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1、四章节机械制造基础 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第四章 机械制造基础任任何何机机械械或或器器件件都都是是由由零零件件构构成成的的，而而零零件件又又是是由由各各类材料经过加工制成的。类材料经过加工制成的。通通过过对对大大量量机机械械零零件件失失效效的的机机理理分分析析发发现现，材材料料选选择择合合适适与与否否与与零零件件加加工工过过程程的的好好坏坏是是影影响响机机械械零零件件寿寿命命和和使使用可靠性的最重要的两个因素。用可靠性的最重要的两个因素。材
2、料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。工工艺艺性性能能是是指指制制造造工工艺艺过过程程中中材材料料适适应应加加工工的的性性能能，通通常常指指其其铸铸造造性性能能、锻锻压压性性能能、焊焊接接性性能能、切切削削加加工工性性能能和和热处理性能等；热处理性能等；使使用用性性能能是是指指金金属属材材料料在在使使用用条条件件下下所所表表现现出出来来的的性性能能，它包括力学性能、物理和化学性能。它包括力学性能、物理和化学性能。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料 材材料料是是用用来来制制造造器器件件、构构件件和和其其它它使使用用物物质质的的总总称称，是是人人类类
3、生产和生活必需的物质基础，是科学技术进步的基础。生产和生活必需的物质基础，是科学技术进步的基础。材材料料技技术术的的不不断断发发展展，为为整整个个科科学学技技术术的的进进步步提提供供了了坚坚实实的的基基础础，而而科科学学技技术术整整体体的的进进展展，对对材材料料的的品品种种和和性性能能提提出出了了更更高高的要求，从而又刺激了材料技术的高速发展。的要求，从而又刺激了材料技术的高速发展。历历史史学学家家曾曾把把材材料料及及其其器器具具作作为为划划分分时时代代的的主主要要标标志志：石石器器时代、青铜器时代、铁器时代等时代、青铜器时代、铁器时代等 第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料 材材料料是
4、是用用来来制制造造器器件件、构构件件和和其其它它使使用用物物质质的的总总称称，是是人人类类生产和生活必需的物质基础，是科学技术进步的基础。生产和生活必需的物质基础，是科学技术进步的基础。材材料料技技术术的的不不断断发发展展，为为整整个个科科学学技技术术的的进进步步提提供供了了坚坚实实的的基基础础，而而科科学学技技术术整整体体的的进进展展，对对材材料料的的品品种种和和性性能能提提出出了了更更高高的要求，从而又刺激了材料技术的高速发展。的要求，从而又刺激了材料技术的高速发展。历历史史学学家家曾曾把把材材料料及及其其器器具具作作为为划划分分时时代代的的主主要要标标志志：石石器器时代、青铜器时代、铁器
5、时代等时代、青铜器时代、铁器时代等 第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料我们常常使用我们常常使用“工程材料工程材料”这个词。这个词。工程材料在较广的定义上与工程材料在较广的定义上与“材料材料”相差无几，但它还有一个比较专相差无几，但它还有一个比较专门的定义，指那些具有专门设计的结构、专门的性能、专门用于某一领门的定义，指那些具有专门设计的结构、专门的性能、专门用于某一领域的材料。域的材料。从事材料，尤其是工程材料的开发、研究工作的学科领域称为材料科学与工程。材料科学着重于发现材料的本质材料科学着重于发现材料的本质，并由此对结构与组成、性质、使用性能之间的关系作出描述与解释；而材料工程则是
6、应用材料工程则是应用材料科学的知识，对材料进行开发、制造、修饰并实现其具体应用。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料为为开开发发新新的的工工程程材材料料，材材料料学学家家们们先先是是设设计计出出新新的的材材料料结结构构，再再开开发发出出新新的的制制造造方方法法，使使材材料料的的种种类类呈呈几几何何级数增长。级数增长。图4-1 材料成熟曲线第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料飞机结构材料的发展飞机结构材料的发展 世界上第一架金属飞机是德国 Hans Reissner公司于1912年设计制造并试飞成功的，它的机翼材料是纯铝。到30年代初期，出现了合金铝的机身和机翼，如波音757的材料就
