工程材料的基本知识

1、 第第四四章章 工程工程材料的基本知識材料的基本知識 4-4-1 1 工程材料的種類及性能工程材料的種類及性能 4-2 4-2 常用金常用金屬屬材料材料 4-44-4 金屬材料的熱處理金屬材料的熱處理 4-54-5 材料成型技術簡介材料成型技術簡介 4-3 4-3 非非金金屬屬材料材料 4-4-1 1 工程材料的種類及性能工程材料的種類及性能1. 1. 常用工程材料的常用工程材料的種類種類1)1)金金屬屬材料材料: : 包括黑色金包括黑色金屬屬（鋼鐵鋼鐵）和有色）和有色 金金屬屬材料材料 2)2)工程陶瓷工程陶瓷: : 由金由金屬屬和非金和非金屬屬元素的化合物元素的化合物 所構所構成的各成的各

2、種無機種無機非金非金屬屬材料材料 3)3)有有機機高分子材料高分子材料：工程中常：工程中常見見的有塑料、的有塑料、 橡橡膠膠和和膠黏劑膠黏劑4)4)複複合材料合材料：將將上述上述兩種兩種或多或多種單種單一材料人工一材料人工 合成合成在在一起的材料一起的材料 4-4-1 1 工程材料的種類及性能工程材料的種類及性能2 2. . 工程材料的主要性能工程材料的主要性能(1)(1)工程材料的力工程材料的力學學性能性能 2 2）塑性塑性3 3）硬度硬度4 4）衝擊韌性衝擊韌性 5 5）疲疲勞勞强度强度 6 6）耐磨性耐磨性 1 1）强度强度(2)(2)工程材料的物理、化工程材料的物理、化學學及及加加工性

3、能工性能1 1）力）力學學性能性能- -强度强度强度是指在外力作用下材料抵抗强度是指在外力作用下材料抵抗變變形形與斷與斷裂的能力裂的能力000L/ )L(L 應變應力APE 彈性模數y降伏極限 )2(e彈性極限 ) 1 (u抗拉強度 )3(2 2）力）力學學性能性能- -塑性塑性材料在外力作用下材料在外力作用下產產生塑性生塑性變變形而不形而不斷斷裂的能力裂的能力%100 001LLL伸長率3 3）力）力學學性能性能- -硬度硬度硬度是衡量材料硬度是衡量材料軟軟硬程度的指硬程度的指標標。硬度越高，。硬度越高，表示材料抵抗局部塑性表示材料抵抗局部塑性變變形的能力越大，材料形的能力越大，材料的耐磨性

4、的耐磨性也較好。也較好。勃式硬度勃式硬度 用用 HBHB 表示表示洛式硬度洛式硬度 用用 HRB(HRB(較軟金屬較軟金屬) )或或 HRC(HRC(較硬金屬較硬金屬) )表示表示RockwellHardnessTest ( (洛式洛式) )4 4）力）力學學性能性能- -衝擊韌性衝擊韌性材料在材料在衝擊負衝擊負荷作用下抵抗荷作用下抵抗斷斷裂的一裂的一種種能力能力，用用標準試樣受衝擊器作用所標準試樣受衝擊器作用所吸收吸收的能量的能量表示表示。5 5）力）力學學性能性能- -疲度強度疲度強度材料在材料在無數無數次次重複重複“交交變應變應力力”作用下，而不引作用下，而不引起起斷斷裂的最裂的最大應力

5、大應力值值。Fatigue test 6 6）力）力學學性能性能- -耐磨性耐磨性材料在一定工作材料在一定工作條條件下抵抗磨件下抵抗磨損損的能力的能力。用用體積體積磨磨損損量、量、質質量磨量磨損損量和量和長長度磨度磨損損量量來評來評定定。(2)(2)工程材料的物理、化工程材料的物理、化學學及及加加工性能工性能物理性能物理性能：指材料在重力、：指材料在重力、電電磁磁場場、熱熱力等物理力等物理 因素作用下所表因素作用下所表現現出出來來的性能或的性能或屬屬 性，包括材料的密度、熔点、性，包括材料的密度、熔点、導電導電性、性、 磁性能、磁性能、導熱導熱性、性、熱熱膨膨脹脹性等性等 化化學學性能性能：主

