機(jī)械工程導(dǎo)論第五講2

第講五工程材料第講五工程材料材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代人們把信息、材料和能源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱。80年代以高技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命，又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。這主要是因?yàn)椴牧吓c國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和人民生活密切相關(guān)。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(chǔ),是人類活動(dòng)不可缺少的東西。材料是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的標(biāo)志，生產(chǎn)中使用的材料性質(zhì)反映了人類社會(huì)的文明水平。現(xiàn)代國家的實(shí)力與水平主要取決于能源、材料、信息的發(fā)展。第講五主要內(nèi)容材料的性能材料的分類智能材料第講五一、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(duì)材料的某種期待與要求、可以承擔(dān)的功效，以及承擔(dān)該功效下的表現(xiàn)或能力。材料的性能包括：力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能第講五材料的力學(xué)性能是指材料處于特定環(huán)境因素(溫度、介質(zhì)等)時(shí)，在外力或能量作用下表現(xiàn)出來的變形和破壞的特征。通常把作用在材料上的外力或能量稱為載荷或負(fù)荷。材料的力學(xué)性能有：

彈性

強(qiáng)度

塑性

硬度沖擊韌性疲勞特性耐磨性發(fā)生彈性形變后可以恢復(fù)原來狀態(tài)的一種性質(zhì)材料在外力作用下抵抗破壞(永久變形和斷裂)的能力材料的耐磨損性能，以規(guī)定摩擦條件下的磨損率或磨損度的倒數(shù)表示材料在多次交變載荷作用而不會(huì)產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，反映材料抵抗局部塑性變形的能力材料能穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力一、材料的性能（力學(xué)性能）第講五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(shí)他們的變化程度。密度與比容導(dǎo)熱性熱膨脹系數(shù)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(shí)，在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)傳遞的熱量W/(M·K)溫度上升1℃時(shí)，單位長度的伸長量mm/(℃·mm)或℃-1材料的物理性能有：一、材料的性能（物理性能）第講五電阻與電導(dǎo)電阻溫度系數(shù)熔點(diǎn)

導(dǎo)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(jié)合力。電阻率為單位長度和單位截面積導(dǎo)體的電阻。單位是M，其倒數(shù)稱為電導(dǎo)率S/M溫度上升1℃時(shí)，電阻率的變化系數(shù)，單位℃-1電子導(dǎo)電的特點(diǎn)是溫度升高，電阻率上升；離子導(dǎo)電是熱激活過程，溫度升高，電阻率下降。鐵合金、化合物(鐵氧體)特有性能。一、材料的性能（物理性能）第講五材料的化學(xué)性能反映材料與各種化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性和反應(yīng)速度大小的相關(guān)參數(shù)。工程材料主要考慮其耐腐蝕性，電化學(xué)材料有的考察電極電位、儲(chǔ)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稱為腐蝕。

一、材料的性能（化學(xué)性能）第講五材料的工藝性能是材料力學(xué)、物理、化學(xué)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?？缮a(chǎn)性

