第一章 材料的分類(lèi)與性能

第一章材料的分類(lèi)與性能

工程材料:主要是指用于機(jī)械、車(chē)輛、船舶、建筑、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中的材料，用來(lái)制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蝕、耐高溫等)的材料。當(dāng)今世界材料五花八門(mén)，分類(lèi)也不盡相同。按用途分：

主要是利用其強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等力學(xué)性能主要利用其聲、光、電、磁、熱等性能材料結(jié)構(gòu)材料功能材料§1.1工程材料的分類(lèi)按結(jié)合鍵(離子鍵、共價(jià)健、金屬鍵和分子鍵四種)分：這種分類(lèi)來(lái)介紹材料世家的成員，比較科學(xué)，脈絡(luò)比較清楚。工程材料金屬材料功能材料高分子材料復(fù)合材料§1.1工程材料的分類(lèi)金屬材料主要以金屬鍵結(jié)合，為主要的工程材料,在自然界中存在的109種化學(xué)元素中有87種是金屬，20世紀(jì)幾乎所有的金屬都被研究過(guò)，幾乎所有有用的金屬都在為人類(lèi)服務(wù)，金屬材料不愧是人類(lèi)最緊密、最忠實(shí)、最可靠的朋友，是因?yàn)榻饘倬哂腥缦峦怀龅膬?yōu)點(diǎn)：所有的金屬材料可分為兩大家：鋼鐵和有色金屬。目前，世界的鋼鐵總年產(chǎn)量8億噸，而有色金屬年產(chǎn)量約5000萬(wàn)噸，鋼鐵產(chǎn)量占金屬總量約為94%，因此鋼鐵仍然是金屬材料中的主力軍，但是非鐵金屬由于它們的特殊性能，在工業(yè)中仍有不可替代的重要用途。

鋼鐵材料的基礎(chǔ)是鐵和碳的合金。

1、鑄鐵：含碳量﹥2.11%；

2、碳鋼：含碳量﹤2.11%；

3、合金鋼：有目的的加入各種適量的合金元素如Si、

Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、B等，達(dá)到諸如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、耐熱性及抗腐蝕性能等要求，“工業(yè)維生素”之稱(chēng)。除了鋼鐵等黑色金屬外，鋁、銅、鈦、鎂、金、銀、鉑等80多種金屬統(tǒng)稱(chēng)為有色金屬。有色金屬家族龐大，各有神通。其中有許多成員的比重很小，如鎂、鋰、鋁、鈦等；有的成員導(dǎo)熱導(dǎo)電性能極好，如銅、銀、金等；有的成員化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，且耐腐蝕，工藝性能好，如金、銀、鉑等；有的成員不僅化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定，而且高溫抗氧化性特好，如金、銀、鉑等，還有的成員耐高溫，如鉑、銥、鉬、鎢等，其中鎢的熔點(diǎn)高達(dá)3420℃，這就是為什么人們總是用鎢絲作電燈泡燈絲的原因了。所以，有色金屬是現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中不可缺少的材料，在機(jī)械、化工、電子、儀表、交通、航天、航海和日常生活中較廣泛應(yīng)用?！衩芏鹊汀⒈葟?qiáng)度、導(dǎo)電性好、加工性好和抗大氣腐蝕●現(xiàn)代航空工業(yè)的基礎(chǔ)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界各國(guó)的飛機(jī)總數(shù)達(dá)數(shù)十萬(wàn)架。一架現(xiàn)代化超音速戰(zhàn)斗機(jī)上，鋁合金的重量已占總重量的70％以上。據(jù)稱(chēng)，英、法聯(lián)合研制的“協(xié)和”式飛機(jī)，每架用鋁220噸?？磥?lái)，鋁被稱(chēng)為“飛行金屬”是當(dāng)之無(wú)愧!●鎂合金—汽車(chē)輕量化的材料—減少油耗●密度低、比強(qiáng)度和比剛度較高。鎂合金汽缸蓋鎂合金方向盤(pán)骨架●比強(qiáng)度高，耐高、低溫，耐腐蝕，質(zhì)輕，無(wú)毒，生物相容性好?！駪?yīng)用航空航天海洋、化工 生物醫(yī)學(xué)●鑭、鈰、钷、釔、鉺……等17種元素?！瘛肮I(yè)味精”的美名稀土與生命稀土之光外部壓力：內(nèi)部壓力：高分子材料陶瓷材料復(fù)合材料能源、資源和環(huán)境1、對(duì)已有金屬材料提高質(zhì)量，挖掘潛力，使其產(chǎn)生最大效益。2、開(kāi)拓金屬材料新的功能，以適應(yīng)更高的使用要求。（先進(jìn)的冶煉技術(shù)、加工技術(shù)、先進(jìn)的熱處理技術(shù)等）（如高溫合金、超導(dǎo)合金、形狀記憶合金、儲(chǔ)氫合金、納米金屬、非晶態(tài)合金等）神秘的形狀記憶合金(a)原始形狀(b)拉直(c)加熱后恢復(fù)形狀記憶效應(yīng)簡(jiǎn)易演示實(shí)驗(yàn)形狀記憶合金是能記住自己在某一溫度下的外部形狀的合金材料，即在一定溫度下，形狀記憶合金內(nèi)部的微觀(guān)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，宏觀(guān)就表現(xiàn)為自身形狀的改變。提起陶瓷，大家并不陌生，我們每天都在與陶瓷打交道：吃飯的碗，喝水的茶杯，貼墻的瓷磚，建筑水泥，玻璃……陶瓷是我國(guó)古代勞動(dòng)人民的一大發(fā)明。陶瓷誕生的確切年月，已無(wú)從考證。從現(xiàn)有的考古材料看，可以斷定陶瓷與中華文明幾乎同時(shí)誕生。在英文單詞中，“china”一詞代表中國(guó)，當(dāng)這個(gè)單詞的開(kāi)頭字母用小寫(xiě)字母時(shí)，則代表陶瓷器，可見(jiàn)中國(guó)人發(fā)明了陶瓷乃是一件舉世公認(rèn)的事實(shí)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，陶瓷已不僅僅用于人們的日常生活和建筑業(yè)，而且在許多高新技術(shù)領(lǐng)域找到了用武之地。陶瓷材料以共價(jià)鍵和離子鍵為主，熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆性大，分為傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷兩大類(lèi)。

