工程材料与常用工程材料

第四章：工程材料的性能与常用工程材料,PropertiesofEngineeringMaterialsandItstypes,第一节：工程设计制造对材料的性能要求,第二节：工程材料的类型,第三节：常用工程材料的特征,第四节：工程领域选材及用材情况,第一节：工程设计制造对材料的性能要求,一、材料与工程实际联系的纽带是性能,各领域对材料提出了不同的性能要求：机械行业：主要为力学性能；石油化工：力学性能，耐腐蚀，耐热性能；航天领域：比强度，比刚度,高温强度等。,从工程意义上说，材料和材料工程的核心就是材料的性能以及如何达到所希望的性能。,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,塑性加工,模锻,回到主页,塑性加工,锤上模锻,回到主页,焊接,电弧焊,回到主页,埋弧焊,焊接,电弧焊,回到主页,埋弧焊,焊接,电弧焊,回到主页,CO2气体保护焊,表面热处理,感应加热表面淬火,刀具的几何形状及刀具材料,金属切削加工基础,刀具的组成：,切削部分,夹持部分,内圆加工,.钻孔,刀具的几何形状及刀具材料,金属切削加工,硬质合金刀块,二、材料性能的几点属性,材料的性能是各种负荷作用的响应力学负荷(加力、力矩、能量)力学性能；物理（负荷）过程物理性能；化学（介质）作用化学性能。,材料性能的条件性,材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为，即材料的性能具有条件性。,例如：含30%Zn的黄铜其b=320MPa（室温空气拉伸负荷及工业标准的拉伸速度和计算方法)。,某材料高温力学性能=100MPa，则表示此材料在500温度下，10万小时后伸长为1%的蠕变极限为100MPa。,材料性能指标的多样性及评价,任何一种材料都具有一定数值的各种性能指标，如强度、塑性、导电性、耐蚀性等等。不同场合所要求的(最佳)性能不同，如：成型加工软些好；作为工具尽可能的硬；欲破碎脆些好；做输电线小电阻(超导电最好)；绝缘材料高电阻。,三、材料的主要性能要求：（如图4-1）,军用产品（核潜艇、航天飞机、导弹等）：安全，可靠性为第一位，且不惜工本，所用材料定型，不轻易变动。,民用产品：多将经济成本放在首位，用满足一定寿命期限的最低成本材料。,例1：飞机机翼和机身的主框架用高强铝合金7075(Al-Zn-Cu-Mg)。,例2：飞机起落架用超高强度钢（300M）。,例3：家电、轻工、日用品，强度要求不高且多为不规则形状，多用塑料注塑，压塑等成型；航天飞机增压舱形状复杂，要求比强度高，不能用塑料，而用有色金属超塑性加工成型。,第二节：工程材料的类型,一：分类:,按存在状态：单晶体，多晶体和非晶体材料。,按尺寸：一维(纤维,晶须)、二维(薄膜)和三维(块体)材料等。,按用途：建筑材料、机械工程材料、航空航天材料、核材料、信息材料、电子材料、能源材料、生物材料、医用材料等。,按物化性质：耐磨材料、耐蚀材料、磁性材料、半导体材料、超导材料等,最常用、最有价值的分类：,按其组成和性质：金属材料、无机非金属材料（陶瓷）、高分子材料和复合材料（如图4-2）。,按主要功能：结构材料和功能材料。,按开发使用时间和先进性：传统材料和新型材料（先进材料）。,二、结构材料和功能材料,结构材料：利用其力学性能，制造以受力为主的构件。如齿轮、轴、自行车链条、飞机起落架和房梁等。有时也要求某些理化性能（第二位，如光泽、热导率、抗腐蚀、抗氧化等）。结构材料量大面广，是机械制造，工程建筑，交通运输，能源利用物质基础，结构材料大都属于传统材料。现今，新型陶瓷结构材料、高性能高分子材料、复合材料正受到高度重视。,功能材料：利用其独特的物理性质（热、光、电、声、磁等），化学性质（溶蚀性、耐腐蚀性、抗渗入性、抗氧化性，催化性能、离子交换性能以及吸收、吸附等性能）和生物功能等。它在电子、红外、激光、能源、通信等许多新技术发展中起重要作用。常用于电子器件、光敏元件、绝缘材料等。如制作磁盘、集成电路、光纤以及各类传感器、能量转换器等。是今日高科技的基础。,结构材料和功能材料的划分是相对的，铜既是结构材料（如做涡轮阀门），又是功能材料（导线等）。,三、传统材料和新型材料,传统材料：指在工业中早已批量生产，成熟应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。是建筑业，汽车业等支柱产业的基础（又称基础材料）。需求量大，生产规模大，价格低。但资源负担大，环境污染严重。