工程材料性能及應用簡介(緒論)

工程材料性能及應用簡介(緒論).第一頁，共36頁。0緒論材料材料的性能材料的分類研究內(nèi)容及目的主要參考書2第二頁，共36頁。ThematerialpossessionsofafamilymatchingthestatisticalaveragefortheUnitedStates.(FromPeterMenzel,MaterialWorld.AGlobalFamilyPortrait,SierraClubBooks,SanFrancisco,1994.)3第三頁，共36頁。0.1材料

經(jīng)過人類勞動取得的勞動對象。一般把來自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動對象稱為“原料”，把經(jīng)過工業(yè)加工的原料成為“材料”。材料是人類賴以生存與發(fā)展、征服及改造自然的物質(zhì)基礎,是人類活動不可缺少的東西。材料是社會生產(chǎn)力發(fā)展的標志，生產(chǎn)中使用的材料性質(zhì)反映了人類社會的文明水平?，F(xiàn)代國家的實力與水平主要取決于他的能源、材料、信息的發(fā)展。什么是材料4第四頁，共36頁。材料工程技術人員學習材料科學知識的意義

評價一個設備、部件、零件的優(yōu)劣或質(zhì)量：①必需保證使用的基本性能（力學、物理），具有一定的壽命（耐疲勞、磨損、腐蝕）；②便于制造，即可以生產(chǎn)出來；③可接受的成本。

這幾點要求是相互矛盾的，但是應利用各種專業(yè)知識，從中找到一個合理的配合，可見其中材料起到相當重要的決定性作用。

在機械產(chǎn)品的設計和維護中，不要單看材料僅僅是圖紙標題欄中諸多內(nèi)容中的一項，用的得當可以反映設計的先進性，達到價廉物美的效果；否則，可能是一個落后的設計，或者是閉門造車，根本上沒法制造出來，甚至會隱藏禍根，導致使用中釀成事故和災難。5第五頁，共36頁。0.2材料的性能

材料的性能是指材料的性質(zhì)和功能。

性質(zhì)是本身所具有的特質(zhì)或本性；

功能是人們對材料的某種期待與要求中可以承擔功效，以及承擔該功效下的表現(xiàn)或能力。主要有（1）力學性能（2）物理性能（3）化學性能（4）工藝性能。6第六頁，共36頁。不同服役條件對材料性能的要求不同7第七頁，共36頁。力學性能

材料的力學性能是指材料處于特定環(huán)境因素(溫度、介質(zhì)等)時，在外力或能量的作用下表現(xiàn)出來的變形和破壞的特征。材料的性能

通常把作用在材料上的外力或能量稱為載荷或負荷。材料的主要力學性能有：彈性強度塑性硬度沖擊韌性疲勞特性耐磨性8第八頁，共36頁。拉伸試驗過程：力學性能外力增加，試樣伸長。得到P－l曲線，換算為－曲線。材料表現(xiàn)為彈性變形、均勻塑性變形、頸縮、斷裂。9第九頁，共36頁。彈性與剛度彈性變形：力學性能彈性模量與剛度：在OA’段為直線，即應力與應變成正比，變化規(guī)律服從虎克定律。并且在外力卸載后試樣恢復到原始長度?？梢赃_到的最大應力成為彈性極限(或比例極限)。10第十頁，共36頁。強度與塑性屈服強度：σsσ0.2

力學性能塑性：斷裂前可發(fā)生永久變形的能力?？估瓘姸龋害襜

材料開始發(fā)生塑性變形的最小應力。材料發(fā)生斷裂前能承受的最大應力。11第十一頁，共36頁。硬度硬度是衡量材料軟硬程度的指標，反映材料抵抗局部塑性變形的能力。力學性能莫氏硬度：材料名稱硬度級別滑石1石膏2螢石4鈉長石6黃玉8剛玉9金剛石10布氏硬度：

