工程材料与热加工基础III：绪论新

1、工程材料与热加工基础工程材料与热加工基础III陶器钢铁钢铁工业革命工业革命合成材料合成材料陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料工程材工程材料学料学人们对材料的认识主要停留在工匠、艺人的经验技术水平上金属学物理、化学宏观性能是由微观的组织结构决定的，而组织结构又取决于化学成分、加工工艺，所以本课程还重点研究：金属材料的化学成分、内部组织、加工工艺(热处理、塑性变形）与性能之间相互关系及规律性。研究改变材料性能的途径。金属材料的成型工艺金属材料有好的性能：（力学、物理、化学）和（成形性） 本课程主要研究工程材料中的一部分金属材料。l）工程材料的性能：）工程材料的性能：以力学性能为主以力学性能为主，还要

2、考虑，还要考虑物理性能、化学性能及工艺性能；物理性能、化学性能及工艺性能；2）金属学基本理论：）金属学基本理论：获得有关工程材料的基本理获得有关工程材料的基本理论和基本知识；常用工程材料成分论和基本知识；常用工程材料成分 组织组织 性能性能 应用之间关系的一般规律。应用之间关系的一般规律。 3）热处理工艺：）热处理工艺：掌握钢的热处理基本原理和工艺，掌握钢的热处理基本原理和工艺，掌握热处理各种工艺方法的目的，以便正确选用热掌握热处理各种工艺方法的目的，以便正确选用热处理工艺方法，合理安排工艺路线。处理工艺方法，合理安排工艺路线。 二、本课程的性质二、本课程的性质三、课程的内容三、课程的内容4）

3、常用工程材料：）常用工程材料：掌握常用的工业用钢、铸铁、掌握常用的工业用钢、铸铁、非铁金属及其合金的成分、组织、性能和用途；非铁金属及其合金的成分、组织、性能和用途；5）热加工基础：）热加工基础：掌握铸造、锻压和焊接的特点掌握铸造、锻压和焊接的特点及应用范围，掌握金属的铸造性能、锻造性能及应用范围，掌握金属的铸造性能、锻造性能和焊接性能；能初步分析各种热加工零件的结和焊接性能；能初步分析各种热加工零件的结构工艺性，具有初步选择零件毛坯的能力。构工艺性，具有初步选择零件毛坯的能力。6）零件材料与毛坯的选择：）零件材料与毛坯的选择：熟悉常用工程材料熟悉常用工程材料的生产工艺过程，的生产工艺过程，正

4、确选择零件的材料、毛坯，正确选择零件的材料、毛坯，并初步安排热处理在工艺过程中的位置。并初步安排热处理在工艺过程中的位置。合理合理选用工程材料的初步能力。选用工程材料的初步能力。与专业课更相似，运用数学公式推导较少，借助图表文字表达叙述性强，有相应的理论基础，与生产实践结合较多。四、课程的特点四、课程的特点 二、工程材料的分类1、金属材料 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。最简单的金属材料是纯金属。工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，皆为金属晶体材料。 工业上把金属和其合金分为两大部分: （1）黑色金属 铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)； （2）有色金

5、属 黑色金属以外的所有金属及其合金。在四类工程材料中，应用最广、用量最大、承载能力最高在四类工程材料中，应用最广、用量最大、承载能力最高的仍是黑色金属。有色金属中的的仍是黑色金属。有色金属中的轻金属铝、钛、镁轻金属铝、钛、镁及其合及其合金在航空航天工业中有重要意义。金在航空航天工业中有重要意义。2. 陶瓷材料按用途可分为三类： 硬度极高，高耐磨性，高耐蚀性，高抗氧化能力，高弹性模量；缺点是塑性极低，太脆。力学性能的特点3.高分子材料高分子材料是以高分子化合物为主要组成部分的材料。高分子化合物是指由一种或多种低分子化合物聚合而成的，相对分子质量很大的化合物,亦称聚合物、高聚物。 每个大分子皆包含

6、有大量结构相同、相互连接的链节。有机物质主要以碳元素(通常还有氢)为其结构组成，在大多数情况下它构成大分子的主链。大分子内的原子之间由很强的共价键结合，而大分子与大分子之间的结合力为较弱的范德瓦尔斯力天然高分子合成高分子（按用途分） 塑料橡胶合成纤维性能特点： 塑料主要指强度、韧性和耐磨性较好的、室温下可制造某些机器零件或构件的高分子材料，分热塑性和热固性塑料两种。 橡胶-通常指经硫化处理的、常温下弹性特别优良的聚合物，有通用橡胶和特种橡胶两种。合成纤维-指由单体聚合而成，强度很高的聚合物，通过纺丝所获得的纤维材料。4.4.复合材料复合材料定义：复合材料是指两种或两种以上的物理、化学性质不同的