,新型材料（先进材料）：指正在发展、具有优异性能和应用前景的材料。主要用于高科技产品，在商业化或研制之中，具有保密性，如高性能金属材料，特种陶瓷，先进复合材料，金刚石薄膜及生物功能材料等。其投资强度高、更新规模快、风险性大、知识和技术密集程度高，成功后回报率高、不以规模取胜（量少利大）。,传统材料和新型材料的关系：,传统材料新技术具有更优良性能成为新材料,先进材料解密后商业化并大量生产应用成为传统材料,从传统角度看，传统材料更为重要，尤其是民用工程。,第三节：常用工程材料的特征,一、金属材料的特征：,优良的力学性能：在具有较高强度的同时，有很好的塑性、韧性广泛用于工程结构材料。,高强度、高模量、高结合能：导致具有较高的熔点、刚度及强度（其结合键为金属键）。,某些理化性能：导电，导热，减摩（如青铜），耐蚀（如不锈钢，铝，铜合金）。,性能范围广泛：从轻金属到重金属，从碱金属、贵金属,到过渡金属，其密度、弹性摸量、强度以及抗氧化能力等可在数倍数百倍范围内变动（故很大选择余地）。,优良的加工性能：具有好的塑性成型性，铸造性，切削加工和电加工性。,可热处理及表面改性：大幅度（成倍）改变其性能。,价格一般比较便宜，易获得。,缺点：,地球资源有限（如铜，仅几十年开采年限）；特高温度(1050)及某些特殊介质中不能胜任。,工程应用广泛：机械制造：钢铁95%、有色金属4.5%、塑料0.5%；汽车业(1985年福特公司)：钢铁72%、铝合金5.3%、塑料8.5%。,二、无机非金属材料的特性：,主要由氧化物、碳化物、氮化物以及硅酸盐等物质组成的材料，由传统硅酸盐材料演变而来，其典型代表即陶瓷材料。,主要由离子键或离子共价键组成，具有高键强，高键能。故具有高化学稳定性，耐高温，耐腐蚀。,极高的弹性模量,比金属高数倍。,属脆性材料，抗压不抗拉。,硬度高，高温下仍保持高硬度值。,熔点高,高温强度好。作高温材料,如陶瓷发动机,坩埚等.,导电性能变化范围大：可作为绝缘材料、半导体材料以及其他功能材料。,缺点：,极脆，加工性差，可靠性差。,工程应用：一般日常用途（传统陶瓷）；某些特殊用途（现今陶瓷，如压电材料、磁性材料和生物陶瓷，如人造器官）。,三、高分子材料的特征：,高分子材料是有许多小分子单体经聚合反应（以共价键结合）而形成。它具有一系列不同的特点：,密度小：聚丙烯910kg/m3,泡沫塑料仅10kg/m3,对产品轻量化有利。,强度低，但比强度高（甚至高于钢铁），某些工程塑料能代替部分金属制造机器零部件。,低的弹性模量，较高的弹性(100%1000%,金属0.1%).,优良的电（绝缘）性能，作为优良的绝缘材料。,优良的减摩、耐磨和自润滑性能。,优良的耐腐蚀性能（耐酸、碱及某些化学药品），甚至胜过一般的不锈钢。,优良的透光性和隔热、隔音性.如有机玻璃、聚苯乙烯的透光率90%，是很好的轻型建筑材料。,可加工性好，可用各种方法成形与后加工，单件成本低廉。,缺点：,绝对强度、刚度水平低，不耐热(陶瓷铝玻璃纤维增强复合材料(GFRP)塑料。,耐热性：陶瓷钢铁铝GFRP塑料。,拉伸强度：钢铁GFRP铝陶瓷玻璃塑料,比拉伸强度：GFRP铝钢铁塑料玻璃陶瓷。,韧性：钢铁铝GFRP塑料陶瓷玻璃,导热率：铝钢铁陶瓷玻璃GFRP塑料,线膨胀系数：塑料铝GFRP钢铁玻璃陶瓷,导电率：铝钢铁陶瓷GFRP玻璃塑料,GeneralCharactersofMaterials,Chapter3PropertiesofMaterials,33,化学性能ChemicalPerformance,Chapter3PropertiesofMaterials,34,材料抵抗各种介质作用的能力,力学性能MechanicalProperty,Chapter3PropertiesofMaterials,35,材料抵受外力作用的能力,应力=P/F0应变=(l-l0)/l0,材料的一些力学性能特点：,很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性；多晶材料的强度高于单晶材料；这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。固溶体或合金的强度高于纯金属；杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。源于共价键的方向性,Chapter3PropertiesofMaterials,39,各种材料的硬度特征：,由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度，这是因为共价键的强度较高；无机非金属材料有较高硬度离子键和共价键的强度均较高；当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高。