第五章工程材料.ppt

1、第五章 工程材料,有色金属,陶瓷、玻璃,新型无机非金属,传统无机非金属:,金属材料,无机非金属,有机材料,黑色金属材料,碳纲,合金钢,铝合金,铜合金,钛合金,塑料,橡胶,光导纤维,生物陶瓷,合成纤维,复合材料,第一节 工程材料的分类,铸铁,第二节 材料的力学性能,1、强度,强度是指在外力作用下材料抵抗塑性变形和断裂的能力。抵抗破坏能力越大，强度越高。,应力-应变曲线,抗拉强度是指材料所能承受的最大应力。它表征了材料抵抗断裂的能力，用 表示。 式中：Fb -试样在断裂前的最大载荷(N)； A0 -试样原始横截面积(mm2 )。,1) 抗拉强度,3) 剪切强度,当受一对大小相等、方向相反、作用力距

2、离很近的外力，且力的方向都与材料的轴线想垂直，这时材料表现出来的抵抗能力称为剪切强度，用 表示。,2) 抗压强度,当所受外力是压力时，材料所表现出来的抵抗变形或破坏的能力称为抗压强度，用 表示。,屈服强度是指材料产生屈服时的最小应力。它表达了材料抗塑性变形的能力。用s表示。 sFs/A0 式中：Fs-s点的最小载荷(N)； A0 -试样原始横截面积(mm2 )。,4）屈服强度,2、硬度,硬度是指材料的软硬程度。它表征了材料抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力。,1）布氏硬度（HB）,布氏硬度值是指材料压坑单位球面积上的抵抗力。其数值越大，则表示材料越硬。,2）洛氏硬度（HR）,洛氏硬度是用压痕深度

3、作为测量硬度的依据。根据压印头和载荷的不同，洛氏硬度分为若干种。常用的有HRA、HRB、HRC。,（1）HRA采用1200圆锥形金刚石压入器求得的硬度，一般用来测量高硬材料（如硬质合金等）及一 些硬而薄的金属等，其硬度为7085HRA。,（2）HRB采用直径1/16 in 的淬硬材料钢球测得的硬度， 一般用来测量有色金属、退火刚等，其硬度为7085HRA。,（3）HRC采用1200圆锥形金刚石压入器求得的硬度，一般用来测量调质钢及淬火钢，其硬度为2067HRC。,3、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（），其值越大，塑性愈大。,碳

4、: 碳塑性（渗碳体） 杂质: 杂质塑性 磷冷脆性。强度、硬度 塑性 硫热脆性。硫化物和共晶体分布晶界，熔点低 氮时效脆性、即兰脆。温度氮化物析出 氢氢脆，间隙固溶体。白点，扩散聚集微缺陷 氧热脆性。氧化物、易溶共晶体，熔点低 合金元素: 合金元素加入塑性抗力,化学成分对金属塑性的影响,冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。试样横截面单位面积上所消耗的功即为冲击韧度值AK。,4、冲击韧性,AK值低的材料称为脆性材料，AK值高的材料称为韧性材料。,材料的AK值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。,材料的AK值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，AK值发生急剧降低，这种现象称为冷脆

5、。,5、抗疲劳性,金属材料在长期交变载荷下，仍然不被破坏的能力，称为抗疲劳性。 衡量抗疲劳性大小的指标是疲劳强度，其值越大，抗疲劳性越好。,第三节 金属材料,碳钢又称碳素钢，是现代经济建设应用极为广泛的基础材料，其主要元素为铁和碳。碳含量在0.022.11%之间。由于原料和冶炼工艺的限制，实际使用的钢中都含有硅、锰、硫、磷等杂质元素。,一、碳钢,常用金属材料分为黑色金属和有色金属，其中黑色金属主要就是指刚和铁。,按碳含量Wc,低碳钢：,0.25%,中碳钢：,0.300.60%,高碳钢：,0.60%,按质量,普通质量碳钢：,优质碳钢：,特殊质量碳钢：,按用途,碳钢,碳素结构钢：,碳素工具钢：,碳

