工程材料性能及应用简介(绪论)

1、2021/3/1410 绪论绪论 工程材料性能及应用简工程材料性能及应用简介介材料力学性能材料力学性能2021/3/1420 绪论绪论材料材料材料的性能材料的性能材料的分类材料的分类研究内容及目的研究内容及目的主要参考书主要参考书2021/3/143The material possessions of a family matching the statistical average for the United States. (From Peter Menzel, Material World.A Global Family Portrait, Sierra Club Books,San

2、 Francisco, 1994.)2021/3/1440.1 材料材料 经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为工业和农业的劳动对象称为“原料原料”,把经过工业加工把经过工业加工的原料成为的原料成为“材料材料”。1.1. 材料是材料是人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基础础,是人类活动不可缺少的东西。是人类活动不可缺少的东西。2. 材料是社会生产力发展的标志材料是社会生产力发展的标志,生产中使用的材料性质反生产中使用的材料性质反映了人类社会的文明水平。映了人类社会的文明水平。3

3、. 现代国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、信现代国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、信息的发展。息的发展。什么是材料什么是材料2021/3/145材料材料工程技术人员学习材料科学知识的意义工程技术人员学习材料科学知识的意义 评价评价一个设备、部件、零件的优劣或质量一个设备、部件、零件的优劣或质量: :必需必需保证使用的基本性能保证使用的基本性能（力学、物理）（力学、物理）, ,具有一定的寿命具有一定的寿命（耐（耐 疲劳、磨损、腐蚀）疲劳、磨损、腐蚀）; ;便于制造便于制造, ,即可以生产出来即可以生产出来; ;可接可接受的成本。受的成本。 这几点要求是相互矛盾的这几点要求是相互矛

4、盾的, ,但是应利用各种专业知识但是应利用各种专业知识, ,从中找从中找到一个合理的配合到一个合理的配合, ,可见其中材料起到相当重要的决定性作用。可见其中材料起到相当重要的决定性作用。 在机械产品的设计和维护中,不要单看材料仅仅是图纸标题栏中诸多内容中的一项,用的得当可以反映设计的先进性,达到价廉物美的效果;否则,可能是一个落后的设计,或者是闭门造车,根本上没法制造出来,甚至会隐藏祸根,导致使用中酿成事故和灾难。2021/3/1460.2 材料的性能材料的性能 材料的性能材料的性能是指材料的性质和功能。是指材料的性质和功能。 性质性质是本身所具有的特质或本性是本身所具有的特质或本性; 功能功

5、能是人们对材料的某种期待与要求中可以是人们对材料的某种期待与要求中可以承担功效承担功效,以及以及承担该功效下的承担该功效下的表现或能力表现或能力。主要有主要有（1 1）力学性能）力学性能（2）物理性能）物理性能（3）化学性能）化学性能（4）工艺性能。）工艺性能。2021/3/147不同服役条件对材料性能的要求不同不同服役条件对材料性能的要求不同2021/3/148力学性能力学性能 材料的力学性能是指材料处于特定环境因素材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、温度、介质等介质等)时时,在外力或能量的作用下表现出来的变形和破坏在外力或能量的作用下表现出来的变形和破坏的特征。的特征。材料的性能

6、材料的性能 通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料的主要力通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料的主要力学性能有学性能有: 弹性弹性 强度强度 塑性塑性 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳特性疲劳特性 耐磨性耐磨性2021/3/149拉伸试验拉伸试验过程过程: :力学性能力学性能外力增加外力增加, ,试样伸长。得到试样伸长。得到P P l曲线曲线, ,换算为换算为 曲线。曲线。材料表现为弹性变形、均匀塑性变形、颈缩、断裂。材料表现为弹性变形、均匀塑性变形、颈缩、断裂。2021/3/1410弹性与刚度弹性与刚度弹性变形弹性变形: :力学性能力学性能弹性模量与刚度弹性模量与刚

7、度: : 在在OAOA段为直线段为直线, ,即应力与应即应力与应变成正比变成正比, ,变化规律服从虎克定律。变化规律服从虎克定律。并且在外力卸载后试样恢复到原并且在外力卸载后试样恢复到原始长度。可以达到的最大应力成始长度。可以达到的最大应力成为弹性极限为弹性极限( (或比例极限或比例极限) )。2021/3/1411强度与塑性强度与塑性屈服强度屈服强度:s s 0.20.2 力学性能力学性能塑性塑性: :断裂前可发生永久变形的断裂前可发生永久变形的能力。能力。抗拉强度抗拉强度:b b 材料材料开始发生塑性变形的开始发生塑性变形的最小应力。最小应力。 材料材料发生断裂前能承受的发生断裂前能承受的