7、物质，组成的新的多相固体材料。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成，所以它的结合键非常复杂。它在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是一类特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。 按基体类型分为金属基复合材料高分子基复合材料陶瓷基复合材料复合材料的特点1.比强度，比模量高2.抗疲劳，抗断裂性能好3.耐高温，耐磨性佳4.良好的减震性能静载荷静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。材料的静载力学性能指标主要有强度、塑性、硬度等。材料的静载力学性能指标主要有强度、塑性、硬度等。材料力学性能的定义1、变形材料在外力作用下引起尺寸和形状的变化。 分为

8、：弹性变形外力去除后，变形物体靠原子之间结合力又恢复原状的变形。塑性变形外力去除后，物体的一部分恢复了原状，还保留一部分变形，这种残留的永久变形叫塑性变形。2、应变变形量与原尺寸之比。=L/L = V/V3、应力单位面积上所受的力。 =P/F4、屈服材料受力到一定值后，载荷不再增加而塑性变形继续发生的现象。 单向拉伸试验 是应用最广的力学性能试验方法之一。 测定材料在拉伸载荷作用下的一系列特性的试验，测定材料在拉伸载荷作用下的一系列特性的试验，又称抗拉试验。它是材料机械性能试验的基本方又称抗拉试验。它是材料机械性能试验的基本方法之一，主要用于检验材料是否符合规定的标准法之一，主要用于检验材料是

9、否符合规定的标准和研究材料的性能。和研究材料的性能。1.2.1 单向静拉伸载荷下材料的力学性能低碳钢拉伸曲线低碳钢应力应变曲线试验时，试验机以规定的速率均匀地拉伸试样，试试验时，试验机以规定的速率均匀地拉伸试样，试验机可自动绘制出拉伸曲线图。验机可自动绘制出拉伸曲线图。拉伸曲线图实际上是载荷伸长变形量的曲线，如拉伸曲线图实际上是载荷伸长变形量的曲线，如将载荷坐标值和伸长坐标值分别除以试样原截面积将载荷坐标值和伸长坐标值分别除以试样原截面积和试样标距，就可得到应力应变曲线图和试样标距，就可得到应力应变曲线图1.弹性变形阶段2.屈服阶段3.变形强化阶段4.形成缩颈，局部变形阶段低碳钢拉伸曲线低碳钢

10、拉伸应力-应变图拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象硬度:材料抵抗更硬物体压入其表面的能力。由于硬度试验设备简单、方便，不破坏工件，根据硬度值可估计出材料的强度值，并且硬度与材料的冷成形性、焊接性、切削加工性都有一定的联系，所以硬度试验在实际生产中应用很广泛。在产品设计图纸的技术条件中，也是一项主要技术指标。1.2.2 硬度1.布氏硬度HB常用的压入法硬度试验有：以直径为D的淬火钢球（或硬质合金球）为压头，以规定载荷P将压头垂直压入被测金属表面，停留一定时间卸载，在放大镜下测定压痕直径d，根据d值查表确定硬度值。用淬火钢压头测得的硬度用HBS表示，淬火钢压头适合测较软的材料HBST（0.30.

11、40.30.4）TmTm时产生明显的蠕变时产生明显的蠕变 oaoa段加载后瞬时应变；段加载后瞬时应变；abab段减速蠕变阶段段减速蠕变阶段bcbc段恒速蠕变阶段段恒速蠕变阶段cdcd段加速蠕变阶段段加速蠕变阶段1.2.5 蠕变蠕变蠕变是指材料在长时间恒温是指材料在长时间恒温和恒应力作用下，缓慢地产和恒应力作用下，缓慢地产生塑性变形的现象生塑性变形的现象一、蠕变曲线一、蠕变曲线图图3 314 14 应力或温度对蠕变曲线的影响应力或温度对蠕变曲线的影响(a)(a)恒定温度下改变应力（恒定温度下改变应力（4 4 3 3 2 2 1 1） (b)(b)恒定应力下改变温度（恒定应力下改变温度（T T4

12、4 T T3 3 T T2 2 T T1 1） 二、蠕变性能二、蠕变性能蠕变极限蠕变极限表征材料在高温长期载荷高温长期载荷作用下，抵抗塑性变形的能力，塑性变形的能力，蠕变极限有两种表示方法：在给定温度T()下， 使试样产生规定的蠕变速率（第二阶段蠕变速率，/h）的应力值作为蠕变极限;在给定温度T()下和规定的试验时间t(h)内，使试样产生一定的蠕变伸长量（）的应力作为蠕变极限;持久强度持久强度表征材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。在给定温度T()下，经规定的试验时间t(h)发生断裂的应力作为持久强度。应力松弛应力松弛： 在总变形不变条件下，弹性变形不断转变为塑性变形，从而使应力不断减小的现象。 材料抵抗应力松弛的性能指标为松弛稳定性。1.2.6 断裂韧性断裂断裂aYKI断裂韧性（断裂韧性（ K KI cI c) )： 拉力逐渐增加，或裂纹逐渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子KI也随之逐渐增大