7、是80%的合金铝，12%钢铁，3%的复合材料。以铝为主的材料结构延续了很长时间，到超音速时代就不得不改变了。因为铝的强度只能维持到195。目前的超音速客机协和式和SR71式侦察机的机身都采用了钛合金。麦道公司于70年代设计的Harrier式飞机，率先将铝合金全部换成了碳纤维与环氧树脂的复合材料。Voyager式飞机由于大量采用复合材料，一次加油就能够绕地球一周。目前已经出现了除发动机外全部用复合材料制造的的飞机。图4-2波音757飞机第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料 所谓新新材材料料或或者者新新型型材材料料，是指那些新近发展或正在发展中的、具有优异性能和特殊功能，对加速科学技术进步、
8、促进国民经济的发展、增强国防实力具有重大推动作用的材料。新型材料是相对于传统材料而言的，两者之间并没有截然的分界，新型材料的发展往往以传统材料为基础，传统材料的进一步发展也可成为新型材料。各国都将新材料研究开发工作置于特殊地位，竞相制订发展规划，采取各种措施，力争抢占新材料技术的“制高点”，以推动本国在各个高技术领域持续稳定发展。图4-3法拉利跑车图4-4 太阳能发电站(澳大利亚)第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.1金属材料金属材料 在所有的材料里，金属王国地盘最大，历史最久。在人类已经发现的107种元素中，和“金”字“沾边”的竟多达84种。金属材料分为黑色金属材料和有色金属材
9、料黑色金属材料和有色金属材料两大类。金属材料技术也就分为黑色冶金、有色冶金以及相关的加工成型技术。图4-5各类金属制品第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.1金属材料金属材料1黑色金属材料黑色金属材料 各种钢铁材料都属于黑色金属材料，它包括单独冶炼的铁金属，也包括铁、铬、锰等金属和碳、硅、硫、磷等非金属元素混合冶炼所得的材料。现在狭义上的黑色金属仅指铁及其合金。狭义上的黑色金属仅指铁及其合金。铁在地壳中的含量为4.75%，在地壳中的含量仅次于铝，它是当前应用最广，用量最大的金属。根据其铁碳合金中含碳量不同，分为碳钢和铸铁。含碳量小于2.11的称为碳钢，含碳量大于2.11的称为铸铁。
10、第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.1金属材料金属材料1.黑色金属材料黑色金属材料 以钢铁为代表的黑色金属材料是100多年来的基本结构材料，近代工业基本上是在钢铁材料的基础上发展起来的。钢铁产量钢铁产量往往成为衡量一个国家工业水平和生产力的尺度。世界钢的年产量增长很快，1700年10万吨；1800年为80万吨；1900年增至4190万吨；1980年世界钢产量已达7.4亿吨以上；2000年为16-17亿吨。2006年仅中国钢产量就超过了4.6亿吨。目前，在整个结构材料中，钢材应用的比例大约占66%，仍占主导地位。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.1金属材料金属材料2
11、.有色金属材料有色金属材料有色金属是指除了钢铁等黑色金属以外的其它金属。有色金属是指除了钢铁等黑色金属以外的其它金属。常用的有铝、铜、钛、镍、钴、钨、钼、锡、铅、锌、金、常用的有铝、铜、钛、镍、钴、钨、钼、锡、铅、锌、金、银、铂等。银、铂等。它们的耗用量虽比钢铁少得多，据统计，世界钢产量它们的耗用量虽比钢铁少得多，据统计，世界钢产量和有色金属产量之比约为和有色金属产量之比约为100：5，但却是现代工业所不，但却是现代工业所不可缺少的。它们有许多特殊的优良性能，如导电、导热性可缺少的。它们有许多特殊的优良性能，如导电、导热性能好，比重小、化学性质稳定，耐热、耐腐蚀，工艺性好能好，比重小、化学性质
12、稳定，耐热、耐腐蚀，工艺性好等，等，因此，有色金属被广泛用于电气、机械、化工、电子、因此，有色金属被广泛用于电气、机械、化工、电子、轻工、仪器仪表和航空、航天技术领域。轻工、仪器仪表和航空、航天技术领域。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.1金属材料金属材料2.有色金属材料有色金属材料 在常规武器制造方面，铜、铅及其合金用于制造子弹及炮弹镁用于制在常规武器制造方面，铜、铅及其合金用于制造子弹及炮弹镁用于制造照明弹和燃烧弹；铝、镁及其合金用于制造飞机，战车和坦克。含镍合金造照明弹和燃烧弹；铝、镁及其合金用于制造飞机，战车和坦克。含镍合金钢用于制造各种武器的结构件等。钢用于制造各种武