6、要指材料的抗氧化性、主要指材料的抗氧化性、耐蝕性耐蝕性和耐酸和耐酸 性等，反映了材料在常温或高温性等，反映了材料在常温或高温環環境下境下 抵抗各抵抗各種化學作種化學作用的能力。用的能力。材料材料加加工性能工性能：指材料：指材料對對各各種種加工加工方式方式的的適應適應性性 4-2 4-2 常用金常用金屬屬材料材料1. 1. 碳碳鋼鋼和合金和合金鋼鋼2. 2. 鑄鐵鑄鐵 3. 3. 有色金有色金屬屬材料材料 碳碳鋼鋼：各種金屬：各種金屬合金合金鋼鋼：低低碳碳鋼、中鋼、中碳碳鋼、高碳鋼鋼、高碳鋼合金合金鋼鋼灰灰鑄鐵鑄鐵球墨灰球墨灰鑄鐵鑄鐵可可鍛鍛鑄鐵鑄鐵合金合金鑄鐵鑄鐵碳碳鋼鋼低低碳碳鋼鋼：含碳量低

7、於：含碳量低於 0.30%中中碳碳鋼鋼：含碳量在：含碳量在 0.30% 0.50%高高碳碳鋼鋼：含碳量在：含碳量在 0.50% 0.95%強度較差，但有較好的成型性強度較差，但有較好的成型性中等強度、延展性及硬度中等強度、延展性及硬度具較耐磨耗特性，故適用於表面具較耐磨耗特性，故適用於表面長久受到磨耗之工具，如農具。長久受到磨耗之工具，如農具。合金合金鋼鋼鎳鎳可改良材料的韌性、硬化能及抗腐蝕能力可改良材料的韌性、硬化能及抗腐蝕能力( (硬化能愈大，代表鋼材在同一種淬火條件下能被硬化硬化能愈大，代表鋼材在同一種淬火條件下能被硬化 的深度愈深，但硬化能大並不代表能經由淬火而獲得的深度愈深，但硬化能

8、大並不代表能經由淬火而獲得 更大的硬度。更大的硬度。) ) 鉻鉻可增加硬化能、抗磨耗的能力、高溫強度，可增加硬化能、抗磨耗的能力、高溫強度，尤其高濃度的鉻可大大提高抗腐蝕的能力，所尤其高濃度的鉻可大大提高抗腐蝕的能力，所以是以是不銹鋼不銹鋼的重要成份。的重要成份。硫、磷、鉛可改良鋼的切削性硫、磷、鉛可改良鋼的切削性灰灰鑄鐵鑄鐵生產過程簡單，生產過程簡單，抗抗壓壓强度高，耐磨性、消振强度高，耐磨性、消振性好，抗性好，抗拉拉强度强度稍稍低，低，韌韌性差性差，常應用於引，常應用於引擎汽缸體、機械底座、支架等。擎汽缸體、機械底座、支架等。球墨灰球墨灰鑄鐵鑄鐵強度、軔性與塑性都較灰鑄鐵佳，可應用於製強度

9、、軔性與塑性都較灰鑄鐵佳，可應用於製造曲柄軸、連桿等造曲柄軸、連桿等為可熱處理的鑄鐵，具中高為可熱處理的鑄鐵，具中高強度與好的切削性，強度與好的切削性，可應用於製造曲柄軸、連桿等。可應用於製造曲柄軸、連桿等。可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵有色金有色金屬屬材料材料 鋁鋁及其合金及其合金：質質量量輕輕、比强度和比、比强度和比剛剛度高、度高、導電導熱導電導熱性好、耐腐性好、耐腐蝕蝕，因而，因而廣廣泛用泛用於飛機於飛機製製造造業業，成，成為為航空等工航空等工業業的主要材料的主要材料。 銅銅及其合金及其合金：黄黄銅銅是以是以鋅作為主鋅作為主要合金元素的要合金元素的銅銅合金合金青青銅銅以以錫為錫為主主添添加元素，有高的

