工程材料-1零部件對材料性能的要求

1、 1.1 零部件所受的各種負荷零部件所受的各種負荷 1.2 工程設計與加工工藝所需要的材料工程設計與加工工藝所需要的材料性能性能 1.3 工程材料的類型及主要特征工程材料的類型及主要特征一、力學負荷一、力學負荷 拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉載荷。拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉載荷。 很多零件工作時同時承受幾種載荷的作用很多零件工作時同時承受幾種載荷的作用：車床主軸工作時承受彎曲、扭轉、壓縮車床主軸工作時承受彎曲、扭轉、壓縮3 3種載種載荷；鉆床立柱同時承受拉伸和彎曲荷；鉆床立柱同時承受拉伸和彎曲2 2種載荷。種載荷。二、熱負荷二、熱負荷 高溫條件下工作使工程材料的高溫條件下工作使工程材料的力學性

2、能下降力學性能下降，產生高溫產生高溫蠕變蠕變，并可能產生，并可能產生氧化，熱疲勞氧化，熱疲勞。三、環(huán)境介質的作用三、環(huán)境介質的作用 對金屬零件的作用主要是：腐蝕和摩擦磨損。對金屬零件的作用主要是：腐蝕和摩擦磨損。 腐蝕：化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕。腐蝕：化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕。 碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差，鈦及其合金、，鈦及其合金、不銹鋼的耐腐蝕性好，鋁合金和銅合金的耐腐不銹鋼的耐腐蝕性好，鋁合金和銅合金的耐腐蝕性較好。蝕性較好。 零件在摩擦過程中表面發(fā)生尺寸變化和物零件在摩擦過程中表面發(fā)生尺寸變化和物質耗損的現(xiàn)象質耗損的現(xiàn)象-磨損。常見的有：粘結磨損、磨損。

3、常見的有：粘結磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、麻點腐損。磨粒磨損、腐蝕磨損、麻點腐損。 對高分子零件的作用主要為老化。對高分子零件的作用主要為老化。 整機性能、零部件性能與材料性能整機性能、零部件性能與材料性能 工程材料的力學性能工程材料的力學性能 工程材料的理化性能工程材料的理化性能 工程材料的加工工藝性能工程材料的加工工藝性能l使用性能：使用性能：材料在使用過程中材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括所表現(xiàn)的性能。包括力學性能、力學性能、物理性能和化學性能物理性能和化學性能。l工藝性能：工藝性能：材料在加工過程中材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切

4、削性能壓、焊接、熱處理和切削性能等。等。神舟一號飛船l機械零件的強度一般表現(xiàn)為短時承載能力和長期機械零件的強度一般表現(xiàn)為短時承載能力和長期使用壽命。使用壽命。機械零件的強度主要由機械零件的強度主要由3個因素起作用。個因素起作用。l結構因素結構因素：零件在整機中的作用、零件的的形狀、：零件在整機中的作用、零件的的形狀、尺寸及其與其他零件的配合關系。尺寸及其與其他零件的配合關系。l加工工藝因素加工工藝因素：全部加工工藝過程對零件強度的：全部加工工藝過程對零件強度的影響。影響。l材料因素材料因素：材料的成分、組織與性能。：材料的成分、組織與性能。l材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為材料在外

5、力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形變形。l外力去處后能夠恢復的變形稱為外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。彈性變形。l外力去處后不能恢復的變形稱為外力去處后不能恢復的變形稱為塑性變形。塑性變形。 五萬噸水壓機五萬噸水壓機低碳鋼的應力低碳鋼的應力- -應變曲線應變曲線拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗機拉伸試驗機應力應力 = P/F0應變應變 = (l-l0)/l0l彈性：彈性：指標為彈性極限指標為彈性極限 e e，即即材料承受最大彈性變形時材料承受最大彈性變形時的應力。的應力。l剛度：剛度：材料受力時抵抗彈性材料受力時抵抗彈性變形的能力。變形的能力。指標為彈性模指標為彈性模量量E E。 ）（MP

6、atgE 彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。 l強度：強度：材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。變形和斷裂的能力。l上屈服強度上屈服強度ReH：材料發(fā)生明顯材料發(fā)生明顯塑性變形時應力較大時的強度。塑性變形時應力較大時的強度。l下屈服強度下屈服強度R

