模块二---工程材料性能与选用-第1章.ppt

1 卓越工程师模块二 工程材料性能和选用 主讲教师 材料学院袁广银 余春gyyuan 办公室 材料学院B楼205室TEL 34203051 O授课对象 立志从事产品设计或研发 技术创新 工程管理等工作的材料专业大四本科生 卓越工程师 模块二课程目标 培养具有实践技能的卓越工程师后备人才 坚持 三个面向 培养战略 面向工业界 就是要主动适应工业界的需求 为中国特色新型工业化发展服务 为国家经济社会可持续发展服务 面向世界 就是要服务 走出去 战略 为工业界开拓国际市场提供具有国际竞争能力的工程技术人才 面向未来 就是要有战略眼光和前瞻意识 培养能够满足未来发展需要 能够适应和引领未来工程技术发展方向的工程师 课程建设规划 课程定位 材料加工工艺和设备工程材料性能和选用材料加工过程质量控制和管理工程项目管理 卓越工程师 模块二课程设置 课程建设规划 课程内容 4 第一章材料与性能1 金属材料的结构与组织2 金属材料的性能 第三章金属材料组织和性能的控制合金的结晶钢的合金化基础钢的热过程和热力过程 第二章工程材料及工程域1 陶瓷与玻璃2 混合材料3 金属和合金4 聚合物和弹性体 课程内容 5 第四章工业用钢1 钢的分类及编号2 结构钢 1 工程构件用钢 2 机器零件用钢3 工具钢 1 刃具钢 2 模具钢 3 量具钢4 特殊性能钢 1 不锈钢 2 耐热钢 3 耐磨钢 6 第五章铸铁1 铸铁的分类及特征2 常用铸铁3 铸铁的合金化4 铸铁的热处理 第六章有色金属及其合金1 铝及其合金2 镁及其合金3 钛及其合金4 铜及其合金5 轴承合金 第七章材料加工及工艺域1 焊接2 成形3 表面处理 7 第八章部件的全生命评价1 部件的失效形式及失效分析方法2 部件的选材3 部件的全生命评价 参考教材1 CES2011EDUPACK CES教育版软件 2 工程材料及应用 徐自立主编 华中科技大学出版社 20073 EssentialsofMaterialsScienceandEngineering DonaldR Askeland PradeepP Phule 清华大学出版社 2005 8 1 1 金属材料的结构与组织一 材料的结构1 不同层次的结构 1 材料的单个原子结构 原子核外电子排布影响材料的电 磁 光和热性能 第一章材料与性能 2 原子空间排列a 规整的原子排列 晶体结构 显著影响材料的力性 FCC 12个滑移系 HCP 2b 一些陶瓷 大部分聚合物 金属玻璃原子排列无序 非晶态 性能与晶态材料异 9 Crystal Ni Pamorphous Ni P Quasicrystal G Yuanetal J Mater ResearchVol 19 5 2004 What stheicosahedralquasicrystals 10 3 显微组织 包括晶粒大小 合金相种类 数量和分布等参数 决定材料的力性 11 补充介绍 结合授课人研究经历 金属非晶的结构特点及其独特的性能非晶在航天探测器方面和精密仪器领域应用 2 材料的原子键合及其特性 12 2材料的原子键合及其特性1 ionicbond 周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时 前者失去外层价电子变成正离子 后者获得电子变成满壳层负离子 正负离子由静电引力相互吸引 十分接近时相互排斥 引力和斥力相等即成稳定的离子键 特点 1 结合力大 离子晶体硬度高 强度大 热膨胀系数小 脆性大 2 很难产生自由运动的e 离子晶体是良好的绝缘体 3 离子的外层e比较牢固地被束缚 可见光能量不足以使其激发 不吸收可见光 典型的离子晶体无色透明 13 2 covalentbond 处于周期表中间位置的3 4 5价元素 原子既可获得e变为负离子 也可失e变正离子 当这些元素原子之间或与临近元素形成分子或晶体时 以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合 