体心立方结构、、等BCCα-Fe WMo面心立方结构、、、等FCCγ-Fe CuAl Au密排六方结构、、等HCP MgZn Ti常见晶体缺陷点缺陷空位、间隙原子、线缺陷位错、面缺陷晶界、堆垛层错和体缺陷夹杂、气孔金属材料性能物理性能密度、熔点、导电导热性•机械性能强度、硬度、韧性、塑性•铁碳合金及其相图莱氏体奥氏体γ-α-铁素体δ-铁素体渗碳体Fe3C铁碳相图要点碳素钢与合金钢•A1温度727℃共析转变温度碳素钢主要由铁和碳组成，含碳量通常不超过

1.5%，按含碳量•A3温度铁素体/奥氏体转变线分为低碳钢

0.25%、中碳钢

0.25-

0.6%和高碳钢

0.6%•Acm温度奥氏体/渗碳体转变线铸铁的种类与性能灰口铸铁白口铸铁球墨铸铁石墨呈片状分布，断口呈灰色导热性碳以渗碳体形式存在，断口呈银白通过球化处理使石墨呈球状分布兼具铸Fe3C好，减震性能佳，但强度和韧性较低色硬度高，耐磨性好，但脆性大铁的铸造性和钢的机械性能应用机床床身、汽缸体、散热器等应用耐磨零件、铸造坯料应用曲轴、齿轮、管道、汽车零部件金属材料性能测试拉伸试验硬度测试测定材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率等机械性布氏硬度用一定直径的钢球压入试样表面，测量压痕直径计算硬度HB能参数洛氏硬度用金刚石圆锥体或钢球压入试样表面，测量压入深HRC/HRB度计算硬度维氏硬度用金刚石四棱锥压入试样表面，测量压痕对角线长度计算HV硬度冲击韧性测试试验过程将标准试样装入拉伸试验机，施加逐渐增大的轴向拉力，直至试样断裂，记录全过程的力变形数据-第四章无机非金属材料水泥与混凝土陶瓷材料水泥是以石灰石、粘土为主要原料，经高温陶瓷是由金属或非金属化合物经高温烧结而煅烧并细磨而成的水硬性胶凝材料成的无机非金属材料混凝土是由水泥、骨料砂、石、水及必要传统陶瓷以天然原料为主，如瓷器、砖的外加剂按一定比例配制而成的复合材料瓦先进陶瓷以合成原料为主，包括结构陶瓷和功能陶瓷特点抗压强度高，耐久性好，成本低•特点耐高温、耐腐蚀、硬度高，但脆•性大应用建筑结构、道路、桥梁、水坝•玻璃材料玻璃是一种非晶态固体，主要由、、等氧化物组成SiO2Na2O CaO普通玻璃钠钙玻璃，用于窗户、容器特种玻璃钢化玻璃、夹层玻璃、玻璃纤维水泥的类型与硬化机理水泥的分类波特兰水泥组成水硬性水泥主要矿物相硅酸盐水泥通用型，强度发展快•C3S3CaO·SiO2硅酸三钙，早期强度普通波特兰水泥最常用的建筑材料•C2S2CaO·SiO2硅酸二钙，后期强度矿渣水泥掺加高炉矿渣，水化热低•C3A3CaO·Al2O3铝酸三钙，水化热高火山灰水泥掺加火山灰，抗渗性好•C4AF4CaO·Al2O3·Fe2O3铁铝酸四钙粉煤灰水泥掺加粉煤灰，经济环保水泥硬化机理非水硬性水泥石膏装饰、模型制作石灰砂浆、稳定土混凝土与砂浆混凝土组成与配比砂浆种类与用途混凝土由胶凝材料水泥、骨料砂、石、水和外加剂水泥砂浆砌筑、抹面组成混合砂浆添加石灰，增加和易性配比原则特种砂浆防水、耐酸碱、保温•水灰比w/c控制强度和工作性能砂浆的主要性能指标强度等级、保水性、和易性、粘结性•砂率影响和易性和密实度•骨料级配影响密实度和强度混凝土的性能力学性能•抗压强度C15-C80，指标最重要•抗拉强度约为抗压强度的1/10•弹性模量

