工程材料性能及應(yīng)用簡(jiǎn)介(緒論)

工程材料性能及應(yīng)用簡(jiǎn)介(緒論).第一頁(yè)，共36頁(yè)。0緒論材料材料的性能材料的分類研究?jī)?nèi)容及目的主要參考書2第二頁(yè)，共36頁(yè)。ThematerialpossessionsofafamilymatchingthestatisticalaveragefortheUnitedStates.(FromPeterMenzel,MaterialWorld.AGlobalFamilyPortrait,SierraClubBooks,SanFrancisco,1994.)3第三頁(yè)，共36頁(yè)。0.1材料

經(jīng)過人類勞動(dòng)取得的勞動(dòng)對(duì)象。一般把來(lái)自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)對(duì)象稱為“原料”，把經(jīng)過工業(yè)加工的原料成為“材料”。材料是人類賴以生存與發(fā)展、征服及改造自然的物質(zhì)基礎(chǔ),是人類活動(dòng)不可缺少的東西。材料是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的標(biāo)志，生產(chǎn)中使用的材料性質(zhì)反映了人類社會(huì)的文明水平?，F(xiàn)代國(guó)家的實(shí)力與水平主要取決于他的能源、材料、信息的發(fā)展。什么是材料4第四頁(yè)，共36頁(yè)。材料工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)材料科學(xué)知識(shí)的意義

評(píng)價(jià)一個(gè)設(shè)備、部件、零件的優(yōu)劣或質(zhì)量：①必需保證使用的基本性能（力學(xué)、物理），具有一定的壽命（耐疲勞、磨損、腐蝕）；②便于制造，即可以生產(chǎn)出來(lái)；③可接受的成本。

這幾點(diǎn)要求是相互矛盾的，但是應(yīng)利用各種專業(yè)知識(shí)，從中找到一個(gè)合理的配合，可見其中材料起到相當(dāng)重要的決定性作用。

在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和維護(hù)中，不要單看材料僅僅是圖紙標(biāo)題欄中諸多內(nèi)容中的一項(xiàng)，用的得當(dāng)可以反映設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，達(dá)到價(jià)廉物美的效果；否則，可能是一個(gè)落后的設(shè)計(jì)，或者是閉門造車，根本上沒法制造出來(lái)，甚至?xí)[藏禍根，導(dǎo)致使用中釀成事故和災(zāi)難。5第五頁(yè)，共36頁(yè)。0.2材料的性能

材料的性能是指材料的性質(zhì)和功能。

性質(zhì)是本身所具有的特質(zhì)或本性；

功能是人們對(duì)材料的某種期待與要求中可以承擔(dān)功效，以及承擔(dān)該功效下的表現(xiàn)或能力。主要有（1）力學(xué)性能（2）物理性能（3）化學(xué)性能（4）工藝性能。6第六頁(yè)，共36頁(yè)。不同服役條件對(duì)材料性能的要求不同7第七頁(yè)，共36頁(yè)。力學(xué)性能

材料的力學(xué)性能是指材料處于特定環(huán)境因素(溫度、介質(zhì)等)時(shí)，在外力或能量的作用下表現(xiàn)出來(lái)的變形和破壞的特征。材料的性能

通常把作用在材料上的外力或能量稱為載荷或負(fù)荷。材料的主要力學(xué)性能有：彈性強(qiáng)度塑性硬度沖擊韌性疲勞特性耐磨性8第八頁(yè)，共36頁(yè)。拉伸試驗(yàn)過程：力學(xué)性能外力增加，試樣伸長(zhǎng)。得到P－l曲線，換算為－曲線。材料表現(xiàn)為彈性變形、均勻塑性變形、頸縮、斷裂。9第九頁(yè)，共36頁(yè)。彈性與剛度彈性變形：力學(xué)性能彈性模量與剛度：在OA’段為直線，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比，變化規(guī)律服從虎克定律。并且在外力卸載后試樣恢復(fù)到原始長(zhǎng)度?？梢赃_(dá)到的最大應(yīng)力成為彈性極限(或比例極限)。10第十頁(yè)，共36頁(yè)。強(qiáng)度與塑性屈服強(qiáng)度：σsσ0.2

