《工程材料及成形工藝基礎(chǔ)》第一章緒論

1、工程材料及成工程材料及成形工藝基礎(chǔ)形工藝基礎(chǔ)第第一章緒論一章緒論東漢時(shí)期（距今約一千八百多年前，公元 117 年)，發(fā)明了瓷器 曾侯乙尊盤編鐘銅鼓宮燈透光鏡晉祠鐵人秦車 滄州鐵獅在公元19世紀(jì)前，滄州鐵獅子歷經(jīng)了八百多年的風(fēng)吹雨打，始終安然無恙。清嘉慶八年（1803年），鐵獅子被大風(fēng)吹倒，到光緒十九年（1893年）方被扶起，其下頜、腹部和尾部都已被嚴(yán)重?fù)p毀。1956年，為保護(hù)鐵獅，曾建造了遮風(fēng)擋雨的建筑。但后來發(fā)覺在半封閉環(huán)境下銹蝕反而更加嚴(yán)重，于是只得在1972年拆除了建筑，恢復(fù)為露天狀態(tài)。1984年因獅足長(zhǎng)期陷于土中，而在獅旁新建了一座2米高的臺(tái)座，將鐵獅挪置其上，同時(shí)往其腿內(nèi)灌注水泥加固

2、。然而這次修補(bǔ)也使水分進(jìn)入了鐵獅的體內(nèi)，經(jīng)過冬夏季節(jié)不斷的熱脹冷縮，最終導(dǎo)致了數(shù)年后的獅腿酥裂。從1995年起在鐵獅的體外安裝了保護(hù)性的鋼管支架，并修補(bǔ)了殘缺的四足。但由于有許多水泥塊難以取出，而使得目前鐵獅的表面又出現(xiàn)了數(shù)十處裂縫和殘洞。 鐵人黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄)鎂鋁合金葉輪 鎂鋁合金手機(jī)殼 分層實(shí)體快速成形減速機(jī)箱體原型 熔融沉積快速成形葉輪原型 v離子鍵結(jié)合力很大，因此離子晶體的硬度高，強(qiáng)度大，熱膨脹系數(shù)小， 但脆性大。NaCl氯化鈉結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共價(jià)鍵共價(jià)鍵與原子晶體與原子晶體 原子結(jié)合：電子共用，結(jié)合力大，有方向性和飽和性；原子結(jié)合：電子共用，結(jié)合力大，有方向性和飽和性； 原

3、子晶體：強(qiáng)度高、硬度高（金剛石）、熔點(diǎn)高、脆性原子晶體：強(qiáng)度高、硬度高（金剛石）、熔點(diǎn)高、脆性大、導(dǎo)電性差。如高分子材料。大、導(dǎo)電性差。如高分子材料。 金剛石結(jié)構(gòu)正四面體：一個(gè)碳原子在中心，與它共價(jià)的另外4個(gè)碳原子在4個(gè)頂角上。 金屬鍵金屬鍵原子結(jié)合：電子逸出共有，結(jié)合力較大，無方向原子結(jié)合：電子逸出共有，結(jié)合力較大，無方向性和飽和性；性和飽和性； 金屬晶體：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，熔點(diǎn)較高。如金屬晶體：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，熔點(diǎn)較高。如金屬。金屬。 金屬鍵：依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之間的靜金屬鍵：依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使諸原子結(jié)合到一起的方式。電引力而

4、使諸原子結(jié)合到一起的方式。金屬鍵分子鍵v范特瓦爾斯力很弱v熔點(diǎn)低、硬度也很低v良好的絕緣性。分子鍵與分子晶體分子鍵與分子晶體 原子結(jié)合：電子云偏移，結(jié)合力很小，無方向性和飽和原子結(jié)合：電子云偏移，結(jié)合力很小，無方向性和飽和性。性。 分子晶體：熔點(diǎn)低，硬度低。如高分子材料。分子晶體：熔點(diǎn)低，硬度低。如高分子材料。 氫鍵：（離子結(jié)合）氫鍵：（離子結(jié)合）X-H-Y（氫鍵結(jié)合），有方向性，（氫鍵結(jié)合），有方向性，如如O-HO 混合鍵。如復(fù)合材料?；旌湘I。如復(fù)合材料。 甲烷結(jié)構(gòu) 尼龍66的結(jié)構(gòu) 結(jié)合鍵分類結(jié)合鍵分類 （1）一次鍵）一次鍵 （化學(xué)鍵）：金屬鍵、共價(jià)鍵、離子鍵。（化學(xué)鍵）：金屬鍵、共價(jià)鍵、離

