复旦设计与制造课件01工程材料-1工程材料的性能

工程材料

马建敏(Email:jmma@)Fudan

University绪论一、材料科学的重要地位与作用二、工程材料的分类一、材料科学的重要地位与作用材料是人类用来制造各种有用物件的物质，它是人类社会生存与发展、征服自然和改造自然的物质基础，也是人类社会现代文明的重要支柱。在人类社会漫长的进化过程中，材料一直被认为是社会生产力发展的标志。每一种新材料的发展和应用都把人类改造自然的能力提高到一个新的水平，把人类文明带进一个新的阶段。人类使用材料的发展历史无论远古时代，还是生产力高度发达的今天，无论是工业、农业、现代国防，还是日常生活均离不开材料。20世纪的四项重要发明，即原子能、半导体、计算机、激光器都离不开材料科学的发展。公元前10万年石器时代公元前3000年青铜器时代公元前1000年铁器时代公元0年水泥时代公元1800年钢时代公元1950年硅时代公元1990年新材料时代二、工程材料的分类工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能，被用来制取零件和元件的材料。工程材料种类繁多，有许多不同的分类方法。1.按材料的化学组成分类(1)金属材料金属材料可分为黑色金属材料(钢和铸铁)及有色金属材料(除钢铁以外的金属材料)。有色金属材料种类很多，按照它们特性的不同，又可分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属和放射性金属等多种。金属材料仍然是目前应用最广泛的工程材料。(2)无机非金属材料无机非金属材料包括水泥、玻璃、耐火材料和陶瓷等。它们的主要原料是硅酸盐矿物,又称硅酸盐材料。(3)高分子材料高分子材料按材料来源可分为天然高分子材料(蛋白、淀粉、纤维素等)和人工合成高分子材料(合成塑料、合成橡胶、合成纤维)。按性能及用途可分为塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料。(4)复合材料由于多数金属材料不耐腐蚀,无机非金属材料脆性大,高分子材料不耐高温,人们把上述两种或两种以上的不同材料组合起来,使之取长补短、相得益彰就构成了复合材料。复合材料由基体材料和增强材料复合而成。基体材料有金属、塑料、陶瓷等,增强材料有各种纤维和无机化合物颗粒等。2.按材料的使用性能分类(1)结构材料结构材料是以强度、刚度、塑性、韧性、硬度、疲劳强度、耐磨性等力学性能为性能指标,用来制造承受载荷、传递动力的零件和构件的材料,可以是金属材料、高分子材料、陶瓷材料或复合材料。(2)功能材料功能材料是以声、光、电、磁、热等物理性能为指标,用来制造具有特殊性能的元件的材料,如大规模集成电路材料、信息记录材料、充电材料、激光材料、超导材料、传感器材料、储氢材料等都属于功能材料。目前功能材料在通讯、计算机、电子、激光和空间科学等领域中扮演着极其重要的角色。第一章工程材料的性能本章主要讨论工程材料的使用性能：即在使用条件下表现出来的性能，包括物理、化学、力学性能。它决定了材料的使用范围与寿命。材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出的抵抗能力。由于载荷的形式不同，材料可表现出不同的力学性能，如强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。低碳钢拉伸曲线材料伸长量材料原长试样原始横截面积工程材料的强度强度：在载荷作用下材料抵抗塑性变形或断裂的能力，一般多以抗拉强度作为基本的强度指标（）屈服强度：材料抗塑性变形的能力国家标准规定：残余应变量为0.2%时的应力值作为屈服强度，称为条件屈服强度，即抗拉强度:材料抵抗断裂的能力注:若不允许塑性变形，用来校核强度(空气压缩机机匣螺栓);若只要求不断裂,用校核(一般机械上的连接螺栓)