2.0×104-

3.6×104MPa耐久性•抗冻融性、抗渗性、抗碳化性陶瓷材料特性结构陶瓷功能陶瓷主要用于承受机械载荷、热冲击和摩擦磨损等严酷条件的场合利用陶瓷材料的电、磁、光、热等特殊功能的陶瓷氧化物陶瓷、、电子陶瓷电容器、压电陶瓷、热敏电阻Al2O3ZrO2MgO非氧化物陶瓷、、磁性陶瓷铁氧体、石榴石SiC Si3N4AlN光学陶瓷透明氧化铝、氧化锆应用领域切削工具、轴承、发动机部件、热交换器、生物医学植入物应用领域电子器件、传感器、激光器件、固体氧化物燃料电池陶瓷材料的主要特性°⁴2000C9+10¹Ω·cm1%高温稳定性莫氏硬度绝缘性断裂延伸率许多陶瓷可在极高温度下保持稳定氧化铝、碳化硅等陶瓷硬度极高优异的电绝缘性能性能玻璃材料基础玻璃的结构与分类玻璃是一种非晶态固体，具有短程有序而长程无序的结构特征典型的玻璃网络由四面体通过共享氧原子连接而成SiO4常见玻璃分类钠钙玻璃系，成本低，用于窗户、容器SiO2-Na2O-CaO铅玻璃含，折射率高，用于光学仪器、装饰品PbO硼硅酸盐玻璃含，热膨胀系数小，耐热冲击，如实验器皿B2O3石英玻璃纯，耐高温，透紫外光，用于特种光学和高温装置SiO2玻璃的物理性能第五章高分子材料热固性塑料热塑性塑料弹性体纤维高分子材料的基本概念分子结构特点热塑性与热固性大分子链由上千个小分子单元通过化学键连接而成热塑性塑料线性或支链结构，加热可软化并多次成型，冷却后链结构线性、支链、交联和网状结构保持形状如PE、PP、PVC、PS、PET等立体规整性同规、间规和无规构型结晶度影响材料的透明度、强度和韧性高分子材料性能力学性能热性能高分子材料的力学性能与分子量、结晶度和取向度密切相高分子材料对温度变化非常敏感，使用温度范围有限关玻璃化转变温度Tg从橡胶态转变为玻璃态的温度强度通常低于金属，但比重小，比强度可与金属媲美熔点Tm结晶区域熔化的温度热变形温度在标准载荷下开始变形的温度刚度弹性模量一般在

