机械工程对材料性能的要求.ppt

机械工程材料,任课教师：谢文玲 TEL61176 E-mail：zsyxwl,绪论,一、学习本门课程的目的 1. 2008第29届奥林匹克运动会奖牌“金镶玉”,“金镶玉”说法由来 -“有眼不识金镶玉” -源自“和氏壁”传说 最早的“金镶玉” “镶”,金蝉玉叶（明）,2.奥运会采用“金镶玉”的意义 玉在中国人心目中的地位很高，代表美好、尊敬、相爱相助的内涵，也诠释团结友爱的奥林匹克精神。将玉用在金属奖牌上，喻示中国传统文化中的“金玉良缘”，表达我们对奥运精神的礼赞，对运动员的尊重。,3.工艺难题 1）银、玉两种材料的特性 银：强度、硬度低，塑性、韧性好，软，极易成型 玉：硬而脆，难以加工，加工方法复杂,2） “金镶玉”方案 玉方案分解为两个小的方案：一个是纯金属的玉璧形状；一个是在金属中间镶嵌一块玉心这个就是今天北京奥运奖牌“金镶玉”的雏形。关于这个玉心方案，也有一番波折。就是玉心跟周围金属面积大小的比例问题。玉心面积过大，给人的感觉是个玉牌，不是金银铜牌。如果过小，又体现不出玉的感觉。,3）如何保证其强度、抗冲击？ 国际奥组委的官员们要求：当奖牌在两米高度以内掉在地上时，要保证玉不碎。 奖牌的厚度是6毫米，玉石的厚度是3毫米，石头高于金属1毫米。就是说，在玉石后边2毫米的空间，是解决玉石不碎的空间。 玉石后面直接就是金属，要防止它掉在地上不碎，就必须将振动的波消除掉。那就只有在玉和金属之间加上缓冲材料。 缓冲材料过硬，金属硬碰硬，直接就会把力量用在玉上；如果过软，起不了缓冲的作用。最后大量的试验是在找软硬适中的缓冲材料。,4.学习本门课程的目的 掌握各种材料的成分、组织、结构与性能 掌握各种材料的热处理工艺 了解产品性能要求 产品、材料、热处理的结合，能为产品选择正确的材料和热处理工艺路线,二、学习本门课程的方法,1.主线： 材料的成分-加工工艺-组织结构与性能 2.理论联系实际 3.创新,材料的结构、组织与性能含义,结构,组织,构成材料的基本质点(离子、原子或分子等)是如何结合与排列的，它表明材料的构成方式。,指借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌-通常称为显微组织。,性能,使用性能,工艺性能,指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能。,力学性能,物理性能,化学性能,强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳,熔点、密度以及电、磁、光和热,耐腐蚀和抗老化,性能,使用性能,工艺性能,铸造,塑性加工,焊接,液固；流动性,指材料的可加工性 。,热处理,粉末冶金,机械加工,性能,使用性能,工艺性能,铸造,塑性加工,焊接,液固；流动性,锻、拉、挤、轧、弯 ；延展性 ；变形抗力、变形开裂倾向,热处理,粉末冶金,机械加工,性能,使用性能,工艺性能,铸造,塑性加工,焊接,液固；流动性,锻、拉、挤、轧、弯 ；延展性 ；变形抗力、变形开裂倾向,可焊性,热处理,粉末冶金,机械加工,性能,使用性能,工艺性能,铸造,塑性加工,焊接,液固；流动性,锻、拉、挤、轧、弯 ；延展性 ；变形抗力、变形开裂倾向,可焊性,热处理,粉末冶金,机械加工,热诱发组织转变；,经压制、烧结成固体,切削加工,组织结构,性能,热加工工艺,锻造,铸造,焊接,热处理,三 本门课程的学习要求及考核,学习要求,熟悉常用术语和基本概念,牢固建立材料的性能决定于材料的组织、结构这一概念,掌握金属材料主要热加工工艺原理, 并能制定常规热处理工艺。,平时30实验10期末60 ,考核,参考资料：,潘金生，仝健民，田民波.材料科学基础，清华大学出版社，1998 刘国勋，金属学原理，冶金工业出版社，1980 储凯，许斌，李先民等，机械工程材料，重庆大学出版社，1998 王晓敏，工程材料学，哈尔滨工业大学，2002,第一章 机械工程对材料性能的要求,1.1 工程构件与机器零件所受各种负荷概述,零件或构件在工作中所受三种负荷： 力学负荷-引起变形、断裂 热负荷-造成尺寸或体积改变，并产生热应力 环境介质-对零件表面造成化学腐蚀、电化腐蚀、摩擦磨损等,1.1.1力学负荷,(a)拉伸 （b)压缩 （c)弯曲 （d)剪切 （e)扭转 静载荷的形式,1.1.2热负荷,高温下,温度 强度 高温下,加载时间 材料的强度 金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服点也会缓慢产生塑性变形，这种现象称为蠕变 引起热应力 交变的热应力引起材料的热疲劳,1.1.3环境介质的作用,腐蚀作用 化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀 摩擦磨损作用 粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点磨损(即接触疲劳) 老化作用,1.2 工程设计与加工工艺所需要的材料性能,机器的整机性能除与机器构造、加工、制造等因素有关外，主要取决于零部件的结构与性能，尤其是关键件的性能。 在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由零部件的强度及其他相关性能来决定。 