第一章 工程材料与制造技术简论.docx

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第一章工程材料与制造技术简论

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本章教学学时：

2

本章内容主要是为了拓宽学生的知识面，所涉及内容十分丰富。

从横向看，内容包括工程材料、材料成型、机械加工、计算机技术、自动化技术、工业管理等系列知识；从纵向看，内容则包括了材料与制造技术的发展历程和相关学科发展对制造技术的积极渗透。

可以说本章是工科低年级同学进入本课程学习，也是进入专业学习的起点。

建议同学在学习中能跳出本课程，站在技术和社会发展的高度，理解该课程的基础地位和重要性。

本章教学方式：

课堂讲课及学生自学

主要内容：

一、工程材料发展简述

世界各国对材料传统的分类：

金属材料、无机非金属材料（陶瓷）、有机高分子材料和复合材料四大类。

这四类工程材料不同历史阶段所具有的相对重要性急发债趋势见图1-1。

图1-1工程材料发展历史虽时间推移的相对重要性示意图（时间是非线性的）

（一）金属材料的发展史

（二）金属材料的发展现状及趋势

1．高纯材料以超高纯铁为例，在高纯状态，纯铁不仅有优异的软磁性能，良好的耐腐蚀性能，残余电阻率高，而且以高纯铁为基础进行合金研制，预计在高真空容器、极低温材料、核反应堆材料等方面的应用将十分引人注目。

2．高强度及超高强度金属材料超高强度是当代材料科学家为减轻重量、节省资源而追求的设计目标，这在航空、航天、原子能、深海潜艇等领域有极大的需求。

提高材料强度，严格讲，一是指提高抵抗塑性变形的能力，二是提高材料抵抗破坏的能力。

提高抵抗塑性变形的能力通常叫强化，提高材料抵抗破坏的能力叫韧化，两者同时提高，则称强韧化。

通常典型超高强材料包括超高强度钢、高强度铝合金、高强度钛合金等。

3．超易切削钢和超高易切削钢金属材料通常要求机械加工，据统计,切削加工费用大约占总成本的75%。

若改成超高易切削钢，实验表明刀具寿命可提高30倍，因此零件成本会大幅度下降，甚至可减少一半。

其社会效益和经济效益极其显著。

4．硬质合金与金属陶瓷金属陶瓷最早是为耐磨材料而设计，它是金属材料与陶瓷的复合材料。

5．高温合金与难熔合金

6．纤维增强金属基复合材料该类复合材料的比强度极高，其强度σc很大程度上取决于增强体纤维强度σf。

目前可供选择的纤维较多，如硼纤维，碳纤维、碳化硅纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维等。

纤维的选择原则是：

比重小，弹性模量E大，强度σf高。

金属复合材料的发展目标是：

制备出各种比强度、比弹性模量高的材料。

7．共晶合金定向凝固材料该材料属新型复合材料，是共晶合金在特殊工艺条件下制备出来的复合材料，其性能特点是在超高温情况下呈现更高强度。

它是通过温度梯度定向凝固，使共晶各相在本身的相上连续长大而成的复合材料，这种复合也叫原生复合。

共晶合金定向凝固材料可广泛用于涡轮叶片等耐热材料，也可以用于偏光材料。

8．快速冷凝金属非晶及微晶材料快速冷凝技术是本世纪下半叶以来材料制备技术中的重大突破，由此产生了一系列非平衡态的金属合金。

快速冷凝可以导致非晶和微晶材料。

典型非晶和微晶金属材料：

（1）金属玻璃；

（2）金属微晶材料

9．有序金属间化合物金属间化合物是新一代高温结构材料，这类化合物与正常价化合物之间的区别在于，金属间化合物的晶体结构中，其构成元素的原子以整数比构成化合物，不是按照化学价的概念，而是按照金属键或部分共价键结合，由于原子在晶体中作长程有序排列，因而也称有序金属间化合物。

10．纳米金属材料纳米金属是泛指颗粒径小于100纳米（nm）的金属材料，大于100纳米的金属颗粒称为粉末,小于2纳米的金属颗粒则称为原子簇，纳米金属颗粒具有一些明显不同于块状金属和一般粉末金属的属性。