13、器的结构件等。在火箭、导弹、航天飞机的制造方面，主要以铝，其次是镁、钛及其合在火箭、导弹、航天飞机的制造方面，主要以铝，其次是镁、钛及其合金作为结构材料；铍用于大型运输机的圆盘制动器，可使重量减轻金作为结构材料；铍用于大型运输机的圆盘制动器，可使重量减轻26，稀，稀有高熔点金属是火箭发动机的关键材料。如美国有高熔点金属是火箭发动机的关键材料。如美国“大力神大力神”洲际导弹的燃烧洲际导弹的燃烧室就是用室就是用Ti6Al4V合金制造的，一艘载一个人的宇宙飞船，总重力合金制造的，一艘载一个人的宇宙飞船，总重力4.5t，而高，而高熔点金属就有熔点金属就有1.13t。在原子反应堆、核潜艇等方面，除放射性
14、金属是原料外，锂在原子反应堆、核潜艇等方面，除放射性金属是原料外，锂-6可用于制可用于制造氢弹，美国造氢弹，美国1970年有年有70以上的锂用于生产氢弹。锆可作为核反应堆的包以上的锂用于生产氢弹。锆可作为核反应堆的包套材料，铪可作为核反应堆的控制棒。套材料，铪可作为核反应堆的控制棒。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.1金属材料金属材料2.有色金属材料有色金属材料在在有有色色金金属属中中用用途途最最广广泛泛的的是是铝铝。铝铝制制品品几几乎乎深深入入到到我我们们生生活活的的各各个个角角落落。家家家家户户户户使使用用的的烹烹饪饪器器皿皿，厨厨房房用用具具大大都都是是铝铝制制品品，铝铝
15、还还可可以以制制造造各各种种家家具具、电器用品、船舶、建筑材料、电缆、管道、机械、储油罐等。电器用品、船舶、建筑材料、电缆、管道、机械、储油罐等。铝铝在在地地壳壳中中的的含含量量差差不不多多比比铁铁多多一一倍倍，约约占占地地壳壳总总重重量量的的7.5%，在在金金属属中中占占首首位位。只只要要加加入入铜铜、镁镁，即即可可炼炼成成坚坚韧韧的的铝铝合合金金，强强度度高高、重重量量轻轻、用用途途广广、导导电电性性能能良良好好，外外表表氧氧化化铝铝层层保保护护膜膜还还可可抗抗腐腐蚀蚀，现现已已成成为为第第二二位位广广泛泛应用的金属。应用的金属。铝铝的的得得来来却却不不容容易易，直直至至1854年年法法国
16、国化化学学家家德德维维尔尔才才成成功功地地利利用用金金属属钠钠把把氧氧化化铝铝还还原原为为金金属属铝铝，当当时时金金属属钠钠的的售售价价相相当当惊惊人人，比比黄黄金金还还要要昂昂贵贵。1884年，美国的霍尔第一次用电解法得到铝，这才使铝得到广泛运用。年，美国的霍尔第一次用电解法得到铝，这才使铝得到广泛运用。世世界界铝铝产产量量1905年年才才1万万吨吨，1943年年年年即即达达到到200万万吨吨，1973年年已已达达1093万吨，万吨，2006年约为年约为3200万吨。万吨。2006年中国的铝产量约年中国的铝产量约935万吨。万吨。图4-6 各类铝制品 第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材
17、料4.1.1金属材料金属材料2.有色金属材料有色金属材料铜铜及及其其合合金金也也是是被被广广泛泛使使用用的的有有色色金金属属。铜铜是是人人类类最最早早知知道道并并用用于于生生产产的的第第一一种种金金属属。铜铜在在自自然然界界储储量量非非常常丰丰富富，在在地地壳壳中中的的含含量量约约为为0.01%，并并且且加工方便。加工方便。最最初初人人们们使使用用的的只只是是存存在在于于自自然然界界中中的的天天然然单单质质铜铜，用用石石斧斧把把它它砍砍下下来来，便可以锤打成多种器物。便可以锤打成多种器物。含含铜铜的的矿矿物物比比较较多多见见，可可以以煅煅烧烧后后用用碳碳还还原原。目目前前高高纯纯铜铜多多采采用
18、用电电解解法法生生产，故常称为电解铜，纯度可达产，故常称为电解铜，纯度可达99.99。纯纯铜铜因因其其强强度度低低使使其其工工业业应应用用受受到到限限制制，实实际际使使用用广广泛泛的的是是铜铜合合金金。迄迄今今为为止止，世世界界上上已已开开发发并并定定型型生生产产的的铜铜合合金金有有余余种种。最最常常见见的的是是黄黄铜铜、青铜和白铜。青铜和白铜。图4-7 纯铜制作的管子第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.1金属材料金属材料2.有色金属材料有色金属材料纯纯净净的的铜铜是是紫紫红红色色的的金金属属，俗俗称称“紫紫铜铜”、“红红铜铜”或或“赤赤铜铜”。纯纯铜铜富富有有延延展展性性。象象
19、一一滴滴水水那那么么大大小小的的纯纯铜铜，可可拉拉成成长长达达两两公公里里的的细细丝丝，或或压压延延成成比比床床还还大大的的几几乎乎透透明明的的箔箔。纯纯铜铜的的导导电电性性和和导导热热性性很很高高，仅仅次次于于银银，但但比比银银要要便便宜宜得得多多。因因此此成成了了电电气气工工业业的的“主主角角”。纯纯铜铜的的用用途途比比纯纯铁铁广广泛泛得得多多，每年有每年有50的铜被电解提纯为纯铜，用于电气工业。的铜被电解提纯为纯铜，用于电气工业。黄黄铜铜是是铜铜与与锌锌的的合合金金，因因色色黄黄而而得得名名。黄黄铜铜的的机机械械性性能能和和耐耐磨磨性性能能都都很很好好，可用于制造精密仪器、船舶的零件、枪