0.01-10GPa，远低于金属热膨胀系数通常比金属大一个数量级韧性断裂伸长率可从几percent到几百percent导热系数一般为

0.1-

0.5W/m·K，远低于金属蠕变在恒定应力下，随时间变形增加的现象应力松弛在恒定变形下，应力随时间降低的现象电性能与化学稳定性电性能•绝大多数高分子是优良的电绝缘材料•体积电阻率在10¹⁵-10¹⁷Ω·cm•介电常数和介电损耗较低化学稳定性•耐水性、耐酸碱性通常优于金属•对有机溶剂的抵抗力因材料而异复合材料简介复合材料的基本概念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的新材料，各组分在宏观上仍保持各自的特性，但整体性能优于各组分的简单叠加复合材料的分类复合材料的优势按增强体形态分类高比强度和比模量碳纤维/环氧复合材料的比强度是钢的5-6倍良好的疲劳性能CFRP的疲劳极限是铝合金的3倍以上纤维增强复合材料玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维优异的耐腐蚀性玻璃纤维增强塑料GFRP可长期耐受酸碱环境颗粒增强复合材料金属基、陶瓷基、树脂基设计灵活性可根据载荷方向优化纤维排布层状复合材料夹层结构、层合板减重潜力航空航天、汽车领域关键减重材料按基体材料分类聚合物基复合材料环氧树脂基、酚醛树脂基金属基复合材料铝基、钛基、镁基陶瓷基复合材料氧化铝基、碳化硅基第六章材料的加工与成型工艺铸造工艺将液态金属浇入模具型腔，冷却凝固后获得铸件的成型方法砂型铸造使用型砂制作模具，成本低，适用范围广金属型铸造使用金属模具，尺寸精度高，表面光洁压力铸造液态金属在压力下充填模具，生产效率高熔模铸造使用可熔模型，精度高，适合复杂形状塑性加工利用金属的塑性，通过外力使其产生塑性变形而获得所需形状的加工方法锻造金属坯料在模具中受压变形，内部组织改善轧制金属通过旋转的轧辊产生变形，制作板材、型材挤压金属坯料在压力下通过模具孔型，形成长直产品拉伸金属通过模具被拉拔，减小截面并增加长度焊接与连接将两个或多个零件连接成整体的工艺方法熔焊电弧焊、气焊、激光焊、电子束焊压焊摩擦焊、超声波焊、爆炸焊钎焊利用熔点低于母材的填充金属连接金属材料热处理基础热处理基本工艺热处理对性能的影响01退火将材料加热到适当温度，保温一段时间后缓慢冷却的热处理工艺目的消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能、细化晶粒、均匀组织类型完全退火、球化退火、应力消除退火、再结晶退火02正火将钢加热到临界温度以上30-50℃，保温后在空气中冷却的热处理工艺目的细化晶粒、改善组织、提高强度和韧性、消除过热组织应用中碳钢、低合金钢的初步热处理或最终热处理热处理效果比较退火态硬度低，塑性和韧性高，内应力小03淬火正火态强度和硬度比退火高，韧性良好淬火态硬度和强度最高，但脆性大，内应力高将钢加热到奥氏体化温度，保温后快速冷却的热处理工艺目的获得马氏体组织，提高硬度和强度冷却介质水、油、盐水、聚合物溶液、空气04回火将淬火钢加热到临界温度以下，保温后冷却的热处理工艺目的降低脆性、释放内应力、获得所需的综合机械性能温度区间低温150-250℃、中温350-500℃、高温500-650℃材料的表面处理技术123表面涂层与防腐蚀表面硬化与改性表面形貌与结构控制在材料表面施加涂层，提高表面性能或防止腐改变材料表面层的组织和成分，提高表面硬度和改变表面微观结构和形貌，获得特殊功能蚀耐磨性表面喷丸提高疲劳强度金属涂层电镀镀铬、镀锌、镀镍、热浸镀、喷表面热处理火焰淬火、感应淬火、激光淬火激光表面织构减摩、自清洁涂化学热处理渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗等离子体处理改变表面润湿性有机涂层油漆、涂料、环氧树脂涂层物理气相沉积蒸发、溅射、离子镀PVD无机涂层搪瓷、陶瓷涂层、转化膜磷化、氧化化学气相沉积热、等离子辅助CVD CVDCVD防腐蚀机理隔离保护、牺牲阳极保护、阴极保护材料性能与结构关系微观结构控制晶体缺陷与材料强度材料的宏观性能直接取决于其微观结构，微观结构的调控是材料科学的核完美晶体的理论强度远高于实际材料，这种差异主要由晶体缺陷引起心强化机制结构参数固溶强化溶质原子阻碍位错运动晶粒尺寸细晶粒提高强度和韧性（霍尔佩奇关系）-细晶强化晶界阻碍位错滑移相组成多相材料中各相的种类、数量和分布加工硬化位错交互作用增加变形阻力织构晶粒取向的分布，影响各向异性析出强化第二相粒子阻碍位错运动位错密度影响塑性变形和加工硬化相变强化马氏体相变产生高密度位错第二相粒子提供析出强化或弥散强化微观组织观察技术光学显微镜扫描电子显微镜透射电子显微镜分辨率，观察晶粒形态、尺寸、分布和相分辨率，观察形貌、断口和元素分布

