工程领域对材料性能的要求.ppt

金属材料与热处理,——材料性能、应用与选择,绪 论,一、材料与人类、材料与现代工程,材料对于人类历史发展的贡献：,作为历史阶段的标志,二、现代工程与材料,见 下 图,当代文明的三大支柱： ★ 材料 ★ 能源 ★ 信息 +（近年）生命科学（生物工程）,全球新技术革命的重要标志： 新材料技术、新能源技术、信息技术和生物技术,F-14飞机,F-117隐形战斗机,C-130运输机,航天飞机,导 弹,,轿车部分零部件成形方法及材料,三、机械专业学生与材料,未来的工程技术人员、研发人员和管理人员,从事工作：机械设计、制造、维护等→（要进行 选材、用材）→提出技术要求→材料 选择→备料→热、冷加工→适当的热 处理→精加工→成品→检验→使用四、课程性质、主线与内容,课程性质：机类专业技术基础课,课程主线：工程要求→力学及其他负荷特征→ 对应的材料性能→材料选择→材料 成型加工特征、提高材料性能的热 处理与表面处理→常见工程材料及 其典型应用必须掌握： ★ 材料特征、性能 （第1～2章） ★ 材料的加工性及加工中的性能变化 （第3～4章） ★ 材料的具体应用 （第5～14章）,关键： ★ 具体工况（应用）下正确、科学合理选材和确定加 工路线与应用。

例1：吊重物（25t ） （1）若用铸铁杆，需截面25.4×25.4mm，单位杆长的重量~5.95kg/m （2）若用钢杆，需截面14.2 × 14.2 mm，单位杆长的重量~2.00kg/m （3）若用芳纶纤维，需截面7.62 × 7.62 mm，单位杆长的重量~0.093kg/m 综合考虑：用钢丝绳（ 兼有高强度、柔软性、长寿命及 价格） 例2：各种刀具、齿轮、主轴；用什么材料为佳，如何 加工处理？ 课程与教材特色：立足工程实际、面向应用，充分体 现工程性工程领域对材料性能的要求,兰州理工大学材料科学与工程学院,第1章,第一篇 工程材料的性能和基本特征,本章主要内容,1.1 工程构件与机械零件所受各种负荷概述,1.2 工程设计制造所需要的材料力学性能,1.3 工程设计制造所需的材料理化性能,1.5 工程材料的类型及主要特征,1.4 工程材料的加工工艺性能,负荷→零件→可能产生各种损伤→（严重时）失效 1.1.1 力学负荷（ mechanical load ） •加载形式：拉伸与压缩 、 剪切、扭转、弯曲、以及组合 加载(如车床主轴) •效应：变形→严重时破坏（断裂等）1.1工程构件与机械零件所受各种负荷概述,图1-1 受力杆件 图1-2 铆钉联结,图1-3 方向盘,图1-4 火车轮轴,图1-5 周期变动载荷示意图 (a)交变载荷 (b)重复载荷 (c)随机变动载荷,（a） （b） (c),•温度因素（temperature effects ） ：高温、低温、热冲击。

（1）T↑ ，材料强度↓ （2）高温下材料强度随加载时间延长而降低 T0.3Tm，很小应力下的缓慢变形 （3）温度反复变化，产生热应力 （4）急热急冷产生的热振或热冲击 （5）温度交替变化，次数较多引起热疲劳 （6）低温下的材料脆化,1.1.2 热负荷,产生物理、化学作用；摩擦磨损及老化等 ①腐蚀作用： 化学腐蚀、电化学腐蚀和物理溶解（详细情况和选材见第12章） ②摩擦磨损作用： 接触零件间相对运动时发生摩擦，零件在摩擦过程中其表面发生尺寸变化和物质耗损的现象，磨损引起功和能消耗、噪声等磨损是零件表面材料的逐渐失去，常见类型有黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损1.1.3 环境介质的作用,③老化作用（degradation） 各种环境因素作用下材料性能的逐渐退化、变坏，最终丧失使用价值的现象例轮胎龟裂、发粘，塑料变硬变脆 老化的环境因素：温度、日光、电、辐射、应力、化学 介质等一、整机性能、零部件性能与材料性能,材料的强度及其它力学性能,零部件尤其关键件的强度,机器的性能,,,在合理设计制造基础上,如变速器ִ、齿轮箱,如齿轮、螺钉,如机床,1.2 工程设计制造所需要的的材料性能,(1)拉伸试验和应力—应变曲线 弹性变形 —— 塑性变形 —— 断裂 (2)弹性和刚度 σe 弹性极限 弹性零件的设计依据 σ∝ε σ＝E·ε E＝σ/ε E 称为材料的刚度 弹性模量的比较：陶瓷＞金属＞＞高分子材料。

