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1、第九章 非金属材料,第一节 高分子材料第二节 陶瓷材料 第三节 复合材料,指金属以外的其它材料。机械工程主要使用的非金属材料有高分子材料、陶瓷材料以及复合材料。,复合材料船体,第一节 高分子材料,一、基本概念 以高分子化合物为主要组分的材料,有机高分子化合物无机高分子化合物,天然蚕丝、羊毛、纤维素、天然橡胶等人工把低分子化合物聚合成高分子化合物,加成聚合反应（加聚反应）缩合聚合反应（缩聚反应）,二、高聚物的基本性能及特点,重量轻绝缘好减摩、耐磨性耐热差耐腐蚀,1、物理性能,高弹性滞弹性实际强度低开裂现象老化,2、力学性能,三、工程高分子材料,塑料合成橡胶合成纤维,高分子材料,1、塑料 以树脂为
2、基础，再加入用来改善性能的各种添加剂，如填充剂、增塑剂、稳定剂、固化剂、着色剂、润滑剂等,通用塑料工程塑料塑料成形工艺,聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚酸塑料和氨基塑料,力学性能好，高温下长期使用。如ABS、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯,挤压成形吹塑成形注射成形,2、合成橡胶 橡胶在室温有高弹性能，在温度范围处于高弹态，即较小力产生较大变形，外力去除，回复原状。良好伸缩性、储能能力、耐磨、隔声、绝缘等，用于弹性材料、密封材料和传动材料。合成橡胶由石油、天然气、煤等制成单体，再由单体制成聚合反应而成。天然来自橡胶树3、合成纤维以石油、煤、天然气为原料制成合成纤维，性能见P225表10-3.有强度密度耐
3、磨、蚀好，人造纤维用自然界加工而成如人造丝、棉、黏胶纤维、硝化纤维、醋酸纤维。,第二节 陶瓷材料,一、陶瓷材料的概述 1、概念传统指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经粉碎混炼成形煅烧等过程制成的各种制品现代包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的通称,2、分类,原料的制备坯料的成型制品的烧成或烧结,传统烧成T为12501450特种烧结T为熔点的2/3 4/5,3、生产,粘土石英长石,可塑成型注浆成型压制成型,二、陶瓷的组织与结构 陶瓷由固相和气孔两部分构成的非均质体1、陶瓷的组织P239 图10-18、19传统由粘土、石英、长石组成体系,各种形状和大小的气孔与晶相、玻璃相三者在陶瓷制品
4、中空间的相互关系（数量及分布结合）构成陶瓷的组织结构,低温阶段（20300）分解及氧化阶段（20300）高温阶段（950 烧成温度）冷却阶段（烧成温度室温）,析出长大针状英来石液相在750550固态玻璃残留石英由高温向低温转变,残余水分排除,结构水排除有机、碳素和无机氧化碳酸盐、硫化物分解低温晶型转变成高温晶型,烧成式冷却坯体变化,氧化分解继续进行共溶体等液相相继各组成相续溶解成粒状或片状一次英来石形成针状英来石长大发生烧结过程、体积收缩,2、晶体相晶相种类、发育和存在状态、晶体取向、形态等决定陶瓷主要用途和特点。主晶体相为陶瓷中数中晶体中数量最多，且作用最大的晶体日用陶瓷中的主晶体相为英来石
5、陶瓷中的晶体相主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物三种,(1)硅酸盐构成硅酸盐晶体结构的基本单元是SiO4硅氧四面体。图10-20、P239Si/O=0.29（半径之比）共价键(2)氧化物以离子键结合，也有部分共价键陶瓷中最重要的氧化物类型：AO、AO2、A2O3、ABO3、AB2O4（A、B表示阳离子）结构的共同特点：氧离子（一般比阳离子大）进行紧密排列，金属阳离子位于一定间隙中，即四面体和八面体间隙中P241,岛状组群状链状层状架状,石英SiO2钠长石NaAlSi3O8,镁橄榄石Mg2SiO4,硅钙石Ca3Si2O7蓝维石BaTiSi3O9绿宝石Be3Al2Si6O18,硅氧四面体连接方式,透辉