8、最大应力。最大应力。2021/3/1412硬度硬度硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标是衡量材料软硬程度的指标, ,反映材料抵抗局部塑性变形反映材料抵抗局部塑性变形的能力。的能力。力学性能力学性能莫氏硬度莫氏硬度: :材料名称材料名称 硬度级别硬度级别滑石滑石1石膏石膏2萤石萤石4钠长石钠长石6黄玉黄玉8刚玉刚玉9金刚石金刚石10布氏硬度：布氏硬度： 用直径D钢球在力P的作用下压在试样上，保持一定时间,得到压痕(直径d)。实用于较软塑性材料测量。2021/3/1413硬度硬度力学性能力学性能洛氏硬度：洛氏硬度： 用120圆锥金刚石压头，1470N (150kgf)力压入材料，以压入材料表面的深度来

9、度量材料的硬度。用于硬度较高的（淬火）钢件。 用对面夹角用对面夹角136136四棱锥金刚石压头，在力四棱锥金刚石压头，在力P P作作用下压入材料，用压痕单位面积上承受的力作为用下压入材料，用压痕单位面积上承受的力作为材料硬度的度量。力的大小从材料硬度的度量。力的大小从980N980N、490N490N、297N297N到到0.192N0.192N不等。压痕小用显微镜来观察，用于不等。压痕小用显微镜来观察，用于测量表层或微区。测量表层或微区。维氏硬度：维氏硬度：2021/3/1414冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。常用是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断

10、裂的能力。常用一次弯一次弯曲冲击韧性曲冲击韧性试验试验a ak k值来表示。以带缺口标准试样快速冲断时值来表示。以带缺口标准试样快速冲断时, ,单位横截单位横截面积吸收的功来衡量。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。面积吸收的功来衡量。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。力学性能力学性能试样尺寸试样尺寸试验方法试验方法2021/3/1415断裂韧度断裂韧度断裂韧性断裂韧性是材料中存在缺陷时是材料中存在缺陷时, ,材料抵抗脆性断裂的材料抵抗脆性断裂的能力。能力。力学性能力学性能 断裂韧度指标为断裂韧度指标为K KICIC, ,有专门的测定方法。工程应用要求有专门的测定方法。工程应用要求:

11、 : 因为因为 大型构件不可避免存在各种缺陷大型构件不可避免存在各种缺陷, ,在缺陷前端有不同的应力作在缺陷前端有不同的应力作用用, ,都存在应力集中都存在应力集中, ,其中裂纹受张开应力作用为最危险。其中裂纹受张开应力作用为最危险。Y裂纹形状系数裂纹形状系数,a裂纹长度的一半。裂纹长度的一半。2021/3/1416疲劳强度疲劳强度 零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下, ,而发生的断裂现象称而发生的断裂现象称为为疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断裂是损伤积累的过程。疲劳断裂是损伤积累的过程, ,包括疲劳裂纹的产生、扩展、瞬包括疲劳裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三

12、个阶段。应力大小和循环次数有关。间断裂三个阶段。应力大小和循环次数有关。力学性能力学性能低周疲劳低周疲劳又称条件疲劳极限又称条件疲劳极限, ,参照参照零件工作周期可能作用的次数零件工作周期可能作用的次数N N下下能承受的应力极限值能承受的应力极限值N N。（可以有效发挥材料的作用）高周疲劳高周疲劳对称应力作用趋于水平对称应力作用趋于水平线的最大应力为线的最大应力为-1-1 , ,作为永久可作为永久可用的疲劳强度极限。实际大多以用的疲劳强度极限。实际大多以10107 7次未断裂的应力来测定。次未断裂的应力来测定。2021/3/1417耐磨性耐磨性 一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面的尺寸

13、一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面的尺寸变化、质量损失现象成为磨损。变化、质量损失现象成为磨损。力学性能力学性能 磨损的后果可能因零件尺寸变化磨损的后果可能因零件尺寸变化, ,轻则降低传动质量轻则降低传动质量, ,影影响部件的使用性能响部件的使用性能; ;重则因尺寸变小造成零件断裂。重则因尺寸变小造成零件断裂。 磨损主要有磨损主要有磨粒磨损磨粒磨损( (切削切削) )、粘着磨损粘着磨损( (分子作用力分子作用力) ); ;此此外接触疲劳有人归类为磨损外接触疲劳有人归类为磨损, ,也有人归为另一类损伤形式。也有人归为另一类损伤形式。 测定方法让两试样组成摩擦副让两试样组成摩擦副, ,在设

