概論機(jī)械工程材料

概論機(jī)械工程材料第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日

第一章概論§1材料發(fā)展概況§2材料的性能§3工程材料的分類§4材料的結(jié)合方式及工程材料鍵性§5零件的失效形式及選材原則第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日石器鐵器

象形尊(西周)石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代新材料時(shí)代材料是人類進(jìn)化的里程碑。由于材料的重要性，歷史學(xué)家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時(shí)代?！?材料發(fā)展概況第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日材料科學(xué)的重要地位每一個(gè)應(yīng)用科學(xué)家和工程師（機(jī)械的、土木工程的、電氣的或其它方面的）都必不可少地要用到材料，不論產(chǎn)品是橋梁、計(jì)算機(jī)、宇宙飛船、心臟起博器、核反應(yīng)堆、還是汽車的排氣裝置，工程師們都必須完全了解他們所用材料的性能和行為特征。以汽車為例，汽車制造中要使用各種各樣的材料：鋼鐵、玻璃、塑料、橡膠等。而僅僅對(duì)鋼材一項(xiàng)而言，就有2000多種不同種類和型號(hào)的品種供我們選擇。地位：材料、能源、信息，三大技術(shù)第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日在進(jìn)行材料選擇時(shí)，工程師必須首先考慮使用性能，再考慮材料的工藝性能。使用性能：在使用條件下所表現(xiàn)的性能，包括材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能；工藝性能：材料在加工過程中所反映的性能，包括鑄造性能、壓力加工性能、切削加工性能、焊接性能、熱處理性能等。

§2材料的性能第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日一.定義:

力學(xué)性能是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。二.指標(biāo):

彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度等?！?.1材料的力學(xué)性能第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日金屬材料的

物理性能1.密度

2.熔點(diǎn)

3.導(dǎo)熱性4.導(dǎo)電性5.熱膨脹性6.磁性

1.耐腐蝕性

2.抗氧化性

金屬材料的化學(xué)性能第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日§2.2

材料的工藝性能1鑄造性能2鍛造性能3切削加工性能4焊接性能5熱處理性能第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日§3工程材料的分類

工程材料是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔(dān)某種功能、被用來制取零件和元件的材料。

一.按材料的化學(xué)組成分類

（1）金屬材料（2）無機(jī)非金屬材料（3）高分子材料（4）復(fù)合材料第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日(1)金屬材料用量最大、應(yīng)用最廣泛黑色金屬有色金屬—輕金屬,重金屬,貴金屬,稀有金屬

（2）無機(jī)非金屬材料

包括水泥、玻璃、耐火材料和陶瓷等。主要原料是硅酸鹽礦物，又稱硅酸鹽材料。第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日（3）高分子材料按來源分為天然高分子材料(蛋白、淀粉、纖維素等)和人工高分子材料(合成塑、合成橡膠、合成纖維)。按性能及用途可分為塑料、橡膠、膠粘劑、涂料。（4）復(fù)合材料由基體材料增強(qiáng)材料復(fù)合而成?；w材料有金屬、陶瓷、塑料等，增強(qiáng)材料有各種纖維和無機(jī)化合物等。烯丙酰氯-苯乙烯玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日二.按材料的使用性能分類（1）結(jié)構(gòu)材料是以強(qiáng)度、剛度、塑性、韌性等力學(xué)性能為指標(biāo)，用來制造承受載荷、傳遞動(dòng)力的零件和構(gòu)件的材料。（2）功能材料是以光、聲、電、磁、熱等物理性能為指標(biāo)，用來制造特殊性能的元件的材料。第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日§4材料的結(jié)合方式

及工程材料鍵性一、結(jié)合鍵●原子、離子或分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵?！褚话憧砂呀Y(jié)合鍵分為離子鍵、共價(jià)健、金屬鍵和分子鍵四種。第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日1.離子鍵正離子和負(fù)離子由靜電引力相互吸引；同時(shí)當(dāng)它們十分接近時(shí)發(fā)生排斥，引力和斥力相等即形成穩(wěn)定的離子鍵。NaCl、CaO、Al2O3等由離子鍵組成。

第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日2.共價(jià)鍵由共用價(jià)電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價(jià)鍵。最具有代表性的共價(jià)晶體為金剛石。屬于共價(jià)晶體的還有SiC、Si3N4、BN等化合物。

共價(jià)鍵的結(jié)合力很大，所以共價(jià)晶體強(qiáng)度高、硬度高、脆性大、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高和揮發(fā)性低。第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日3.金屬鍵正離子和電子氣之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來。這種結(jié)合力就叫做金屬鍵。金屬鍵無所謂飽和性和方向性。

第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日金屬鍵的特性1.良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。2.正的電阻溫度系數(shù)。絕大多數(shù)金屬具有超導(dǎo)性，即在溫度接近于絕對(duì)零度時(shí)電阻突然下降，趨近于零。3.良好的塑性變形能力，金屬材料的強(qiáng)韌性好。