力學(xué)性能塑性：斷裂前可發(fā)生永久變形的能力?？估瓘?qiáng)度：σb

材料開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力。材料發(fā)生斷裂前能承受的最大應(yīng)力。11第十一頁(yè)，共36頁(yè)。硬度硬度是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，反映材料抵抗局部塑性變形的能力。力學(xué)性能莫氏硬度：材料名稱硬度級(jí)別滑石1石膏2螢石4鈉長(zhǎng)石6黃玉8剛玉9金剛石10布氏硬度：

用直徑D鋼球在力P的作用下壓在試樣上，保持一定時(shí)間,得到壓痕(直徑d)。實(shí)用于較軟塑性材料測(cè)量。12第十二頁(yè)，共36頁(yè)。硬度力學(xué)性能洛氏硬度：

用120°圓錐金剛石壓頭，1470N(150kgf)力壓入材料，以壓入材料表面的深度來(lái)度量材料的硬度。用于硬度較高的（淬火）鋼件。

用對(duì)面夾角136°四棱錐金剛石壓頭，在力P作用下壓入材料，用壓痕單位面積上承受的力作為材料硬度的度量。力的大小從980N、490N、297N到…0.192N不等。壓痕小用顯微鏡來(lái)觀察，用于測(cè)量表層或微區(qū)。維氏硬度：13第十三頁(yè)，共36頁(yè)。沖擊韌性沖擊韌性是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。常用一次彎曲沖擊韌性試驗(yàn)ak值來(lái)表示。以帶缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣快速?zèng)_斷時(shí)，單位橫截面積吸收的功來(lái)衡量。沖擊韌性是材料強(qiáng)度和塑性綜合作用的結(jié)果。力學(xué)性能試樣尺寸試驗(yàn)方法14第十四頁(yè)，共36頁(yè)。斷裂韌度斷裂韌性是材料中存在缺陷時(shí)，材料抵抗脆性斷裂的能力。力學(xué)性能斷裂韌度指標(biāo)為KIC，有專門的測(cè)定方法。工程應(yīng)用要求：因?yàn)榇笮蜆?gòu)件不可避免存在各種缺陷，在缺陷前端有不同的應(yīng)力作用，都存在應(yīng)力集中，其中裂紋受張開應(yīng)力作用為最危險(xiǎn)。Y裂紋形狀系數(shù)，a裂紋長(zhǎng)度的一半。15第十五頁(yè)，共36頁(yè)。疲勞強(qiáng)度

零件在低于屈服應(yīng)力的交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是損傷積累的過程，包括疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、瞬間斷裂三個(gè)階段。應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。力學(xué)性能低周疲勞又稱條件疲勞極限，參照零件工作周期可能作用的次數(shù)N下能承受的應(yīng)力極限值σN。（可以有效發(fā)揮材料的作用）高周疲勞對(duì)稱應(yīng)力作用趨于水平線的最大應(yīng)力為σ-1,作為永久可用的疲勞強(qiáng)度極限。實(shí)際大多以107次未斷裂的應(yīng)力來(lái)測(cè)定。16第十六頁(yè)，共36頁(yè)。耐磨性

一個(gè)零件相對(duì)另一零件有摩擦運(yùn)動(dòng)而造成接觸面的尺寸變化、質(zhì)量損失現(xiàn)象成為磨損。力學(xué)性能

磨損的后果可能因零件尺寸變化，輕則降低傳動(dòng)質(zhì)量，影響部件的使用性能；重則因尺寸變小造成零件斷裂。磨損主要有磨粒磨損(切削)、粘著磨損(分子作用力)；此外接觸疲勞有人歸類為磨損，也有人歸為另一類損傷形式。

測(cè)定方法讓兩試樣組成摩擦副，在設(shè)定條件(力、潤(rùn)滑劑)進(jìn)行一定時(shí)間的摩擦運(yùn)動(dòng)后，測(cè)定試樣的尺寸減小值/質(zhì)量的損失值/摩擦表面外觀形貌來(lái)比較不同材料的耐磨性。17第十七頁(yè)，共36頁(yè)。物理性能