7、eL：材料發(fā)生明顯材料發(fā)生明顯塑性變形時應力較小時的強度。塑性變形時應力較小時的強度。 屈服強度屈服強度 s / 條件屈服強度條件屈服強度 0.2： 抗拉強度抗拉強度Rm / b：材料斷裂前材料斷裂前所承受的最大應力值。所承受的最大應力值。0.2 伸長率伸長率A/：%100001 lll %100010 FFF 斷面收縮率斷面收縮率Z/：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象l說明：說明：l 用用斷面縮率表示塑性比伸長率更接近斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真實變形。真實變形。l 直徑直徑d0 相同時，相同時，l0 ， 。只有當只有當l0/d0 為常數(shù)時，塑性值才有可比性。為常數(shù)時，塑性值才

8、有可比性。l當當l0=10d0 時，伸長率用時，伸長率用A11.3 / 表示；表示；l當當l0=5d0 時，伸長率用時，伸長率用A / 5 表示。表示。 顯然顯然A A11.3 ( 5 )l A Z 時，時，無頸縮，為無頸縮，為脆性材料脆性材料表征表征 A 5000 。l 高分子化合物有高分子化合物有天然的天然的（蠶絲、羊毛、纖維素、天蠶絲、羊毛、纖維素、天然橡膠、淀粉、蛋白質等然橡膠、淀粉、蛋白質等 ），也有，也有人工合成的人工合成的（塑料、（塑料、合成橡膠、合成纖維、粘接劑和涂料等）合成橡膠、合成纖維、粘接劑和涂料等），工業(yè)用高工業(yè)用高分子材料主要是人工合成的。分子材料主要是人工合成的。l

9、高分子化合物高分子化合物由簡單的結構單元重復連接而成由簡單的結構單元重復連接而成。如由如由乙烯合成聚乙烯乙烯合成聚乙烯: CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2- , CH2CH2 nl可簡寫成可簡寫成 n CH2=CH2 。 l組成聚合物的低分子化合物稱為組成聚合物的低分子化合物稱為單體。單體。l聚合物的分子為很長的鏈條，稱為聚合物的分子為很長的鏈條，稱為大分子鏈。大分子鏈。 CH2CH2 nl大分子鏈中重復結構單元大分子鏈中重復結構單元( (如聚乙烯中如聚乙烯中 ) )稱為稱為鏈節(jié)。鏈節(jié)。 聚乙烯分子鏈聚乙烯分子鏈l常用的聚合物反應有加成聚合反應常用的聚合物反應有

10、加成聚合反應(簡稱簡稱加聚反應加聚反應)和和縮合聚合反應縮合聚合反應(簡稱簡稱縮聚反應縮聚反應)。l2 、高分子材料的分類、高分子材料的分類l 按用途分按用途分塑料、橡膠、纖維、塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、涂料等。膠粘劑、涂料等。 l 按按聚合物反應類型聚合物反應類型分為加聚物分為加聚物和縮聚物。和縮聚物。 l 按按聚合物的熱行為聚合物的熱行為分為熱塑性分為熱塑性聚合物和熱固性聚合物聚合物和熱固性聚合物. l 按按主鏈上的化學組成分為主鏈上的化學組成分為碳鏈碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有機聚聚合物、雜鏈聚合物和元素有機聚合物。合物。 1.3.1 高分子材料的結構高分子材料的結構l1、大分子鏈的結

11、構、大分子鏈的結構 l 大分子鏈的大分子鏈的柔順性柔順性 l大分子鏈主鏈共價鍵有一大分子鏈主鏈共價鍵有一定鍵長和鍵角，保持鍵長定鍵長和鍵角，保持鍵長和鍵角不變時單鍵可任意和鍵角不變時單鍵可任意旋轉，旋轉，稱稱單鍵的內旋轉。單鍵的內旋轉。l內旋轉使大分子鏈卷曲成各種不同形狀，對外力有很內旋轉使大分子鏈卷曲成各種不同形狀，對外力有很大的適應性，這種特性稱為大分子鏈的大的適應性，這種特性稱為大分子鏈的柔順性。柔順性。l柔順性與單鍵內旋轉的難易程度有關。柔順性與單鍵內旋轉的難易程度有關。 l 大分子鏈的形狀大分子鏈的形狀l按照大分子鏈的幾何形狀，可將高分子化合物分為按照大分子鏈的幾何形狀，可將高分子化