10、耐磨性、耐腐加元素，有高的耐磨性、耐腐蝕蝕性，好的力性，好的力學學性能性能與鑄與鑄造性能，常用造性能，常用以製以製造造耐磨、耐磨、減減摩摩擦擦及耐及耐蝕蝕零件零件，如齒輪、軸承等。，如齒輪、軸承等。無錫無錫青青銅銅比比錫錫青青銅銅具有更高的力具有更高的力學學性能、耐磨性性能、耐磨性和和耐蝕性耐蝕性，主要有：，主要有：鋁鋁青铜，青铜，錳錳青青銅等。銅等。 4-3 4-3 非非金金屬屬材料材料1. 1. 常用高分子材料常用高分子材料2. 2. 陶瓷陶瓷3. 3. 複複合材料合材料(1)(1)塑料塑料(2)(2)橡橡膠膠(1)(1)塑料塑料分分類類 以以樹樹脂脂為為主要成分的有主要成分的有機機高分子

11、固高分子固體體材料材料 質質量量輕輕、比强度高，耐腐、比强度高，耐腐蝕蝕性好，性好，絕緣絕緣性能性能優優 異異，減減摩摩擦擦、耐磨及自、耐磨及自潤潤滑性能突出，消音吸滑性能突出，消音吸 振性强，易成型加工，以及其它特殊性能振性强，易成型加工，以及其它特殊性能 。按按樹樹脂受脂受熱後熱後性性質質：熱熱塑性塑料、塑性塑料、熱熱固性塑料固性塑料 按塑料使用按塑料使用範圍範圍：通用塑料、工程塑料和特：通用塑料、工程塑料和特種種 塑料塑料 1. 1. 常用高分子材料常用高分子材料(2)(2)橡橡膠膠分分類類 以生以生膠為膠為基基礎礎加入加入適適量的填加量的填加劑組劑組成的高分子成的高分子 彈彈性性體體

12、天然橡天然橡膠膠：從從天然植物中天然植物中採採集到的一集到的一種種聚乙戊聚乙戊 二烯二烯為為主要成分的高聚物，用主要成分的高聚物，用來製來製造造輪輪胎，也胎，也 可可製製作作膠帶膠帶、膠膠管及各管及各種種橡橡膠製膠製品，如刹品，如刹車車皮皮 合成橡合成橡膠膠：基本性能和用途：基本性能和用途與與天然橡天然橡膠膠相似，可相似，可用用於於某些特殊某些特殊場場合，如耐高温、低温的合，如耐高温、低温的矽矽橡橡膠膠，耐油的聚硫橡耐油的聚硫橡膠膠和丁腈橡和丁腈橡膠膠，特别耐腐，特别耐腐蝕蝕的氟橡的氟橡膠膠等。等。 2. 2. 陶瓷陶瓷 分分類類 用各用各種種粉粉狀狀原料做成一定形原料做成一定形狀後狀後，在高

13、温，在高温窯窯爐爐 中中燒製燒製而成的一而成的一種無機非種無機非金金屬屬固固體體材料材料 具有硬度高、抗具有硬度高、抗壓壓强度大、耐高温、不怕氧化强度大、耐高温、不怕氧化 和腐和腐蝕蝕、隔熱絕緣隔熱絕緣性能好等特性性能好等特性 普通陶瓷普通陶瓷：廣廣泛用泛用於於建建築築、日用、日用、衛衛生、化工、生、化工、紡織紡織、高低、高低壓電器壓電器等行等行業業的的結構結構件和用品件和用品 特特種種陶瓷陶瓷：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷陶瓷 3. 3. 複複合材料合材料纖維纖維增强增强複複合材料合材料 複複合材料至少由合材料至少由兩兩大大類組類組成：基成：基體體相和增

