工程材料及應(yīng)用

工程材料及應(yīng)用機械類專業(yè)主講人：胡木林華中科技大學材料學院電話：027－87543840（辦）E-mail:humulin@163.com第一章緒論材料材料的性能材料的分類研究內(nèi)容及目的ThematerialpossessionsofafamilymatchingthestatisticalaveragefortheUnitedStates.(FromPeterMenzel,MaterialWorld.AGlobalFamilyPortrait,SierraClubBooks,SanFrancisco,1994.)第一節(jié)材料

經(jīng)過人類勞動取得的勞動對象。一般把來自采掘工業(yè)和農(nóng)業(yè)的勞動對象稱為“原料”，把經(jīng)過工業(yè)加工的原料成為“材料”。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),是人類活動不可缺少的東西。材料是社會生產(chǎn)力發(fā)展的標志，生產(chǎn)中使用的材料性質(zhì)反映了人類社會的文明水平。現(xiàn)代國家的實力與水平主要取決于他的能源、材料、信息的發(fā)展。什么是材料材料工程技術(shù)人員學習材料科學知識的意義

評價一個設(shè)備、部件、零件的優(yōu)劣或質(zhì)量：①必需保證使用的基本性能（力學、物理），具有一定的壽命（疲勞、磨損、腐蝕）；②便于制造，即可以生產(chǎn)出來；③可接受的成本。這幾點要求是相互矛盾的，但是必需利用各項知識，從中找到一個合理的配合，可見其中材料起到相當重要的決定性作用。

在機械產(chǎn)品的設(shè)計和維護中，不要單看材料僅僅是圖紙標題欄中諸多內(nèi)容中的一項，用的得當可以代表一個設(shè)計的先進性，達到價廉物美的效果；否則可能是一個落后的設(shè)計，或者是閉門造車，根本生產(chǎn)制造不出來，甚至會隱藏禍根，導致在使用時災(zāi)難。第二節(jié)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；功能是人們對材料的某種期待與要求種可以承擔功效，以及承擔該功效下的表現(xiàn)或能力。力學性能物理性能化學性能工藝性能。材料的性能：力學性能

材料的力學性能是指材料處于特定環(huán)境因素(溫度、介質(zhì)等)時，在外力或能量以及作用下表現(xiàn)出來的變形和破壞的特征。材料的性能

通常把作用在材料上的外力或能量稱為載荷或負荷。材料的主要力學性能有：彈性強度塑性硬度沖擊韌性疲勞特性耐磨性拉伸試驗過程：力學性能外力增加，試樣伸長。得到P－

l曲線，換算為－曲線。材料表現(xiàn)為彈性變形、均勻塑性變形、頸縮、斷裂。彈性與剛度彈性變形：力學性能彈性模量與剛度：在OA’段為直線，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比，變化規(guī)律服從虎克定律。并且在外力卸載后試樣恢復(fù)到原始長度?？梢赃_到的最大應(yīng)力成為彈性極限(比例極限)。強度與塑性屈服強度：σsσ0.2