由共价键电子对产生的结合称为 共价键特点 结合力很大 共价晶体强度 硬度高 脆性大 熔 沸点高 挥发性低 许多陶瓷和聚合物材料是完全或部分通过共价键结合 14 3 metallicbond 周期表中I II III族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子 原子易失价电子而成正离子 被丢失的价电子为全体原子所公有 自由e 正离子在电子云中呈高度对称的规则分布 正离子和电子云之间产生强烈静电吸引力 使全部离子结合起来 15 由金属键结合的金属具有特点 良好的导电和导热 大量自由e存在 外加电场e可自由流动 表现出优良导电性 导热性好归结于 1 自由电子的活动性强 2 依靠金属离子振动的作用而导热 正的电阻温度系数 绝大多数金属具有超导性 即在温度接近于绝对零度时电阻突降 趋近于零 加热时 离子 原子 振动增强 空位增多 离 原 子排列的规则性受干扰 电子运动受阻 电阻 金属中自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到其表面的光能 金属不透明并呈现特有的金属光泽 金属键没有方向性 原子间也没有选择性 受外力作用发生原子位置相对移动时 结合键不会受破坏 金属具有好的塑变能力 强韧性好 16 4 vanderWaalsbond moleculerbond 一些高分子材料和陶瓷的分子常具有极性 即一部带正电 另一部带负电 一个分子的正电荷部分和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两分子结合在一起 例 高分子材料聚氯乙烯 PVC 分子内原子以共价键结合 应很脆 但链与链间形成分子健 实际有很高的塑性 特点 范德瓦尔斯力很弱 分子键结合的材料熔点 硬度低 无自由e 具有良好绝缘性 17 3工程材料分类 据材料中原子间键合特点 1 金属材料 1 黑色金属 钢和铸铁 金属键为主 2 有色金属轻有色金属 4 5Cu Zn Ni2 陶瓷材料 氧化物陶瓷 Al2O3 SiO2 MgO ZnO 离子键为主 非氧化物陶瓷 碳化物 氮化物 硼化物3 高分子材料 塑料 橡胶 合成纤维 共价键 分子健 4 复合材料 金属基 陶瓷基 树脂基 混合键 18 二 合金的相结构固态合金中的相 固溶体和金属间化合物 一 固溶体合金中某一组元为溶剂 在其晶格中溶入其它组元原子 溶质 后形成的一种合金相 特征 仍保持溶剂的晶格类型 等表示分类 间隙固溶体 置换固溶体 1 影响固溶体固溶度的主要因素 1 元素的晶体结构 晶体结构同 形成无限固溶体的必要条件 2 原子尺寸因素 rA rB rA 15 有利于大量固溶 3 电负性因素 两元素间电负性相差越大 化学亲和力越大 生成的化合物越稳定 电负性差越小 越易形成固溶体 4 电子浓度因素 合金中价电子数目与原子数目的比值称为电子浓度 在尺寸有利的条件下 溶质原子价越高 固溶度越小 一定形式的固溶体只能稳定存在于一定的电子浓度范围内 19 2 固溶体性能随着溶质含量 固溶体强度 硬度 固溶强化 塑性 韧性 电阻率 磁矫顽力 固溶体一般作为基体相 二 金属间化合物当溶质含量超过固溶体固溶度时 将出现新相 新相晶体结构不同于任一组元 成份在相图中位于组元A B为溶剂的固溶体的最大固溶度之间 称为中间相 中间相结合键主要为金属键 兼有离子健 共价键 中间相具有金属性质 又称金属间化合物 20 金属间化合物特点 复杂的晶体结构 熔点高 硬而脆 合金的强度 硬度及耐磨性 合金的塑韧性 21 金属间化合物类型 1 正常价化合物符合一般化合物的原子价规律 成分固定 可用化学式表示 Mg2Si 具有很高的硬度和脆性 能有效强化合金 2 电子化合物不遵守原子价规律 只服从电子浓度规律 即合金的电子浓度达到某一数值 便会形成具有某种晶格结构的化合物相 当电子浓度为3 2 21 14 为体心立方晶格 称 相 CuZn Cu3Al 21 13时 为复杂立方 称 相 Cu5Zn8 Cu9Al4 