绪论

问题描述

了解材料的发展及常用工程材料的分类。

知识链接

1.材料的发展概述

材料、能源、信息被称为现代技术的三大支柱，而能源和信息的发展，在一定程度上又依赖于材料的进步。例如：要提高热机效率，必须提高工作温度，这就要求制造热机的材料在高温下具有足够的强度、韧性、耐热性，而这又是一般钢铁材料无法达到的。如何解决现实问题？目前，选择新型陶瓷材料制成的高温结构陶瓷柴油机，可以节油30%，热机效率可以提高50%，可见，开发新材料可以提高现有能源的利用率；而半导体材料、传感器材料、光导纤维材料的开发无一不是促进信息技术提高和发展的重要条件。此外，开发海洋探测设备需要耐压、耐腐蚀的新型结构材料；开发航空航天设备需要高轻度的新材料；发展现代医学需要制造人工脏器、人造骨骼、血管，这些都需要各种具有特殊功能而且能与人体相容的新材料，因此，材料学科的发展在人类社会的进步中起着重要的作用。

金属材料和非金属材料的使用及其加工方法的不断改进，是人类社会发展的重要里程碑，历史上的所谓石器时代、青铜器时代和铁器时代都是以材料作为时代标志的。人类社会从石器时代进入青铜器时代以后，金属材料便在人类生活中占据了十分重要的地位，特别是大规模生产金属材料工艺的出现，促进了科学技术和社会经济的飞速发展。

在人类的发展史上最先使用的工具是石器。我们的祖先用坚硬的、容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。早在新石器时代（公元前6000年～前5000年）的磁山（河北）文化时期，中华民族的先人们用黏土（主要成分为SiO2、Al2O3）烧制成陶器。在仰韶（河南）文化（公元前4000年～前200年）和龙山（山东、河南等）文化时期，制陶技术已经发展到能在氧化性气氛的窑中（大约950℃）烧制成红陶，在还原性气氛的炉中（大约1050℃）烧制薄胎黑陶与白陶（图0-1）。在3000多年前的殷、周时期，发明了釉陶，炉窑温度提高到了1200℃，马家窑（甘肃）文化时期的陶器以砂质和泥质红陶为主，表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等。我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。瓷器于公元9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，13世纪传到日本，15世纪传到欧洲。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。

我国青铜的冶炼在夏朝（公元前2140年始）以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的后母戊鼎（图0-2），是中国商代后期（约公元前16世纪～前11世纪）王室祭祀用的青铜方鼎，高133cm、口长110cm、口宽79cm、重832.84kg，鼎腹为长方形，上竖两只直耳（发现时仅剩一耳，另一耳是后来据另一耳复制补上的），下有四根圆柱形鼎足，是中国目前已发现的最重的青铜器。后母戊鼎在制造时采用了精湛的铸造技术，在泥模塑造、陶范翻制、合范、熔炼、浇注等铸造全过程中，充分体现了中国古代劳动人民的聪明才智和优秀的技艺。在湖北大冶发现的春秋晚期的钢矿井遗址深达50m，炼铜炉渣有40多万吨，实属罕见。从湖北隋县出土的战国青铜编钟是我国古代文化艺术高度发达的见证。春秋战国时期《周礼·考工记》中记载了钟鼎、斧斤等六类青铜器中的锡含量，称为“六齐（剂）”。书中写道：“六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴燧之齐”。这是世界上最古老的关于青铜合金成分的文字记载。这些文献充分表明，我们的祖先已经认识到了青铜的性能与成分之间的密切关系。

我国从春秋战国时期（公元前770年～前221年）已开始大量使用铁器。从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用的铁模，说明冶铸技术已由泥沙造型水平进入铁模铸造的高级阶段。到了西汉时期，炼铁技术又有了很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早1700多年。在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20多座冶铁炉和锻炉，炉形庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑，可见当年生产规模之壮观。我国古代创造了三种炼钢方法：第一种是从矿石中直接炼出自然钢；第二种是西汉时期的经过“百次”冶炼锻打的百炼钢；第三种是南北朝时期生产的灌钢。对先炼铁后炼钢的两步炼钢技术的掌握，我国要比其他国家早1600多年。与此同时，钢的热处理技术也达到了相当高的水平。西汉《史记·天官书》中有“水与火合为淬”一说，正确地说出了钢铁加热、水冷的淬火热处理工艺要点。《汉书·王褒传》中记载有“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”的制剑技术。直到明朝，在这之前的2000多年间，我国的钢铁生产技术在世界上一直遥遥领先。明代科学家宋应星所著《天工开物》一书中详细记载了古代冶铁、炼钢、铸钟、锻铁、淬火等多种金属加工方法，书中介绍的锉刀、针等工具的制造过程与现代制作工艺几乎一致。钢铁生产工具的发展，对社会进步起到了巨大的推动作用。

20世纪中叶，随着科学技术的发展、社会环保意识的加强以及生产的需求，出现了许多的非金属材料。非金属材料的使用，不仅满足了机械制造工程中的特殊需求，还大大简化了机械制造的工艺过程，降低了成本，提高了产品的使用性能。其中，比较突出的就是塑料、陶瓷和复合材料的广泛应用。目前，它们的特殊性能正在不断地得到广大工程技术人员的认可，而且其应用范围正不断地扩大。