用直徑D鋼球在力P的作用下壓在試樣上，保持一定時間,得到壓痕(直徑d)。實用于較軟塑性材料測量。12第十二頁，共36頁。硬度力學性能洛氏硬度：

用120°圓錐金剛石壓頭，1470N(150kgf)力壓入材料，以壓入材料表面的深度來度量材料的硬度。用于硬度較高的（淬火）鋼件。

用對面夾角136°四棱錐金剛石壓頭，在力P作用下壓入材料，用壓痕單位面積上承受的力作為材料硬度的度量。力的大小從980N、490N、297N到…0.192N不等。壓痕小用顯微鏡來觀察，用于測量表層或微區(qū)。維氏硬度：13第十三頁，共36頁。沖擊韌性沖擊韌性是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。常用一次彎曲沖擊韌性試驗ak值來表示。以帶缺口標準試樣快速沖斷時，單位橫截面積吸收的功來衡量。沖擊韌性是材料強度和塑性綜合作用的結果。力學性能試樣尺寸試驗方法14第十四頁，共36頁。斷裂韌度斷裂韌性是材料中存在缺陷時，材料抵抗脆性斷裂的能力。力學性能斷裂韌度指標為KIC，有專門的測定方法。工程應用要求：因為大型構件不可避免存在各種缺陷，在缺陷前端有不同的應力作用，都存在應力集中，其中裂紋受張開應力作用為最危險。Y裂紋形狀系數(shù)，a裂紋長度的一半。15第十五頁，共36頁。疲勞強度

零件在低于屈服應力的交變應力的反復作用下，而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是損傷積累的過程，包括疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴展、瞬間斷裂三個階段。應力大小和循環(huán)次數(shù)有關。力學性能低周疲勞又稱條件疲勞極限，參照零件工作周期可能作用的次數(shù)N下能承受的應力極限值σN。（可以有效發(fā)揮材料的作用）高周疲勞對稱應力作用趨于水平線的最大應力為σ-1,作為永久可用的疲勞強度極限。實際大多以107次未斷裂的應力來測定。16第十六頁，共36頁。耐磨性

一個零件相對另一零件有摩擦運動而造成接觸面的尺寸變化、質(zhì)量損失現(xiàn)象成為磨損。力學性能

磨損的后果可能因零件尺寸變化，輕則降低傳動質(zhì)量，影響部件的使用性能；重則因尺寸變小造成零件斷裂。磨損主要有磨粒磨損(切削)、粘著磨損(分子作用力)；此外接觸疲勞有人歸類為磨損，也有人歸為另一類損傷形式。

測定方法讓兩試樣組成摩擦副，在設定條件(力、潤滑劑)進行一定時間的摩擦運動后，測定試樣的尺寸減小值/質(zhì)量的損失值/摩擦表面外觀形貌來比較不同材料的耐磨性。17第十七頁，共36頁。物理性能

材料的物理性能是指材料本身的具有各種物理量(熱、電、光、磁等)以及環(huán)境變化時它們的變化程度。材料的性能密度與比容導熱率熱膨脹系數(shù)α單位體積物質(zhì)的質(zhì)量Kg/m3單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積m3/Kg物體內(nèi)溫度梯度為1℃/m時，在單位時間、單位面積內(nèi)傳遞的熱量W/(m·K)

溫度上升1℃時，單位長度的伸長量mm/(℃·mm)或℃-1

18第十八頁，共36頁。物理性能材料的性能電阻與電導電阻溫度系數(shù)熔點導磁率物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，反映固態(tài)下原子間結合力。電阻率為單位長度和單位截面積導體的電阻。單位是M，其倒數(shù)稱為電導率S/M西門子/米溫度上升1℃時，電阻率的變化系數(shù)，單位℃-1

電子導電的特點是溫度升高，電阻率上升；離子導電是熱激活過程，溫度升高，電阻率下降。超導現(xiàn)象是材料在很低溫度下，電阻突然從某個值降為零的特征。每種材料有自己的轉(zhuǎn)變溫度，某些化合物的轉(zhuǎn)變溫度達到100K以上。是鐵合金、化合物(鐵氧體)特有性能。19第十九頁，共36頁?；瘜W性能

反映材料與各種化學試劑發(fā)生化學反應的可能性和反應速度大小的相關參數(shù)。材料的性能

工程材料主要考慮其耐腐蝕性，電化學材料有的考察電極電位、儲能密度等。材料由于周圍環(huán)境介質(zhì)侵蝕而造成的損傷和破壞均稱為腐蝕。發(fā)生腐蝕的化學過程有化學腐蝕(氧化)、電化學腐蝕和應力腐蝕等不同形式。腐蝕速度與材料、介質(zhì)、溫度、應力、輻照……因素有關。腐蝕不僅影響零件表明質(zhì)量，并且可以造成零件早期損壞，防腐設計應考慮材料的選擇和防腐措施相結合。20第二十頁，共36頁。工藝性能