7 4 21 12 时 为密排六方 称为 相 CuZn3 Cu5Al3 22 3 间隙相与间隙化合物过渡族金属可与H B C N等原子半径较小的非金属元素形成化合物 金属与非金属原子半径rX rM0 59 复杂晶体结构的间隙化合物 1 间隙相 Me排成立方 六方点阵结构 非Me填充间隙位置 MX WC TiC TiN ZrH M2X W2C Fe2N 23 间隙相特点 具有极高硬度和熔点 有明显金属性 是合金工具钢和硬质合金主要强化相 一些间隙相熔点和硬度 2 间隙化合物 具有复杂结构 熔点硬度比间隙相低 钢中主要强化相合金钢中常出现间隙化合物 Cr Mn Mo Fe的碳化物主要类型 M3C M7C3 M23C6Fe3C是钢中最重要一种间隙化合物 Fe可部分被Mn Cr Mo W置换 形成 Fe Mn 3C等 称合金渗碳体 24 一些间隙化合物熔点和硬度 25 9月12日 第二次课 1 2 1金属材料的工艺性能一 铸造性浇注时液体金属充满比较复杂的铸型并获得优良铸件的能力 包括流动性 收缩性和偏析等 1 2金属材料的性能 1 2 1金属材料的工艺性能二 可锻性金属材料易于锻压成型的能力 可塑性变形的温度范围宽 变形抗力小是可锻性能好的标志 1 2金属材料的性能 1 2 1金属材料的工艺性能三 可焊性材料易于被焊接到一起并获得优质焊缝的能力 钢的含碳量直接影响可焊性 含碳量越低 可焊性越好 1 2金属材料的性能 1 2 1金属材料的工艺性能四 切削加工性材料容易被切削加工成型并得到精确的形状和高表面光洁度的能力 与材料的硬度 韧性等性能有关 1 2金属材料的性能 1 2 2金属材料的机械性能包括强度 塑性 硬度 韧性及疲劳强度等 一 材料的应力 应变曲线评价材料的力学性能最简单有效的方法就是测定材料的拉伸曲线 拉伸标准试样及低碳钢应力应变曲线如图 l l0 l0 P F OA弹性变形阶段 e弹性极限 p比极限 称为弹性模量E 单位MPa 弹性模量物理意义 产生单位变形时所需应力的大小 是材料最稳定的性质之一 材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度 其指标即为弹性模量 二 强度与塑性 1 强度 1 屈服强度 s材料抵抗永久变形的能力 实际上多数材料的屈服强度不明显 因此规定拉伸时产生0 2残余变形所对应的应力为条件屈服强度 计为 0 2 Rr0 2 如图1 3所示 注 括号内为GB T228 2002中的符号 2 抗拉强度 b材料断裂前承受的最大应力 反映材料抵抗断裂破坏的能力 计为 b Rm 2 塑性材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力 指标为伸长率和断面收缩率 伸长率 A l1 l0 l0 100 断面收缩率 F0 F1 F0 100 试样无缩颈 是脆性材料的表征 试样有缩颈 是塑性材料的表征试样直径d0不变时 随l0的增加 下降 只有l0 d0为常数时不同材料的伸长率才有可比性 l0 10d0伸长率用 A11 3 表示l0 5d0伸长率用 5 A 表示3 韧性变形到断裂整个过程所吸收的能量 即拉伸曲线与横坐标所包围的面积 三 硬度 材料抵抗局部变形的能力 1 布氏硬度HBW F 试验力 ND 硬质合金球直径H 压痕深度 mmd 压痕平均直径 例 600HBW1 30 2 表示用直径1mm的硬质合金球在294 2N试验力下保持20S测得的硬度为600 优点 测量误差小 数据稳定 缺点 压痕大 不能用于太薄件用于硬度较低的退火钢 正火钢 调质钢 铸铁及有色金属的原料和半成品对于钢 b与HBW之间的经验关系为 b MPa 3 55 HBW 175HBW b MPa 3 38 HBW 175HBW 2 洛氏硬度HR h 卸除主试验力后 初试验力下压痕残留的深度 即残余压痕深度 mmS 给定标尺的硬度单位 mmN 给定标尺的硬度数 例 59HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度为59 