5、子鍵。 （2）二次鍵）二次鍵 （物理鍵）：分子鍵和氫鍵。（物理鍵）：分子鍵和氫鍵。 碳素鋼1856 年常壓空氣鼓入鐵水 黑色金屬Fe Mn Cr 鑄鐵 B.C.500 生產(chǎn)鋼歐洲 90% 合金鋼、鑄鐵 金屬材料 輕金屬 3.5材 86 有色金屬 重金屬Cu-Sn B.C.2000料 貴金屬按 稀土金屬化 塑料學(xué) 高分子材料 橡膠鍵 非金屬材料 纖維分 傳統(tǒng)陶瓷 硅酸鹽玻璃水泥類 無機(jī)非金屬材料 耐火材料SiO2 微珠 TaC4000C (氧碳氮化合物) 新型陶瓷Al2O3 WC CBN 復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 非金屬基復(fù)合材料 魚竿木材 竹 泥磚 材料是在不同的外界條件下使用的，如在載荷、溫

6、度、介質(zhì)、電場(chǎng)等作用下將表現(xiàn)出不同的行為，即材料的使用性能。使用性能。使用性能主要包括：力學(xué)性能力學(xué)性能、物理性能物理性能和化學(xué)性能化學(xué)性能。機(jī)械工程材料的常用性能機(jī)械工程材料的常用性能 包括兩方面材料材料使用性能使用性能材料材料工藝性能工藝性能力學(xué)性能力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性韌性等）強(qiáng)度、塑性韌性等）物理性能物理性能（光、熱、電、磁等）（光、熱、電、磁等）化學(xué)性能化學(xué)性能（氧化、腐蝕等）（氧化、腐蝕等）生物性能（生物性能（相容性、自恢復(fù)性等相容性、自恢復(fù)性等）加工性能加工性能（切削等）（切削等）鑄造性能鑄造性能（適合鑄造與否）（適合鑄造與否）焊接性能焊接性能（容易焊接與否）（容易焊接與否）可鍛性

7、可鍛性熱處理性能熱處理性能（可熱處理強(qiáng)化）（可熱處理強(qiáng)化）拉伸試樣拉伸試樣 拉伸過程中試驗(yàn)機(jī)拉伸過程中試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄拉伸過程中拉自動(dòng)記錄拉伸過程中拉力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線（F-L曲線）曲線） =F/S MPa106N/m2-應(yīng)力；F-軸向拉力；S-試樣原始橫截面積 =L/L0=(L1-L0)/L0-應(yīng)變單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)率； L0-試樣標(biāo)距； L1-試樣拉伸后長(zhǎng)度拉伸試驗(yàn)金屬之王金屬之王15 WE-2000CI型型液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)1.彈性變形階段應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（-曲線）曲線）2.塑性變形階段3.斷裂點(diǎn)（k）彈性變形階段屈服階段強(qiáng)化

8、階段局部變形階段上下屈服極限可相差10%-20%，屈服變形可達(dá)10%1.彈性變形階段（oe）應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（-曲線）曲線）直線oe的斜率定義為材料的彈性模量（剛度）EE= / 彈性模量彈性模量E E 反映了材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度，保證了材料不發(fā)生過量彈性變形。抵抗彈性變形的能力 Mpa、GPa 材料的彈性模量取決于材料本身，合金化、熱處理及冷熱變形對(duì)其影響不大。剛度Q：機(jī)件產(chǎn)生彈性變形的難易程度 Q=P/L=E*F/ L0 材料的剛度：E 應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（應(yīng)變關(guān)系曲線特點(diǎn)（-曲線）曲線）2.塑性變形階段載荷基本不變的情況下試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象