材料的物理性能是指材料本身的具有各種物理量(熱、電、光、磁等)以及環(huán)境變化時(shí)它們的變化程度。材料的性能密度與比容導(dǎo)熱率熱膨脹系數(shù)α單位體積物質(zhì)的質(zhì)量Kg/m3單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積m3/Kg物體內(nèi)溫度梯度為1℃/m時(shí)，在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)傳遞的熱量W/(m·K)

溫度上升1℃時(shí)，單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量mm/(℃·mm)或℃-1

18第十八頁(yè)，共36頁(yè)。物理性能材料的性能電阻與電導(dǎo)電阻溫度系數(shù)熔點(diǎn)導(dǎo)磁率物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，反映固態(tài)下原子間結(jié)合力。電阻率為單位長(zhǎng)度和單位截面積導(dǎo)體的電阻。單位是M，其倒數(shù)稱為電導(dǎo)率S/M西門子/米溫度上升1℃時(shí)，電阻率的變化系數(shù)，單位℃-1

電子導(dǎo)電的特點(diǎn)是溫度升高，電阻率上升；離子導(dǎo)電是熱激活過程，溫度升高，電阻率下降。超導(dǎo)現(xiàn)象是材料在很低溫度下，電阻突然從某個(gè)值降為零的特征。每種材料有自己的轉(zhuǎn)變溫度，某些化合物的轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到100K以上。是鐵合金、化合物(鐵氧體)特有性能。19第十九頁(yè)，共36頁(yè)。化學(xué)性能

反映材料與各種化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性和反應(yīng)速度大小的相關(guān)參數(shù)。材料的性能

工程材料主要考慮其耐腐蝕性，電化學(xué)材料有的考察電極電位、儲(chǔ)能密度等。材料由于周圍環(huán)境介質(zhì)侵蝕而造成的損傷和破壞均稱為腐蝕。發(fā)生腐蝕的化學(xué)過程有化學(xué)腐蝕(氧化)、電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕等不同形式。腐蝕速度與材料、介質(zhì)、溫度、應(yīng)力、輻照……因素有關(guān)。腐蝕不僅影響零件表明質(zhì)量，并且可以造成零件早期損壞，防腐設(shè)計(jì)應(yīng)考慮材料的選擇和防腐措施相結(jié)合。20第二十頁(yè)，共36頁(yè)。工藝性能

材料的工藝性能是材料力學(xué)、物理、化學(xué)性能的綜合表現(xiàn)。主要反映材料生產(chǎn)或零部件加工過程的可能性或難易程度。材料的性能1.材料可生產(chǎn)性：得到材料可能性和制備方法。2.鑄造性：將材料加熱得到熔體，注入較復(fù)雜的型腔后冷卻凝固，獲得零件的方法。流動(dòng)性：充滿型腔能力收縮率：縮孔數(shù)量的多少和分布特征偏析傾向：材料成分的均勻性21第二十一頁(yè)，共36頁(yè)。工藝性能材料的性能3.鍛造性：材料進(jìn)行壓力加工(鍛造、壓延、軋制、拉拔、擠壓等)的可能性或難易程度的度量。4.焊接性：利用部分熔體，將兩塊材料連接在一起。塑性變形能力：材料不破壞的前提下的最大變形量。塑性變形抗力：發(fā)生塑性變形所需要的最小外力。連接能力：焊接接頭部位強(qiáng)度與母材的差別程度。焊接缺陷：焊接處出現(xiàn)氣孔、裂紋可能性的大小或母材變形程度。22第二十二頁(yè)，共36頁(yè)。工藝性能材料的性能5.切削加工性：材料進(jìn)行切削加工的難易程度。它與材料的種類、成分、硬度、韌性、導(dǎo)熱性等有關(guān)。6.熱處理性能：可以實(shí)施的熱處理方法和材料在熱處理時(shí)性能改變的程度。切削抗力加工表面質(zhì)量排屑難易程度切削刀具的使用壽命