6、石CaMgSi2O6透闪石Ca2Mg5Si14O112(OH)2,镁橄榄石Mg2SiO4,(3)非氧化物指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物，碳化物主要由强大共价键结合，也有部分金属键和离子键,碳化物氮化物硼化物和硅化物,B、Si原子间具有较强的共价结合 P243,间隙相C溶入TiC复杂碳化物Fe3C,氮化物 BN 六方晶格Si3N4 AlN 六方晶格,共价键和金属键的过渡相,与石墨结构相似,3、玻璃相陶瓷中含2040%玻璃相当玻璃由熔融态转变为无定形固态时，液态的无规则结构被冻结下来玻态结构：硅氧四面体组成不规则的空间网.形成骨架,将晶体相粘连起来，填充晶体相之间的空隙.致密降低烧成温度，加
7、快烧结过程阻止晶体转变，抑制晶体长大获得一定程度的玻璃特性.如透光性等,4、气孔由原材料中的气孔和成型后颗粒间的气孔构成三、陶瓷的性能具有强化学键，bHB抗蚀高温性能具有绝缘、导体、半导体和超导体特性光学、磁学、电学、力学,开口气孔一端封闭，另一端与外界相通闭口气孔封闭在制品中不与外界相通贯通气孔贯通制品的两面,1、力学性能,弹性 E气孔率E 硬度 离子半径 离子电价 配位数 结合力 HB脆性断裂和强度 抗压b=10抗拉b塑性 滑移系位错运动的切应力 塑性开始温度为0.5Tm（Tm熔点绝对温度）,2、力学性能 3、光学性能4、电学性能5、磁学性能 磁性陶瓷铁氧体,热膨胀 比金属低得多导热性 比
8、金属低得多热稳定性,高温透镜材料建筑瓷砖、艺术砖,导电性能介电性能,四、常用陶瓷1、传统陶瓷粘土长石石英组成,日用瓷良好的白度、光泽度、透光度、热稳定性和机械强度普通工艺陶瓷火石器（陶器与瓷器之间的陶瓷）及精陶,2、特种陶瓷,氧化物陶瓷Tm2000.单相多晶结构.如Al2O3、ZrO2非氧化物陶瓷HB耐磨性脆性抗氧化9001000 如硅化物、硼化物 碳化物加热元件、砂轮、磨料和耐火材料 氮化物六方和六方晶系.介电体、耐火润滑剂,3、金属陶瓷用粉末冶金生产的金属同陶瓷组成的非均质复合材料工艺制粉、成形和烧结金属相Ti、Cr、Ni、Co和它们的合金非金属相氧化物、碳化物、硼化物氮化物等五、陶瓷材料
9、应用举例 P253254,氧化铝 Al2O3+SiO2-Al2O3刚玉氮化硅 Si3N4,第三节 复合材料,一、概念 由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到一种多相固体材料.1、分类,基体 起粘结副作用增强体 起提高强度、韧性的作用,细粒 连续纤维、层叠复合材料、骨架、涂层,2、复合的方法,熔体抽丝法如将玻璃熔成液体、以极快速度抽丝热分解法人造、天然纤维预氧化中碳化石墨化制得纤维气相沉积法将BCl3与H2温合高温、B沉积在极细的W丝上制得拔丝法金属细丝,纤维的制取,手糊成形法压制成形法缠绕成形法喷射成形法,纤维与树脂复合,熔融金属法.浸透法等离子喷涂法热挤热轧法扩散结合法,无机纤维与
10、金属复合,二、增强机制及复合原则1、增强机制细粒相作用：阻碍基体中位错运动或分子链运动.当细粒相d0.1m造成邻进应力集中或本身破裂,纤维具有强结合键的物质或硬质材料纤维处在基体中，彼此隔离，表面得到保护，不易受到损伤有裂纹的纤维断裂，但ak基体能阻止裂纹扩展纤维受力断裂，断口不在一个平面在不均匀的三向应力状态下，即使是脆性组成，也表现出明显塑性,纤维,2、复合原则,纤维是材料的主要承载体组成，故具有最高的强度、刚度基体起粘结纤维的作用纤维与基体间应有高但适当的结合强度纤维须有合理的含量、尺寸和分布纤维和基体的热膨胀性能应有较好的协调与配合,对纤维有润湿作用有一定韧性、塑性，对裂纹其控制能保护
11、纤维表面，不引起裂纹、不损伤表面,3、界面复合它们的界面是一个多层结构的过渡区，一般包括五层.P258图10-31增强材料与基体有很好的浸润，两者会形成较好的界面结合，界面强度则较大.当浸润不良，界面上会产生空隙，以而形成应力集中，导致界面开裂。,三、性能特点1、比强度和比刚度高（/,E/）2、抗疲劳性能好3、减震能力强4、高温性能好5、断裂安全性高,四、常用复合材料1、玻璃纤维复合材料,热塑玻璃钢热固性玻璃钢,碳纤维树脂碳纤维碳碳纤维金属碳纤维陶瓷,2、碳纤维复合材料,硼纤维树脂硼纤维金属,3、硼纤维复合材料,金属纤维金属W、Mo丝，基体Ni、Ti等合金硼纤维金属W、Mo纤维与氧化铝、氧化锆