•工程应用： 要求低E（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫子 要求高E（保持固有形状能力强），如主轴 ，钻杆 要求E比刚度（E/ρ）大（轻而不易变形），如航空航天,碳纤维复合材料＞ Ti合金＞ Al合金＞＞钢铁等1.2.2工程材料的力学性能,（a）低碳钢的应力-应变曲线 （b）原始及拉断试样 图1-6 低碳钢的应力-应变图,(3)强度、塑性和黏弹性 强度——材料抵抗变形和断裂的能力 塑性——材料产生塑性变形的能力 •屈服强度σs（σ0.2）=Ps/F（MPa）,是零件最重要的设计指标 •抗拉强度σb=Pb/F，也是重要的设计指标，数据易得 •比强度σs/ρ及σb/ρ，单位质量的强度：水泥 0.8，木材 12.5，钢 5.2，铝 11.1，Ti 13.3，碳纤维 160.9 •延伸率 δ=（l1－l0）/l0×100% •断面收缩率 ψ=（F0－F1）/F0×100% 塑性不能直接作为设计指标，但可作为参考指标 •黏弹性,(4)硬度（hardness） 材料的软硬程度，用压痕深度或面积表征 ①压痕深或面积大，材料软；反之硬 ②测量方便，一般属无损检测 ③硬度与强度、塑性存在一定的关系。

硬度是零件设计时的主要力性技术要求 ④零件中、高硬度要求时，用洛氏硬度 30 ～ 70HRC 标注公差 3～5HRC 零件中、低硬度要求时，用布氏硬度 100～ 450HBS 标注公差 30～50HBS★ 布氏硬度 ★ 洛氏硬度 ★ 维氏硬度,,布氏硬度,洛氏硬度,维氏硬度,(5)冲击韧性（impact toughness） 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，常用缺口试样冲断所吸收的功 冲击功高，韧性材料如钢筋；冲击功低，脆性材料如玻璃、陶瓷、铸铁 部分材料室温韧性好、低温变脆—存在延性—脆性转折 (6)疲劳强度（fatigue limit） 周期变动应力下的材料强度 σσb 一次寿命 σσ-1有限寿命 σσ-1 “永”不破坏，无限寿命σ-1=(0.45～0.55 )σb,见图1-7,,见图1-8,见图1-9,图1-7 试样冲击示意图,图1-8 冷脆转变温度,,图1-9 疲劳曲线和对称循环交变应力图,（a）疲劳曲线,（b）对称循环交变应力,,材料加工成形的难易程度，不同材料很不一样所以加工方法各不相同•金属： 铸造工艺性(充型能力、收缩大小、偏析倾向等),灰铸铁、青铜好。

可锻性(变形能力、变形难易等),低碳钢、有色金属好 可焊性(易施焊且不易产生缺陷等),钢铁材料中低碳钢好1.3 工程设计制造所需的材料理化性能（自学）,1.4 工程材料的加工工艺性能,,切削加工性(断屑、粗糙度、刀具磨损等),灰铸铁好 热处理工艺性(接受淬火、变形开裂倾向等),合金钢好 •塑料： 多注射（塑）成形，易成形，易加工（包括后续加工） •陶瓷： 多粉末烧结成形，难以切削加工⑴按使用功能分类： •结构材料（structural material）： 实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等） •功能材料（functional material）： 利用其理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等） ⑵按成分分类——三大类或四大类材料（加复合材料）1.5 工程材料类型及主要特征,1.5.1 工程材料的分类,•金属材料的特征（metals） 优点：兼有良好力性(较高强度、刚度、塑性、韧性)及某些理化性能(良好导电、导热性等)和较好的工艺性，价格便宜或适中大量用作结构材料，部分用作功能材料 缺点：资源有限；特高温及特殊介质中不能胜任 •高分子材料的特征（高聚物，polymer） 优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量轻，加工性好，原料丰富。

缺点：力性尤其强度低；不耐高温（≤300℃）；易老化易燃1.5.2 各类材料的特征,•陶瓷材料的特征 （ceramics无机非金属材料，金属与非金属的化合物如Al2O3 、SiC） 优点：优良理、化性能(耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等)及极好的耐高温性能，且原料来源广泛主要用在特殊场合(特殊陶瓷)及日常(传统陶瓷) 缺点：性脆、难加工，可靠性差 •复合材料的特征（composites两种或多种材料复合而成） 优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要 进行人为设计、制造 缺点：目前性能高的价贵 作业：教材 P18-19 1，2，3，4，8走进工程材料,1 纽约世贸大厦坍塌的材料学追思 2 鸟巢、水立方和大峡谷“玻璃桥”用材,走进工程材料1,燃烧的世贸大厦,走进工程材料2,中国国家体育场,低合金高强度钢,中国国家大剧院 钛合金,中国国家游泳中心 乙烯-四氟乙烯共聚物,美国大峡谷空中走廊 玻璃,本章结束,。