金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。高分子材料硬度通常较低分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱,Chapter3PropertiesofMaterials,40,材料的硬度（hardness)材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度,布氏硬度（Brinellhardness）洛氏硬度（Rockwellhardness）维氏硬度（Vickershardness）,Chapter3PropertiesofMaterials,41,材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标,硬度材料抵抗局部变形，特别是局部塑性变形、压痕或划痕的能力1）布氏硬度HB2）洛氏硬度HRC,Chapter3PropertiesofMaterials,43,硬度试验,疲劳性能材料抵抗疲劳破坏的能力,疲劳（fatigue）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。,Chapter3PropertiesofMaterials,44,热性能ThermalProperty,热容（heatcapacity）热膨胀（thermalexpansion）热传导（thermalconduction）,Chapter3PropertiesofMaterials,45,各种材料的导热率,金属材料有很高的热导率自由电子在热传导中担当主要角色；金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；晶格振动无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率随温度升高而增大。半导体材料的热传导：电子与声子的共同贡献低温时，声子是热能传导的主要载体。较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。高分子材料热导率很低热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。,Chapter3PropertiesofMaterials,46,Chapter3PropertiesofMaterials,47,2.1.3.5Electricalproperty,导电性能ElectricalConductivity,金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）,第四节：工程领域选材、用材情况,一、汽车,支柱产业。1885年世界上第一辆汽车驶上街头，1908年美国人福特发明T型汽车，并实现了部件标准化和生产装配流水化作业。,汽车工业带动、促进相关工业(冶金，石油化工，机械，电子电器，轻工，纺织等)和社会服务行业(交通运输，石油，保险，维修，商业等)的发展，经济效益和社会效益巨大。,汽车由上万个零件组装而成。,汽车工业涉及十一大类材料：钢铁、塑料、橡胶、涂料、有色金属合金、铸件、陶瓷和玻璃、金属基复合材料等。,仅美国每年消耗于汽车的用料约6000万吨。,美国福特汽车公司(1985年)的数据为：钢铁72%，铝合金5.3%，塑料8.5%。我国以中型卡车为例，钢材64%，铸铁21%，有色金属1%，非金属材料14%。,二、航空航天器材料,特点：要求高，大量用新材料，保证高可靠性。,用材广泛：铝合金、钢、钛合金；纤维增强金属基复合材料、高分子材料、高温结构陶瓷、特殊玻璃。,例1：航天飞机在进入太空或返回大气层时，几分钟内从室温达到1000以上，采用陶瓷作为热绝缘材料(用SiO2纤维编织成2万多个陶瓷片，覆盖机体表面约70%的面积).,例2：玻璃塑料复合透明件，适用于制造各种飞机的防弹玻璃和抗鸟撞击玻璃等。,三、机床用材,特点：工作环境好，受力小且平稳；对精度和保持精度的寿命要求高。,用材:主要为铸铁(70%)和碳钢(20%),合金钢和有色金属占10%，近年来工程塑料已经取代部分有色金属(某些齿轮、垫片、油管、罩壳等)。,四、工程机械