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专业导论论文

姓名：专业：机械设计制造及其自动化 年级：2010级学号：

机械工程材料

摘要 在机械工业不断发展的今天，对于机械性能的要求越来越高，而性能在很大程度上取决于机械材料的选择。本文从宏观上对机械工程材料及其现状做了简要的介绍，并对它的发展有了简单的展望。

【关键词】 机械工程材料 机械设计 机械制造

一.概述

机械工程材料用于制造各类机械零件、构件的材料和在机械制造过程中所应用的工艺材料。人类最先利用的材料是自然材料:石头、木头、泥土、兽皮，发明火以后，可以使用陶器和瓷器，青铜是金属材料的最早使用，炼铁和炼钢丰富和发展了机械材料，钢铁是机械材料的主要材料，提高钢铁等金属材料的使用性能和加工性能是19世纪20世纪21世纪材料专家的主要研究内容，非金属材料，如高分子材料和现代陶瓷是21世纪材料工作者的研究目标。

人类在同自然界的斗争中，不断改进用以制造工具的材料。最早是用天然的石头和木材制作工具,以后逐步发现和使用金属。中国使用金属材料的历史悠久，在两千多年前的《考工记》中就有“金之六齐”的记载，这是关于青铜合金成分配比规律最早的阐述。人类虽早在公元前已了解金、银、铜、汞、锡、铁、铅等多种金属，但由于采矿和冶炼技术的限制，在相当长的历史时期内，很多器械仍用木材制造或采用铁木混合结构。

机械工程材料涉及面很广

1.按属性可分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括黑色金属和有色金属。有色金属用量虽只占金属材料的5％,但因具有良好的导热性、导电性，以及优异的化学稳定性和高的比强度等，而在机械工程中占有重要的地位。非金属材料又可分为无机非金属材料和有机高分子材料。前者除传统的陶瓷、玻

璃、水泥和耐火材料外,还包括氮化硅、碳化硅等新型材料以及碳素材料（见碳和石墨材料）等。后者除了天然有机材料如木材、橡胶等外，较重要的还有合成树脂（见工程塑料）。此外，还有由两种或多种不同材料组合而成的复合材料。这种材料由于复合效应，具有比单一材料优越的综合性能，成为一类新型的工程材料。

2.工程材料的分类按成分分类：金属材料、非金属材料、复合材料。金属是工业中应用广泛的材料，其中钢铁的用量最大。一般金属具的优良的工艺性能和力学性能；非金属材料中，合成高分子材料、特别是塑料的使用广泛；而陶瓷具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、绝缘的特点，主要用于化工设备、电器绝缘件、机械加工刀具、发动机耐热元件等；复合材料是指由两种或两种以上物理和化学性能不同的物质，复合材料一般综合了各组分材料的优良性能，在生活用品、机器制造等各个领域已得到广泛应用。非金属材料、复合材料等是未来发展的趋势。

3.机械工程材料也可按用途分类，如结构材料（结构钢）。工模具材料（工具钢）。耐蚀材料（不锈钢）、耐热材料（耐热钢）、耐磨材料（耐磨钢）和减摩材料等。由于材料与工艺紧密联系，也可结合工艺特点来进行分类，如铸造合金材料、超塑性材料、粉末冶金材料等。粉末冶金可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，也可直接制造各种精密机械零件，已发展成一类粉末冶金材料。结构材料（如机械零件、工程构件）、工具材料（如量具、刃具、模具）、功能材料（如磁性材料、超导材料等）。

4.按领域分类：建筑工程材料、能源工程材料、信息工程材料、生物工程材料。这些都是现代机械工业的产物。

二.性能

1.物理性能。

区别在于含碳量碳素钢：a.低碳钢（C≤0.25%）；b.中碳钢（C≤0.25~0.60%）；c.高碳钢（C》0.60%）。生铁%c=（2~4.3%）工业纯铁其化学成分主要是铁，含量在99.50%－99.90%，含碳量在0.04%以下，其他元素愈少愈好。Q235A屈服值，在235左右的优质碳素结构钢。45钢含碳量%0.45的优质碳素结构钢。T10A含碳量%1的工具钢，ZG200-400指的是他的屈服强度为200,抗拉强度为400,单位为(MP）的铸钢。灰铸铁HT200表ø30试样的最低抗拉强度200MPa。

2.机械性能

复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材

料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。

三.发展

1.金属材料依然在材料家族中占有统治地位

1．1 性能

材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。

1.2生产工艺：

金属材料生产，一般是先提取和冶炼金属。有些金属需进一步精炼并调整到合适的成分，然后加工成各种规格和性能的产品。提炼金属，钢铁通常采用火法冶金工艺，即采用转炉、平炉、电弧炉、感应炉、冲天炉(炼铁)等进行冶炼和熔炼；有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺 ；高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空熔炼和粉末冶金工艺。金属材料通过冶炼并调整成分后，经过铸造成型，或经铸造、粉末冶金成型工艺制成锭、坯，再经塑性加工制成各种形态和规格的产品。对有些金属制品，要求其有特定的内部组织和力学性能，还常采用热处理工艺。常用的热处理工艺有淬火、正火、退火、时效处理（将淬火后的金属制件置于室温或较高温度下保温适当时间，以提高其强度和硬度）等。