傳統(tǒng)陶瓷又稱(chēng)普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、長(zhǎng)石等)為原料的陶瓷，主要用作水泥、玻璃、磚瓦、耐火材料等建筑材料使用。

特種陶瓷又稱(chēng)精細(xì)陶瓷，是以精致、高純的人工合成材料為原料的陶瓷，常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。說(shuō)起高分子材料，普通人也許會(huì)覺(jué)得莫測(cè)高深，其實(shí)我們身邊到處都是它們的身影。無(wú)論是作為食物的蛋白質(zhì)還是作為織物的棉、毛和蠶絲都是天然高分子材料，就連人體本身，基本上也是由各種生物高分子構(gòu)成的。我國(guó)在開(kāi)發(fā)天然高分子材料方面曾走在世界領(lǐng)先水平。利用竹、棉、麻纖維等高分子材料造紙是我國(guó)古代的四大發(fā)明之一。另外，利用桐油與大漆等高分子材料作為油漆、涂料制作漆制品也是我國(guó)古代的傳統(tǒng)技術(shù)。

高分子材料以分子鍵和共價(jià)鍵為主，是由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的分子量足夠高的有機(jī)化合物。塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度??；包括塑料、橡膠及合成纖維等。之所以稱(chēng)為高分子，就是因?yàn)樗姆肿恿扛?。常用高分子材料的分子量在幾百到幾百萬(wàn)之間，巨大的分子量賦予這類(lèi)材料以嶄新的物理、化學(xué)性質(zhì)：可以壓延成膜；可以紡織成纖維；可以擠鑄或模壓成各種形狀的構(gòu)件；可以產(chǎn)生強(qiáng)大的粘結(jié)能力；可以產(chǎn)生巨大的彈性形變；并具有質(zhì)輕、絕緣、高強(qiáng)、耐熱、耐腐蝕、自潤(rùn)滑等許多獨(dú)特的性能。高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車(chē)、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。隨著航空、航天、電子、通訊等技術(shù)以及機(jī)械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的性能提出越來(lái)越高、越來(lái)越多的要求。傳統(tǒng)的單一材料已不能滿(mǎn)足使用要求。復(fù)合材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。由兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同組織構(gòu)成的，具有比任何單一材料更優(yōu)越的綜合性能的材料稱(chēng)為復(fù)合材料。復(fù)合材料這個(gè)看似陌生的名詞，實(shí)際上與每個(gè)人都息息相關(guān)。人的軀體是由骨骼與肌肉兩種性質(zhì)完全不同的“材料”組成，這可以說(shuō)就是一種天然的巧奪天工的“復(fù)合材料”人類(lèi)很早就會(huì)使用粘土和稻草的混合物來(lái)造房屋，這種房子比單純用粘土要經(jīng)久耐用得多，這是至今可知的最古老的人造建筑復(fù)合材料。今天最常用的鋼筋混凝土，先把鋼筋編成骨架，然后澆灌上水泥，凝固后變成非常堅(jiān)固的工程建筑，這就是較現(xiàn)代化的建筑復(fù)合材料。人們普遍使用的橡膠自行車(chē)（汽車(chē)、飛機(jī)）輪胎、高壓水管等都是橡膠與紡織材料（天然纖維、人造纖維或金屬絲）的復(fù)合材料。材料是人類(lèi)社會(huì)制造有用器件的物質(zhì)。制造：指將原材料變成產(chǎn)品的全過(guò)程。材料對(duì)其所涉及的加工工藝的適應(yīng)能力——工藝性能有用：指材料滿(mǎn)足產(chǎn)品使用需要的特性——使用性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鍛造性能加工性能焊接性能熱處理性能§1.2材料的使用性能

