工程材料的基本知识.ppt

1、第四章 工程材料的基本知識,4-1 工程材料的種類及性能,4-2 常用金屬材料,4-4 金屬材料的熱處理,4-5 材料成型技術簡介,4-3 非金屬材料,4-1 工程材料的種類及性能,1. 常用工程材料的種類,1)金屬材料: 包括黑色金屬（鋼鐵）和有色 金屬材料,2)工程陶瓷: 由金屬和非金屬元素的化合物 所構成的各種無機非金屬材料,3)有機高分子材料：工程中常見的有塑料、 橡膠和膠黏劑,4)複合材料：將上述兩種或多種單一材料人工 合成在一起的材料,4-1 工程材料的種類及性能,2. 工程材料的主要性能,(1)工程材料的力學性能,2）塑性,3）硬度,4）衝擊韌性,5）疲勞强度,6）耐磨性,1）强

2、度,(2)工程材料的物理、化學及加工性能,1）力學性能-强度,强度是指在外力作用下材料抵抗變形與斷裂的能力,2）力學性能-塑性,材料在外力作用下產生塑性變形而不斷裂的能力,3）力學性能-硬度,硬度是衡量材料軟硬程度的指標。硬度越高， 表示材料抵抗局部塑性變形的能力越大，材料 的耐磨性也較好。,勃式硬度 用 HB 表示,洛式硬度 用 HRB(較軟金屬)或 HRC(較硬金屬)表示,Rockwell Hardness Test,(洛式),4）力學性能-衝擊韌性,材料在衝擊負荷作用下抵抗斷裂的一種能力， 用標準試樣受衝擊器作用所吸收的能量表示。,5）力學性能-疲度強度,材料在無數次重複“交變應力”作用

3、下，而不引 起斷裂的最大應力值。,Fatigue test,6）力學性能-耐磨性,材料在一定工作條件下抵抗磨損的能力。 用體積磨損量、質量磨損量和長度磨損量來評定。,(2)工程材料的物理、化學及加工性能,物理性能：指材料在重力、電磁場、熱力等物理 因素作用下所表現出來的性能或屬 性，包括材料的密度、熔点、導電性、 磁性能、導熱性、熱膨脹性等,化學性能：主要指材料的抗氧化性、耐蝕性和耐酸 性等，反映了材料在常温或高温環境下 抵抗各種化學作用的能力。,材料加工性能：指材料對各種加工方式的適應性,4-2 常用金屬材料,1. 碳鋼和合金鋼,2. 鑄鐵,3. 有色金屬材料,碳鋼,：各種金屬合金鋼,：低碳

4、鋼、中碳鋼、高碳鋼,合金鋼,灰鑄鐵,球墨灰鑄鐵,可鍛鑄鐵,合金鑄鐵,碳鋼,低碳鋼：含碳量低於 0.30%,中碳鋼：含碳量在 0.30% 0.50%,高碳鋼：含碳量在 0.50% 0.95%,強度較差，但有較好的成型性,中等強度、延展性及硬度,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。,合金鋼,鎳可改良材料的韌性、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 的深度愈深，但硬化能大並不代表能經由淬火而獲得 更大的硬度。),鉻可增加硬化能、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 以是不銹鋼的重要成份。,硫、磷、鉛可改良鋼的切削性,

5、灰鑄鐵,生產過程簡單，抗壓强度高，耐磨性、消振性好，抗拉强度稍低，韌性差，常應用於引擎汽缸體、機械底座、支架等。,球墨灰鑄鐵,強度、軔性與塑性都較灰鑄鐵佳，可應用於製造曲柄軸、連桿等,為可熱處理的鑄鐵，具中高強度與好的切削性，可應用於製造曲柄軸、連桿等。,可鍛鑄鐵,有色金屬材料,鋁及其合金：質量輕、比强度和比剛度高、導電導熱性好、耐腐蝕，因而廣泛用於飛機製造業，成為航空等工業的主要材料。,銅及其合金：,黄銅是以鋅作為主要合金元素的銅合金,青銅以錫為主添加元素，有高的耐磨性、耐腐 蝕性，好的力學性能與鑄造性能，常用以製造 耐磨、減摩擦及耐蝕零件，如齒輪、軸承等。,無錫青銅比錫青銅具有更高的力學性

6、能、耐磨性 和耐蝕性，主要有：鋁青铜，錳青銅等。,4-3 非金屬材料,1. 常用高分子材料,2. 陶瓷,3. 複合材料,(1)塑料,(2)橡膠,(1)塑料,分類,以樹脂為主要成分的有機高分子固體材料,質量輕、比强度高，耐腐蝕性好，絕緣性能優 異，減摩擦、耐磨及自潤滑性能突出，消音吸 振性强，易成型加工，以及其它特殊性能 。,按樹脂受熱後性質：熱塑性塑料、熱固性塑料,按塑料使用範圍：通用塑料、工程塑料和特種 塑料,1. 常用高分子材料,(2)橡膠,分類,以生膠為基礎加入適量的填加劑組成的高分子 彈性體,天然橡膠：從天然植物中採集到的一種聚乙戊 二烯為主要成分的高聚物，用來製造輪胎，也 可製作膠帶