12、合物分為線型結構、支化型結構線型結構、支化型結構( (支鏈型結構支鏈型結構) )和體型結構。和體型結構。l線型結構高聚物線型結構高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是的彈性、塑性好，硬度低，是熱塑熱塑性材料。性材料。支化型結構近于線型結構支化型結構近于線型結構 。體型結構高聚體型結構高聚物物硬度高，脆性大，無彈性和塑性，是硬度高，脆性大，無彈性和塑性，是熱固性材料。熱固性材料。l2、高分子的聚集態(tài)結構、高分子的聚集態(tài)結構l固態(tài)高聚物分為固態(tài)高聚物分為晶態(tài)、部分晶態(tài)和非晶態(tài)晶態(tài)、部分晶態(tài)和非晶態(tài)三大類，晶態(tài)為分三大類，晶態(tài)為分子鏈排列規(guī)則的部分，而排列無規(guī)則的部分為非晶態(tài)。子鏈排列規(guī)則的部分，而排列無

13、規(guī)則的部分為非晶態(tài)。l通常通常線性聚合物在一定條件線性聚合物在一定條件下可以形成晶態(tài)或部分晶態(tài)下可以形成晶態(tài)或部分晶態(tài)，而而體型聚合物為非晶態(tài)體型聚合物為非晶態(tài)（或（或玻璃態(tài)）玻璃態(tài)）l聚合物的結晶也是形核和核聚合物的結晶也是形核和核的長大過程。的長大過程。l晶態(tài)熔點、密度、強度、硬晶態(tài)熔點、密度、強度、硬度、剛性、耐熱性、化學穩(wěn)度、剛性、耐熱性、化學穩(wěn)定性高，而彈性、塑性、韌定性高，而彈性、塑性、韌性下降。性下降。 1.3.2 高分子材料的性能高分子材料的性能 l1、線型非晶態(tài)高分子材料的力學狀態(tài)、線型非晶態(tài)高分子材料的力學狀態(tài) l 玻璃態(tài)：玻璃態(tài)：低溫下，鏈段不能運動。在外力作用下，低溫下

14、，鏈段不能運動。在外力作用下，只發(fā)生大分子原子的微量位移，產生少量彈性變形。只發(fā)生大分子原子的微量位移，產生少量彈性變形。l高聚物呈玻璃態(tài)的高聚物呈玻璃態(tài)的最高溫度稱玻璃化最高溫度稱玻璃化溫度，用溫度，用Tg表示。表示。用于這種狀態(tài)的材用于這種狀態(tài)的材料有塑料和纖維。料有塑料和纖維。 線型非晶態(tài)高聚物的溫度線型非晶態(tài)高聚物的溫度- -變形曲線變形曲線 一、高分子材料的機械性能一、高分子材料的機械性能 l 高彈態(tài)：高彈態(tài)：溫度高于溫度高于Tg，分子活動能力增加，受力分子活動能力增加，受力時產生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。時產生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。l 粘流態(tài)：粘流態(tài)

15、：由于溫度高，分子活動能力很大，在外由于溫度高，分子活動能力很大，在外力作用下，大分子鏈可以相對滑動。粘流態(tài)是高分力作用下，大分子鏈可以相對滑動。粘流態(tài)是高分子材料的加工態(tài)，子材料的加工態(tài)，大分子鏈開始發(fā)大分子鏈開始發(fā)生粘性流動的溫生粘性流動的溫度稱粘流溫度，度稱粘流溫度，用用Tf表示。表示。 線型非晶態(tài)高聚物的溫度線型非晶態(tài)高聚物的溫度- -變形曲線變形曲線 l2、晶態(tài)高聚物和體型高聚物的力學狀態(tài)、晶態(tài)高聚物和體型高聚物的力學狀態(tài)l 完全結晶的線性高聚物完全結晶的線性高聚物與低分子晶體材料一樣沒有高彈態(tài)，與低分子晶體材料一樣沒有高彈態(tài)，部分結晶高聚物部分結晶高聚物在非晶在非晶區(qū)區(qū)Tg與晶區(qū)與

