第五章工程材料.ppt

1、第五章 工程材料,有色金屬,陶瓷、玻璃,新型無機非金屬,傳統(tǒng)無機非金屬:,金屬材料,無機非金屬,有機材料,黑色金屬材料,碳綱,合金鋼,鋁合金,銅合金,鈦合金,塑料,橡膠,光導纖維,生物陶瓷,合成纖維,復合材料,第一節(jié) 工程材料的分類,鑄鐵,第二節(jié) 材料的力學性能,1、強度,強度是指在外力作用下材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。抵抗破壞能力越大，強度越高。,應力-應變曲線,抗拉強度是指材料所能承受的最大應力。它表征了材料抵抗斷裂的能力，用 表示。 式中：Fb -試樣在斷裂前的最大載荷(N)； A0 -試樣原始橫截面積(mm2 )。,1) 抗拉強度,3) 剪切強度,當受一對大小相等、方向相反、作用力距

2、離很近的外力，且力的方向都與材料的軸線想垂直，這時材料表現出來的抵抗能力稱為剪切強度，用 表示。,2) 抗壓強度,當所受外力是壓力時，材料所表現出來的抵抗變形或破壞的能力稱為抗壓強度，用 表示。,屈服強度是指材料產生屈服時的最小應力。它表達了材料抗塑性變形的能力。用s表示。 sFs/A0 式中：Fs-s點的最小載荷(N)； A0 -試樣原始橫截面積(mm2 )。,4）屈服強度,2、硬度,硬度是指材料的軟硬程度。它表征了材料抵抗表面局部塑性變形及破壞的能力。,1）布氏硬度（HB）,布氏硬度值是指材料壓坑單位球面積上的抵抗力。其數值越大，則表示材料越硬。,2）洛氏硬度（HR）,洛氏硬度是用壓痕深度

3、作為測量硬度的依據。根據壓印頭和載荷的不同，洛氏硬度分為若干種。常用的有HRA、HRB、HRC。,（1）HRA采用1200圓錐形金剛石壓入器求得的硬度，一般用來測量高硬材料（如硬質合金等）及一 些硬而薄的金屬等，其硬度為7085HRA。,（2）HRB采用直徑1/16 in 的淬硬材料鋼球測得的硬度， 一般用來測量有色金屬、退火剛等，其硬度為7085HRA。,（3）HRC采用1200圓錐形金剛石壓入器求得的硬度，一般用來測量調質鋼及淬火鋼，其硬度為2067HRC。,3、塑性,塑性是指在外力作用下材料產生永久變形而不被破壞的能力。常用的塑性指標是伸長率（）和斷面收縮率（），其值越大，塑性愈大。,碳

4、: 碳塑性（滲碳體） 雜質: 雜質塑性 磷冷脆性。強度、硬度 塑性 硫熱脆性。硫化物和共晶體分布晶界，熔點低 氮時效脆性、即蘭脆。溫度氮化物析出 氫氫脆，間隙固溶體。白點，擴散聚集微缺陷 氧熱脆性。氧化物、易溶共晶體，熔點低 合金元素: 合金元素加入塑性抗力,化學成分對金屬塑性的影響,沖擊韌度是材料抵抗沖擊載荷的能力。試樣橫截面單位面積上所消耗的功即為沖擊韌度值AK。,4、沖擊韌性,AK值低的材料稱為脆性材料，AK值高的材料稱為韌性材料。,材料的AK值取決于材料及其狀態(tài)，同時與試樣的形狀、尺寸有很大關系。,材料的AK值隨溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內，AK值發(fā)生急劇降低，這種現象稱為冷脆

5、。,5、抗疲勞性,金屬材料在長期交變載荷下，仍然不被破壞的能力，稱為抗疲勞性。 衡量抗疲勞性大小的指標是疲勞強度，其值越大，抗疲勞性越好。,第三節(jié) 金屬材料,碳鋼又稱碳素鋼，是現代經濟建設應用極為廣泛的基礎材料，其主要元素為鐵和碳。碳含量在0.022.11%之間。由于原料和冶煉工藝的限制，實際使用的鋼中都含有硅、錳、硫、磷等雜質元素。,一、碳鋼,常用金屬材料分為黑色金屬和有色金屬，其中黑色金屬主要就是指剛和鐵。,按碳含量Wc,低碳鋼：,0.25%,中碳鋼：,0.300.60%,高碳鋼：,0.60%,按質量,普通質量碳鋼：,優(yōu)質碳鋼：,特殊質量碳鋼：,按用途,碳鋼,碳素結構鋼：,碳素工具鋼：,碳