12、,4、金属纤维复合材料,第十章工程材料的选用,教学目标,10.1 概述,10.2 材料选用的原则和方法,10.3 典型零件选材和工艺路线简介,本章小结,10.1 概述(1),机械零件设计应包括零件结构设计、材料选择和工艺设计三个方面。三者相互影响，必须协调考虑。只重视零件的结构设计，而忽视材料的选择，往往是造成零件在使用过程中不正常失效的重要原因之一。因此，只有正确选择工程材料，才能保证零件的设计要求。,1.失效概念:,指零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的功能。,7.1 概述(2),失效形式有以下三大类：,1、断裂失效,主要失效形式,（1）延性断
13、裂,（2）脆性断裂,（3）疲劳断裂,（4）蠕变断裂,2、过量变形,在外力作用下零件发生整体或局部的过量弹性变形、塑性变形或蠕变导变形致整个机器或设备无法正常工作，或者能正常工作但保证不了产品质量的现象，称之为过量变形。,3、表面损伤,（1）磨损失效；（2）接触疲劳失效；（3）腐蚀失效,零件失效与很多因素有关。设计、材料、加工工艺和安装等,7.2 材料选用的原则和方法,一、使用性能原则,使用性能:是指材料能保证零件正常工作所必须具备的性能。,包括:力学性能、物理性能和化学性能,首要任务是正确地分析零件的工作条件和主要的失效形式，准确地判断零件所要求的主要力学性能指标。,其次考虑特殊要求和使用环境
14、,7.2 材料选用的原则和方法,常见材料的基本力学性能,(1)钢的力学性能,7.2 材料选用的原则和方法,(2)铸铁：机械性能与石墨形态有关，一般抗拉强度较低，塑性较差。但承压、耐磨、几乎不具有缺口敏感性。,(3)铜和铝合金：良好的抗腐蚀性，良好的塑性和一定的强度。铝合金具有较高的比强度。,(4)工程塑料：良好的抗腐蚀性，绝缘性，强度、韧性较好，但工作温度低，老化现象不可避免。,7.2 材料选用的原则和方法,二、工艺性能原则,工艺性能是指材料适应某种加工的能力，或加工成零部件的难易程度。,工艺是指将原材料经过一系列的加工变为零件或机器的过程。,工程塑料：具有良好的工艺性能。,铜和铝合金：具有良
15、好的工艺性能。,铸铁：具有优良的铸造性能和切削加工性能，不能锻造，可焊性很差。,钢：具有良好的锻压性能，特别是低碳钢还有良好的焊接性能。钢的铸造性能较差。合金钢有较好的热处理性能。,7.2 材料选用的原则和方法,二、工艺性能原则,7.2 材料选用的原则和方法,三、经济性原则,1.材料的价格,应该尽量低,7.2 材料选用的原则和方法,三、经济性原则,7.2 材料选用的原则和方法,三、经济性原则,2.零件的总成本,应该尽量低,7.2 材料选用的原则和方法,三、经济性原则,3.资源的考虑,材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。,注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。,对某工厂来说，所选材料
16、种类、规格，应尽量少而集中，以便于采购和管理。,总结:在首先保证材料满足使用性能的前提下，再考虑使材料的工艺性能尽可能良好和材料的经济性尽量合理。,7.3 典型零件选材和工艺路线简介,一、齿轮类零件的选材与工艺路线,1.齿轮的工作条件,(1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；(2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；(3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。,2.齿轮的失效形式,疲劳断裂(主要从根部发生),齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小,一、齿轮类零件的选材与工艺路线(2),2.齿轮的失效形式,齿面接触疲劳破坏,过载断裂(冲击载荷过大造成的断
