机械材料概论.ppt

机械工程材料,河北工业大学 武建军 教授hbgdwjj,2,1 绪论,材料性能 材料结构的三个层次 材料科学的意义,3,1-1 材料的含义,材料是能为人类经济地、用于制造有用物品的物质。 材料分为天然材料与人工合成材料。 不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物,一般都不算是材料。,4,1-2 材料是社会的物质基础,材料的发展史也是人类文明史 1 石器时代 公元前10万年 2 青铜时代 公元前3000年 3 铁器时代 公元前1000年 4 水泥时代 公元0年 5 钢时代 1800年 6 硅时代？ 1950年 7 新材料时代？ 1990年,5,现代社会使用的材料种类繁多，无法简单地用某一种甚至某一类材料来象征社会的发展水平、技术水平 但材料是一切东西的物质基础仍然没有改变，而且今后也永远不会改变。 因为有千姿百态、数不清的材料，世界才会如此丰富多彩。,好的设计也需要合适的材料,6,材料的重要性,材料是人类赖以生存和发展的物质基础。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。 20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。 80年代以高技术群为代表的新技术革命,又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。,7,1-3 材料的性能,材料性能是用于表征材料在给定外界条件下行为的一种参量。 例如用表征材料在外力作用下拉伸行为的屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能 又例如用表征材料在外磁场作用下行为的矫顽力:剩余磁感、贮藏的磁能等磁学性能 研究表明，材料性能是由其结构决定的,8,（1）材料选择的三个标准,可用性：使用性能满足要求；工程材料主要要求强度、塑性等力学性能（机械性能） 工艺性：加工工艺性优良；如铸造工艺性、热处理工艺性、切削加工工艺性、焊接性、锻造工艺性等 经济性：成本低，包括材料成本和加工成本低。,9,（2）拉伸试验,受力时，试样变化三个阶段。 弹性变形 塑性变形 断裂。 陶瓷、铸铁等脆性材料只有1、3两个阶段。,10,（3）强度,表示材料抵抗变形和断裂的能力 抗拉强度（强度极限）b:材料拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。 屈服强度s s代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。 条件屈服强度0.2:中高碳钢等无屈服点，国家标准规定以产生一定的微量塑性变形（残余伸长0.2%)的抗力的极限应力值来表示。 脆性材料的可以认为强度极限=屈服强度,11,（3）塑性,延伸率 断面收缩率 d ,y 越大，塑性愈好 d5%, 脆性材料,12,（4）疲劳试验与疲劳强度,在循环或脉动应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂，称为疲劳。 疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。 条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。,13,（5）刚度与弹性,刚度 材料抵抗弹性变形的能力，常用e杨氏弹性模量。反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力学性能指标。 弹性：材料弹性变形的能力。良好的弹性材料应该是刚度低、弹性变形大。 比例极限：应变保持线性关系的极限应力值 弹性极限：不产永久变形的最大抗力。 工程上，p、e视为同一值，通常也可用0.01,14,（5）硬度,材料抵抗其它硬物压入其表面的能力称为硬度,工程上常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 布氏硬度hb适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。 洛氏硬度常用标尺有b、c、a三种 hrb 球形压头，用于轻金属，未淬火钢 hrc 锥形压头，用于较硬，淬硬钢制品 hra 锥形压头，用于硬、薄试件 一般情况下,材料的硬度越高,其耐磨性就越好。 对于同一类型材料，硬度与强度相关。,15,（6）韧性,韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力-韧度 冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 断裂韧性：用kic表示，表明材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。 韧性是强度与塑性的综合体现。 