6、素鑄鋼：,1、碳鋼分類,2、碳鋼牌號,Q A F,屈服點,屈服點s的值,質量等級：A、B、C、D、E,脫氧方法,沸騰鋼F,半鎮(zhèn)靜鋼B,鎮(zhèn)靜鋼Z,特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ,1）普通碳素結構鋼,2）優(yōu)質碳素結構鋼,45 表示平均碳質量分數為0.45%的優(yōu)質碳 素結構鋼。,65Mn 表示Wc為0.65%、含錳量較高的優(yōu)質 碳素結構鋼。,用兩位數字表示鋼中平均碳的質量分數的萬分數。,例1：Q235AF表示屈服點為235MPa、質量為A級的碳素結構鋼，是沸騰鋼。,3）碳素工具鋼,T8 表示平均碳質量分數為0.8%的碳素工具鋼。,T12A 表示平均碳質量分數為1.20%的高級優(yōu)質碳素工具鋼。,T（“碳”）+兩位數字

7、（表示鋼中平均碳的質量分數的千分數）。,二、鑄鐵,強度、塑性、韌性比鋼低。,耐磨性好 石墨有利于潤滑、儲油。,碳的質量分數大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵。,w(C) = 2.5-4.0 % ， w(Si) = 1.0-3.0 % .,應用特點：,1、灰鑄鐵,牌號如HT100，表示 b100MPa,性能與其它鑄鐵相比，力學性能差，其它性能好,發(fā)動機飛輪,水泵葉輪,2、球墨鑄鐵鐵水澆注前加球化劑使石墨球化,牌號 如 QT700-2 ，表示 b700， 2,性能 強度、塑韌性明顯優(yōu)于灰鑄鐵。,連桿,管道接口,3、蠕墨鑄鐵在鐵水澆注前加蠕化劑而得,牌號 如 RuT420 ，表示 b420 。,性能

8、強度、塑韌性優(yōu)于灰鑄鐵。,應用 高壓熱交換器、汽缸蓋、液壓閥等。,進氣管,排氣管,4、可煅鑄鐵 白口鑄鐵 經石墨化退火而得,牌號 如 KT300-6 ，表示 b300 ， 6,性能 強度、塑韌性優(yōu)于HT，低于QT。,三、合金鋼,不僅合金鋼的強度高，塑韌性優(yōu)于碳鋼，而且抗腐蝕性和抗氧化性也好于碳鋼。,合金鋼 在碳鋼的基礎上，加入某些合金元素（如錳、硅、鎳、釩和稀土等）而得到，鐵、碳和合金元素是合金鋼的基本組元。,常分為合金結構鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼。,1、合金結構鋼,成分：Wc0.2%，Me%3%，主加元素Mn 用途：橋梁、船舶、車輛、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結構等。 性能：較高

9、的強度、屈強比、塑、韌性 良好的焊接性和冷塑性加工性 含有耐大氣和海水腐蝕的元素,1）滲碳鋼,低碳：0.1%0.25%，以保證零件心部足夠的塑性和韌性，抵抗沖擊載荷； 合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，以提高滲碳鋼的淬透性，保證零件的心部為低碳馬氏體，從而具有足夠的心部強度。,用途：制造要求高耐磨性、承受高接觸應力和 沖擊載荷的重要零件。,2）調質鋼,中碳： 0.25%0.5%（一般為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；次要作用溶入鐵素體起固溶強化作用。,用途：制造受力復雜（交變應力、沖擊載荷等） 的重要零件，如發(fā)動機連桿、曲軸、機床主軸等。

10、,3）彈簧鋼,中高碳：碳素彈簧鋼0.60.9%，合金彈簧鋼0.450.70%，經淬火加中溫回火后得到回火托氏體組織，能較好地保證彈簧的性能要求。 合金元素：主加元素為Si、Mn等，其主要作用是提高淬透性、回火穩(wěn)定性。,用途：制造各種彈簧和彈性元件或類似性能 要求的結構零件。,4）滾動軸承鋼,高碳：0.95%1.15%，保證軸承鋼高硬度和高耐磨性。 低鉻：0.40%1.65%，增加鋼的淬透性，形成合金滲體。 M3C型碳化物: 提高接觸疲勞極限和耐磨性。,用途：制造各種滾動軸承的滾動體（滾珠、滾柱） 和內外套圈的專用鋼種，也可制作精密量 具、冷沖模、機床絲桿及油泵油嘴精密件。,2、合金工具鋼,具有