6、素铸钢：,1、碳钢分类,2、碳钢牌号,Q A F,屈服点,屈服点s的值,质量等级：A、B、C、D、E,脱氧方法,沸腾钢F,半镇静钢B,镇静钢Z,特殊镇静钢TZ,1）普通碳素结构钢,2）优质碳素结构钢,45 表示平均碳质量分数为0.45%的优质碳 素结构钢。,65Mn 表示Wc为0.65%、含锰量较高的优质 碳素结构钢。,用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数。,例1：Q235AF表示屈服点为235MPa、质量为A级的碳素结构钢，是沸腾钢。,3）碳素工具钢,T8 表示平均碳质量分数为0.8%的碳素工具钢。,T12A 表示平均碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢。,T（“碳”）+两位数字

7、（表示钢中平均碳的质量分数的千分数）。,二、铸铁,强度、塑性、韧性比钢低。,耐磨性好 石墨有利于润滑、储油。,碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。,w(C) = 2.5-4.0 % ， w(Si) = 1.0-3.0 % .,应用特点：,1、灰铸铁,牌号如HT100，表示 b100MPa,性能与其它铸铁相比，力学性能差，其它性能好,发动机飞轮,水泵叶轮,2、球墨铸铁铁水浇注前加球化剂使石墨球化,牌号 如 QT700-2 ，表示 b700， 2,性能 强度、塑韧性明显优于灰铸铁。,连杆,管道接口,3、蠕墨铸铁在铁水浇注前加蠕化剂而得,牌号 如 RuT420 ，表示 b420 。,性能

8、强度、塑韧性优于灰铸铁。,应用 高压热交换器、汽缸盖、液压阀等。,进气管,排气管,4、可煅铸铁 白口铸铁 经石墨化退火而得,牌号 如 KT300-6 ，表示 b300 ， 6,性能 强度、塑韧性优于HT，低于QT。,三、合金钢,不仅合金钢的强度高，塑韧性优于碳钢，而且抗腐蚀性和抗氧化性也好于碳钢。,合金钢 在碳钢的基础上，加入某些合金元素（如锰、硅、镍、钒和稀土等）而得到，铁、碳和合金元素是合金钢的基本组元。,常分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。,1、合金结构钢,成分：Wc0.2%，Me%3%，主加元素Mn 用途：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。 性能：较高

9、的强度、屈强比、塑、韧性 良好的焊接性和冷塑性加工性 含有耐大气和海水腐蚀的元素,1）渗碳钢,低碳：0.1%0.25%，以保证零件心部足够的塑性和韧性，抵抗冲击载荷； 合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，以提高渗碳钢的淬透性，保证零件的心部为低碳马氏体，从而具有足够的心部强度。,用途：制造要求高耐磨性、承受高接触应力和 冲击载荷的重要零件。,2）调质钢,中碳： 0.25%0.5%（一般为0.4%左右）。 合金元素 ：主加元素Mn、Si、Cr、Ni等，主要作用提高淬透性；次要作用溶入铁素体起固溶强化作用。,用途：制造受力复杂（交变应力、冲击载荷等） 的重要零件，如发动机连杆、曲轴、机床主轴等。

10、,3）弹簧钢,中高碳：碳素弹簧钢0.60.9%，合金弹簧钢0.450.70%，经淬火加中温回火后得到回火托氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。 合金元素：主加元素为Si、Mn等，其主要作用是提高淬透性、回火稳定性。,用途：制造各种弹簧和弹性元件或类似性能 要求的结构零件。,4）滚动轴承钢,高碳：0.95%1.15%，保证轴承钢高硬度和高耐磨性。 低铬：0.40%1.65%，增加钢的淬透性，形成合金渗体。 M3C型碳化物: 提高接触疲劳极限和耐磨性。,用途：制造各种滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱） 和内外套圈的专用钢种，也可制作精密量 具、冷冲模、机床丝杆及油泵油嘴精密件。,2、合金工具钢,具有