17、齿),3.齿轮材料的性能要求,(1)高的弯曲疲劳强度；(2)高的接触疲劳强度和耐磨性；(3)较高的强度和冲击韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。,一、齿轮类零件的选材与工艺路线(2),4.齿轮类零件的选材,性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。从以上两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢。它们经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。,对耐磨性要求较高，而冲击韧性要求一般的硬齿面(HRC40)的齿轮，如车床、钻床、铣床等机床的变速箱齿轮，通常采
18、用45、40Cr、42SiMn等钢，经调质后表面高频淬火，再回火。,对齿面硬度要求不高的软齿面(HBS350)齿轮，这类齿轮一般用于低速、低载荷下工作，如车床溜板箱的齿轮、车床挂轮架齿轮等，通常采用45、40Cr、42SiMn、35SiMn等，经调质或正火处理后使用。,工艺路线：下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火低温回火精磨,(1)调质钢,一、齿轮类零件的选材与工艺路线(2),4.齿轮类零件的选材,对于高速、重载、冲击较大的硬齿面(RHC50)齿轮，如汽车变速箱齿轮、汽车驱动桥齿轮等，常用20CrMnTi、20CrMnMo、20CrMo等钢，经渗碳-淬火-低温回火后得到表面硬而耐磨，心部强韧
19、耐冲击的组织。,(2)渗碳钢,工艺路线：下料锻造正火粗加工渗碳预冷淬火低温回火喷丸精磨,(3)工程塑料,对一些受力不大或无润滑条件下工作的齿轮，如仪表齿轮、无声齿轮等，可选用工程塑料(如尼龙、聚碳酸酯等)来制造。,二、轴类零件的选材与工艺路线,1.轴类零件的工作条件,(1)工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；(2)轴与轴上零件有相对运动,相互间存在摩擦和磨损；(3)轴在高速运转过程中会产生振动,使轴承受冲击载荷；(4)多数轴会承受一定的过载载荷。,2.轴类零件的失效方式,转轴弯曲疲劳断裂,齿轮轴扭断,轴颈在轴承中磨损,二、轴类零件的选材与工艺路线,3.轴类零件的性能要求,(1)良好的综合
20、机械性能，足够强度、塑性和一定韧性,以防过载断裂、冲击断裂；(2)高疲劳强度,对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂；(3)足够淬透性,热处理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨损失效；(4)良好切削加工性能,价格便宜。,4.根据轴的不同受力情况进行分类选材,承受交变拉应力和动载荷的轴类零件，如船用推进器轴、锻锤锤杆等，应选用淬透性高的调质钢，如30CrMnSi、40MnVB、40CrMnMo等。,主要承受弯曲和扭转应力的轴类零件，如变速箱传动轴、发动机曲轴、机床主轴等。这类轴在整个截面上所受的应力分布不均匀，表面应力较大，心部应力较小。这类轴不需选用淬透性很高的钢种。可选用45钢或合金调质钢。如汽车
21、半轴常采用40Cr、45Mn2等钢。,高精度、高速传动的轴类零件如镗床主轴，则常选用氮化钢38CrMoAlA等，并进行调质及氮化处理。,对中、低速内燃机曲轴以及连杆、凸轮轴，还可采用球墨铸铁，不仅满足了力学性能要求而且制造工艺简单，成本低。,二、轴类零件的选材与工艺路线,例:C620机床主轴选材与加工工艺路线,该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。,选用45钢制造，工艺路线为：下料锻造正火粗加工调质精车高频表面淬火低温回火精磨。,正火的目的是为了得到合适的硬度，便于加工，同时改善锻造组织，为调质处理作好准备。调质是为了使主轴得到较好的综合机械性能。对轴颈、内锥孔、外锥面进行表面淬火、低温回火、是为了提高硬度，增加耐磨性，延长主轴的使用寿命。,例题：,某齿轮要求具有良好的综合机械性能，表面硬度5055HRC，用45钢制造。加工工艺路线为：下料锻造热处理机械粗加工热处理机械精加工热处理精磨。试说明工艺路线中各个热处理工序的名称、目的。2.已知一轴尺寸为30200mm，要求摩擦部分表面硬度为5055HRC，先用30钢制作，经高频表面淬火（水冷）和低温回火，使用过程中发现摩擦部分严重磨损，试分析失效原因，如何解决？,