11、較高硬度、足夠韌性、耐高溫、熱處理變形小。,1）刃具鋼,高的硬度（6066HRC）和耐磨性。 高的熱硬性，即鋼在高溫下（500600）保持高硬度（60HRC左右）的能力，這是高速切削加工刀具必備的性能。同時具有適當的韌性。,2）量具鋼,高硬度和耐磨性、良好尺寸穩(wěn)定性。 成分：高碳 ； 合金元素：Cr， Mn、W。,3）模具鋼,在常溫下使金屬材料變形成型的模具用鋼，工作溫度200300；模具承受很大的載荷及摩擦、沖擊作用；冷作模具鋼應具有高硬度、高耐磨性。,（2）熱作模具鋼,使熱態(tài)金屬成形的模具用鋼。熱鍛模工作部分的溫度會升高到300400、熱擠壓?？蛇_500800、甚至近1000。,（1）冷作

12、模具鋼,3、特殊性能鋼,1）不銹鋼 鉻不銹鋼的合金元素以鉻為主，可抵抗空氣、水對鋼的腐蝕。鉻鎳不銹鋼的合金元素以鉻和鎳為主，可抵抗酸堿的腐蝕。,2）耐熱鋼,在高溫下具有抗氧化性和高溫強度的特殊鋼。,3）耐磨鋼,強烈沖擊載荷作用下發(fā)生沖擊形變硬化高錳鋼。,四、有色金屬,1）純鋁 具有低強度、良好低溫性能，塑性好，易鑄造、切削和加工。同時具有良好導電性和導熱性。 2）鋁合金 在純鋁中加入硅、銅、鎂、錳等合金元素所形成，保留純鋁優(yōu)點同時，提高鋁合金的強度。,1、鋁及鋁合金,2、銅及銅合金,1）純銅（紫銅）,銅是人類歷史上應用最早的金屬材料。具有良好的導電、熱及耐腐蝕性，從而廣泛應用于電氣、儀器、化工

13、等行業(yè)。,純銅表面呈紫色，又叫紫銅。最主要特點是具有高的導電、導熱性，同時具有較高的抗磁性。但純銅的強度和硬度較低。,a. 普通黃銅（銅-鋅二元合金） 普通黃銅的代號為“H” 加數字組成，如H62表示Cu=62%， Zn=38%的普通黃銅。 b. 特殊黃銅（復雜黃銅） 特殊黃銅的代號：H+主要添加元素符號+銅的質量分數+主添元素的質量分數。 如HPb59-1為Cu=59%，Pb=1%，余量為鋅的鉛黃銅。,2）銅合金,青銅是在銅合金中加入主要元素不是鋅，而是錫、鋁、硅等其他元素。 青銅代號為“Q” 加數字組成，其后是主加元素符號及其平均含量。如QSn6.5-0.1代表Sn6.5%、p0.1%錫青

14、銅。 青銅一般經鑄造而成，其強度、硬度、耐腐蝕性都比黃銅好，因此常用來制造軸承、齒輪套圈及減摩零件等。,c. 青銅,第四節(jié) 有機材料,有機材料主要是指塑料、合成橡膠、合成纖維等高分子材料。,1）組成元素主要有C、H、O、N、Cl、Si等 2）以許多簡單的重復單元連接而成 例：聚乙烯 CH2-CH2-CH2-. 重復單元-CH2-CH2- 也叫做鏈節(jié),高分子材料組成,一、塑料,由樹脂及增塑劑、防老化劑等添加劑組成的，主要成分是樹脂。,塑料,熱塑性塑料：,熱固性塑料：,具有長鏈狀的線性結構,硬化后，形成體形網狀結構,塑料特點：一是以高分子聚合物為主要成分，二是本身具有可塑性。,熱固性塑料再次受熱時

15、，鏈與鏈間會形成共價鍵，產生一些交聯，形成體型網狀結構，從而會硬化定型。,熱塑性塑料具有長鏈狀的線型結構。受熱時，分子間作用力減弱，易滑動；冷卻時，相互引力增強，會重新硬化。,塑料的特性,1、塑料的優(yōu)點:,（1） 易于加工、易于制造，成本低。,（2）可根據需要隨意著色，或制成透明制品。,（3）可制做輕質高強度的產品。,（4）不生銹、不易腐蝕，不易傳熱、保溫性能好。,2、塑料的缺點:,（1） 耐熱性差、易于燃燒,（2） 機械強度較低,（3） 耐久性差，易老化,（4）尺寸穩(wěn)定性差,二、橡膠,橡膠是具有輕度交聯的線性高聚物，是制造飛機、汽車和醫(yī)療器械等所必需的材料，是重要的戰(zhàn)略物資。,2、合成橡膠分