14、定条件在设定条件( (力、润滑剂力、润滑剂) )进行一定时间的摩擦运动后进行一定时间的摩擦运动后, ,测定试样的尺寸减小值测定试样的尺寸减小值/ /质量的质量的损失值损失值/ /摩擦表面外观形貌来比较不同材料的耐磨性。摩擦表面外观形貌来比较不同材料的耐磨性。2021/3/1418物理性能物理性能 材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量(热、电、热、电、光、磁等光、磁等)以及环境变化时它们的变化程度。以及环境变化时它们的变化程度。材料的性能材料的性能密度与比容密度与比容导热率导热率 热膨胀系数热膨胀系数单位体积物质的质量 Kg/m3单位质量的物质所占

15、的体积 m3/Kg物体内温度梯度为1/m时,在单位时间、单位面积内传递的热量 W/(mK) 温度上升1时,单位长度的伸长量 mm/( mm)或-1 2021/3/1419物理性能物理性能材料的性能材料的性能电阻与电导电阻与电导电阻温度系数电阻温度系数熔点熔点 导磁率导磁率物质由固态转变为液态的温度,反映固态下原子间结合力。电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是M,其倒数称为电导率 S/M西门子/米温度上升1时,电阻率 的变化系数,单位-1 电子导电的特点是温度升高,电阻率上升;离子导电是热激活过程,温度升高,电阻率下降。 超导现象是材料在很低温度下,电阻突然从某个值降为零的特征。每种材

16、料有自己的转变温度,某些化合物的转变温度达到100K以上。是铁合金、化合物(铁氧体)特有性能。2021/3/1420化学性能化学性能 反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。速度大小的相关参数。材料的性能材料的性能 工程材料主要考虑其耐腐蚀性,电化学材料有的考察电极电位、储能密度等。 材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。蚀。 发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀( (氧化氧化) )、电化学腐蚀和应、电化学腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐

17、蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照照因素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量因素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量, ,并且可以造成并且可以造成零件早期损坏零件早期损坏, ,防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。2021/3/1421工艺性能工艺性能 材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。的可能性或难易程度。材料的性能材料的性能1. 材料可生产性材料可生产

18、性:得到材料可能性和制备方法。得到材料可能性和制备方法。2. 铸造性铸造性:将材料加热得到熔体将材料加热得到熔体,注入较复杂的型腔后冷却凝固注入较复杂的型腔后冷却凝固,获得零件的方法。获得零件的方法。流动性流动性:充满型腔能力充满型腔能力收缩率收缩率:缩孔数量的多少和分布特征缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向偏析倾向:材料成分的均匀性材料成分的均匀性2021/3/1422工艺性能工艺性能材料的性能材料的性能3. 锻造性锻造性:材料进行压力加工材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等压等)的可能性或难易程度的度量。的可能性或难易程度的度量。4. 焊接性焊接性:利用

19、部分熔体利用部分熔体,将两块材料连接在一起。将两块材料连接在一起。塑性变形能力塑性变形能力:材料不破坏的前提下的最大变形量。材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形抗力塑性变形抗力:发生塑性变形所需要的最小外力。发生塑性变形所需要的最小外力。连接能力连接能力:焊接接头部位强度与母材的差别程度。焊接接头部位强度与母材的差别程度。焊接缺陷焊接缺陷:焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。形程度。2021/3/1423工艺性能工艺性能材料的性能材料的性能5. 切削加工性切削加工性:材料进行切削加工的难易程度。它与材料的材料进行切削加工的难易程度。它与材

20、料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。6. 热处理性能热处理性能:可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度。改变的程度。切削抗力切削抗力加工表面质量加工表面质量排屑难易程度排屑难易程度切削刀具的使用寿命切削刀具的使用寿命 随着科技进步的发展随着科技进步的发展, ,对材料工艺性能的评价标准也在对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和变化。不断发展和变化。2021/3/1424材料性能总结材料性能总结决定材料性能实质决定材料性能实质:构成材料原子的类型构成材料原子的类型:材料的成分描述了组成材料的元材料的成分

21、描述了组成材料的元素种类以及各自占有的比例。素种类以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式材料中原子的排列方式:原子的排列方式除了和元素自原子的排列方式除了和元素自身的性质有关以外身的性质有关以外,还和材料经历的生产加工过程有密切还和材料经历的生产加工过程有密切的关系。的关系。研究的意义研究的意义:1. 性能性能决定了材料的决定了材料的用途用途。2. 性能性能决定了材料和零部件决定了材料和零部件生产方法生产方法。3. 性能性能的变化规律为的变化规律为改变材料性能改变材料性能达到人们需求提供达到人们需求提供途径途径。2021/3/14250.3 材料的分类材料的分类工程材料工程材料: :主要利用