11、较高硬度、足够韧性、耐高温、热处理变形小。,1）刃具钢,高的硬度（6066HRC）和耐磨性。 高的热硬性，即钢在高温下（500600）保持高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。同时具有适当的韧性。,2）量具钢,高硬度和耐磨性、良好尺寸稳定性。 成分：高碳 ； 合金元素：Cr， Mn、W。,3）模具钢,在常温下使金属材料变形成型的模具用钢，工作温度200300；模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用；冷作模具钢应具有高硬度、高耐磨性。,（2）热作模具钢,使热态金属成形的模具用钢。热锻模工作部分的温度会升高到300400、热挤压模可达500800、甚至近1000。,（1）冷作

12、模具钢,3、特殊性能钢,1）不锈钢 铬不锈钢的合金元素以铬为主，可抵抗空气、水对钢的腐蚀。铬镍不锈钢的合金元素以铬和镍为主，可抵抗酸碱的腐蚀。,2）耐热钢,在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。,3）耐磨钢,强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化高锰钢。,四、有色金属,1）纯铝 具有低强度、良好低温性能，塑性好，易铸造、切削和加工。同时具有良好导电性和导热性。 2）铝合金 在纯铝中加入硅、铜、镁、锰等合金元素所形成，保留纯铝优点同时，提高铝合金的强度。,1、铝及铝合金,2、铜及铜合金,1）纯铜（紫铜）,铜是人类历史上应用最早的金属材料。具有良好的导电、热及耐腐蚀性，从而广泛应用于电气、仪器、化工

13、等行业。,纯铜表面呈紫色，又叫紫铜。最主要特点是具有高的导电、导热性，同时具有较高的抗磁性。但纯铜的强度和硬度较低。,a. 普通黄铜（铜-锌二元合金） 普通黄铜的代号为“H” 加数字组成，如H62表示Cu=62%， Zn=38%的普通黄铜。 b. 特殊黄铜（复杂黄铜） 特殊黄铜的代号：H+主要添加元素符号+铜的质量分数+主添元素的质量分数。 如HPb59-1为Cu=59%，Pb=1%，余量为锌的铅黄铜。,2）铜合金,青铜是在铜合金中加入主要元素不是锌，而是锡、铝、硅等其他元素。 青铜代号为“Q” 加数字组成，其后是主加元素符号及其平均含量。如QSn6.5-0.1代表Sn6.5%、p0.1%锡青

14、铜。 青铜一般经铸造而成，其强度、硬度、耐腐蚀性都比黄铜好，因此常用来制造轴承、齿轮套圈及减摩零件等。,c. 青铜,第四节 有机材料,有机材料主要是指塑料、合成橡胶、合成纤维等高分子材料。,1）组成元素主要有C、H、O、N、Cl、Si等 2）以许多简单的重复单元连接而成 例：聚乙烯 CH2-CH2-CH2-. 重复单元-CH2-CH2- 也叫做链节,高分子材料组成,一、塑料,由树脂及增塑剂、防老化剂等添加剂组成的，主要成分是树脂。,塑料,热塑性塑料：,热固性塑料：,具有长链状的线性结构,硬化后，形成体形网状结构,塑料特点：一是以高分子聚合物为主要成分，二是本身具有可塑性。,热固性塑料再次受热时

15、，链与链间会形成共价键，产生一些交联，形成体型网状结构，从而会硬化定型。,热塑性塑料具有长链状的线型结构。受热时，分子间作用力减弱，易滑动；冷却时，相互引力增强，会重新硬化。,塑料的特性,1、塑料的优点:,（1） 易于加工、易于制造，成本低。,（2）可根据需要随意着色，或制成透明制品。,（3）可制做轻质高强度的产品。,（4）不生锈、不易腐蚀，不易传热、保温性能好。,2、塑料的缺点:,（1） 耐热性差、易于燃烧,（2） 机械强度较低,（3） 耐久性差，易老化,（4）尺寸稳定性差,二、橡胶,橡胶是具有轻度交联的线性高聚物，是制造飞机、汽车和医疗器械等所必需的材料，是重要的战略物资。,2、合成橡胶分