0.2μm1-5nm组成材料选择与设计原则性能指标确定•机械性能需求分析•物理化学性能•功能要求•工艺性能•使用环境•经济性考量•寿命期望•成本预算材料筛选•材料数据库查询•性能评价•可行性分析•多属性决策最终设计•材料确定测试验证•工艺路线•样品测试•质量控制•性能评估•成本核算•失效分析•优化改进材料选择中的关键因素经济性因素环境因素原材料成本材料本身的市场价格资源消耗材料生产的资源和能源消耗加工成本不同材料加工难度和成本差异碳足迹生产过程的碳排放使用寿命耐用性对长期经济性的影响毒性风险对人体健康和生态的影响维护成本日常维护和修理的投入可回收性材料的再生和循环利用潜力报废回收价值材料的可回收性和残值工程材料的失效分析断裂材料在外力作用下发生的破坏脆性断裂无明显塑性变形，断裂面平整韧性断裂有明显塑性变形，断裂面呈杯锥状断裂韧性材料抵抗裂纹扩展的能力疲劳材料在循环载荷作用下逐渐累积损伤直至失效疲劳裂纹萌生通常源于表面缺陷裂纹扩展形成疲劳条带，缓慢扩展最终断裂剩余截面无法承受载荷时突然断裂腐蚀材料与环境介质发生化学或电化学反应导致的损伤均匀腐蚀材料表面均匀减薄局部腐蚀点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀应力腐蚀开裂应力和腐蚀环境共同作用失效案例分析泰坦尼克号脆性断裂科莫桥疲劳断裂泰坦尼克号使用的钢材在低温海水中脆性增加，碰撞后沿铆钉孔发生脆性断裂这一事件促使人们研究低温下材料的韧脆转变行为，提高了船舶钢材的安全标准新型工程材料发展趋势纳米材料智能材料与自修复材料绿色环保材料尺寸在范围的材料，展现出与传能够感知环境变化并做出响应的新型功能资源消耗少、环境负荷低、可持续利用的1-100nm统材料显著不同的性能材料新型材料纳米粒子量子点、纳米催化剂形状记忆合金温度控制形状变化生物基材料生物降解塑料、纤维素•••材料纳米纤维碳纳米管、纳米纤维素压电材料力电转换••再生材料回收利用的金属、塑料、纳米薄膜石墨烯、纳米涂层自修复材料含微胶囊或微管的自修•••玻璃复聚合物应用强化复合材料、高效催化剂、新型低碳材料生产过程能耗低、碳排放仿生材料模仿自然界结构和功能•传感器、生物医学材料•少应用主动控制结构、传感器、智能器无毒无害材料替代传统有害材料•件、长寿命材料材料测试与表征技术机械性能测试仪器显微分析与光谱技术万能材料试验机测试拉伸、压缩、弯曲性能光学显微镜观察微观组织形貌硬度计布氏、洛氏、维氏、显微硬度计扫描电子显微镜高分辨率表面形貌观察SEM冲击试验机测试材料的冲击韧性透射电子显微镜原子级微观结构分析TEM疲劳试验机测试材料的疲劳性能射线衍射晶体结构分析X XRD蠕变试验机测试材料的高温蠕变性能能谱分析微区元素成分分析EDS射线光电子能谱表面元素化学状态分析物理性能测试X XPS拉曼光谱分子振动和结构分析热分析仪器差示扫描量热仪、热重分析仪DSC TGA热物理性能测试导热系数、热膨胀系数测试仪电性能测试电阻率、介电常数测试仪无损检测技术超声波检测射线检测磁粉渗透探伤X/利用声波在材料中传播和反射原理检测内部缺陷利用射线穿透能力检测材料内部结构和缺陷X材料科学的实际应用案例航空航天材料汽车轻量化材料建筑节能材料航空航天领域对材料提出极高要求轻量汽车轻量化是降低能耗、减少排放的关键途建筑能耗占社会总能耗的，节能材料是40%化、高强度、耐高温、抗疲劳径实现绿色建筑的基础先进铝合金高强铝锂合金，比传统铝合金高强钢先进高强度钢可减轻车身保温隔热材料岩棉、玻璃棉、聚氨酯泡AHSS轻，强度高重量沫、真空绝热板10%30%25%钛合金密度低、强度高、耐腐蚀，用于发铝合金发动机缸体、车身面板、底盘节能玻璃玻璃、中空玻璃、光伏一Low-E动机和结构件体化玻璃镁合金仪表板支架、座椅框架、方向盘高温合金能在以上工作的镍基、相变蓄能材料利用相变潜热调节室内温度1000℃钴基合金工程塑料保险杠、内饰件、油箱先进复合材料碳纤维复合材料已光催化自清洁材料减少维护成本CFRP碳纤维复合材料高端车型的车身和结构件占现代客机结构重量的以上50%案例特斯拉采用铝合金车身，比Model S案例波音梦想飞机大量采用复合材787传统钢制车身轻30%料，减重，降低燃油消耗20%30%材料工程师的职业发展行业需求与岗位介绍未来技能趋势材料工程师在制造业、建筑业、航空航天、能源、电子、生物医学等多个领域都有广泛的就现代材料工程师需要掌握的核心技能业机会交叉学科知识机械、电子、化学、生物等主要岗位类型计算机辅助设计与模拟有限元分析、分子动力学数据分析能力大数据、机器学习在材料设计中的应用研发工程师新材料开发、性能优化增材制造打印技术新型材料与加工方法3D工艺工程师材料加工工艺开发与优化绿色材料与可持续发展环保法规、生命周期分析质量控制工程师材料测试、质量保证项目管理与团队协作多学科团队合作能力技术支持工程师材料应用咨询、问题解决商业意识成本分析、市场需求理解项目经理材料相关项目规划与管理材料失效分析专家产品失效原因分析随着中国制造业升级和创新驱动战略的实施，高素质材料工程师的需求持续增长学习资源与继续教育专业期刊《材料科学与工程》、《中国材料进展》、Materials Scienceand Engineering行业协会中国材料研究学会、中国金属学会、美国材料学会ASM在线课程中国大学、、上的材料科学课程MOOC CourseraedX课程总结与复习重点知识回顾材料分类金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的基本特性与应用材料结构与性能微观结构对宏观性能的影响，晶体结构、缺陷与强化机制材料加工与处理铸造、塑性加工、热处理、表面处理等主要工艺及其影响材料测试与表征机械性能测试、微观结构分析、无损检测等方法材料选择与应用材料选择原则、性能评价、工程应用案例分析常见问题解析金属材料与高分子材料的区别？热处理对钢的影响？金属材料具有金属键结合、自由电子导电、塑性变形特点，强度高、韧性好、导电导热；高分子材料由长链分子组成，通常绝缘、质轻、耐腐热处理通过改变钢的微观组织来调控性能淬火形成马氏体提高硬度和强度；回火降低脆性提高韧性；退火消除内应力改善加工性能；正火细蚀、成型性好化晶粒提高综合性能学习建议与考试指导