22、其力学性能制作结构件。主要利用其力学性能制作结构件。建筑材料建筑材料 结构材料结构材料 工具材料工具材料按材料用途（性能）按材料用途（性能）功能材料功能材料: :主要利用其物理、化学性能或效应制作主要利用其物理、化学性能或效应制作具有特定功效的器件。具有特定功效的器件。半导体材料半导体材料 磁性材料磁性材料 激光材料激光材料热电材料热电材料 光电材料光电材料 声电材料声电材料 等等2021/3/1426材料的分类材料的分类（1 1）金属材料）金属材料: :纯金属及其合金。纯金属及其合金。合金是由两种或两种合金是由两种或两种以上元素组成以上元素组成, ,其中至少有一种为金属元素组成具有其中至少有

23、一种为金属元素组成具有金属金属性性的材料。金属性的关键特征是具有正的电阻温度系数的材料。金属性的关键特征是具有正的电阻温度系数, ,这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。钢铁材料钢铁材料( (黑色金属黑色金属) )按材料成分按材料成分:钢钢 铸铁铸铁非铁金属材料非铁金属材料( (有色金属有色金属) )轻金属轻金属 Al Mg Ca Na Al Mg Ca Na 重金属重金属 Cu Ni Pb Sn Zn Cu Ni Pb Sn Zn 贵金属贵金属 Ag Au Pb Rb(Ag Au Pb Rb(铷铷) Ir() Ir(铱铱) )稀有金属稀有金属 Z

24、r Ti Nb Zr Ti Nb 稀土金属稀土金属 Re(Y Nd(Re(Y Nd(钕钕) ) )放射性金属放射性金属 Ra U Th(Ra U Th(钍钍) ) 2021/3/1427材料的分类材料的分类Periodic table of the elements with those elements that are inherently metallic in nature in color.2021/3/1428材料的分类材料的分类（2 2）高分子材料）高分子材料: :有机聚合物。有机聚合物。热塑性塑料热塑性塑料: :尼龙尼龙 聚乙烯聚乙烯 聚氯乙稀聚氯乙稀 聚丙烯聚丙烯 按材料成分

25、按材料成分:热固性塑料热固性塑料: :树脂树脂 聚氨酯聚氨酯 弹性材料弹性材料: :天然橡胶天然橡胶 合成橡胶合成橡胶Miscellaneous internal parts of acontemporary parking meter are made of an acetal(缩醛缩醛) polymer. Engineered polymers are typically inexpensive and characterized by ease of formation and adequate structural properties. (Courtesy of the Du Pon

26、t Company, Engineering Polymers Division)2021/3/1429材料的分类材料的分类1.1. （2 2）高分子材料）高分子材料: :有机聚合物。有机聚合物。热塑性塑料热塑性塑料: :尼龙尼龙 聚乙烯聚乙烯 聚氯乙稀聚氯乙稀 聚丙烯聚丙烯 按材料成分按材料成分:热固性塑料热固性塑料: :树脂树脂 聚氨酯聚氨酯 弹性材料弹性材料: :天然橡胶天然橡胶 合成橡胶合成橡胶2021/3/1430材料的分类材料的分类按材料成分按材料成分:瓷瓷: :以氧化铝为主以氧化铝为主陶陶: : 硅酸盐为主硅酸盐为主广义广义陶瓷陶瓷( (特种陶瓷特种陶瓷):):金属与氧、碳、氮、

27、硅等化合物金属与氧、碳、氮、硅等化合物 （3 3）陶瓷材料）陶瓷材料: :一种或多种金属氧化物或其他化合物。一种或多种金属氧化物或其他化合物。Some common ceramics for traditional engineering applications. These miscellaneous parts with characteristic resistance to damage by high temperatures and corrosive environments are used in a variety of furnaces and chemical proc

28、essing systems.(Courtesy of Duramic Products, Inc.)2021/3/1431材料的分类材料的分类按材料成分按材料成分:2021/3/1432材料的分类材料的分类按材料成分按材料成分:（4 4）复合材料）复合材料: :两种或两种或两种以上性质不同的两种以上性质不同的材料组合起来的一种材料组合起来的一种固体材料。固体材料。Example of a fiberglass composite composed of microscopic-scale(微观尺度微观尺度) reinforcing glass fibers in a polymer matrix. 2021/3/14330.4 本课程学习内容、目的本课程学习内容、目的q 材料力学性能课程主要内容材料力学性能课程主要内容 材料在各种服役条件下的失效现象及微观机理材料在各种服役条件下的失效现象及微观机理; ; 材料力学性能指标的本质、概念、实用意义材料力学性能指标的本质、概念、实用意义, ,以及各种力学性能以及各种力学性能 指标之间的相互联系指标之间