16、為通用橡膠和特種橡膠。,通用橡膠：如丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠等。,特種橡膠：如耐熱和耐酸堿的氟橡膠、耐高溫和耐嚴寒的硅橡膠等。,硅橡膠,1、天然橡膠的化學組成是 聚異戊二烯：,第五節(jié) 陶瓷,陶瓷材料是最常用的一種無機非金屬材料。是用天然或人工合成的粉狀化合物，經成型和高溫燒結而制成的多相固體材料。它的出現是人類文明的象征之一。 陶瓷最大優(yōu)點是可作為高溫結構材料，同時具有高硬度、高耐磨性、耐蝕性和絕緣性能。,陶瓷是繼金屬材料、高分子材料之后的第三大工程材料。,一、陶瓷材料的分類,1）普通陶瓷又稱傳統(tǒng)陶瓷。以天然硅酸鹽礦物 為主要原料，如粘土、石英、長石等。主要制品有：日用陶瓷、建筑陶瓷、電器

17、絕緣陶瓷、化工陶瓷、多孔陶瓷。,2）特種陶瓷是以純度較高的人工合成化合物為主要原料的人工合成化合物。 如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等。,以Al2O3為主要成分，含少量SiO2的陶瓷。 根據Al2O3含量不同，分75瓷（ ）又稱剛玉-莫來石瓷； 95瓷、99瓷，又稱剛玉瓷。 Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，氣孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工藝愈復雜，成本愈高。,（1）氧化鋁陶瓷,下面介紹幾種特種陶瓷,主晶相SiC，有反應燒結和熱壓燒結兩種碳化硅陶瓷；高溫強度高，工作溫度可達16001700 1400時，抗彎強度為500600MPa 。 有很好的導熱性、熱穩(wěn)定性、抗蠕變能力、耐磨性

18、、耐蝕性，且耐輻射；是良好的高溫結構材料，主要用于制作火箭噴管的噴嘴，澆注金屬的澆道口、熱電偶套管、爐管，燃氣輪葉片，高溫軸承，熱交換器及核燃料包封材料等。,（2）碳化硅陶瓷,以Si3N4粉為原料，加入少量添加劑，裝入石墨模具中，在16001700高溫和2030MPa的高壓下燒結成型，得到組織致密，氣孔率接近0的氮化硅陶瓷。因受石墨模具所限制，只能加工形狀簡單的制品。,（3）氮化硅陶瓷,第六節(jié) 復合材料,復合材料是由兩種或兩種以上不同性質或不同組織的組分，以宏觀或微觀方式復合形成的新型材料，一般由基體組元和增強材料組成。,復合材料特點：,1）比強度高和比模量高,2）抗疲勞和破損安全好,3）減振

19、性能好,4）耐高溫性能好,5）成型工藝好,常用復合材料,一、玻璃鋼： 基體：樹脂；增強體：玻璃纖維 性能：強度高、密度?。ㄤ摰?/4）、耐腐蝕、 絕緣性好 應用：人造衛(wèi)星、導彈和火箭外殼（瞬時耐高溫性能）； 雷達罩（不反射無線電波、微波透過性好）； 電機、電器及儀表的絕緣零部件； 各種管道、泵、閥門、容器等。,二、碳纖維-樹脂復合材料 基體：樹脂；增強體：碳纖維 性能：高的比強度和比模量，良好的高溫性能，優(yōu)良的抗疲勞性能、耐沖擊、減摩耐磨、耐腐蝕等。 應用：制造承載、耐磨等零件，如軸承、密封圈、齒輪等?；瘜W工業(yè)、汽車制造業(yè)、航空航天和國防工業(yè)等。,基體：環(huán)氧樹脂 增強體：硼纖維 性能：強度和沖擊韌性特別高，具有一定的抗熱性。但各向異性很明顯，橫向力學性能低而縱向力學性能高。 應用：主要用于航空航天、軍事和生物醫(yī)學，如洲際導彈頭部的隔熱罩、固體火箭噴管等。,三、硼纖維樹脂復合材料,第七節(jié) 鋼的熱處理,退火,熱處理,普通熱處理,化學熱處理,正火,淬火,回火,表面熱處理,表面淬火,滲碳,滲氮,碳氮共滲,發(fā)黑處理,退火是將鋼件加熱到高于或