20、炮的弹壳等。可用于制造精密仪器、船舶的零件、枪炮的弹壳等。青青铜铜是是铜铜与与锡锡的的合合金金，因因色色青青而而得得名名。青青铜铜一一般般具具有有较较好好的的耐耐腐腐蚀蚀性性、耐耐磨磨性性、铸铸造造性性和和优优良良的的机机械械性性能能。用用于于制制造造精精密密轴轴承承、高高压压轴轴承承、船船舶舶上上抗抗海海水水腐腐蚀蚀的的机机械械零零件件以以及及各各种种板板材材、管管材材、棒棒材材等等。青青铜铜还还有有一一个个反反常常的的特特性性“热缩冷胀热缩冷胀”，用来铸造塑像，冷却后膨胀，可以使眉目更清楚。，用来铸造塑像，冷却后膨胀，可以使眉目更清楚。白白铜铜是是铜铜与与镍镍的的合合金金，其其色色泽泽和和
21、银银一一样样，银银光光闪闪闪闪，不不易易生生锈锈。常常用用于于制制造电器、仪表和装饰品。造电器、仪表和装饰品。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.2无机非金属材料无机非金属材料人类在远古时代就开始使用无机非金属材料人类在远古时代就开始使用无机非金属材料陶陶瓷。玻璃的使用也在数千年前。随着近代工业和科学技瓷。玻璃的使用也在数千年前。随着近代工业和科学技术的进步，无机非金属材料更有新的发展。术的进步，无机非金属材料更有新的发展。所谓无机非金属材料主要指含有所谓无机非金属材料主要指含有SiO2的材料，故又的材料，故又称硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等。称硅酸盐材料，包括陶瓷
22、、玻璃、水泥、耐火材料等。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.2无机非金属材料无机非金属材料1.陶瓷陶瓷陶瓷是比金属还要古老的材料，是人类最早利用自然界所提供的原料陶瓷是比金属还要古老的材料，是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。旧石器时代的先民们只会把采集的天然石料加工成器皿制造而成的材料。旧石器时代的先民们只会把采集的天然石料加工成器皿和工件。经历了很长的发展和演变过程，以黏土、石英、长石等矿物原料和工件。经历了很长的发展和演变过程，以黏土、石英、长石等矿物原料配制而成的瓷器才登上了历史的舞台。配制而成的瓷器才登上了历史的舞台。从陶器发展到瓷器，是陶瓷发展史上的重大
23、飞跃。由于低熔点的长石从陶器发展到瓷器，是陶瓷发展史上的重大飞跃。由于低熔点的长石和黏土等成分配合，在焙烧过程中形成了流动性很好的液相。冷却后成为和黏土等成分配合，在焙烧过程中形成了流动性很好的液相。冷却后成为玻璃态，形成釉，使瓷器更加坚硬、致密和不透水。玻璃态，形成釉，使瓷器更加坚硬、致密和不透水。从传统陶瓷发展到先进陶瓷，是陶瓷发展史上的第二次重大飞跃，这从传统陶瓷发展到先进陶瓷，是陶瓷发展史上的第二次重大飞跃，这一过程始于一过程始于20世纪世纪40-50年代，目前仍在不断发展。年代，目前仍在不断发展。陶瓷除了具有耐高温、抗腐蚀、不生锈等优点外，还具有美丽的釉色，陶瓷除了具有耐高温、抗腐蚀
24、、不生锈等优点外，还具有美丽的釉色，中国的景德镇和唐三彩陶器都曾誉满天下。中国的景德镇和唐三彩陶器都曾誉满天下。图4-8 氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.2无机非金属材料无机非金属材料1.陶瓷陶瓷现现代代技技术术又又创创造造出出了了一一批批新新型型陶陶瓷瓷，按按其其使使用用性性能能来来看看，新新型型陶陶瓷瓷大大致致分分为为先先进进结结构构陶陶瓷瓷和和先先进进功功能能陶陶瓷瓷两两大类。大类。前前者者是是发发挥挥陶陶瓷瓷材材料料的的优优点点，并并力力图图攻攻克克陶陶瓷瓷的的致致命命弱点弱点脆性问题。脆性问题。后后者者主主要要利利用用材材料料的的
25、电电磁磁、光光、热热、弹弹性性等等方方面面直直接接的或耦合的效应来实现某种使用功能。的或耦合的效应来实现某种使用功能。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.2无机非金属材料无机非金属材料2.玻璃玻璃玻璃与陶瓷并无不可逾越的界限，陶瓷可以同玻璃玻璃与陶瓷并无不可逾越的界限，陶瓷可以同玻璃一样透明，玻璃是一种特殊的陶瓷材料。它既有耐酸耐一样透明，玻璃是一种特殊的陶瓷材料。它既有耐酸耐腐蚀的化学稳定性，又有仅次于金刚石的硬度，还有很腐蚀的化学稳定性，又有仅次于金刚石的硬度，还有很好的透光性，它内部的分子结构像液体一样杂乱无章，好的透光性，它内部的分子结构像液体一样杂乱无章，是一种具有类似