11．形状记忆合金形状记忆合金是指合金材料在一定条件下，虽经变形后仍能恢复到变形前原始形状能力的合金。

12．贮氢合金贮氢合金是一种新型贮能材料。

（三）无机非金属材料（陶瓷）的发展简述

1．陶瓷的发展史

2．先进陶瓷（高技术陶瓷）的主要研究领域与研究现状

先进陶瓷的研究领域包括：

粉体、结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、薄膜及喷涂、陶瓷工艺等。

其中结构、功能、生物陶瓷分属不同的应用领域，粉体及陶瓷制备工艺的研究则直接影响高技术陶瓷材料的性能、成本、应用和发展水平。

作为结构陶瓷，其发展经历了几十年全球性的研究热潮后，目前正围绕陶瓷材料的弱点：

脆性大，可靠性、均匀性、重复性差，加工制造成本高等方面转入更细致的基础研究和应用研究。

3．结构陶瓷的研究发展趋势

（1）结构陶瓷的增韧研究

（2）有关结构陶瓷粉体制备的研究

（3）有关陶瓷材料的制备与加工技术研究

（4）有关陶瓷材料的可靠性检测与评价技术

（四）工程塑料的发展简述

塑料是高分子材料中的主要组成部分，工程塑料作为塑料工业的重要分支，新的发展点，是在塑料工业的高分子理论基础和生产实践的大环境中成长起来的。

工程塑料是一个特定的名称，其广义上是泛指具有高性能又可能代替金属材料的塑料，狭义上是指比通用塑料的强度与耐热性优异，可作为工业用的结构材料并具有功能作用的高性能塑料。

（五）复合材料的发展简述

1．复合材料的特点

2．复合材料的发展史

3．先进复合材料的研究现状、趋势

（1）金属基复合材料金属基复合材料是由各种纤维、晶须、颗粒增强体与金属基体复合而成的材料，与树脂基复合材料比较，不仅具有较高的耐高温性能和不燃烧性，而且具有高的导热性和导电性、抗辐射性、不稀释和耐老化性，而纤维增强的MMC还具有较高的横向强度和模量。

（2）陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是由各种纤维、晶须、颗粒增强材料与陶瓷基体复合而成，具有优良的耐高温、高强度、高硬度及耐腐蚀性，同时由于增强体的存在使材料的脆性和裂纹敏感性得到很大的改善，韧性和热疲劳性有很大的提高，该材料可以在1200-900oC温度下使用。

（3）其它复合材料

（六）其他先进材料简介

1．智能材料

2．生物材料

3．生态环境材料

4．纳米材料

二、制造（工艺）技术发展历史、现状与发展趋势

制造技术是围绕工程材料进行的。

根据国家现行统计划分，工业由制造业、采掘业、电力、煤气和水的的生产与供应业构成。

其中制造业是指一切生产和装配制成品的企业群体的总称，其构成见表1-4。

（一）制造技术的发展历史

制造业以及制造技术的发展已有漫长的历史，但其真正形成与发展还只是近200年来的事情，先进制造技术的提出则只是近10余年间的事情。

制造技术的发展大约经历了六个阶段。

表1-4制造业的分类及构成

构成制造业的构成（%）

分类1987年1992年1996年

金属制品3.3722.9893.395

一般机械13.42311.3888.625

运输机械4.1856.0856.424

电器设备4.4794.5915.125

电子设备3.0783.2784.588

仪器仪表1.0770.9390.998

食品工业12.44513.05815.335

纺织10.8988.7367.193

服装3.0323.3445.018

家具1.3861.0151.542

文教用品3.9973.5924.292

油加工1.4823.6783.870

化工15.00316.29215.586

建材7.4807.8357.299

黑色冶金7.9169.3086.904

有色冶金2.1592.2722.120

其他制造1.5871.6011.681

注:

本表主要源于<<中国统计年鉴>>

（二）制造技术的现状

制造业是工业经济时代经济增长的“发动机”，在新经济时代，制造业在国民经济中的地位仍然是十分重要的。

可以认为先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产、提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。