9、稱作屈服。 B：最大應(yīng)力點(diǎn)：最大應(yīng)力點(diǎn) “縮頸縮頸”Rm ：抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度3.斷裂點(diǎn)（k）屈服強(qiáng)度上屈服強(qiáng)度ReH下屈服強(qiáng)度ReL規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp一般用規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2強(qiáng)度指標(biāo)：強(qiáng)度指標(biāo)：1.彈性極限：是指材料由彈性過渡到彈-塑性變形的最大應(yīng)力。2.屈服強(qiáng)度 ：是指材料產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力。對(duì)于高碳鋼等一些相對(duì)脆性的金屬材料往往沒有明顯的屈服平臺(tái)，規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為其屈服極限，稱為規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度 Rp0.2屈服強(qiáng)度上屈服強(qiáng)度ReH下屈服強(qiáng)度ReL規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度RPRmReHRp0.2塑性指標(biāo)：塑性指標(biāo)：一般用斷后伸長(zhǎng)率A()或斷面收縮

10、率Z()來反映材料塑性的好壞。 1.斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率（更直觀）（更直觀）：A =(L1-L0)/L0A11.32.斷面收縮率斷面收縮率（與試樣長(zhǎng)度無關(guān)）（與試樣長(zhǎng)度無關(guān)）：Z=（Fo-Fk)/Fo100%100%塑性的作用 a.材料可通過局部塑性變形來削減應(yīng)力峰，緩解應(yīng)力集中，從而防止突然破壞。 b.通過發(fā)生塑性變形和因此引起的形變強(qiáng)化，可提高抵抗過載的能力。 c.如果零件失效前產(chǎn)生塑性變形，由于塑性變形可吸收大量能量，可使失效的破壞性降到最小。 d.好的塑性有利于壓力加工成型工藝。屈服強(qiáng)度上屈服強(qiáng)度ReH（upper）下屈服強(qiáng)度ReL規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度RPRP0.2抗拉強(qiáng)度Rm比強(qiáng)度：強(qiáng)

11、度與密度之比塑性%100A00LLLU%10000SSSZUA =5 A11.3 =100000d104103 .11SSL脆性脆性材料材料A105低周疲勞低周疲勞: Nf105飛機(jī)起落架：壽命內(nèi)飛機(jī)起落架：壽命內(nèi)104疲勞曲線彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)：工程中承受彎曲對(duì)稱循環(huán)的交變應(yīng)力的構(gòu)件較多，在技術(shù)上測(cè)定也較簡(jiǎn)單 本節(jié)中本節(jié)中所講的所講的材料的材料的力學(xué)性力學(xué)性能指標(biāo)能指標(biāo)及應(yīng)用及應(yīng)用剛度剛度：在設(shè)計(jì)中，考慮構(gòu)件在在設(shè)計(jì)中，考慮構(gòu)件在受力時(shí)發(fā)生的彈性變形量，需受力時(shí)發(fā)生的彈性變形量，需要用剛度。主要力學(xué)性能是材要用剛度。主要力學(xué)性能是材料的彈性模量。如鏜床的鏜桿、料的彈性模量。如鏜床的鏜桿、齒輪軸等

12、齒輪軸等彈性指標(biāo)彈性指標(biāo)：彈性極限和彈性彈性極限和彈性模量是設(shè)計(jì)彈性零件考慮的模量是設(shè)計(jì)彈性零件考慮的性能指標(biāo)。如汽車板簧和各性能指標(biāo)。如汽車板簧和各類彈簧等類彈簧等強(qiáng)度和塑性指標(biāo)強(qiáng)度和塑性指標(biāo)：屈服強(qiáng)度：屈服強(qiáng)度和塑性用于一般零件的抗斷和塑性用于一般零件的抗斷裂設(shè)計(jì)。裂設(shè)計(jì)。硬度硬度：在耐磨零件中必須考慮的在耐磨零件中必須考慮的性能指標(biāo)。如滾珠軸承、活塞環(huán)性能指標(biāo)。如滾珠軸承、活塞環(huán)等等.3、工藝性能斷裂韌性斷裂韌性KIC=Yca1/2Y-與裂紋形狀及加載方式有關(guān)的量c - 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力，即斷裂應(yīng)力a-材料內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度的一半 碳素鋼1856 年常壓空氣鼓入鐵水 黑色金屬Fe Mn Cr 鑄鐵 B.C.500 生產(chǎn)鋼