1.理解原理而非机械记忆，材料科学是融会贯通的学科

2.注重实验观察，建立微观结构与宏观性能的关联认识

3.结合工程案例学习，提高解决实际问题的能力互动环节材料性能实验演示实验一金属拉伸试验拉伸试验是评价金属材料机械性能最基本的方法通过对标准试样施加轴向拉力，直至试样断裂，可以获得以下关键参数弹性模量反映材料的刚度•E屈服强度材料开始产生塑性变形的应力•σs抗拉强度材料能承受的最大应力•σb断裂伸长率反映材料的塑性•δ断面收缩率反映材料的塑性•ψ实验二硬度测试硬度测试是评价材料抵抗局部变形能力的简便方法，通常包括布氏硬度适用于较软材料•HB洛氏硬度操作简便，应用广泛•HRC/HRB维氏硬度适用于各种材料，精度高•HV互动环节材料选择案例讨论案例一钢材与铝材在桥梁中案例二复合材料在汽车中的的应用对比优势分析复合材料在汽车工业中的应用钢结构桥梁碳纤维复合材料CFRP高端车型的车身、底盘优势强度高、韧性好、疲劳性能优异、设计成熟玻璃纤维复合材料GFRP保险杠、车门板天然纤维复合材料内饰件、门板劣势重量大、需要防腐处理、维护成本高适用情况大跨度桥梁、重载荷桥梁、铁路桥复合材料的优势典型案例港珠澳大桥钢箱梁结构，兼顾强度与抗•质量减轻50-70%，提高燃油经济性震性•设计自由度高，可实现复杂形状•零部件整合，减少装配环节铝合金桥梁•优异的能量吸收性能，提高碰撞安全性优势质量轻仅为钢的1/

3、耐腐蚀、无需涂装•不易腐蚀，延长使用寿命劣势成本高、弹性模量低、疲劳性能稍差适用情况轻载荷桥梁、人行天桥、腐蚀环境典型案例荷兰Vlotwatering自行车桥，全铝合金结构讨论要点如何在不同环境条件、跨度和载荷要求下选择最合适的桥梁材料？结束语工程材料是现代工程的基石从古代青铜器到现代航空航天材料，材料的发展始终与人类文明进步紧密相连工程材料为各类工程提供物质基础，决定着工程结构的性能极限和可靠性掌握材料知识，助力创新设计工程师通过深入理解材料的组成、结构、性能和加工工艺之间的关系，可以针对特定应用选择最合适的材料•通过材料设计和处理优化产品性能•解决工程实践中的材料相关问题•开发具有颠覆性的新材料和新工艺•期待大家在材料科学领域不断探索与成长。