16、晶區(qū)T m 間，非晶區(qū)柔性好，間，非晶區(qū)柔性好，晶區(qū)剛性好，處于晶區(qū)剛性好，處于皮革態(tài)。皮革態(tài)。l 體型非晶態(tài)高聚物體型非晶態(tài)高聚物具有具有l(wèi)網狀分子鏈，其交聯(lián)點的網狀分子鏈，其交聯(lián)點的l密度影響高聚物的物理狀密度影響高聚物的物理狀l態(tài)。態(tài)。交聯(lián)密度較小，鏈段交聯(lián)密度較小，鏈段l仍可以運動，具有高彈態(tài)，彈性好，仍可以運動，具有高彈態(tài)，彈性好，如輕度硫化的橡膠；交如輕度硫化的橡膠；交聯(lián)密度大，鏈段不能運動，高彈態(tài)消失，與玻璃一樣硬而脆，聯(lián)密度大，鏈段不能運動，高彈態(tài)消失，與玻璃一樣硬而脆，如酚醛塑料。如酚醛塑料。 線型晶態(tài)高聚物的線型晶態(tài)高聚物的溫度溫度- -變形曲線變形曲線 強度低強度低 高聚

17、物的強度平均高聚物的強度平均100MPa，但其密度小，比強但其密度小，比強度高。度高。 彈性高、彈性模量低彈性高、彈性模量低 高聚物彈性變形量高聚物彈性變形量1001000，E：220MPa(取決于分子鏈的柔順性取決于分子鏈的柔順性)；金屬彈性變形量；金屬彈性變形量0.11.0，E：1032105MPa。 粘彈性粘彈性 高聚物的應變取決于應力和應力作用的速率。高聚物的應變取決于應力和應力作用的速率。產生粘彈性的原因：鏈段運動遇到困難，需要時間來調產生粘彈性的原因：鏈段運動遇到困難，需要時間來調整構象以適用外來的要求。外力作用速度越快，鏈段越整構象以適用外來的要求。外力作用速度越快，鏈段越來不及

18、作出反應，粘彈性越強。來不及作出反應，粘彈性越強。 粘彈性主要表現(xiàn)為粘彈性主要表現(xiàn)為蠕變、應力松弛和內耗。蠕變、應力松弛和內耗。 受迫彈性受迫彈性 無定形高聚物在玻璃態(tài)受到拉伸斷裂前也能產生較無定形高聚物在玻璃態(tài)受到拉伸斷裂前也能產生較大的變形，這種變形本質上是彈性變形大的變形，這種變形本質上是彈性變形(分子鏈段由卷曲性變?yōu)榉肿渔湺斡删砬宰優(yōu)樯熘毙?，玻璃化溫度以下，鏈段運動被凍結，變形不能回復伸直形，玻璃化溫度以下，鏈段運動被凍結，變形不能回復)，而不是分子鏈的粘性流動引起的不可逆塑性變形。而不是分子鏈的粘性流動引起的不可逆塑性變形。 韌性韌性 高聚物的韌性約為金屬的百分之一，常采用提高其強

19、度高聚物的韌性約為金屬的百分之一，常采用提高其強度的辦法來提高韌性。的辦法來提高韌性。 減摩、耐磨性減摩、耐磨性 部分高聚物部分高聚物(聚四氟乙烯，聚四氟乙烯，0.04)之間的摩擦系之間的摩擦系數(shù)很小，自潤滑性能好，磨損率低。數(shù)很小，自潤滑性能好，磨損率低。應應力力A應變應變BC 塑性塑性 B點對應的屈服應變較點對應的屈服應變較 大，約大，約20，而金屬的多，而金屬的多1；頸縮變形頸縮變形階段很長階段很長(冷拉變形以細頸擴展方式進冷拉變形以細頸擴展方式進行行)，擴展到整個試樣后再均勻變形，擴展到整個試樣后再均勻變形，C點后斷裂。點后斷裂。 絕緣性及隔熱隔音性絕緣性及隔熱隔音性 高聚物沒有自由電