26、液体性质的固体材料。是一种具有类似液体性质的固体材料。普通玻璃是用石英石（普通玻璃是用石英石（SiO2）作主体，加入助熔剂）作主体，加入助熔剂纯碱和起稳定作用的石灰石，在纯碱和起稳定作用的石灰石，在1500左右的温度下烧左右的温度下烧制而成的。在烧制过程中，原料被熔化成液体后，再在制而成的。在烧制过程中，原料被熔化成液体后，再在比较短的时间内快速冷却，这样内部的分子还没有来得比较短的时间内快速冷却，这样内部的分子还没有来得及结晶就在液体状态下凝固了，成为透明的玻璃。及结晶就在液体状态下凝固了，成为透明的玻璃。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.2无机非金属材料无机非金属材料2.玻
27、璃玻璃现代技术更发展了具有特殊色散的光学玻璃，在原子能工业中现代技术更发展了具有特殊色散的光学玻璃，在原子能工业中作为观察窗，可以吸收电子流或射线等。作为观察窗，可以吸收电子流或射线等。还出现一些新型微晶玻璃可用于机械零件、化工用品、结构材还出现一些新型微晶玻璃可用于机械零件、化工用品、结构材料、烹饪餐具，玻璃碳用于自转式热交换器、车辆的涡轮发动机。料、烹饪餐具，玻璃碳用于自转式热交换器、车辆的涡轮发动机。此外，还有导电玻璃，半导体玻璃，磁性玻璃等，都有特殊性此外，还有导电玻璃，半导体玻璃，磁性玻璃等，都有特殊性能和很高的应用价值。能和很高的应用价值。玻璃纤维更常被用作复合材料的增强材料，尤其
28、是光导纤维的玻璃纤维更常被用作复合材料的增强材料，尤其是光导纤维的出现，意义更非寻常。出现，意义更非寻常。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.2无机非金属材料无机非金属材料3.水泥水泥水泥是一种水硬性材料，石灰石等建筑材料遇水就会松懈，而水泥着水泥是一种水硬性材料，石灰石等建筑材料遇水就会松懈，而水泥着水后能逐渐硬结。水后能逐渐硬结。水泥和沙子，碎石掺在一起加水搅拌，就是混凝土。混凝土具有很好水泥和沙子，碎石掺在一起加水搅拌，就是混凝土。混凝土具有很好的抗压性能，但是抗拉的能力很差。由于水泥可以和钢筋很好的黏结，被的抗压性能，但是抗拉的能力很差。由于水泥可以和钢筋很好的黏结，被水
29、泥包住的钢筋可以避免生锈，因此可用钢筋弥补混凝土在抗拉方面的不水泥包住的钢筋可以避免生锈，因此可用钢筋弥补混凝土在抗拉方面的不足。自从钢筋混凝土问世，建筑业的面貌就大为改观。足。自从钢筋混凝土问世，建筑业的面貌就大为改观。普通的水泥是硅酸盐水泥，是用黏土和石灰石做原料制成的，这种水普通的水泥是硅酸盐水泥，是用黏土和石灰石做原料制成的，这种水泥的耐磨、耐高温等性能还不能令人十分满意。如果在普通水泥里掺入泥的耐磨、耐高温等性能还不能令人十分满意。如果在普通水泥里掺入20-85%高炉矿渣，就成为耐高温的矿硅酸盐水泥。在普通水泥里掺加混合材高炉矿渣，就成为耐高温的矿硅酸盐水泥。在普通水泥里掺加混合材料
30、，如砂石、矿渣等，不仅可以在某些方面提高水泥的性能或经济效益，料，如砂石、矿渣等，不仅可以在某些方面提高水泥的性能或经济效益，而且便于综合利用，变废为宝。而且便于综合利用，变废为宝。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.2无机非金属材料无机非金属材料4.耐火材料耐火材料耐火材料指能耐耐火材料指能耐1580以上高温的材料，它在工业建筑中以上高温的材料，它在工业建筑中处于很重要的地位。钢铁工业和有色金属工业的冶炼炉、蒸汽处于很重要的地位。钢铁工业和有色金属工业的冶炼炉、蒸汽机、发电厂和铁路机车的锅炉、炼焦工业的炼焦炉以及制造水机、发电厂和铁路机车的锅炉、炼焦工业的炼焦炉以及制造水泥、玻
31、璃、陶瓷、砖瓦的窑炉，都少不了耐火材料。泥、玻璃、陶瓷、砖瓦的窑炉，都少不了耐火材料。它的主要成分是氧化铝和氧化硅，可耐它的主要成分是氧化铝和氧化硅，可耐1700高温，广高温，广泛用作锅炉的内衬砖。其它还有可耐泛用作锅炉的内衬砖。其它还有可耐1800-2000的高温高铝的高温高铝氧砖、耐碱性强的镁砖等，能满足对耐火材料的不同需要。氧砖、耐碱性强的镁砖等，能满足对耐火材料的不同需要。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.3有机高分子材料有机高分子材料高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物，高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合