机械制造工艺的流程图与具体内容见图1-3和表1-4。

表1-4机械制造工艺类别及代码

代码大类名称小类名称

0铸造砂型铸造特种铸造

1压力加工锻造轧制冲压挤压旋压拉拔其他

2焊接电弧焊电阻焊气焊压焊特种焊钎焊

3切削加工刃具加工磨削钳加工

4特种加工电物理加工电化学加工化学加工复合加工其他

5热处理整体热处理表面热处理化学热处理

6覆盖层电镀化学镀真空沉积热浸镀转化膜热喷涂涂装其他

7装配与包装装配试验与检验包装

8其他粉末冶金冷作非金属材料成型表面处理防锈缠绕编织

图1-3机械制造工艺流程图

（三）制造业及先进制造技术的发展趋势

先进制造技术的发展趋势今后将具有以下明显特征：

1.信息技术正在向制造技术注入和融合，促进着制造技术的不断发展。

2.设计技术在不断现代化的同时，设计过程也由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、

经济、和社会因素。

设计不仅只是单纯追求某项性能指标的先进和高低，而是注意考虑市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响。

3.成型及改进制造技术向精密、精确、少能耗、无污染方向发展，比如成型技术正在从

制造工件的毛坯、从接近零件的形状向直接制造工件即精密成型或净成形（NetShapeProcess）的方向发展。

4.加工制造技术则向着超精密加工技术、超高速切削以及发展新一代制造装备的方向发

展。

5.此外，工艺将由技艺发展为工程科学。

使工艺设计由经验判断走向定量分析，工艺模

拟将广泛用于金属切削和产品设计过程。

使产品设计完成时，成型制造的准备工作也同时完成。

6.随着先进制造技术的不断进步，冷热加工之间、加工、检测、物流、装配过程之间、

设计、材料应用、加工制造之间，其界限将逐渐淡化，并逐渐走向一体化。

（三）、课程简介:

1．本课程主要学习目的:

拓宽知识面,为后续专业学习专奠定必要的制造技术基础知识。

2．课程特点：

知识面宽，

多学科知识渗透与交叉，

理论教学与实践环节（或工程训练环节）密切结合

3．课程的知识体系及演变过程：

（1）原《金工》课程体系：

《金工》课程知识体系

￬￬￬￬

金属材料及热处理部分内容如下：

金属热加工部分内容如下：

金属切削加工部分内容如下：

金工实习部分

内容如下：

￬￬￬￬

金属学基础知识

金属成形工艺基础知识

切削原理基础知识（含刀具）

铸造工艺实习

￬￬￬￬

金属材料性能

铸造成形工艺

车、铣削加工工艺

锻压工艺实习

￬￬￬￬

金属热处理

锻压成形工艺

刨、磨削加工工艺

焊接工艺实习

￬￬￬￬

钢铁材料及应用

焊接成形工艺

切削加工新工艺

热处理工艺实习

￬￬￬￬

有色金属材料及应用

金属成形新工艺

夹具与测量技术

钳工、刨工、铣工艺实习

￬￬￬￬

选材

成型工艺选择及结构工艺性

切削工艺选择与结构工艺性

车削工艺与特种加工实习

（2）《工程材料与机械制造基础》课程体系：

《工程材料与机械制造基础》课程知识体系

￬￬￬￬

机械工程材料

内容如下：

材料成形基础

内容如下：

机械制造工艺

内容如下：

机械制造实习

内容如下：

￬￬￬￬

材料学基础简介

材料成形原理

机械加工基础知识

认知训练

￬￬￬￬

材料性能

材料液态成型工艺

零件表面的常规加工方法

切削技术实习

￬￬￬￬

金属材料及应用

材料塑性成型工艺

特种加工技术

材料成形技术实习

￬￬￬￬

无机非金属材料及应用

材料连接成型工艺

非金属材料的机械加工

先进制造技术实习

￬￬￬￬

高分子材料及应用

材料粉体成型工艺

先进制造技术

技能培训实习

￬￬￬￬

工程选材

材料特种成型工艺

机械制造业管理与环境保护

工艺创新训练

￬￬￬￬

课程后期创新意识酝酿与综合创新训练

4.学习要求与课程任务

（1）了解材料及制造技术发展史、现代制造业的组织结构与运行模式。

（2）了解常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法，以及表面工程原理，具

有选用工程材料的初步能力。

（3）掌握主要工程材料或器件的成形与加工方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯、

零件加工方法及工艺分析的初步能力。

（4）具有综合运用工艺知识、分析零件结构工艺性的初步能力。

（5）了解与本课程有关的新材料、新工艺、新技术相互交叉渗透的特点及其发展趋势。

（6）锻炼自己的实践动手能力和创新能力..

