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1、工程材料及热加工工艺基础,机电工程学院周玉梅,第1章 材料的种类与性能,材料按化学组成（或基本组成）分类根据材料的性能分类 材料按服役的领域来分类 材料按结晶状态分类材料按尺寸分类,1.1 材料的种类,1.金属材料2.无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）4.复合材料,材料按化学组成（或基本组成）分类,Element Periodic Table,元素周期表,金属材料：金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料：可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。,无机非金属材料无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和
2、（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。,高分子材料（高聚物 Polymer）,高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。,复合材料(Composi
3、te),复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。,金属基复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料,复合材料的应用领域,根据材料的性能分类,结构材料 是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆
4、和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。功能材料 是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。,材料按服役的领域来分类,电子信息材料：指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。能源材料：按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚
5、变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料,航空航天材料：主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等生物材料：是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。医用金属及合金、陶瓷、高分子、复合材料,电子信息材料,
6、The first solid state transistor(1947 at Bell Labs),Nd:YV04 laser crystal,The optical fiber cable in the foreground has the equivalent information-carrying capacity of the copper cable in the background,Magnetic materials,能源材料,Hydrogen tank of TOYOTA FCHV-3,fuel cell hybrid vehicle,uses the alloy pr
7、oposed by ETRI.,Ni-H battery,航天、航空材料,555-seat twin-deck,four-aisle,Maximum take-off weight(includinga full load):(617 tons).fly a distance of over 10,000 miles,Rolls-RoyceTrent900 Engine,生物材料,Development of an artificial finger joint from HKU,Custom inplants,Innova,US,材料按结晶状态分类,单晶材料 是由一个比较完整的晶粒构成的材料
8、，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料 是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料 是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。,Single crystal silicon,diamond,材料按材料的尺寸分类,1.零维材料即超微粒子。通过Sol-gel法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小1100nm的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。2.一维材料即纤维材料。如光导纤维由于其
9、信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。,3.二维材料即薄膜材料，如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。4.三维材料即块状材料。,1.2 材料的力学性能,一、弹性与刚度二、强度与塑性三、硬度四、冲击韧度
10、五、疲劳强度六、断裂韧度,材料在承受各种载荷时的行为（静载荷，动载荷，变载荷）,各类材料的应力-应变行为,应力=P/F0应变=(l-l0)/l0,低碳钢的应力-应变曲线,拉伸试样,拉伸试验机,sp Proportional limit 比例极限se Elastic limit 弹性极限ss Yeild strength(limit)屈服强度（极限）sb Tensile strength 抗拉强度sk Breaking strength 断裂强度,低碳钢的应力-应变曲线,一、弹性和刚度,材料的E越大，刚度越大；,弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形
11、的能力。指标为弹性模量E。,弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,强度:材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。,当承受拉力时，主要是屈服强度和抗拉强度。,二、强度与塑性,屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。,条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以0.2来表示。,抗拉强度b：试样在断裂前所能承受的最大应力，表示材料抵
12、抗断裂的能力。,塑性断裂前材料发生不可逆永久变形的能力,断后延伸率 d=(L-L0)/L0断面收缩率y=(A0-A)/A0,d 和y越高 材料的塑性越好,指标,拉伸试样的颈缩现象,说明：用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0 时，伸长率用 表示；当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5 时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征,硬度是材料抵抗表面局部塑性变形的能力硬度也反映材料抵抗其它物体压入的能力通常材料的强度越高，硬度也越高工程上常用的硬度指标有布氏硬度洛氏硬度维氏硬度,二、硬度,
