機(jī)械工程材料課件大連理工大學(xué)

機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料課件課件大綱材料概述介紹機(jī)械工程材料的基本概念、特性和分類，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。金屬材料深入探討鐵基合金和有色金屬合金的性質(zhì)、應(yīng)用和加工工藝，并分析其性能。非金屬材料涵蓋陶瓷、高分子材料和復(fù)合材料，重點(diǎn)介紹其結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用領(lǐng)域。材料選擇與設(shè)計(jì)講解材料選擇原則、力學(xué)性能設(shè)計(jì)和耐蝕性設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行分析。緒論本課程將介紹機(jī)械工程材料的基礎(chǔ)知識(shí)。內(nèi)容涵蓋各種材料的特性、應(yīng)用、選擇和設(shè)計(jì)。1.1工程材料的定義自然界物質(zhì)經(jīng)過加工和處理后，可用于建造工程或制造機(jī)器的材料。工程應(yīng)用具有特定性能，可滿足工程需求，例如強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性等。工程結(jié)構(gòu)組成工程結(jié)構(gòu)的基本材料，例如鋼筋、混凝土、木材等。1.2工程材料的特性機(jī)械性能材料承受外力作用時(shí)的抵抗能力，例如強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等。這些性能決定了材料在承受載荷和沖擊時(shí)的表現(xiàn)。物理性能材料的物理性質(zhì)，例如密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率、導(dǎo)電率等。這些性能影響了材料的熱傳導(dǎo)、電傳導(dǎo)和在不同環(huán)境下的表現(xiàn)。化學(xué)性能材料與化學(xué)物質(zhì)或環(huán)境相互作用時(shí)的表現(xiàn)，例如腐蝕性、抗氧化性等。這些性能決定了材料在各種化學(xué)環(huán)境中的耐久性和穩(wěn)定性。工藝性能材料在加工制造過程中的表現(xiàn)，例如可加工性、可焊性、可鑄性等。這些性能決定了材料的加工難度和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。1.3工程材料的分類金屬材料包括鐵、銅、鋁等，具有高強(qiáng)度、高韌性、可塑性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑、交通等領(lǐng)域。陶瓷材料包括氧化鋁、硅酸鹽等，具有耐高溫、耐腐蝕、硬度高等特點(diǎn)，應(yīng)用于航空航天、電子器件等領(lǐng)域。高分子材料包括塑料、橡膠、纖維等，具有重量輕、易加工、成本低等特點(diǎn)，應(yīng)用于包裝、紡織、汽車等領(lǐng)域。復(fù)合材料由兩種或兩種以上材料復(fù)合而成，例如碳纖維增強(qiáng)塑料、玻璃纖維增強(qiáng)塑料，具有高強(qiáng)度、高模量、重量輕等特點(diǎn)，應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。2.金屬材料金屬材料是指由金屬元素或以金屬元素為主組成的材料。廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、電子信息等領(lǐng)域。具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和強(qiáng)度等特性。2.1鐵基合金11.鋼鋼鐵是最常見的鐵基合金，具有強(qiáng)度高、韌性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、交通等領(lǐng)域。22.生鐵生鐵含碳量高，硬度高、脆性大，主要用于鑄造。33.合金鋼合金鋼是指在鐵中加入其他金屬元素，例如鉻、鎳、錳等，以提高其性能。44.工具鋼工具鋼具有高硬度、耐磨性和耐熱性，適用于制造刀具、模具等工具。2.2有色金屬合金鋁合金鋁合金重量輕，耐腐蝕，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性。廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電子產(chǎn)品和建筑領(lǐng)域。銅合金銅合金具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性。常用于電力設(shè)備、管道、裝飾材料和藝術(shù)品。鎂合金鎂合金強(qiáng)度高，密度低，具有良好的減震性能。被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和電子產(chǎn)品領(lǐng)域。鈦合金鈦合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能。主要應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、化學(xué)工業(yè)和軍事領(lǐng)域。2.3金屬材料的性能機(jī)械性能金屬材料在承受外力作用時(shí)的性能，例如強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等。這些性能決定了金屬材料在機(jī)械加工、制造和使用過程中的應(yīng)用。物理性能金屬材料的物理性質(zhì)，例如密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等。這些性質(zhì)影響金屬材料在不同環(huán)境條件下的使用特性。化學(xué)性能金屬材料在與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)的性能，例如耐腐蝕性、抗氧化性等。這些性能影響金屬材料的使用壽命和安全性。工藝性能金屬材料在加工和制造過程中的性能，例如可加工性、焊接性、鑄造性等。這些性能影響金屬材料的生產(chǎn)效率和加工難度。3.陶瓷材料陶瓷材料是一種無機(jī)非金屬材料，通常由金屬和非金屬元素組成。它們具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在許多工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。3.1陶瓷材料的概述陶瓷材料是由金屬和非金屬元素組成的無機(jī)非金屬材料。陶瓷材料通常具有高硬度、高熔點(diǎn)、耐高溫、耐腐蝕等特性。陶瓷材料廣泛應(yīng)用于建筑、電子、機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域。3.2陶瓷材料的性能高強(qiáng)度陶瓷材料具有很高的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，在高溫下依然能保持良好的性能。