小学常用歇后语

1.八仙过海--------各显神通2.不入虎穴--------焉得虎子

3.蚕豆开花--------黑心4.车到山前--------必有路

5.打破砂锅--------问到底6.和尚打伞--------无法无天

7.虎落平阳--------被犬欺8.画蛇添足--------多此一举

9.箭在弦上--------不得不发10.井底青蛙--------目光短浅

11.大海捞针--------没处寻12.竹篮打水--------一场空

13.打开天窗--------说亮话14.船到桥头--------自会直

15.飞蛾扑火-----自取灭亡16.百米赛跑--------分秒必争

17.拔苗助长-----急于求成18.仇人相见--------分外眼红

19.芝麻开花----节节高20.新官上任--------三把火

21.瞎子点灯--------白费蜡22.兔子尾巴--------长不了

23.偷鸡不成----蚀把米24.王婆卖瓜--------自卖自夸

25.老虎屁股----摸不得26.老虎拉车--------谁敢

27.老鼠过街-----人人喊打28.麻雀虽小--------五脏俱全

29.墙上茅草----随风两边倒30.三十六计--------走为上计

31.塞翁失马----焉知祸福32.壶中无酒--------难留客

33.丈二和尚----摸不着头脑34.有借有还--------再借不难

35.猫哭耗子---假慈悲36.铰子破皮--------露了馅

37.扁担挑水---一心挂了两头38.对牛弹琴--------白费劲

39.八仙聚会--------神聊40.霸王敬酒--------不干也得干

41.板上订钉--------跑不了42.背鼓上门--------讨打

43.草把做灯-----粗心（芯）44.竹笋出土--------节节高

45.菜刀切豆腐----两面光46.钉头碰钉子--------硬碰硬

47.高山上敲鼓--四面闻名（鸣）48.铁打的公鸡-----一毛不拔

49.关公走麦城----骄必败50.狗咬吕洞宾--------不识好人心

51.鸡蛋碰石头----不自量力52.姜太公钓鱼--------愿者上钩

53.脚踏西瓜皮--滑到哪里是哪里54.孔夫子搬家--------净是书

55.老鼠钻风箱-----两头受气56.留得青山在--------不怕没柴烧

57.门缝里看人---把人看扁了58.泥菩萨过河--------自身难保

59.泼出去的水----收不回60.骑驴看唱本--------走着瞧

61.千里送鹅毛--礼轻情意重62.肉包子打狗--------有去无回

63.山中无老虎---猴子称大王64.司马昭之心--------路人皆知

65.外甥打灯笼---照旧（舅）66.王八吃年糕--------铁了心

67.王小二过年---一年不如一年68.小葱拌豆腐-----一清二白

69.小和尚念经----有口无心70.周瑜打黄盖--------两厢情愿

71.赶鸭子上架----吃力不讨好72.擀面杖吹火------一窍不通

73.瞎子戴眼镜----装饰74.猴子捞月亮--------空忙一场

75.秀才遇到兵----有理讲不清76.三个臭皮匠--------顶个诸葛亮

77.黄牛追兔子---有劲使不上78.和尚训道士--------管得宽

79.过年娶媳妇----双喜临门80.聋子见哑巴--------不闻不问

六字短语

81.铜钣上钉铆钉---一是一，二是二82.里弄里扛竹竿---直来直去

83.苦水里泡黄连----苦上加苦84.驴唇不对马嘴----答非所问

85.猪鼻子里插葱-----装象86.只许州官放火---不许百姓点灯

87.猪八戒照镜子--里外不是人88.放风筝断了线-----没指望了

89.池塘里的风波-----大不了90.关门掩着耗子-----急（挤）死

91.顶风顶水划船----硬撑92.东北的二人转--------一唱一和

93.东洋人戴高帽----假充大个94.到火神庙求雨--------找错了门

95.鲁班门前耍斧----有眼无珠96.老太太吃汤圆--------囫囵吞

97.出太阳下暴雨---假情（晴）98.挂羊头卖狗肉--------虚情假意

99.担着胡子过河----谦虚过度100.唱歌不看曲本--------离谱