可以说，金属材料与非金属材料加工工艺技术的水平，在某种程度上代表着一个国家机械制造技术的水平，并与国民经济的快速发展有着密切的关系。只有材料生产和机械制造工艺水平不断提高，并保持先进水平，才会有力地促进现代工业、农业、航天事业等飞速发展和科学技术的不断进步，加快国民经济的发展步伐，才会很好地保护好环境，达到清洁生产，才会在知识经济和世界经济一体化进程中保持发展优势。

但是，目前我国机械制造的整体工艺水平与工业先进国家相比还有明显的差距，这就需要我们工程技术人员深入地研究有关金属材料与非金属材料及其加工工艺理论，不断地学习和认识新技术、新工艺、新设备和新材料，为提高我国机械制造工艺水平而努力。材料科学和材料工程发展很快，需要掌握材料科学的基本理论和基本知识，研究和发明新的材料和新的工艺，合理地使用各种工程材料。

2.工程材料的分类

工程材料是材料科学的实用部分，主要阐述材料的成分、组织、性能及应用方面的一般规律。工程材料主要是用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域，用来制造工程构件和机械零件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能（如耐蚀、耐高温等）的材料。

从工程材料的使用性能方面考虑，将工程材料分为结构材料和功能材料两类。

结构材料，是指工程上要求强度、韧性、塑性等力学性能的材料，主要用于制造工程结构和零件；以力学性能为基础，用于制造以受力为主的构件。当然，结构材料对物理性能和化学性能也有要求，如密度、热导率、抗辐射能力、抗腐蚀能力、抗氧化能力等。

功能材料，主要是指利用物质独特的物理性质、化学性质或生物功能等而形成的一类材料，要求具有电、光、声、磁、热等功能和反应的材料。

除此之外，工程材料按照不同的分类标准，还有不同的分类方法，如：按照构成材料的组成不同，人们通常将机械工程材料分成金属材料、非金属材料两大类（表0-1）。

根据材料内部原子排列情况可以分为晶态材料、非晶态材料；根据材料的热力学状态可以分为稳态材料、亚稳态材料；根据材料尺寸还可以分为一维（纤维及晶须）材料、二维（薄膜）材料、三维（大块）材料等。具体的分类及应用可以参考书内具体章节。

3.热加工工艺简介

热加工是指对各种工程材料（包括金属材料、非金属材料和复合材料等）进行热工艺处理以达到各工程领域使用要求的手段。常常将金属铸造、热轧、锻造、焊接和金属热处理等工艺总称为热加工工艺。有时也将热切割、热喷涂等工艺包括在内。

热加工能使金属零件在成形的同时改善它的组织，或者使已成形的零件改变结晶状态以改善零件的力学性能。铸造、焊接是将金属熔化再凝固成形。热轧、锻造是将金属加热到塑性变形阶段，再进行成形加工，如合金钢需加热到形成均匀奥氏体后，进行热轧、锻造。加热温度低时塑性不好，易产生裂纹；加热温度过高又会使得金属件易过分氧化，影响加工件质量。一般说来，金属热处理只改变金属件的金相组织，包括退火、正火、淬火、回火等。

工程材料的热加工工艺性能主要包括以下几点。

（1）铸造性（可铸性）

指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。铸造性主要包括流动性、收缩性和偏析。流动性是指液态金属充满铸模的能力。收缩性是指铸件凝固时体积收缩的程度。偏析是指金属在冷却凝固过程中，因结晶先后差异而造成金属内部化学成分和组织的不均匀性。

（2）可锻性

指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。它包括在热态或冷态下能够进行锤锻、轧制、拉伸、挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。

（3）切削加工性（可切削性，机械加工性）

指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度。切削加工性的好坏常用加工后工件的表面粗糙度、允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。它与金属材料的化学成分、力学性能、导热性及加工硬化程度等诸多因素有关。通常用硬度和韧性作切削加工性好坏的大致判断依据。一般来讲，金属材料的硬度愈高愈难切削，硬度虽不高，但韧性大，切削也较困难。

（4）焊接性（可焊性）

指金属材料对焊接加工的适应性能，主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面的内容：一是结合性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使用要求的适用性。

（5）热处理

主要包括退火、正火、淬火、回火、调质处理等。

4.本课程的目的、任务和学习方法

学习本课程的基本要求如下：

①了解金属和合金的组织结构、结晶过程、塑性变形与再结晶，以及二元合金相图的基本理论，为进一步学习热处理和金属材料打下基础。

②了解钢铁材料的热处理基本原理和工艺，以及热处理工艺在零件加工过程中的地位和作用，以便能根据零件的技术条件正确选定热处理工艺方法，合理安排工艺路线，并初步具有综合选择零件毛坯及其加工方法的能力。

③掌握常用的碳钢、铸铁、合金钢、轴承合金等金属材料（其中以钢铁材料为主）的成分、组织、性能和用途的基本知识，以便合理选用金属材料。

④了解常用金属材料的牌号性能和用途。

⑤了解各种加工方法所用设备（工具）的工作原理和应用范围，掌握一些主要设备和工具的基本操作方法。

⑥了解各种加工工艺对零件结构的工艺性的一般要求，做到灵活应用。

⑦了解与本课程有关的新技术、新工艺、新设备、新材料的发展概况。

复习思考题

1.什么是材料？材料通常是如何分类的？

2. 机械制造和日常生活都会使用到哪些材料？其中常见的金属材料有哪些？金属与非金属比较有哪些特性？

3.金属是一类重要的材料，人类的生活和生产都离不开金属。请说出表0-2中所列日常生活中使用的金属。

4.如图0-3所示，参考表0-3所列举内容，分析一辆汽车中都有哪些部件是由金属组成的？结合后续课程记忆金属的牌号。