32、物，它的分子量可高达数百万。这种高分子化合物一般具有长链结构。它的分子量可高达数百万。这种高分子化合物一般具有长链结构。人们日常食用的大米，白面和穿用的毛、皮、丝、棉、麻等，都是天然的高分人们日常食用的大米，白面和穿用的毛、皮、丝、棉、麻等，都是天然的高分子材料。子材料。人工合成有机高分子材料是材料科学技术的一个重大突破。从人工合成有机高分子材料是材料科学技术的一个重大突破。从1930年高分子年高分子科学概念建立至今虽然不到一个世纪，但由于高分子材料具有许多优良性能，适合科学概念建立至今虽然不到一个世纪，但由于高分子材料具有许多优良性能，适合工业和人民生活各方面的需要，而且它的原料丰富，适合现
33、代化生产，且不受地域、工业和人民生活各方面的需要，而且它的原料丰富，适合现代化生产，且不受地域、气候的限制，因而高分子材料工业取得了突飞猛进的发展。气候的限制，因而高分子材料工业取得了突飞猛进的发展。1970年高分子材料约年高分子材料约4000万吨，万吨，1980年约年约8000万吨，万吨，1990年已超过年已超过1.4亿吨。亿吨。如今高分子材料已经不再是金属、木、棉、麻、天然橡胶等传统材料的代用品，而如今高分子材料已经不再是金属、木、棉、麻、天然橡胶等传统材料的代用品，而是国民经济和国防建设中的基础材料之一。是国民经济和国防建设中的基础材料之一。高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和
34、涂料等，其中塑料、合成高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等，其中塑料、合成纤维和合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料。纤维和合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料。图4-9 聚丙烯制作的各类产品第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.3有机高分子材料有机高分子材料高高分分子子材材料料的的迅迅速速发发展展和和广广泛泛应应用用，其其重重要要原原因因在在于于高高分分子子材材料料的的生生产产有有很很多多优点：优点：第第一一，它它的的原原料料极极其其丰丰富富多多样样，资资源源广广、价价格格低低。可可以以从从煤煤、天天然然气气、农农副副产产品品等等原原料料中中制制造造，而而自自从从
35、石石油油化化工工发发展展以以来来，高高分分子子材材料料更更有有了了大大量量廉廉价价的的原原料料石油。石油。第第二二，从从原原料料制制造造成成高高分分子子材材料料，只只需需要要经经过过单单体体合合成成、精精制制与与聚聚合合两两三三道道工工序，简单方便、效率高。序，简单方便、效率高。第第三三，把把高高分分子子材材料料加加工工为为成成品品，又又远远比比金金属属方方便便，比比如如制制造造齿齿轮轮，只只要要把把塑塑料料粉粉装装在在模模子子里里加加热热，一一压压就就制制成成了了，并并且且尺尺寸寸准准确确，表表面面光光洁洁，省省工工省省料料。如如用用金属来制造，就要经过浇铸，切削等多道工序。金属来制造，就要
36、经过浇铸，切削等多道工序。第第四四，生生产产高高分分子子材材料料能能耗耗低低。以以单单位位体体积积计计，如如制制造造塑塑料料（聚聚苯苯乙乙烯烯等等）耗耗能能为为100，则则水水泥泥为为108，玻玻璃璃为为201，钢钢为为1061，铝铝为为1961。高高分分子子材材料料的的这这些些特特性使它能迅速地应用于工业、农业、国防、新技术及日常生活的各个方面。性使它能迅速地应用于工业、农业、国防、新技术及日常生活的各个方面。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.4新型复合材料新型复合材料金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料都有各自的特点，能满足人们多金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料
37、都有各自的特点，能满足人们多方面的需要。但在很多条件下这类材料难以单独满足某些特殊的需要。比如说，空方面的需要。但在很多条件下这类材料难以单独满足某些特殊的需要。比如说，空间技术需要耐高温、防辐射、质轻而强度大的材料；造船工业需要耐腐蚀、强度大间技术需要耐高温、防辐射、质轻而强度大的材料；造船工业需要耐腐蚀、强度大的船体结构材料等。然而，在目前的技术条件下，很难克服三大类材料本身的弱点的船体结构材料等。然而，在目前的技术条件下，很难克服三大类材料本身的弱点如金属材料大多不耐腐蚀，无机非金属材料性脆，有机高分子材料不耐高温。如金属材料大多不耐腐蚀，无机非金属材料性脆，有机高分子材料不耐高温。唯一