小学常用歇后语

1.八仙过海--------各显神通2.不入虎穴--------焉得虎子

3.蚕豆开花--------黑心4.车到山前--------必有路

5.打破砂锅--------问到底6.和尚打伞--------无法无天

7.虎落平阳--------被犬欺8.画蛇添足--------多此一举

9.箭在弦上--------不得不发10.井底青蛙--------目光短浅

11.大海捞针--------没处寻12.竹篮打水--------一场空

13.打开天窗--------说亮话14.船到桥头--------自会直

15.飞蛾扑火-----自取灭亡16.百米赛跑--------分秒必争

17.拔苗助长-----急于求成18.仇人相见--------分外眼红

19.芝麻开花----节节高20.新官上任--------三把火

21.瞎子点灯--------白费蜡22.兔子尾巴--------长不了

23.偷鸡不成----蚀把米24.王婆卖瓜--------自卖自夸

25.老虎屁股----摸不得26.老虎拉车--------谁敢

27.老鼠过街-----人人喊打28.麻雀虽小--------五脏俱全

29.墙上茅草----随风两边倒30.三十六计--------走为上计

31.塞翁失马----焉知祸福32.壶中无酒--------难留客

33.丈二和尚----摸不着头脑34.有借有还--------再借不难

35.猫哭耗子---假慈悲36.铰子破皮--------露了馅

37.扁担挑水---一心挂了两头38.对牛弹琴--------白费劲

39.八仙聚会--------神聊40.霸王敬酒--------不干也得干

41.板上订钉--------跑不了42.背鼓上门--------讨打

43.草把做灯-----粗心（芯）44.竹笋出土--------节节高

45.菜刀切豆腐----两面光46.钉头碰钉子--------硬碰硬

47.高山上敲鼓--四面闻名（鸣）48.铁打的公鸡-----一毛不拔

49.关公走麦城----骄必败50.狗咬吕洞宾--------不识好人心

51.鸡蛋碰石头----不自量力52.姜太公钓鱼--------愿者上钩

53.脚踏西瓜皮--滑到哪里是哪里54.孔夫子搬家--------净是书

55.老鼠钻风箱-----两头受气56.留得青山在--------不怕没柴烧

57.门缝里看人---把人看扁了58.泥菩萨过河--------自身难保

59.泼出去的水----收不回60.骑驴看唱本--------走着瞧

61.千里送鹅毛--礼轻情意重62.肉包子打狗--------有去无回

63.山中无老虎---猴子称大王64.司马昭之心--------路人皆知

65.外甥打灯笼---照旧（舅）66.王八吃年糕--------铁了心

67.王小二过年---一年不如一年68.小葱拌豆腐-----一清二白

69.小和尚念经----有口无心70.周瑜打黄盖--------两厢情愿

71.赶鸭子上架----吃力不讨好72.擀面杖吹火------一窍不通

73.瞎子戴眼镜----装饰74.猴子捞月亮--------空忙一场

75.秀才遇到兵----有理讲不清76.三个臭皮匠--------顶个诸葛亮

77.黄牛追兔子---有劲使不上78.和尚训道士--------管得宽

79.过年娶媳妇----双喜临门80.聋子见哑巴--------不闻不问

六字短语

81.铜钣上钉铆钉---一是一，二是二82.里弄里扛竹竿---直来直去

83.苦水里泡黄连----苦上加苦84.驴唇不对马嘴----答非所问

85.猪鼻子里插葱-----装象86.只许州官放火---不许百姓点灯

87.猪八戒照镜子--里外不是人88.放风筝断了线-----没指望了

89.池塘里的风波-----大不了90.关门掩着耗子-----急（挤）死

91.顶风顶水划船----硬撑92.东北的二人转--------一唱一和

93.东洋人戴高帽----假充大个94.到火神庙求雨--------找错了门

95.鲁班门前耍斧----有眼无珠96.老太太吃汤圆--------囫囵吞

97.出太阳下暴雨---假情（晴）98.挂羊头卖狗肉--------虚情假意

99.担着胡子过河----谦虚过度100.唱歌不看曲本--------离谱