耐高溫陶瓷材料具有很高的熔點(diǎn)，能耐受高溫環(huán)境，適用于高溫應(yīng)用場(chǎng)景，如航空航天等。耐腐蝕陶瓷材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易被腐蝕，可用于制造耐酸耐堿的器皿和部件。耐磨陶瓷材料具有很高的硬度，不易磨損，可用于制造耐磨部件，如軸承、刀具等。3.3陶瓷材料的制造工藝1粉末制備陶瓷材料通常以粉末形式作為原料，粉末的粒度、形狀和均勻性對(duì)陶瓷材料的性能有很大影響。2成型粉末經(jīng)過混合、壓制或注漿等工藝成型，形成所需的形狀。3燒結(jié)成型后的坯體在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使粉末顆粒之間發(fā)生結(jié)合，形成致密的陶瓷體。4后處理燒結(jié)后的陶瓷體可能需要進(jìn)行表面處理、涂層或切割等后處理工藝，以滿足特定應(yīng)用的需求。4.高分子材料高分子材料是由許多重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元組成的長(zhǎng)鏈分子，也稱為聚合物。這些材料在機(jī)械工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。4.1高分子材料的概述11.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高分子材料是由許多重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元組成的長(zhǎng)鏈狀分子，這些單元通過共價(jià)鍵連接在一起。22.物理性質(zhì)具有柔韌性、彈性、耐腐蝕性等優(yōu)異的性能，在各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。33.化學(xué)性質(zhì)高分子材料通常具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。44.應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于制造塑料、橡膠、纖維、涂料等，在機(jī)械、電子、建筑等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。4.2熱塑性塑料聚乙烯（PE）PE是一種用途廣泛的熱塑性塑料，通常用于制造各種產(chǎn)品，包括瓶子、薄膜和包裝。聚丙烯（PP）PP是另一種常見的熱塑性塑料，具有良好的耐熱性和化學(xué)抗性，適用于食品容器和醫(yī)療設(shè)備。聚氯乙烯（PVC）PVC是一種堅(jiān)固且耐用的熱塑性塑料，廣泛用于管道、地板和窗戶。聚酯（PET）PET是合成纖維中的常見材料，也是飲料瓶和其他包裝產(chǎn)品的常用選擇。4.3熱固性塑料定義熱固性塑料在成型加工后會(huì)發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，形成固化結(jié)構(gòu)。固化后的熱固性塑料無法再次熔融，只能通過熱分解破壞其結(jié)構(gòu)。特性熱固性塑料具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電子等領(lǐng)域。常見類型常見熱固性塑料包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂等。它們?cè)诨瘜W(xué)組成、結(jié)構(gòu)和性能方面存在差異，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。5.復(fù)合材料復(fù)合材料由兩種或多種不同材料組成，具有優(yōu)異的性能。其組成材料保持其獨(dú)立的特性，并相互結(jié)合，從而賦予復(fù)合材料新的特性。5.1復(fù)合材料的概述定義復(fù)合材料是由兩種或多種不同材料組合而成，具有各自材料的優(yōu)點(diǎn)，性能優(yōu)越。增強(qiáng)相增強(qiáng)相通常為纖維或顆粒，提高材料的強(qiáng)度、剛度和抗疲勞性能?；w基體將增強(qiáng)相結(jié)合，并賦予復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)和形狀。5.2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常以玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維為增強(qiáng)材料，這些材料強(qiáng)度高，重量輕。基體材料基體材料通常為樹脂，如環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂，它們將纖維結(jié)合在一起，并傳遞載荷。優(yōu)異的性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高剛度、重量輕、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)異的性能。應(yīng)用廣泛纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天、汽車、建筑、電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。5.3層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)層狀復(fù)合材料由不同材料的薄層交替疊加構(gòu)成，各層之間以粘合劑或其他方式連接在一起。性能優(yōu)勢(shì)層狀復(fù)合材料能夠有效地結(jié)合不同材料的優(yōu)點(diǎn)，例如高強(qiáng)度、高剛度、耐高溫、耐腐蝕等。應(yīng)用領(lǐng)域?qū)訝顝?fù)合材料在航空航天、汽車、電子、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。典型材料常見的層狀復(fù)合材料包括玻璃纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維增強(qiáng)塑料、陶瓷基復(fù)合材料等。6.材料的選擇與設(shè)計(jì)機(jī)械工程中，材料選擇與設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的步驟，直接影響產(chǎn)品的性能、成本和壽命。6.1材料的選擇原則性能要求材料應(yīng)滿足機(jī)械零件的功能需求，如強(qiáng)度、剛度、塑性、耐磨性、耐腐蝕性等。成本因素材料成本是重要考量因素，需在滿足性能要求的前提下選擇價(jià)格合理的材料。加工工藝材料的加工性能直接影響制造成本，應(yīng)選擇易于加工的材料。可獲得性材料的供應(yīng)穩(wěn)定性，材料市場(chǎng)供應(yīng)狀況，材料是否易于獲得。6.2材料的力學(xué)性能設(shè)計(jì)11.強(qiáng)度設(shè)計(jì)材料在承受外力時(shí)不發(fā)生斷裂或過大塑性變形的性能。22.剛度設(shè)計(jì)材料抵抗外力變形的能力，即材料的硬度。33.韌性設(shè)計(jì)材料在斷裂前吸收能量的能力，