材料的工藝性能是材料力學、物理、化學性能的綜合表現(xiàn)。主要反映材料生產(chǎn)或零部件加工過程的可能性或難易程度。材料的性能1.材料可生產(chǎn)性：得到材料可能性和制備方法。2.鑄造性：將材料加熱得到熔體，注入較復雜的型腔后冷卻凝固，獲得零件的方法。流動性：充滿型腔能力收縮率：縮孔數(shù)量的多少和分布特征偏析傾向：材料成分的均勻性21第二十一頁，共36頁。工藝性能材料的性能3.鍛造性：材料進行壓力加工(鍛造、壓延、軋制、拉拔、擠壓等)的可能性或難易程度的度量。4.焊接性：利用部分熔體，將兩塊材料連接在一起。塑性變形能力：材料不破壞的前提下的最大變形量。塑性變形抗力：發(fā)生塑性變形所需要的最小外力。連接能力：焊接接頭部位強度與母材的差別程度。焊接缺陷：焊接處出現(xiàn)氣孔、裂紋可能性的大小或母材變形程度。22第二十二頁，共36頁。工藝性能材料的性能5.切削加工性：材料進行切削加工的難易程度。它與材料的種類、成分、硬度、韌性、導熱性等有關。6.熱處理性能：可以實施的熱處理方法和材料在熱處理時性能改變的程度。切削抗力加工表面質(zhì)量排屑難易程度切削刀具的使用壽命

隨著科技進步的發(fā)展，對材料工藝性能的評價標準也在不斷發(fā)展和變化。23第二十三頁，共36頁。材料性能總結決定材料性能實質(zhì)：構成材料原子的類型：材料的成分描述了組成材料的元素種類以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素自身的性質(zhì)有關以外，還和材料經(jīng)歷的生產(chǎn)加工過程有密切的關系。研究的意義：性能決定了材料的用途。性能決定了材料和零部件生產(chǎn)方法。性能的變化規(guī)律為改變材料性能達到人們需求提供途徑。24第二十四頁，共36頁。0.3材料的分類工程材料：主要利用其力學性能制作結構件。建筑材料結構材料工具材料按材料用途（性能）功能材料：主要利用其物理、化學性能或效應制作具有特定功效的器件。半導體材料磁性材料激光材料熱電材料光電材料聲電材料等25第二十五頁，共36頁。材料的分類（1）金屬材料：純金屬及其合金。合金是由兩種或兩種以上元素組成，其中至少有一種為金屬元素組成具有金屬性的材料。金屬性的關鍵特征是具有正的電阻溫度系數(shù)，這是由于它的導電是自由電子的運動所決定的。鋼鐵材料(黑色金屬)按材料成分：鋼鑄鐵非鐵金屬材料(有色金屬)輕金屬AlMgCaNa…重金屬CuNiPbSnZn…貴金屬AgAuPbRb(銣)Ir(銥)稀有金屬ZrTiNb…稀土金屬Re(YNd(釹)…)放射性金屬RaUTh(釷)…26第二十六頁，共36頁。材料的分類Periodictableoftheelementswiththoseelementsthatareinherentlymetallicinnatureincolor.27第二十七頁，共36頁。材料的分類（2）高分子材料：有機聚合物。熱塑性塑料：尼龍聚乙烯聚氯乙稀聚丙烯……按材料成分：熱固性塑料：樹脂聚氨酯……彈性材料：天然橡膠合成橡膠Miscellaneousinternalpartsofacontemporaryparkingmeteraremadeofanacetal(縮醛)polymer.Engineeredpolymersaretypicallyinexpensiveandcharacterizedbyeaseofformationandadequatestructuralproperties.(CourtesyoftheDuPontCompany,EngineeringPolymersDivision)28第二十八頁，共36頁。材料的分類（2）高分子材料：有機聚合物。熱塑性塑料：尼龍聚乙烯聚氯乙稀聚丙烯……按材料成分：熱固性塑料：樹脂聚氨酯……彈性材料：天然橡膠合成橡膠29第二十九頁，共36頁。材料的分類按材料成分：瓷：以氧化鋁為主陶：硅酸鹽為主廣義陶瓷(特種陶瓷)：金屬與氧、碳、氮、硅等化合物（3）陶瓷材料：一種或多種金屬氧化物或其他化合物。Somecommonceramicsfortraditionalengineeringapplications.Thesemiscellaneouspartswithcharacteristicresistancetodamagebyhightemperaturesandcorrosiveenvironmentsareusedinavarietyoffurnacesandchemicalprocessingsystems.(CourtesyofDuramicProducts,

Inc.)30第三十頁，共36頁。材料的分類按材料成分：31第三十一頁，共36頁。材料的分類按材料成分：（4）復合材料：兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合起來的一種固體材料。Exampleofafiberglasscompositecomposedofmicroscopic-scale(微觀尺度)reinforcingglassfibersinapolymermatrix.32第三十二頁，共36頁。0.4本課程學習內(nèi)容、目的材料力學性能課程主要內(nèi)容－材料在各種服役條件下的失效現(xiàn)象及微觀機理；