20、子和可移動的離子，高聚物沒有自由電子和可移動的離子，是良好的絕緣體，同時也具有良好的隔熱、隔音性能。是良好的絕緣體，同時也具有良好的隔熱、隔音性能。 耐熱性耐熱性 熱固性塑料的耐熱性比熱塑性塑料高。聚乙烯、尼龍熱固性塑料的耐熱性比熱塑性塑料高。聚乙烯、尼龍等長期使用溫度一般在等長期使用溫度一般在100以下，耐高溫的有機硅塑料可在以下，耐高溫的有機硅塑料可在200300使用。使用。 耐蝕性耐蝕性 塑料的耐蝕性能好。尤其是聚四氟乙烯可耐強酸、強塑料的耐蝕性能好。尤其是聚四氟乙烯可耐強酸、強堿，甚至王水的腐蝕。堿，甚至王水的腐蝕。 老化老化 塑料的老化是高聚物的主要缺點，橡膠表現(xiàn)為變脆、龜塑料的老化

21、是高聚物的主要缺點，橡膠表現(xiàn)為變脆、龜裂、變軟、發(fā)粘，塑料則是褪色、失去光澤、開裂。是分子鏈裂、變軟、發(fā)粘，塑料則是褪色、失去光澤、開裂。是分子鏈的結構發(fā)生了降解或交聯(lián)引起的。采用表面防護、加入防老化的結構發(fā)生了降解或交聯(lián)引起的。采用表面防護、加入防老化劑和改進高聚物結構等方面來提高高聚物抗老化的能力。劑和改進高聚物結構等方面來提高高聚物抗老化的能力。l工業(yè)上應用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產品如陶瓷器、玻璃、水泥等。工業(yè)上應用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產品如陶瓷器、玻璃、水泥等。l隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。l按組織形態(tài)，陶瓷材料分為：無機玻

22、璃、微晶玻璃和陶瓷。按組織形態(tài)，陶瓷材料分為：無機玻璃、微晶玻璃和陶瓷。 l陶瓷材料是除陶瓷材料是除金屬和高聚物金屬和高聚物以外的無機非以外的無機非金屬材料通稱。金屬材料通稱。l1、陶瓷材料的相組、陶瓷材料的相組成特點成特點l陶瓷材料通常由三陶瓷材料通常由三種不同的相組成，種不同的相組成，即即晶相晶相(1)、玻璃相玻璃相(2)和氣相和氣相(3)氣孔氣孔。l料致密度、降料致密度、降低燒結溫度和低燒結溫度和抑制晶粒長大抑制晶粒長大。l氣相氣相是在工藝是在工藝過程中形成并過程中形成并保留下來的。保留下來的。l晶相晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化

23、學性質的主要是晶相。理化學性質的主要是晶相。l玻璃相玻璃相的作用是的作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高材充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高材l陶瓷材料的結合鍵特點陶瓷材料的結合鍵特點l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結合鍵以離子鍵硅化物等，因而其結合鍵以離子鍵(如如Al2O3)、共價共價鍵鍵(如如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。及兩者的混合鍵為主。共價鍵共價鍵離子鍵離子鍵l陶瓷材料具有陶瓷材料具有高熔點、高硬度、高熔點、高硬度、高化學穩(wěn)定性，耐高溫、耐氧高化學穩(wěn)定性，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性?；?、耐腐蝕等特性。l陶瓷材料還具有陶瓷材料還具有密度小、彈性密度小、彈性模量大、耐磨損、強度高等特模量大、耐磨損、強度高等特點。點。 1.4.2、陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能Si3N4軸承軸承 熱膨脹性能熱膨脹性能 熱膨脹系數(shù)大小與晶體結構和結合鍵密切熱膨脹系數(shù)大小與晶體結構和結合鍵密切相關，陶瓷的線膨脹系數(shù)比聚合物、金屬都低。相關，陶瓷的線膨脹系數(shù)比聚合物、金屬都低。 導熱性導熱性 陶瓷沒有自由電子的傳熱作用，主要靠原子陶瓷沒有自由電子的傳熱作用，主要靠原子的振動傳熱，一般為較好的絕熱材料。的振動傳熱，一般為較好的絕熱材料。 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 陶瓷的