金屬鍵沒有方向性，原子間也沒有選擇性，所以在受外力作用而發(fā)生原子位置的相對(duì)移動(dòng)時(shí)，結(jié)合鍵不會(huì)遭到破壞4.不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。金屬中的自由電子能吸收并隨后輻射出大部分投射到表面的光能。第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日4.分子鍵原子或分子之間是靠范特瓦爾斯力結(jié)合起來，這種結(jié)合鍵叫分子鍵。

范特瓦爾斯力很弱，因此由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點(diǎn)低、硬度也很低，因無自由電子，因此材料有良好的絕緣性。

第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日二、工程材料的鍵性1.金屬材料結(jié)合鍵：絕大多數(shù)的結(jié)合鍵是金屬鍵，少數(shù)具有共價(jià)鍵（灰錫）和離子鍵（Mg3Sb2）；特性：金屬材料的金屬特性特別明顯。2.陶瓷材料結(jié)合鍵：離子鍵和共價(jià)鍵，大部分材料以離子鍵為主特性：高的熔點(diǎn)和硬度，脆性大。3.高分子材料結(jié)合鍵：分子內(nèi)共價(jià)鍵結(jié)合，分子間以分子鍵結(jié)合。特性：較好的力學(xué)性能。第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日(一)過量變形失效1.過量彈性變形失效2.過量塑性變形失效3.蠕變變形失效§5零件的失效形式及選材原則零件的失效有三種形式，即過量變形、斷裂和表面損傷失效。第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日1.過量彈性變形失效零件由于產(chǎn)生過大的彈性變形而失效，稱為彈性變形失效。例如對(duì)于受彎扭的軸類零件，其過大變形量會(huì)造成軸上嚙合零件的嚴(yán)重偏載甚至嚙合失常，進(jìn)而導(dǎo)致傳動(dòng)失效。2.過量塑性變形失效零件承受的應(yīng)力超過其材料的屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生塑性變形，過量的塑性變形會(huì)使零件的相對(duì)位置發(fā)生變化，使整個(gè)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不良。3.蠕變變形失效受長(zhǎng)期固定載荷的零件，在工作中尤其是在高溫下發(fā)生蠕變（即在應(yīng)力不變的情況下，變形量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象）。如鍋爐、汽輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其它熱機(jī)的零部件，常由于蠕變產(chǎn)生的塑性變形和應(yīng)力松弛而失效。第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日(二)斷裂失效斷裂失效是機(jī)械零件的主要失效形式，根據(jù)斷裂的性質(zhì)和斷裂的原因，可分為下列幾種。（1）韌性斷裂失效零件承受的載荷大于零件材料的屈服強(qiáng)度，斷裂前零件有明顯的塑性變形，尺寸變化明顯，斷面縮小，斷口呈纖維狀。（2）低溫脆性斷裂失效失效零件在低于其材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下工作時(shí)，其韌性和塑性大大降低并發(fā)生脆性斷裂而失效。第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日（3）疲勞斷裂失效零件在承受交變載荷時(shí)，盡管應(yīng)力的峰值在抗拉強(qiáng)度甚至在屈服強(qiáng)度以下，但經(jīng)過一定周期后仍會(huì)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞斷裂為脆性斷裂。（4）蠕變斷裂失效在高溫下工作的零件，當(dāng)蠕變變形量超過一定范圍時(shí)，零件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋而很快斷裂，有些材料在斷裂前產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象。（5）環(huán)境破斷失效在負(fù)載荷條件下，由于環(huán)境因素（例如腐蝕介質(zhì)）的影響，往往出現(xiàn)低應(yīng)力下的斷裂使零件失效。環(huán)境破斷失效應(yīng)包括應(yīng)力腐蝕、氫脆、腐蝕、疲勞等。第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日(三)表面損傷失效磨損失效

相互接觸的一對(duì)金屬表面，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)金屬表面發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑變，使金屬狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象。2.腐蝕失效

零件暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中并與環(huán)境介質(zhì)間發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用而造成零件表面損耗，引起尺寸、性能變化，導(dǎo)致失效。3.表面疲勞失效

相互接觸的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)表面，在工作過程中承受交變接觸應(yīng)力的作用而導(dǎo)致表面層材料發(fā)生疲勞而脫落，造成失效。實(shí)際上零件的失效形式往往不是單一的，隨外界條件的變化，失效形式可以從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。如齒輪的失效，往往先有點(diǎn)蝕、剝落，后出現(xiàn)斷齒等多種形式。第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日(四)選材的一般原則選用材料應(yīng)考慮的一般原則是：使用性原則

是保證零件完成規(guī)定功能的必要條件。工藝性原則

材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。經(jīng)濟(jì)性原則

是選材的重要原則之一，一般包括材料的價(jià)格、零件的成本與國(guó)家的資源等。第二十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日學(xué)習(xí)要求本課程的重要性：是機(jī)械類