14、强相相和增强相 1 1）複複合材料的合材料的組組成及性能特成及性能特點點 2 2）常用）常用複複合材料合材料具有高比强度和比具有高比强度和比剛剛度、高的抗疲度、高的抗疲勞勞性、高性、高的的 斷裂韌斷裂韌性、强的性、强的減減震能力、高温性能好、抗震能力、高温性能好、抗潛潛 變能變能力强、以及力强、以及優優良的良的減減摩性和摩性和耐蝕性耐蝕性等特等特 點點，它，它還還有良好的有良好的加加工性能工性能。骨架骨架複複合材料合材料層疊層疊增强增强複複合材料合材料 顆顆粒增强粒增强複複合材料合材料 4-44-4 金屬材料的熱處理金屬材料的熱處理退火退火正正常化常化1. 1. 鋼鋼的整的整體熱處體熱處理理將

15、鋼件將鋼件加加熱熱到到適當適當温度，保温一定温度，保温一定時間時間， 随随後緩後緩慢冷慢冷卻卻以以獲獲得接近平衡得接近平衡狀態組織狀態組織的的 熱處熱處理理過程。過程。 目的是使目的是使組織與成份組織與成份均匀化、或是消除均匀化、或是消除殘殘 留應力、留應力、或是消除内或是消除内應應力、或是消除力、或是消除鋼中鋼中 的的氫。氫。鋼鋼件加件加熱熱到某一温度以上，保温到某一温度以上，保温適當時間適當時間 後後，在空，在空氣氣中冷中冷卻卻的的熱處熱處理理過程。過程。 目的改善目的改善鋼鋼的的組織組織和性能，可作和性能，可作為為最最終熱終熱 處處理而直接使用理而直接使用。淬火淬火回火回火 將鋼件將鋼件

16、加加熱熱到某一温度以上，保温一段到某一温度以上，保温一段時時 間間，然，然後後以大以大於臨於臨界冷界冷卻卻速度冷速度冷卻卻，以獲以獲 得得麻田散鐵組織麻田散鐵組織的的熱處熱處理理過程過程回火就是把已回火就是把已經經淬火的淬火的鋼鋼件重新加件重新加熱熱到某到某 一温度，一温度，適當適當保温保温後後，冷，冷卻卻到室温的到室温的熱處熱處 理理過程。過程。目的目的使材料的硬度與強度增加，但材料也使材料的硬度與強度增加，但材料也 會變的較會變的較脆。脆。目的目的可改良鋼的抗拉強度與降伏強度，並可改良鋼的抗拉強度與降伏強度，並 增加材料的延性增加材料的延性。表面淬火表面淬火化化學熱處學熱處理理 通通過過快

17、速加快速加熱熱，使，使鋼鋼件件在預定厚度達到相變化，在預定厚度達到相變化， 然後再立即淬火。然後再立即淬火。目的是使表目的是使表層獲層獲得高硬度得高硬度、高耐磨性的高耐磨性的麻田散組麻田散組 織織，而心部仍保持原，而心部仍保持原來來的塑性和的塑性和韌韌性都性都較較好的退好的退 火、正火、正常化組織。常化組織。 鋼鋼件置件置於於特定的介特定的介質質中中加熱和加熱和保温，使介保温，使介質質中的中的 活性原子活性原子滲滲入入鋼鋼件表件表層，造成層，造成表表層層的的化學成份化學成份和和 組織組織改改變，而達到材料表面變，而達到材料表面性能性能變化之目變化之目的的。 滲滲碳、碳、滲滲氮、碳氮共氮、碳氮共