38、行之有效的办法，就是把两种或多种材料复合起来，制出具有某一种或两唯一行之有效的办法，就是把两种或多种材料复合起来，制出具有某一种或两种以上优异性能的材料来满足需要。复合材料就是在这种需要下研制出来的。种以上优异性能的材料来满足需要。复合材料就是在这种需要下研制出来的。复合材料可根据基体分为聚合物基、陶瓷基、金属基等几类。也可根据复合的复合材料可根据基体分为聚合物基、陶瓷基、金属基等几类。也可根据复合的结构分为层合型、纤维型与颗粒型三类。结构分为层合型、纤维型与颗粒型三类。图4-10 (a)层合复合材料；(b)纤维复合材料；(c)颗粒复合材料第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.4新
39、型复合材料新型复合材料实实际际上上，在在自自然然界界就就存存在在着着许许多多天天然然的的复复合合物物。例例如如天天然然的的许许多多植植物物竹竹子子、树树木木等等就就是是自自生生长长长长纤纤维维增增强强复复合合材材料料；人人类类肌肌肉肉/骨骨骼骼结结构构也也是是复复合合材材料料结结构构原原理理。我们的祖先也早就创造和使用了复合材料。我们的祖先也早就创造和使用了复合材料。6000年年前前人人类类就就已已经经会会用用稻稻草草加加粘粘土土作作为为建建筑筑材材料料砌砌建建房房屋屋墙墙壁壁。在在现现代代，复复合合材材料料的的应应用用更更比比目目皆皆是是，如如由由沙沙石石、钢钢筋筋和和水水泥泥构构成成的的水
40、水泥泥复复合合材材料料已已广广泛泛地地应应用用于于高高楼楼大大厦厦和和河河堤堤大大坝坝等等的的建建筑筑，发发挥挥着着极极为为重重要要的的作作用用；玻玻璃璃纤纤维维增增强强塑塑料料（玻玻璃钢）更是一种广泛应用的较现代化复合材料。璃钢）更是一种广泛应用的较现代化复合材料。第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.4新型复合材料新型复合材料现代高科技的发展更是离不开复合材料。现代高科技的发展更是离不开复合材料。例例如如就就航航天天、航航空空飞飞行行器器减减轻轻结结构构重重量量这这点点而而言言，喷喷气气发发动动机机结结构构重重量量减减1kg，飞飞机机结结构构可可减减重重4kg，升升限限可可提提
41、高高10m；一一枚枚小小型型洲洲际际导导弹弹第第三三级级结结构构重重量量减减轻轻1kg，整整个个运运载载火火箭箭的的起起飞飞重重量量就就可可减减轻轻50kg，地地面面设设备备的的结结构构重重量量就就可可减减轻轻100kg，在在有有效效载载荷荷不不变变的的条条件件下下，可可增增加加射射程程1520km；而而航航天天飞飞机机的的重重量量每每减减轻轻1kg，其其发发射射成成本本费费用用就就可可以以减减少少15000美元。美元。因因此此，现现代代航航空空、航航天天领领域域对对飞飞行行器器结结构构的的减减重重要要求求已已经经不不是是“斤斤斤斤计计较较”，而而是是“克克克克计计较较”。现现已已公公认认，新
42、新型型复复合合材材料料的的研研制制是是当当代代科科技技发发展展的的重重大大关关键键技技术术之之一一，对对重重大大科科技技项项目目的的成成败败往往往往具具有有举举足足轻轻重重的的意意义义。近近年年来来，发发展展比比较较快快的的新新型型复复合合材材料料有有玻玻璃璃钢钢、碳碳纤纤维维复复合合材材料料、陶陶瓷瓷复复合材料等。合材料等。21世纪将是复合材料的新时代。世纪将是复合材料的新时代。图4-11 美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料图4-12 硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.4新型复合材料新型复合材料1.玻璃钢
43、玻璃钢玻璃钢是一种玻璃纤维增强塑料，它的强度可以与钢相媲美，是目前产量高、玻璃钢是一种玻璃纤维增强塑料，它的强度可以与钢相媲美，是目前产量高、用途广的一种复合材料。用途广的一种复合材料。玻璃钢的生产近十多年来发展很快，它的用途日益广泛，涉及国防、航空、宇玻璃钢的生产近十多年来发展很快，它的用途日益广泛，涉及国防、航空、宇航、机械、化工、造船、建筑、交通运输和人民生活各个方面。航、机械、化工、造船、建筑、交通运输和人民生活各个方面。由于玻璃钢具有瞬时耐高温性能，它被用作人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐由于玻璃钢具有瞬时耐高温性能，它被用作人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。玻璃钢不反射无线电波