力學性能塑性：斷裂前可發(fā)生永久變形的能力?？估瓘姸龋害襜

材料開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力。材料發(fā)生斷裂前能承受的最大應(yīng)力。硬度硬度是衡量材料軟硬程度的指標，反映材料抵抗局部塑性變形的能力。力學性能莫氏硬度：材料名稱硬度級別滑石1石膏2螢石4鈉長石6黃玉8剛玉9金剛石10布氏硬度：用直徑D鋼球在力P的作用下壓在試樣上一定時間,壓痕直徑為d。實用于較軟的塑性材料。硬度力學性能洛氏強度：用120度圓錐金剛石壓頭，1470N(150kgf)力壓入材料，以壓入材料表面的深度來度量材料的硬度。用于硬度較高的淬火鋼件。用對面夾角136度四棱錐金剛石壓頭，在力P作用下壓入材料，用壓痕單位面積上承受的力作為材料硬度的度量。力的大小從980N、490N、297N到…0.192N不等。壓痕小用顯微鏡來觀察，用于測量表層或微區(qū)。維氏強度：沖擊韌性沖擊韌性是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。常用一次彎曲沖擊韌性試驗ak值來表示。以帶缺口標準試樣快速沖斷時，單位橫截面積吸收的功。沖擊韌性是材料強度和塑性綜合作用的結(jié)果。力學性能試樣尺寸試驗方法斷裂韌性斷裂韌性是材料中存在缺陷時，材料抵抗脆性斷裂的能力。力學性能斷裂韌性指標為KIC，有專門的測定方法。工程應(yīng)用要求：大型構(gòu)件不可避免存在各種缺陷，在缺陷前端有不同的應(yīng)力作用，都存在應(yīng)力集中，其中裂紋受張開應(yīng)力作用為最危險。Y裂紋形狀系數(shù)，a裂紋長度的一半。疲勞強度零件在低于屈服應(yīng)力的交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是損傷的積累過程，包括疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴展、瞬間斷裂三各階段。應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。力學性能低周疲勞又稱條件疲勞極限，參照零件工作周期可能作用的次數(shù)下能承受的應(yīng)力極限值。（可以有效發(fā)揮材料的作用）高周疲勞對稱應(yīng)力作用趨于水平線的最大應(yīng)力為σ-1,作為永久可用的疲勞強度極限。實際大多以107次未斷裂的應(yīng)力來測定。耐磨性一個零件相對另一零件有摩擦運動而造成接觸面的尺寸變化、質(zhì)量損失現(xiàn)象成為磨損。力學性能

磨損的后果可能因零件尺寸變化，輕則降低傳動質(zhì)量，影響部件的使用性能；重則因尺寸變小造成零件斷裂。磨損主要有磨粒磨損(切削)、粘著磨損(分子作用力)；此外接觸疲勞有人作為磨損，也有人算另一類損傷形式。測定方法讓兩試樣組成摩擦副，在設(shè)定條件(力、潤滑劑)進行一定時間的摩擦運動后，測定試樣的尺寸減小值/質(zhì)量的損失值/摩擦表面外觀形貌來比較不同材料的耐磨性。物理性能

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)境變化時他們的變化程度。材料的性能密度與比容導熱性

熱膨脹系數(shù)α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，在單位時間、單位面積內(nèi)傳遞的熱量W/(M·K)

溫度上升1℃時，單位長度的伸長量mm/(℃·mm)或℃-1

物理性能材料的性能電阻與電導電阻溫度系數(shù)熔點導磁率物質(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體的電阻。單位是M，其倒數(shù)稱為電導率S/M西門子/米溫度上升1℃時，電阻率

的變化系數(shù)，單位℃-1

電子導電的特點是溫度升高，電阻率上升；離子導電是熱激活過程，溫度升高，電阻率下降。超導現(xiàn)象是材料在很低溫度下，電阻突然從某個值降為零的特征。每種材料有自己的轉(zhuǎn)變溫度，某些化合物的轉(zhuǎn)變溫度達到100K以上。是鐵合金、化合物(鐵氧體)特有性能?；瘜W性能

反映材料與各種化學試劑發(fā)生化學反應(yīng)的可能性和反應(yīng)速度大小的相關(guān)參數(shù)。材料的性能

工程材料主要考慮其耐腐蝕性，電化學材料有的考察電極電位、儲能密度等。材料由于周圍環(huán)境介質(zhì)侵蝕而造成的損傷和破壞均稱為腐蝕。發(fā)生腐蝕的化學過程有化學腐蝕(氧化)、電化學腐蝕和應(yīng)力腐蝕等不同形式。腐蝕速度與材料、介質(zhì)、溫度、應(yīng)力、輻照……因素有關(guān)。腐蝕不僅影響零件表明質(zhì)量，并且可以造成零件早期損壞，防腐設(shè)計應(yīng)考慮材料的選擇和防腐措施相結(jié)合。工藝性能