1.3 主要优势：

①、金属材料的力学性能全面，可靠性高，使用安全；

②、具有良好的温度使用范围；良好的工艺性能；

③、储量丰富，适合大规模应用

金属材料，尤其是新型金属材料在目前的情况下，应用较为广泛，前景依然不错，这种状况将持续很长时间，非金属材料的研究进展将决定这种状态的时间长短。下面详细介绍下钢铁、镁及镁合金、铝及铝合金、稀有金属等金属材料在现阶段的发展状况

2.高分子材料现状及前沿

随着生产和科学技术的发展，不断对材料提出各种各样的新要求。通用高分子材料向高性能、多功能、低污染、低成本方向发展通用高分子材料主要是指塑料、橡胶、纤维三大类合成高分子材料及涂料、黏合剂等精细高分子材料。高性能、多功能、低成本、低污染（环境友好）是通用合成高分子材料显著的发展趋势。在聚烯烃树脂研究方面，如通过新型聚合催化剂的研究开发、反应器内聚烯烃共聚合金技术的研究等来实现聚烯烃树脂的高性能、低成本化。高性能工程塑料的研究方向主要集中在研究开发高性能与加工性兼备的材料。合成橡胶方面，如通过研究合成方法、化学改性技术、共混改性技术、动态硫化技术与增容技术、互穿网络技术、链端改性技术等来实现橡胶的高性能化。在合成纤维方面，特种高性能纤维、功能性、差别化、感性化纤维的研究开发仍然是重要的方向。同时生物纤维、纳米纤维、新聚合物纤维德研究和开发也是纤维研究的重要领域。在涂料和黏合剂方面，环境友好及特殊条件下使用的高性能涂料和黏合剂是发展的两个主要方向。

近年来关于复合材料的研究热点和发展趋势有：纳米复合材料，、智能复合材料、功能梯度复合材料和表面复合材料。

2.1 当物质颗粒的尺寸处于纳米级时，这种物质可称为纳米材料，其物理和化学性能会发生巨大变化。由于它的尺寸已接近光的波长，加上其有大表面的特殊效应，因此可表现出奇怪的特性，例如熔点、磁性、光学导电导热特点，这使得纳米材料和技术在当今世界上备受关注重视。

2.2 智能复合材料构造的研究开发是21世纪材料构造领域的重要课题。在材料构造中埋入某种功能材料或器件，使这个新组合材料具有智能特性。从构造上看，现阶段的智能材料是复合材料的一种，故称之为智能复合材料。此种材料能对外界环境变化作出自适应和智能反应。还具有自我诊断和记忆功能。在土木、建筑和航空航天等领域有广泛的应用前景。

2.3 功能梯度材料的组成和微观结构从材料的一端向另一端逐渐变化。这种梯度变化可满足在单一材料或器件内部不同部位实现不同功能的需要，从而优化材料或器件的整体性能。现在其研究范围波及航天、刀具、电子、生物和光学等各领域。

2.4 表面复合材料是说在材料的表层内，具有某些特殊的物理、化学或力学性能，利用它可实现许多工程需求。从而可以节省资源、降低成本，基于这些原因，近年来表面复合材料的开发受到广泛的重视。

我国无机非金属基和聚合物基复合材料始于20世纪50年代，现在已形成完整的工业体系和研发机制，发展速度很快。金属基复合材料始于20世纪80年代，现在国内已形成热门研究方向。

3.陶瓷材料的现状及前沿

3.1 陶瓷材料的主要特点及应用

陶瓷材料是以抗压强度大、耐高温、刚度强、韧性好、耐磨损、硬度高、耐腐蚀、抗氧化性能好、疲劳强度大等力学性能为特征的材料，但是，陶瓷性脆，没有延展性，经不起碰撞和急冷急热。在现代工程材料中，陶瓷材料作为应用做广泛的材料之一，在化工、电器、纺织、建筑等行业等到普遍应用。如化工中的容器、反应塔、管道；电器工业中的绝缘子；内燃机中的火活塞；轴承、切削材料的刀具等。

3.2 应用于提高陶瓷材料的超塑性

只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度才能在陶瓷材料中产生超塑性行为,其原因是晶粒的纳米化有助于晶粒间产生相对滑移,使材料具有塑性行为。

纳米陶瓷的超塑性在电子、磁性、光学以及生物陶瓷方面有潜在应用。纳米陶瓷可能具有的低温超塑性、延展性和极高的断裂韧性，将使其成为兼具陶瓷和金属的优良特性(如高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、易加工等)的新结构和功能材料，在航空、航天、机械、电子信息等众多领域具有无限广阔的应用前景。

3.3 应用于制备电子(功能)陶瓷

纳米陶瓷粉体之所以广泛地用于制备电子陶瓷,原因在于陶瓷粉体晶粒的纳米化会造成晶界数量的大大增加,当陶瓷中的晶粒尺寸减小一个数量级,则晶粒的表面积及晶界的体积亦以相应的倍数增加。

3.4 应用于制备陶瓷工具刀

纳米技术的出现以及纳米粉体的工业化生产,使得制备金属陶瓷刀成为现实。结束语

随着科学技术不断的发展，新材料不断涌现，使整个材料工业向着高性能化、功能化、复合化的方向发展；而先进制造技术的出现，使加工精度进一步提高，制造过程高度自动化，极大提高了劳动生产率和社会经济效益。材料学将是未来机械制造行业最重要的组成之一。