44、，微波透过性好，因而是制造雷达罩的理想材料。烧蚀层）。玻璃钢不反射无线电波，微波透过性好，因而是制造雷达罩的理想材料。用玻璃钢做电机、电器及仪表的绝缘零部件，不仅能提高电气设备的可靠性，而且用玻璃钢做电机、电器及仪表的绝缘零部件，不仅能提高电气设备的可靠性，而且在高频电作用下仍能保持良好的介电性能因为它耐腐蚀，所以用它来制造各种管道、在高频电作用下仍能保持良好的介电性能因为它耐腐蚀，所以用它来制造各种管道、泵、阀门、容器、贮罐、农机配件和船艇等。玻璃纤维增强的水泥板，强度超过钢泵、阀门、容器、贮罐、农机配件和船艇等。玻璃纤维增强的水泥板，强度超过钢筋水泥板，且重量极轻，同时耐久性和抗冲性能都有
45、增强，成为一种很受欢迎的先筋水泥板，且重量极轻，同时耐久性和抗冲性能都有增强，成为一种很受欢迎的先进建筑材料。进建筑材料。图 4-13 玻璃钢制品：桌椅(左)，快艇(右)第四章 机械制造基础4.1工程材料工程材料4.1.4新型复合材料新型复合材料2.碳纤维复合材料碳纤维复合材料碳纤维并不是用碳为原料来制造的，它是用聚丙烯腈（人造羊毛）等纤维，在碳纤维并不是用碳为原料来制造的，它是用聚丙烯腈（人造羊毛）等纤维，在隔绝氧气下经高温处理制得的。因为它的基本组成元素是碳，所以称为碳纤维。隔绝氧气下经高温处理制得的。因为它的基本组成元素是碳，所以称为碳纤维。碳纤维的强度不仅比玻璃纤维高碳纤维的强度不仅比
46、玻璃纤维高6倍，比铜大倍，比铜大4倍，而且重量只有钢的倍，而且重量只有钢的1/4，比，比铝还要轻。一根手指粗的碳纤维绳可以吊起重几十吨的火车头。碳纤维的最大特点铝还要轻。一根手指粗的碳纤维绳可以吊起重几十吨的火车头。碳纤维的最大特点是刚性好，它抵抗变形的能力要比钢大两倍多。因此，用碳纤维制成的复合材料，是刚性好，它抵抗变形的能力要比钢大两倍多。因此，用碳纤维制成的复合材料，性能要比玻璃钢要好。用碳纤维作增强材料是复合材料发展的新方向。性能要比玻璃钢要好。用碳纤维作增强材料是复合材料发展的新方向。碳纤维增强塑料已开始在化工、机电、造船，特别是航空工业中得到广泛应用。碳纤维增强塑料已开始在化工、机
47、电、造船，特别是航空工业中得到广泛应用。例如用碳纤维和高温陶瓷复合材料制成的燃气轮机叶片，可超过金属叶片的高温极例如用碳纤维和高温陶瓷复合材料制成的燃气轮机叶片，可超过金属叶片的高温极限，承受限，承受1400高温，且重量轻、耐冲击，可使热机效率由目前的高温，且重量轻、耐冲击，可使热机效率由目前的25-30，提高，提高到到50。第四章 机械制造基础4.2金属材料的成型加工金属材料的成型加工所所谓谓的的成成型型加加工工就就是是指指把把原原材材料料经经各各种种不不同同方方法法加加工工成成所所需需形形状状从从而而满满足足实实际际的的需要。需要。成成型型加加工工主主要要是是改改变变被被加加工工材材料料的
48、的形形状状和和尺尺寸寸，在在加加工工的的过过程程中中尽尽可可能能地地使使材材料料的性能也能满足使用要求。的性能也能满足使用要求。大大部部分分的的加加工工方方法法即即可可以以改改变变材材料料的的形形状状也也可可以以改改变变材材料料的的性性能能如如塑塑性性成成型型。部部分加工方法如热处理主要是改变被加工材料的性能。分加工方法如热处理主要是改变被加工材料的性能。还有部分加工方法如焊接主要是简化零件的生产等。还有部分加工方法如焊接主要是简化零件的生产等。常常用用的的成成型型加加工工方方法法有有液液态态成成型型、塑塑性性成成型型、连连接接成成型型、切切削削加加工工成成型型、热热处处理理及表面处理技术等，
49、它们是机械制造过程中必不可少的部分。及表面处理技术等，它们是机械制造过程中必不可少的部分。第四章 机械制造基础4.2金属材料的成型加工金属材料的成型加工根根据据加加热热温温度度与与材材料料再再结结晶晶温温度度之之间间的的关关系系，还还可可以以把把成成型型加加工工分分为为热热加加工工和和冷冷加工两类。加工两类。热热加加工工和和冷冷加加工工不不是是根根据据变变形形时时是是否否加加热热来来区区分分，而而是是根根据据变变形形时时的的温温度度处处于于再再结晶温度以上还是以下来划分的。结晶温度以上还是以下来划分的。热热加加工工是是在在高高于于再再结结晶晶温温度度的的条条件件下下，使使金金属属材材料料同同时
50、时产产生生塑塑性性变变形形和和再再结结晶晶的的加加工工方方法法。热热加加工工通通常常包包括括铸铸造造、锻锻造造、焊焊接接、热热处处理理等等工工艺艺。热热加加工工能能使使金金属属零零件件在在成成形形的的同同时时改改善善它它的的组组织织或或者者使使已已成成形形的的零零件件改改变变既既定定状状态态以以改改善善零零件件的的机机械械性能。性能。冷冷加加工工是是指指在在低低于于再再结结晶晶温温度度下下使使材材料料产产生生塑塑性性变变形形的的加加工工工工艺艺，如如冷冷轧轧、冷冷拔拔、冷冷锻锻、冷冷挤挤压压、冲冲压压等等。冷冷加加工工在在材材料料成成形形的的同同时时提提高高了了金金属属的的强强度度和和硬硬度度