7、、膠管及各種橡膠製品，如刹車皮,合成橡膠：基本性能和用途與天然橡膠相似，可用於某些特殊場合，如耐高温、低温的矽橡膠，耐油的聚硫橡膠和丁腈橡膠，特别耐腐蝕的氟橡膠等。,2. 陶瓷,分類,用各種粉狀原料做成一定形狀後，在高温窯爐 中燒製而成的一種無機非金屬固體材料,具有硬度高、抗壓强度大、耐高温、不怕氧化 和腐蝕、隔熱絕緣性能好等特性,普通陶瓷：廣泛用於建築、日用、衛生、化工、 紡織、高低壓電器等行業的結構件和用品,特種陶瓷：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷,3. 複合材料,纖維增强複合材料,複合材料至少由兩大類組成：基體相和增强相,1）複合材料的組成及性能特點,2）常用複合材料,具有高比强度和

8、比剛度、高的抗疲勞性、高的 斷裂韌性、强的減震能力、高温性能好、抗潛 變能力强、以及優良的減摩性和耐蝕性等特 點，它還有良好的加工性能。,骨架複合材料,層疊增强複合材料,顆粒增强複合材料,4-4 金屬材料的熱處理,1. 鋼的整體熱處理,2. 鋼的表面熱處理,退火,正常化,1. 鋼的整體熱處理,將鋼件加熱到適當温度，保温一定時間， 随後緩慢冷卻以獲得接近平衡狀態組織的 熱處理過程。,目的是使組織與成份均匀化、或是消除殘 留應力、或是消除内應力、或是消除鋼中 的氫。,鋼件加熱到某一温度以上，保温適當時間 後，在空氣中冷卻的熱處理過程。,目的改善鋼的組織和性能，可作為最終熱 處理而直接使用。,淬火,

9、回火,將鋼件加熱到某一温度以上，保温一段時 間，然後以大於臨界冷卻速度冷卻，以獲 得麻田散鐵組織的熱處理過程,回火就是把已經淬火的鋼件重新加熱到某 一温度，適當保温後，冷卻到室温的熱處 理過程。,目的使材料的硬度與強度增加，但材料也 會變的較脆。,目的可改良鋼的抗拉強度與降伏強度，並 增加材料的延性。,表面淬火,化學熱處理,通過快速加熱，使鋼件在預定厚度達到相變化， 然後再立即淬火。,目的是使表層獲得高硬度、高耐磨性的麻田散組 織，而心部仍保持原來的塑性和韌性都較好的退 火、正常化組織。,鋼件置於特定的介質中加熱和保温，使介質中的 活性原子滲入鋼件表層，造成表層的化學成份和 組織改變，而達到材

10、料表面性能變化之目的。,滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鉻、滲鋁等,2. 鋼的表面熱處理,4-5 材料成型技術簡介,1. 鑄造,2. 塑性加工,3. 焊接,4. 非金屬材料成型簡介,1. 鑄造,砂型鑄造：將金屬或合金液澆注到砂型内，冷卻 凝固後獲得鑄件，此應用最為廣泛。,熔模鑄造：鑄件精度與表面品質佳、可獲得形狀複 雜鑄件，適合各種難加工合金的成型。,金屬型鑄造：將金屬液澆注到金屬鑄型中獲得鑄件 的方法，鑄件組織緻密、力學性能 高，尺寸精度和表面品質好，工作環 境改善；但鑄型成本高。,壓力鑄造：生產率高，便於自動化；鑄件尺寸和表 面精度高，能生產較複雜的薄壁件；鑄 件品質好。,砂型鑄造,2. 塑

11、性加工,利用金屬的塑性，使其在外力作用下成形的 一種加工方法。,主要有：自由鍛、模鍛、板料沖壓、軋製、 擠壓、拉拔,自由鍛：利用自由鍛設備的上下砧塊或一些簡單 的通用工具，直接使坯料變形而獲得所 需的幾何形狀的鍛件。,模鍛：利用模具使坯料變形而獲得比自由鍛品質 更高的鍛件,板料沖壓：利用安裝在壓力機上的沖模對板料加 壓，使其產生分離或變形，以獲得零 件的一種加工方法；主要有沖裁、彎 曲、拉伸。,模鍛模具,沖裁,彎曲,拉伸,經由加熱或加壓，使金屬原子結合與產生擴散作用，使分離金屬材料牢固地連接在一起。,3. 焊接,熔化焊：利用熱源，將被焊金屬結合處局部加熱到熔 化狀態，並與熔化的焊條金屬混合，冷卻時 凝固結晶，使之焊合在一起。,壓力焊：利用加壓力（或同時加熱），使金屬產生塑 性變形，使原子間相互結合，組成新的晶 粒，而達到焊接的目的。,按焊接過程主要分為：,鉛焊：由鉛料與被焊金屬表面間的相互擴散和溶解作 用而形成焊接接頭。與熔化焊的區别是被焊金 屬不熔化，只是作為填充金屬的鉛料熔化。,(1)工程塑料成型,主要有：射出成型、擠出成型、壓製成型、 吹塑成型、澆注成型、壓延成型,(2)橡膠成型,用生膠和各種配合劑經煉膠機混煉成煉膠， 再加入能保持製品形狀和提高强度的各種骨 架材料，放入一定形狀的模具