隨著科技進(jìn)步的發(fā)展，對(duì)材料工藝性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展和變化。23第二十三頁(yè)，共36頁(yè)。材料性能總結(jié)決定材料性能實(shí)質(zhì)：構(gòu)成材料原子的類型：材料的成分描述了組成材料的元素種類以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素自身的性質(zhì)有關(guān)以外，還和材料經(jīng)歷的生產(chǎn)加工過程有密切的關(guān)系。研究的意義：性能決定了材料的用途。性能決定了材料和零部件生產(chǎn)方法。性能的變化規(guī)律為改變材料性能達(dá)到人們需求提供途徑。24第二十四頁(yè)，共36頁(yè)。0.3材料的分類工程材料：主要利用其力學(xué)性能制作結(jié)構(gòu)件。建筑材料結(jié)構(gòu)材料工具材料按材料用途（性能）功能材料：主要利用其物理、化學(xué)性能或效應(yīng)制作具有特定功效的器件。半導(dǎo)體材料磁性材料激光材料熱電材料光電材料聲電材料等25第二十五頁(yè)，共36頁(yè)。材料的分類（1）金屬材料：純金屬及其合金。合金是由兩種或兩種以上元素組成，其中至少有一種為金屬元素組成具有金屬性的材料。金屬性的關(guān)鍵特征是具有正的電阻溫度系數(shù)，這是由于它的導(dǎo)電是自由電子的運(yùn)動(dòng)所決定的。鋼鐵材料(黑色金屬)按材料成分：鋼鑄鐵非鐵金屬材料(有色金屬)輕金屬AlMgCaNa…重金屬CuNiPbSnZn…貴金屬AgAuPbRb(銣)Ir(銥)稀有金屬ZrTiNb…稀土金屬Re(YNd(釹)…)放射性金屬RaUTh(釷)…26第二十六頁(yè)，共36頁(yè)。材料的分類Periodictableoftheelementswiththoseelementsthatareinherentlymetallicinnatureincolor.27第二十七頁(yè)，共36頁(yè)。材料的分類（2）高分子材料：有機(jī)聚合物。熱塑性塑料：尼龍聚乙烯聚氯乙稀聚丙烯……按材料成分：熱固性塑料：樹脂聚氨酯……彈性材料：天然橡膠合成橡膠Miscellaneousinternalpartsofacontemporaryparkingmeteraremadeofanacetal(縮醛)polymer.Engineeredpolymersaretypicallyinexpensiveandcharacterizedbyeaseofformationandadequatestructuralproperties.(CourtesyoftheDuPontCompany,EngineeringPolymersDivision)28第二十八頁(yè)，共36頁(yè)。材料的分類（2）高分子材料：有機(jī)聚合物。熱塑性塑料：尼龍聚乙烯聚氯乙稀聚丙烯……按材料成分：熱固性塑料：樹脂聚氨酯……彈性材料：天然橡膠合成橡膠29第二十九頁(yè)，共36頁(yè)。材料的分類按材料成分：瓷：以氧化鋁為主陶：硅酸鹽為主廣義陶瓷(特種陶瓷)：金屬與氧、碳、氮、硅等化合物（3）陶瓷材料：一種或多種金屬氧化物或其他化合物。Somecommonceramicsfortraditionalengineeringapplications.Thesemiscellaneouspartswithcharacteristicresistancetodamagebyhightemperaturesandcorrosiveenvironmentsareusedinavarietyoffurnacesandchemicalprocessingsystems.(CourtesyofDuramicProducts,

Inc.)30第三十頁(yè)，共36頁(yè)。材料的分類按材料成分：31第三十一頁(yè)，共36頁(yè)。材料的分類按材料成分：（4）復(fù)合材料：兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合起來(lái)的一種固體材料。Exampleofafiberglasscompositecomposedofmicroscopic-scale(微觀尺度)reinforcingglassfibersinapolymermatrix.32第三十二頁(yè)，共36頁(yè)。0.4本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容、目的材料力學(xué)性能課程主要內(nèi)容－材料在各種服役條件下的失效現(xiàn)象及微觀機(jī)理；