材料的工藝性能是材料力學、物理、化學性能的綜合表現(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。材料的性能1.材料可生產(chǎn)性：得到材料可能性和制備方法。2.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。流動性：充滿型腔能力收縮率：縮孔數(shù)量的多少和分布特征偏析傾向：材料成分的均勻性工藝性能材料的性能3.鍛造性：材料進行壓力加工(鍛造、壓延、軋制、拉拔、擠壓等)的可能性或難易程度的度量。4.焊接性：利用部分熔體，將兩塊材料連接在一起。塑性變形能力：材料不破壞的前提下的最大變形量。塑性變形抗力：發(fā)生塑性變形所需要的最小外力。連接能力：焊接頭部位強度與母材的差別程度。焊接缺陷：焊接處出現(xiàn)氣孔、裂紋可能性的大小或母材變形程度。工藝性能材料的性能5.切削加工性：材料進行切削加工的難易程度。它與材料的種類、成分、硬度、韌性、導熱性等有關(guān)。6.熱處理性能：可以實施的熱處理方法和材料在熱處理時性能改變的程度。切削抗力加工表面質(zhì)量排屑難易程度切削刀具的使用壽命

隨著科技進步的發(fā)展，對材料工藝性能的評價標準也在不斷發(fā)展和變化。材料性能總結(jié)決定材料性能實質(zhì)：構(gòu)成材料原子的類型：材料的成分描述了組成材料的元素種類以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素自身的性質(zhì)有關(guān)以外，還和材料經(jīng)歷的生產(chǎn)加工過程有密切的關(guān)系。研究的意義：性能決定了材料的用途。性能決定了材料和零部件生產(chǎn)方法。性能的變化規(guī)律為改變材料性能達到人們需求提供途徑。第三節(jié)材料的分類工程材料：主要利用其力學性能制作結(jié)構(gòu)件。建筑材料結(jié)構(gòu)材料工具材料按材料用途（性能）功能材料：主要利用其物理、化學性能或效應(yīng)制作具有特定功效的器件。半導體材料磁性材料激光材料熱電材料光電材料聲電材料等等材料的分類金屬材料：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)，這是由于它的導電是自由電子的運動所決定的。鋼鐵材料(黑色金屬)按材料成分：鋼鑄鐵非鐵金屬材料(有色金屬)輕金屬AlMgCaNa…重金屬CuNiPbSnZn…貴金屬AgAuPbRbIr稀有金屬ZrTiNb…稀土金屬Re(YNd…)放射性金屬RaUTh…材料的分類Periodictableoftheelementswiththoseelementsthatareinherentlymetallicinnatureincolor.材料的分類高分子材料：有機聚合物。熱塑性塑料：尼龍聚乙烯聚氯乙稀聚丙烯……按材料成分：熱固性塑料：樹脂聚氨酯……彈性材料：天然橡膠合成橡膠Miscellaneousinternalpartsofacontemporaryparkingmeteraremadeofanacetalpolymer.Engineeredpolymersaretypicallyinexpensiveandcharacterizedbyeaseofformationandadequatestructuralproperties.(CourtesyoftheDuPontCompany,EngineeringPolymersDivision)材料的分類高分子材料：有機聚合物。熱塑性塑料：尼龍聚乙烯聚氯乙稀聚丙烯……按材料成分：熱固性塑料：樹脂聚氨酯……彈性材料：天然橡膠合成橡膠材料的分類按材料成分：瓷：原以氧化鋁陶：硅酸鹽為主廣義陶瓷(特種陶瓷)：金屬與氧、碳、氮、硅等化合物陶瓷材料：一種或多種金屬氧化物或其他化合物。Somecommonceramicsfortraditionalengineeringapplications.Thesemiscellaneouspartswithcharacteristicresistancetodamagebyhightemperaturesandcorrosiveenvironmentsareusedinavarietyoffurnacesandchemicalprocessingsystems.(CourtesyofDuramicProducts,

Inc.)材料的分類按材料成分：材料的分類按材料成分：復(fù)合材料：兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組合起來的一種固體材料。Exampleofafiberglasscompositecomposedofmicroscopic-scalereinforcingglassfibersinapolymermatrix.第四節(jié)學