16、为通用橡胶和特种橡胶。,通用橡胶：如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等。,特种橡胶：如耐热和耐酸碱的氟橡胶、耐高温和耐严寒的硅橡胶等。,硅橡胶,1、天然橡胶的化学组成是 聚异戊二烯：,第五节 陶瓷,陶瓷材料是最常用的一种无机非金属材料。是用天然或人工合成的粉状化合物，经成型和高温烧结而制成的多相固体材料。它的出现是人类文明的象征之一。 陶瓷最大优点是可作为高温结构材料，同时具有高硬度、高耐磨性、耐蚀性和绝缘性能。,陶瓷是继金属材料、高分子材料之后的第三大工程材料。,一、陶瓷材料的分类,1）普通陶瓷又称传统陶瓷。以天然硅酸盐矿物 为主要原料，如粘土、石英、长石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、电器

17、绝缘陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。,2）特种陶瓷是以纯度较高的人工合成化合物为主要原料的人工合成化合物。 如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。,以Al2O3为主要成分，含少量SiO2的陶瓷。 根据Al2O3含量不同，分75瓷（ ）又称刚玉-莫来石瓷； 95瓷、99瓷，又称刚玉瓷。 Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工艺愈复杂，成本愈高。,（1）氧化铝陶瓷,下面介绍几种特种陶瓷,主晶相SiC，有反应烧结和热压烧结两种碳化硅陶瓷；高温强度高，工作温度可达16001700 1400时，抗弯强度为500600MPa 。 有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性

18、、耐蚀性，且耐辐射；是良好的高温结构材料，主要用于制作火箭喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电偶套管、炉管，燃气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。,（2）碳化硅陶瓷,以Si3N4粉为原料，加入少量添加剂，装入石墨模具中，在16001700高温和2030MPa的高压下烧结成型，得到组织致密，气孔率接近0的氮化硅陶瓷。因受石墨模具所限制，只能加工形状简单的制品。,（3）氮化硅陶瓷,第六节 复合材料,复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同组织的组分，以宏观或微观方式复合形成的新型材料，一般由基体组元和增强材料组成。,复合材料特点：,1）比强度高和比模量高,2）抗疲劳和破损安全好,3）减振

19、性能好,4）耐高温性能好,5）成型工艺好,常用复合材料,一、玻璃钢： 基体：树脂；增强体：玻璃纤维 性能：强度高、密度小（钢的1/4）、耐腐蚀、 绝缘性好 应用：人造卫星、导弹和火箭外壳（瞬时耐高温性能）； 雷达罩（不反射无线电波、微波透过性好）； 电机、电器及仪表的绝缘零部件； 各种管道、泵、阀门、容器等。,二、碳纤维-树脂复合材料 基体：树脂；增强体：碳纤维 性能：高的比强度和比模量，良好的高温性能，优良的抗疲劳性能、耐冲击、减摩耐磨、耐腐蚀等。 应用：制造承载、耐磨等零件，如轴承、密封圈、齿轮等。化学工业、汽车制造业、航空航天和国防工业等。,基体：环氧树脂 增强体：硼纤维 性能：强度和冲击韧性特别高，具有一定的抗热性。但各向异性很明显，横向力学性能低而纵向力学性能高。 应用：主要用于航空航天、军事和生物医学，如洲际导弹头部的隔热罩、固体火箭喷管等。,三、硼纤维树脂复合材料,第七节 钢的热处理,退火,热处理,普通热处理,化学热处理,正火,淬火,回火,表面热处理,表面淬火,渗碳,渗氮,碳氮共渗,发黑处理,退火是将钢件加热到高于或