机器零件的强度一般表现为短时承载能力和长期使用寿命，主要由三个主要因素决定，即结构因素、加工工艺因素、材料因素。 在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、重量、性能和寿命主要由材料因素(即主要由材料的强度及其他力学性能)所决定。 在设计机械产品时，主 要根据零件失效的方式正确选择材料。,1.2.1整机性能、零部件性能与材料性能,失效分类, 变形失效：如果材料的变形量和变形特性超过原来规定的程度，而致影响构件的规定功能 断裂失效：断裂是金属材料在应力的作用下分为互不相连的两个部分或两个以上部分 表面损伤 ：主要指腐蚀失效及磨损失效,丧失其规定功能的现象称为失效,失效列管照片图,厚壁容器韧性断裂外观,厚壁容器脆性断裂外观,1.2.2工程材料的力学性能,材料的力学性能(机械性能)是指材料在不同的环境因素(温度、介质)下，承受外加载荷作用时所表现的行为，通常表现为材料的变形和断裂。 室温下常用的力学性能： 强度、塑性、刚性、弹性、硬度、冲击韧性、断裂韧性、疲劳极限等,1)拉伸试验与拉伸曲线, 弹性段 屈服段 强化段,三个阶段,断裂阶段, p、e 、 s、0.2 b 、,拉伸曲线相关指标,a弹性模量 -材料刚度 b弹性极限（e） 表示材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。,2)弹性和刚度,弹性阶段,3)强度、塑性和粘弹性,a屈服强度（ s）-金属开始发生明显塑性变形的抗力, 铸铁等材料没有明显的屈服现象, 则用条件屈服点（ 0.2 ）来表示: 产生0.2%塑性变形时的应力值。 屈服强度是零件设计的主要依据，也是材料最重要的强度指标。 b强度极限(抗拉强度b ) 表示金属抵抗均匀变形和断裂所能承受的最大应力也是零件设计和评定材料的重要指标。 比强度-材料的强度指标与密度的比值b/ 屈强比s /b表征材料强度潜力的发挥、利用程度以及和该种材料所制零件工作时的安全程度。,屈服阶段,c塑性 断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。 伸长率（） 在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。 断面收缩率（） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。 d粘弹性,塑性指标,强化阶段,脆性材料的抗拉曲线,4) 硬度,材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力,金属材料的硬度以压入法测定最多 布氏硬度(HBS、HBW) 洛氏硬度(HRA、HRB、HRC) 维氏硬度(HV),不同的硬度指标适合不同的场合,布氏硬度,布氏硬度试验原理图,布氏硬度计,洛氏硬度,5)冲击韧性,冲击韧性-在一定温度下，材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。是强度和塑性的综合指标。,冲击试样,6)疲劳强度,疲劳强度-应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，该应力值称为材料的疲劳强度.,7)断裂韧性,断裂韧性断裂材料抵抗裂纹失稳扩展的能力.,1.2.4工程材料的加工工艺性能,加工工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能，反映材料加工的难易程度。,1 金属材料的加工工艺性能,铸造性能 可锻性 焊接性能 切削加工性能 热处理工艺性,2 塑料和陶瓷材料的加工性能,塑料材料加工工艺性比金属和陶瓷好。 陶瓷硬而脆，不好焊接和切削加工。,1.3 工程材料类型及主要特征,按零件在机械或机器中实现的功能，分为结构材料和功能材料 按化学成分分为四大类： 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料,1.3.1工程材料的分类,材料的分类,结构材料,功能材料,强调利用材料的力学性能来满足工程结构上的需要,强调材料具有光、电、磁、热等特殊的物理性能,性能特点和用途,材料的分类,金属材料,复合材料,材料中原子之间的键合特点,陶瓷材料,高分子材料,金属是具有正的电阻温度系数的物质, 通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽,材料的分类,金属材料,复合材料,材料中原子之间的键合特点,陶瓷材料,高分子材料,非金属原子共有电子而构成大分子材料称为高分子材料。每个大分子由许多结构相同的单元相互连接而成，因此高分子材料又称为聚合物。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。,材料的分类,金属材料,复合材料,材料中原子之间的键合特点,陶瓷材料,高分子材料,复合材料是由两种或两种以上材料组成的，其性能是它的组成材料所不具备的。复合材料可能具有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性。,1.3.2各类材料的特征,1 金属材料 优点：良好的综合力学性能、导电性、导热性、工艺性能 缺点：特别高温及特殊介质中，化学稳定性差，资源有限 2高分子材料 优点：高弹