刚度与弹性模量刚度是指零件或构件抵抗弹性变形的能力。在构件形状、尺寸不变的情况下，其刚度决定于材料的弹性模量。在比例极限（）的范围内有：弹性模量主要取决于金属的本身性质，与晶格类型和原子间距有关，而热处理等强化手段对弹性模量影响极小。材料的塑性塑性是指在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标是伸长率（）和断面收缩率（）注：的大小与试样的长度有关，而与试样的尺寸无关，而且对材料的塑性更敏感，更可靠地反映材料的塑性。和的值越大，表示金属的塑性越好。材料的硬度硬度即材料的坚硬程度，如果过低，那么在材料使用过程中表面会容易产生划痕、凹坑和磨损。工程上用于测量材料硬度方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。肖氏硬度用来测量橡胶的硬度。布氏硬度（HB）布氏硬度值实际上是指材料压坑单位球面积上的抵抗力优点：受材料不均匀度影响小，误差小缺点：当材料太硬（布氏硬度大于650）时，球形压头可能变形；也不宜检测成品、小件、薄件的硬度洛氏硬度（HR）洛氏硬度值的计算深度为两次压深的差值（）优点：测量简便，直接读数，表面压坑小，多用于较薄材料或成品检测缺点：深度过小，误差较大，常采用不同部位多点测量，取平均值维氏硬度（HV）维氏硬度值的测量方法与布氏硬度法类似（1360）优点：测量精度高，可测硬度范围宽，特别适宜测定工件表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度缺点：维氏硬度计试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用肖氏硬度（HS）应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳其中K为常数，金属弹性极限越高，塑性变形越小，则储存的弹性能量越高，回跳的高度也越高，表明材料越硬。优点：冲击力小，产生的压痕小，对试样破坏小。肖氏硬度计重量轻，携带方便，适应现场测量莫氏硬度应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕，习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度用测得的划痕的深度分十级来表示硬度：滑石1，石膏2，方解石3，萤石4，磷灰石5，正长石6，石英7，黄玉8，刚玉9，金刚石10应用时作刻划比较确定硬度。如某矿物能将方解石刻出划痕，而不能刻萤石，则其莫氏硬度为3～4，其他类推。莫氏硬度仅为相对硬度，比较粗略优点：莫氏硬度应用方便，野外作业时常采用冲击韧度带缺口的试件在冲击破坏时断裂面上所吸收的能量，是评定材料塑性变形和抵抗冲击能力的一种实用指标试样横截面单位面积上所消耗的功即为冲击韧度值金属材料的冲击韧度值不能直接用于零件的设计计算,但对承受冲击载荷的零件,有一定的冲击韧度要求,以保证零件使用的安全性疲劳断裂和疲劳强度在交变载荷作用下,工作应力远小于抗拉强度或屈服强度时,长期工作后断裂的现象叫做疲劳断裂。机理：材料表面的刀痕、尖角等应力集中处和内部的夹渣、气孔等缺陷处首先产生裂纹，随循环周次数的增加，疲劳裂纹不断扩展，直至零件的有效横截面积不能承受时突然断裂材料的应力循环次数达到某一基数而不断裂的最大应力就为该种材料的疲劳强度提高疲劳强度措施：改进设计（避免尖角、降低表面粗糙度等）和表面强化工艺（表面淬火、化学热处理、喷丸、滚压等）材料高温性能温度对材料的力学性能影响很大，一般随温度的升高，金属材料的强度和弹性模量降低而塑性增加。但当高温长时负载时，金属材料的塑性却显著降低，往往出现脆性断裂现象。注：高温或低温是相对金属的熔点而言，常采用约比温度，即试验或工作温度/金属熔点，当约比温度大于0.5时为高温、反之为低温蠕变蠕变就是金属材料长时间的在一定温度下和应力作用下即使应力小于，也会缓慢地发生塑性变形的现象。蠕变在低温下也会产生，但只有约比温度大于0.3时才比较显著。第一阶段：蠕变减速阶段，包括瞬时变形和蠕变变形第二阶段：稳态蠕变阶段或最小蠕变速度阶段（变形与时间线性）第三阶段：蠕变加速阶段，直到断裂蠕变强度蠕变强度：材料在高温长时载荷作用下抵抗塑性变形的能力。有两种表示方法：在规定时间内达到规定变形量的蠕变强度，记为，单位MPa，例如：表示试样在800经过1000小时，发生0.2%变形量的应力为60MPa，这种蠕变强度一般用于需要提供总蠕变变形的构件设计稳态蠕变速度达到规定值时的蠕变强度，记为，单位MPa，例如：表示试样在600，稳态蠕变速度为时的蠕变强度为60MPa，这种蠕变强度一般用于受蠕变变形控制的，工作时间较长的构件设计持久强度与高温疲劳持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力。大小用给定温度T下，恰好使材料经过规定时间t发生断裂的应力值表示，记为，规定时间是以机组的设计寿命为依据的。对于设计某些在高温运转过程中不考虑变形量大小，而只考虑在承受给定应力下使用寿命的零件来说，金属材料的持久强度是极其重要的性能指标。金属材料在高温下的疲劳强度往往是疲劳与蠕变同时作用的结果，一般地，温度升高，疲劳强度逐渐下降，当温度超过0.5时，疲劳强度会急剧下降。金属的物理性能密度小于的金属为轻金属，反之为重金属金属从固态向液态转变时的温度为熔点金属的导热性以银最好，铜、铝次之。合金导热性比纯金属差。导热性通常用导热率来衡量。金属导电性以银最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。导电性用电阻率来衡量。金属热膨胀性用线膨胀系数和体膨胀系数表示。金属材料分为铁磁性材料、顺磁性材料、抗磁性材料；铁磁性材料当温度升高到一定数值（居里点）时，变为顺磁体了。高分子材料的物理、化学性能聚合物内部为共价键，没自由电子和离子，为绝缘体。热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高，同金属相比，高聚物耐热性较低。是其一大不足。高聚物的化学稳定性很高（塑料王聚四氟乙烯）老化是高聚物的缺点（不可逆），对于橡胶为变脆、龟裂或变软、发粘；对于塑料是退色、失去光泽和开裂。老化的原因：分子链的结构发生了降解和交联。改进的措施：表面防护；改进高聚物结构，减少各层次结构上的弱点，提高稳定性；加入防老化剂，消除游离基，抑制链式反应，阻碍分子链降解和交联，达到防止老化的目的；陶瓷的物理和化学性能热膨胀性能：陶瓷的线膨胀系数比高聚物低，比金属低陶瓷的导热性主要依靠原子的热振动，由于没有自由电子的传热作用，所以陶瓷导热性比金属小，属绝热材料热稳定性为陶瓷在不同温度范围波动时的寿命，一般用急冷水中不破裂所能承受的最高温度来表示。陶瓷的热稳定性很低，比金属低得多，这个是陶瓷的缺点。化学稳定性：陶瓷是很好的耐火、耐腐蚀等材料陶瓷导电性变化范围很广，大多绝缘体，又有半导体总结：不可燃、高耐热、高化学稳定性、不老化性、高硬度和良好的抗压能力，但脆性高，温度急变抗力低，抗拉、抗弯性能差。陶瓷的物理和化学性能