18、滲滲、滲滲硼、硼、滲滲鉻鉻、滲滲鋁鋁等等 2. 2. 鋼鋼的表面的表面熱處熱處理理 4-54-5 材料成型技術簡介材料成型技術簡介1. 1. 鑄鑄造造2. 2. 塑性加工塑性加工3. 3. 焊接焊接 4. 4. 非金非金屬屬材料成型材料成型簡簡介介 1. 1. 鑄鑄造造砂型砂型鑄鑄造造：將將金金屬屬或合金液或合金液澆澆注到砂型内，冷注到砂型内，冷卻卻 凝固凝固後獲後獲得得鑄鑄件，件，此應此應用最用最為廣為廣泛。泛。 熔模熔模鑄鑄造造：鑄鑄件精度件精度與與表面表面品質佳品質佳、可、可獲獲得形得形狀複狀複 雜雜鑄鑄件，件，適適合各合各種難種難加工合金的成型加工合金的成型。 金金屬屬型型鑄鑄造造：將

19、將金金屬屬液液澆澆注到金注到金屬屬鑄鑄型中型中獲獲得得鑄鑄件件 的方法的方法，鑄鑄件件組織緻密組織緻密、力、力學學性能性能 高，尺寸精度和表高，尺寸精度和表面品質面品質好，好，工作環工作環 境境改善；但改善；但鑄鑄型成本高型成本高。 壓壓力力鑄鑄造造：生：生產產率高，便率高，便於於自自動動化；化；鑄鑄件尺寸和表件尺寸和表 面精度高，能生面精度高，能生產較複雜產較複雜的薄壁件；的薄壁件；鑄鑄 件件品質品質好好。砂型砂型鑄鑄造造2. 2. 塑性加工塑性加工利用金利用金屬屬的塑性，使其在外力作用下成形的的塑性，使其在外力作用下成形的 一一種種加工方法。加工方法。主要有：自由主要有：自由鍛鍛、模、模鍛

20、鍛、板料、板料沖壓沖壓、軋製軋製、 擠壓擠壓、拉拔、拉拔自由自由鍛鍛：利用自由：利用自由鍛鍛設備設備的上下的上下砧塊砧塊或一些或一些簡單簡單 的通用工具，直接使坯料的通用工具，直接使坯料變變形而形而獲獲得所得所 需的需的幾幾何形何形狀狀的的鍛鍛件件。模模鍛鍛：利用模具使坯料：利用模具使坯料變變形而形而獲獲得比自由得比自由鍛品質鍛品質 更高的更高的鍛鍛件件 板料板料沖壓沖壓：利用安：利用安裝裝在在壓力機壓力機上的上的沖沖模模對對板料加板料加 壓壓，使其，使其產產生分生分離離或或變變形，以形，以獲獲得零得零 件的一件的一種加種加工方法工方法；主要有主要有沖沖裁裁、彎彎 曲曲、拉伸拉伸。模模鍛模具鍛

21、模具沖沖裁裁彎曲彎曲拉伸拉伸經由經由加加熱熱或加或加壓壓，使使金金屬屬原子原子結結合合與產生擴與產生擴散作散作用，使分用，使分離離金金屬屬材料牢固地材料牢固地連連接接在一在一起起。 3. 3. 焊接焊接 熔化焊熔化焊：利用：利用熱熱源，源，將將被焊金被焊金屬結屬結合合處處局部加局部加熱熱到熔到熔 化化狀態狀態，並與並與熔化的焊熔化的焊條條金金屬屬混合，冷混合，冷卻卻時時 凝固凝固結結晶，使之焊合在一起晶，使之焊合在一起。 壓壓力焊力焊：利用加：利用加壓壓力（或同力（或同時時加加熱熱），使金），使金屬產屬產生塑生塑 性性變變形，形，使使原子原子間間相互相互結結合，合，組組成新的晶成新的晶 粒，粒，而達而達到焊接