力學(xué)性能是指材料在受力作用下所表現(xiàn)出的性能?！?.2材料的使用性能——力學(xué)性能力學(xué)性能的類(lèi)型1.按加載方式不同：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)與剪切等2.按載荷變化特性：靜載荷力學(xué)性能和動(dòng)載荷力學(xué)性能一、強(qiáng)度材料的強(qiáng)度用拉伸試驗(yàn)測(cè)定。(拉伸加載速率較低，俗稱(chēng)靜拉伸試驗(yàn))。——金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力常用的指標(biāo)有:彈性、強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。力學(xué)性能力學(xué)性能（a）原始試樣（b）拉伸后試樣圓形拉伸試樣

低碳鋼的拉伸曲線(xiàn)

OE——彈性變形階段EK——彈塑變形階段K——斷裂階段靜拉伸試驗(yàn)比例極限彈性極限屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度二、塑性

塑性：是指金屬材料在靜載荷作用下，產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力稱(chēng)為塑性。伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ是表示材料塑性好壞的指標(biāo)。

1.伸長(zhǎng)率（δ）

伸長(zhǎng)率是指在拉伸試驗(yàn)中,試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比，即d=(L1-L0)/L0L1—試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量

L0—試樣原始標(biāo)距

力學(xué)性能2.斷面收縮率（ψ）

斷面收縮率是指試樣拉斷后,縮頸處截面積的最大縮減量與原始橫斷面積的百分比，即ψ=(F0-F1)/F0F1—試樣斷裂處的最小橫斷面積

F0—試樣原始橫斷面積

特別提示：δ或ψ越大，表示材料的塑性越好。力學(xué)性能三、硬度

硬度是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力，即受壓時(shí)抵抗局部塑性變形的能力。常用測(cè)量硬度的方法：布氏硬度HB

、洛氏硬度HR、維氏硬度HV。力學(xué)性能布氏硬度計(jì)

布氏硬度試驗(yàn)原理圖

四、韌性

1.沖擊韌性（αk）

許多機(jī)械零件和工具在工作中,往往要受到?jīng)_擊載荷的作用,如活塞銷(xiāo)、錘桿、沖模和鍛模等，材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱(chēng)為沖擊韌性

沖擊功Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值αk就是試樣缺口處單位面積上所消耗的沖擊功。

力學(xué)性能指材料在塑性變形和斷裂的全過(guò)程中吸收能量的能力是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)2.斷裂韌性

橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時(shí)會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷，這種斷裂的名義斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度。盡管在設(shè)計(jì)時(shí)保證了足夠的延伸率、韌性和屈服強(qiáng)度，但仍不免破壞。究其原因是構(gòu)件或零件內(nèi)部存在著或大或小、或多或少的裂紋和類(lèi)似裂紋的缺陷造成的。裂紋在應(yīng)力作用下可失穩(wěn)而擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件破斷。材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力叫斷裂韌性。

式中：Y__裂紋的幾何形狀因子;

σ__外加應(yīng)力（N/mm2）；當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1＜K1C時(shí)，零件安全可靠。a__裂紋的半長(zhǎng)（mm）；K1__強(qiáng)度因子（MPa·m1/2或MN·m-3/2）K1C即為斷裂韌度常見(jiàn)工程材料的斷裂韌度K1C值（MN·m-3/2）

§1.2材料的使用性能——物理性能一、密度單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱(chēng)為該物質(zhì)的密度

金屬材料陶瓷材料高分子材料復(fù)合材料密度降低密度小于5×103kg/m3

的金屬稱(chēng)為輕金屬。

典型代表鋁，比剛度、比強(qiáng)度高，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件比剛度、比強(qiáng)度低，應(yīng)用受限最有前途的新型結(jié)構(gòu)材料§1.3材料的工藝性能1.鑄造性能

金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力稱(chēng)為鑄造性能，用流動(dòng)性、收縮性和偏析來(lái)衡量。

2.鍛造性能

金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應(yīng)