使用钢球压头的标尺 在硬度符号后面加 S 使用硬质合金球压头的标尺 在硬度符号后面加 W 如60HRBW 表示用硬质合金球压头在B标尺上测得的洛氏硬度值为60 常用洛氏硬度标尺 3 维氏硬度HV F 试验力 Nd 压痕两对角线长度d1 d2的算术平均值mm 例 640HV30 20表示在试验力294 2N下保持20s测定的维氏硬度为640 根据施加的试验力范围不同 规定了3种维氏硬度的测定方法 见表1 2 优点 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点 可测量极软到极硬材料的硬度 又能比较 既可测量大块材料 表面硬化层的硬度 又可测量金相组织中不同相的硬度 缺点 显微镜下测量压痕尺寸 操作不如洛氏硬度方便 四 冲击韧性 材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力 冲击吸收功 Ak冲击韧度 k 缺口部位单位横截面上的冲击吸收功 冲击韧性随温度下降而下降 在某一温度范围内 k值急剧下降的现象称为韧脆转变 发生韧脆转变的温度称为韧脆转变温度 韧脆转变温度对组织和成分很敏感 并非所有材料都有韧脆转变现象 面心立方金属及其合金即使在非常低的温度下也能保持韧性状态 体心立方和 密排六方金属及其合金有韧脆转变温度 五 疲劳 交变载荷 大小或方向随时间而变化的载荷 如齿轮的齿 转动机械的轴 材料在交变载荷的作用下 常常在远低于其屈服强度的应力下发生断裂 这种现象称为疲劳 材料承受的交变应力与断裂时应力循环次数N之间的关系可用疲劳曲线来描述 疲劳强度 金属材料在无限多次交变应力作用下 不致引起断裂的最大应力称为疲劳极限或疲劳强度 疲劳强度的分类根据应力循环数分为高周疲劳和低周疲劳 低周疲劳指材料所受力较高 通常接近或超过屈服极限 断裂前的应力循环次数一般少于10 4 10 5 每次循环过程中都发生塑性变形 低周疲劳破坏就是塑性变形累积的结果 高周疲劳是指材料所受的交变应力远低于材料的屈服极限 断裂前的应力循环次数大于10 5 通常用疲劳曲线 S N曲线 来描述该材料的疲劳特性 高周疲劳的寿命主要指的是裂纹萌生寿命 高周疲劳采用常规疲劳计算方法 常规疲劳强度计算常规疲劳强度计算假设零件没有初始裂纹 应用标准试样实验得到的材料疲劳极限或S N曲线为依据 再考虑零件由于表面状态 尺寸及几何形状引起的应力集中等因素 上图示以最大应力 max 为纵坐标 疲劳寿命N为横坐标 根据试验数据得到的S N曲线 钢材的S N曲线的右侧是一条水平渐近线 水平线起始点对应的应力值称为疲劳极限 疲劳极限表明 只要最大应力小于疲劳极限 应力循环次数可以无限大而不发生破坏 水平线起始点的横坐标Ne大约为 N Ne的区域称为无限寿命区 根据S N曲线水平线段进行的疲劳强度计算称为无限寿命计算 疲劳曲线的左侧是一条近似斜线 在斜线段N Ns 称为有限寿命区 根据这段斜线所作的疲劳强度计算称为有限寿命计算 疲劳强度计算准则1 如果零件的应力循环次数NNs 但是小于Ne Ne称为应力循环基数 对于钢材Ne 10 7 根据零件对应的疲劳强度 rk 对零件进行有限寿命疲劳计算 3 如果零件的应力循环次数N Ne 根据疲劳极限 rk 对零件进行无限寿命疲劳计算 沿海地区以及内陆山口地区自身高度大的起重机 如果金属结构自振频率小于4Hz 由于风振作用 在自重载荷和风载荷作用下 金属结构有可能发生疲劳破坏 都需要进行疲劳计算 应力循环数计算为了确保是否需要进行疲劳计算 以及在进行疲劳计算时确定零件的疲劳强度 都需要对零件在设计寿命期内的应力循环次数进行计算 零件在设计寿命期内的应力循环数N位 N FZ式中Z 零件的设计寿命 h 一般按照机构的设计寿命选取 F 零件每小时应力循环数 应力变动值小于最大应力绝对值的10 时 不计其应力循环数 无限寿命疲劳计算当零件应力循环数N大于循环基数Ne 应进行无限寿命疲劳计算 这一设计准则要求零件或结构在无限长的使用时期内 不