得到材料可能性和制備方法。

鑄造性

將材料加熱得到熔體，注入較復(fù)雜的型腔后冷卻

凝固，獲得零件的方法。材料的工藝性能有：鍛造性

材料進(jìn)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。一、材料的性能（工藝性能）第講五

焊接性

利用部分熔體，將兩塊材料連接在一起。切削加工性

材料進(jìn)行切削加工的難易程度。它與材料的種類、成分、硬度、韌性、導(dǎo)熱性等有關(guān)。熱處理性能

可以實(shí)施的熱處理方法和材料在熱處理時(shí)性能改變

的程度。一、材料的性能（工藝性能）第講五二、材料的分類材料按化學(xué)成分分為：金屬材料非金屬材料復(fù)合材料第講五二、材料的分類（金屬材料）金屬材料是指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。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(guān)鍵特征是具有正的電阻溫度系數(shù)，這是由于它的導(dǎo)電是自由電子的運(yùn)動(dòng)所決定的。金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。第講五①黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括含鐵90%以上的工業(yè)純鐵，含碳2%～4%的鑄鐵，含碳小于2%的碳鋼，以及各種用途的合金鋼。鑄鐵是碳含量大于2.1％的鐵碳合金，可用于制造各種機(jī)器零件，如機(jī)床的床身，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體、缸套，機(jī)器的底座等。碳鋼也叫碳素鋼，指含碳量小于2.1%的鐵碳合金，用于鋼板、鋼筋、橋梁、鍵、銷、螺釘、螺母、彈簧等。合金鋼是除鐵、碳外，加入其他的合金元素，可用于車輛、船舶、變速箱齒輪、柴油機(jī)的凸輪軸、發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸、軸承滾動(dòng)體等。二、材料的分類（金屬材料）第講五二、材料的分類（金屬材料）②有色金屬是除鋼鐵以外的所有金屬及其合金，與鋼鐵相比，有色金屬的產(chǎn)量和使用量低，價(jià)格高。但由于它們具有某些獨(dú)特的性能，成為現(xiàn)代科技和工程中不可缺少的重要材料。例如，鋁合金、銅合金、軸承合金、鈦合金、鎂合金等在航空航天、造船、化工、冶金等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。③特種金屬材料包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。其中有通過快速冷凝工藝獲得的非晶態(tài)金屬材料，以及準(zhǔn)晶、微晶、納米晶金屬材料等；還有隱身、抗氫、超導(dǎo)、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金以及金屬基復(fù)合材料等。第講五二、材料的分類（非金屬材料）非金屬材料由非金屬元素或化合物構(gòu)成的材料。自19世紀(jì)以來，隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，人類以天然的礦物、植物、石油等為原料，制造和合成了許多新型非金屬材料，如水泥、人造石墨、特種陶瓷、合成橡膠、合成樹脂（塑料）、合成纖維等。非金屬材料可分為無機(jī)材料和有機(jī)材料兩大類。①屬于無機(jī)材料的有耐火材料、陶瓷、磨料、碳和石墨材料、石棉等；②屬于有機(jī)材料的有木材、皮革、膠粘劑和高分子合成材料──合成橡膠、合成樹脂、合成纖維等。第講五二、材料的分類（非金屬材料）高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)非金屬材料的密度較鋼、鐵、銅、鉛等金屬材料小得多，有些比鋁、鎂、鈦等還輕。這些材料被用來制造手輪、手柄、支架、儀表板等一般輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件，也可用來制造飛機(jī)機(jī)翼和葉片、整體船艇、汽車車身和傳動(dòng)軸、高壓容器等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，這樣可以減輕自重、增加運(yùn)載能力或提高運(yùn)行速度、節(jié)約能源。非金屬材料的性能及應(yīng)用減摩耐磨材料某些無機(jī)非金屬材料因硬度高而耐磨，如金剛石、砂布，可用于磨削和切削；有些材料因有高彈性而耐磨，如橡膠輪胎和運(yùn)輸皮帶能抵抗泥沙、礦石、煤炭等顆粒的磨損；有些材料借其自身固有的潤滑性能和低摩擦系數(shù)而能減少摩擦和磨損，如塑料、石墨、氮化硅等制成的軸承、導(dǎo)軌、活塞環(huán)、密封圈等機(jī)械零件，能在無油干摩擦或少油潤滑條件下安全運(yùn)行，這對(duì)忌油脂或不便供給油潤滑的場(chǎng)合特別有利。耐腐蝕如陶瓷、石墨、、塑料等的大多數(shù)品種，都能耐酸、堿、鹽、有機(jī)溶劑和很多其他化學(xué)藥品。非金屬材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，如不透性石墨能抵抗?jié)馑岷蜐鈮A，聚四氟乙烯塑料則幾乎能耐所有化學(xué)藥品，甚至在氧化性最強(qiáng)的沸騰王水中也不受侵蝕。這些材料適于制造化工用的容器、塔器、鼓風(fēng)機(jī)、泵、管、閥等機(jī)械設(shè)備和零部件。密封性如橡膠、塑料、石棉和柔性石墨等因有良好的柔性和彈性而適于制造動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的密封零件，如壓縮機(jī)的活塞環(huán)、密封填料、O型和V型密封圈等。20世紀(jì)60年代以來，還出現(xiàn)了一種以樹脂或橡膠為基體、稱為液體密封膠的密封材料，適用于各種靜態(tài)密封，使用方便。電絕緣如橡膠、塑料、陶瓷、石棉都是應(yīng)用廣泛的電絕緣材料。二、材料的分類（非金屬材料）第講五二、材料的分類（復(fù)合材料）復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：①航空航天領(lǐng)域。由于復(fù)合材料熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、比剛度高，可用于制造飛機(jī)機(jī)翼和前機(jī)身、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、太陽能電池翼和外殼、大型運(yùn)載火箭的殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。②汽車工業(yè)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動(dòng)阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構(gòu)件、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件。③化工、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)域。有良好耐蝕性的碳纖維與樹脂基體復(fù)合而成的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機(jī)、造紙機(jī)、復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床、精密儀器等。④醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和不吸收X射線特性，可用于制造醫(yī)用X光機(jī)和矯形支架等。碳纖維復(fù)合材料還具有生物組織相容性和血液相容性，生物環(huán)境下穩(wěn)定性好，也用作生物醫(yī)學(xué)材料。此外，復(fù)合材料還用于制造體育運(yùn)動(dòng)器件和用作建筑材料等。二、材料的分類（復(fù)合材料）三、智能材料智能材料(Intelligentmaterial)，是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。智能材料具備以下功能:(1)具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界(或者內(nèi)部)的刺激強(qiáng)度，如電，光，熱，應(yīng)力，應(yīng)變，化學(xué)，核輻射等；(2)具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；(3)能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；(4)反應(yīng)比較靈敏,及時(shí)和恰當(dāng)；