韧性与温度有关脆性转变温度tk,16,1-4 材料结构,组元：组成材料的基本物质,如原子、分子和离子等 材料的结构是指组元种类及其排列和运动方式 根据不同尺度，材料的结构可以分为三个主要层次：原子结构、原子的排列（相结构）和显微组织（相的形态） 材料的性能是由材料的结构决定的,17,（1）原子结构,原子结构：电子围绕着原子核的排列情况 影响原子的键合,使材料表现出金属、陶瓷和高分子的性能 对材料的电学、磁学、热学、光学乃至耐腐蚀性能都有重大影响,18,结合键,组成物质的粒子，如原子、离子或分子之间的相互作用力称为结合键。 整体材料的性质主要是由结合键的性质决定的。 从自由原子形成一个结合键，体系能量降低，降低幅度称为键能 键能大小大致可以用升华热、熔点、弹性模量的高低来估计,19,化学键和物理键,由电子运动使原子产生聚集的结合力为化学键，它是固体中的主要结合键。化学键包括离子键、共价键和金属键等三种。 分子键属于物理键，为聚集过程中不发生电子运动的结合力，包括范德华力和氢键。,20,（2）原子排列方式,结构的第二个层次是原子在空间的排列方式。 g与d都由c原子组成，但是由于原子的排列方式不同，性能差别很大。 此外，晶体中的缺陷对材料性能也有很大影响。,21,（3）显微组织,结构的第三个层次是材料的显微组织。 显微组织是指相的形貌，是指显微镜下观察到的具有一定大小、形状和分布的组合图像。 显微组织对于材料的力学性能有很大影响。 对其它物理性能影响较小,22,莱氏体组织,23,材料科学的意义,结构是由化学成分、加工（及使用）条件决定的，性能由结构决定。 材料选择、加工工艺的选择影响零件的性能与寿命。 材料科学的理论对于选用材料、材料加工、新材料的研究开发都有指导意义。,24,1-5 工程材料的分类,材料的分类方法很多 根据材料的本性和结合键的性质，工程材料可以分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等四大类。,25,（1）金属材料,金属键 金属的特性 金属材料,26,金属键,金属原子电离能较小，很容易失去价电子而成为正离子。 形成整体材料时，价电子为全体原子所公有，形成电子云，而正离子则沉浸在电子气中。正离子和电子气由于静电吸引使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。 金属键无饱和性和方向性,27,金属的特性,整体金属中，金属原子以金属键相结合，表现出 较高的强度和塑性 良好的的导电性、导热性 金属光泽 正电阻温度系数 化学稳定较差等性质,28,金属材料,以金属元素为主构成的、具有金属性质的物质称为金属材料。 机械零件常用的金属材料包括 钢 铸铁 铜、铝、钛等有色合金,29,（2）高分子材料,相对分子量5000 大分子内以共价键结合，分子之间以氢键、范德华力相结合；键能很低 高分子材料大多具有较低密度、熔点、硬度、弹性模量较低等特点。 较强的绝缘、耐腐性、但不耐老化 良好的塑性，工艺性优良、成本低,30,高分子材料包括以下四类 塑料 橡胶 粘接剂 纤维 其中塑料、橡胶大量用作工程材料,31,（3）无机非金属材料,无机非金属材料是由氧化物、碳化物、氮化物等组成 包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料 原子之间主要是共价键和离子键，键能大 大多具有高熔点、高硬度、不导电、低膨胀系数、脆性大等特点。 陶瓷作为绝缘材料、耐热材料、耐磨件等，如火花塞 、发动机气缸顶等，炉窑结构、高压电线绝缘子、切削刀具等。,32,离子键,电负性相差较大的元素依靠交换电子形成满壳层的正负离子，然后依靠静电结合在一起形成离子键。 离子键没有方向性，但是有饱和性，要求一定的正负离子比例。如nacl之间,33,共价键,共价键依靠共用电子对所产生的力结合，共价键有方向性和饱和性。,34,（4）复合材料,复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同组织结构材料组合在一起而构成的。 如果选择适合的组分材料及复合工艺，可以得到在强度、刚度和耐蚀性等方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越的材料，复合材料具有广阔的发展前景。 复合材料通常分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。,35,材料科学与机械工程,材料与产品质量 是产品质量的重要保证 材料与机械设计 正确选择材料及其加工工艺 材料与机械制造 成形和改性工艺,36,课程的性质与任务,机械设计与制造类专业重要的技术基础课， 使学生在获得工程材料一般知识的基础上,了解常用材料成分、组织、性能和加工工艺之间的关系及其用途, 初步具备合理选择材料和使用材料、正确选择加工方法及安排制订加工工艺路线的能力,也为后继有关课程的学习奠定必要的材料学基础。 以培养学生具有合理选用材料,正确选定热处理工艺方法,妥善安排工艺路线的初步能力为主要目标。,37,学习方法,认真听课 看书:课前预习,课后复习 独立完成作业 有问题多与老师交流 考核方法:闭卷考试,38,是否想学好本课程？,为了应付考试？记录老师讲课重点（经常提到） 为了工作需要？认真读懂教材和参考书 为了扩大知识面？广泛涉猎课外书籍、勤于思考