13、布氏硬度HB,用一定载荷P，将直径为D的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，测量被测试试表面上所形成的压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积F，其单位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度值HB=P/F当测试压头为淬火钢球时，只能测试布氏硬度小于450的材料，以HBS表示当测试压头为硬质合金时，可测试布氏硬度为450650的材料，以HBW表示,120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,在测定材料的布氏硬度时，应根据材料的种类和试样的厚度，选择球体材质、球体直径D、施加栽
14、荷P和载荷保持时间等,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：b(MPa)1HB或 b(MPa)0.6(HB-40),洛氏硬度HR,原理：洛氏硬度试验是用特殊的压头（金刚石压头或钢球压头）在先后施加的两个载荷（预载荷和总载荷）的作用下压入金属表面来进行的。总载荷P为预载荷P0和主要载荷P1之和，即P=P0+P1 洛氏硬度值是施加总载荷P并卸除主载荷P1引起的残余压入深度.该值用来表
15、示被测材料硬度的高低。,HR=k-(h1-h0)/0.002,优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。,图1-4洛氏硬度试验示意图a)HR(A、C、D)标尺b)HRB标尺,钢球压头与金刚石压头,维氏硬度 HV,维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为一相对面夹角为136金刚石正四方棱锥体，所加负荷为5120kgf（49.031176.80N）它所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。在用规定的压力P将金刚石压头压入被测试件表面并保持一定时间后卸去载荷，测量压
16、痕投影的两对角线的平均长度d，据此计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（P/S），以此作为被测材料的维氏硬度值。,压痕,维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。,三、冲击韧性,是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。,韧脆转变温度,韧,材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材
17、料的使用温度应高于韧脆转变温度。,体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。,断裂（fracture）,韧性断裂（Ductile fracture）断裂前发生明显的宏观塑性变形，断口为杯形，暗灰纤维状脆性断裂（brittle fracture）:：断裂前不发生塑性变形，断口平齐，由无数发亮的小平面组成,a 软金属、聚合物b 低碳钢 c 铸铁、陶瓷、玻璃,Ductile fracture,Brittle fracture,The RMS Titanic leaves port in the 1998 movie Titanic.,Wreck of Titanic,现代造船用钢（左）
18、与TITANIC号残骸上的钢（右）冲击韧性试样modern steel and Titanic steel,四、断裂韧性,工作应力s s=ss/k k 为安全系数要求材料具有足够的d y,指标和韧性A k,传统的设计方法：,不能保证不发生低应力下的脆断！,断裂韧度 KIc:材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，单位是MPam1/2,裂纹尖端强度场因子 KI=Y s a1/2 Y 是裂纹的几何形状因子 值为12 s是零件的工作应力 a 是裂纹的半长度,反映材料抵抗脆性断裂能力的性能指标,前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存
19、在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场,断裂微观机制,necking,microvoidsmall cavitites,coalesce to cracks,cracks propogate,Final shear fracture withfibrous pullout indicating plastic deformation,韧性断裂,微孔，缺陷,合并为裂纹,裂纹扩展,最后剪切断裂，包含显示塑性断裂的纤维断口,油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关,北极星导弹,1950年，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发
20、生爆炸，经过研究，发现破坏的原因是材料中存在0.11mm的裂纹并扩展所致。,五、疲劳极限,疲劳（Fatigue）:零件在交变载荷下经过较长时间工作而发生断裂的现象,（80%的断裂由疲劳造成）,扭转:r=-1 曲轴弯曲:r=0 齿轮齿根压缩:r=-球轴承小拉大压:r0 连杆大拉小压 0r1 缸盖螺钉,常见的交变应力,r=min/max,材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料规定次数为，有色金属合金为。,疲劳断口特征,疲劳源区,疲劳裂纹扩展区,最后断裂区,一般在局部应力集中或强度较低部位首先出现裂纹源，在载
21、荷继续作用后，裂纹随后扩展导致断裂,疲劳断口,通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。,失效(failure)机械零件失去在一定的载荷、温度、介质作用下保持一定的几何形状、尺寸、实现机械运动、传递力和能的效能。失效的原因,机械零件的失效形式(第11章),零件的结构设计材料的选择材料的加工制造装配调整使用和保养,材料的失效形式,过量变形,断裂,磨损,腐蚀,高温蠕变,过量变形,弹性变形,塑性变形,抗力指标,条件比例极限,条件弹性极限,条件屈服极限,0.001%-0.01%,0.005%-0.05%,0.01%-0.5%,弹性变形量l（刚度）,精密
22、机床丝杠,炮筒、弹簧,一般机器的机座、机架、桥梁、容器,断裂,韧性断裂,脆性断裂,抗力指标,冲击韧度ak,断裂韧度KIC,计算?,疲劳断裂,静、冲击载荷,交变载荷,断口特征,疲劳极限过载持久值,磨损,粘着磨损,磨粒磨损,腐蚀磨损,氧化磨损,接触疲劳：麻点磨损,微动磨损,磨损失效,一、磨损 Wear：零件在磨擦过程中其表面发生尺寸变化和物质耗损的现象,粘着磨损 adhesive wear：摩擦副局部发生冷焊合（挤破润滑膜和部件表面的氧化膜，原子间结合），随后撕裂的过程。例如：曲轴烧瓦了；蜗轮、蜗杆咬死了等现象磨损速度大：1015m/h,磨粒磨损Abrasive wear：硬质磨粒使摩擦面产生塑性
23、变形或嵌入或切割的过程。例如：矿山用的粉碎机，磨粒磨损严重。磨损速度较大：0.55m/h；,磨粒,腐蚀磨损 corrosive wear：环境介质与摩擦力联合腐蚀、磨损：1，氧化腐蚀剥落：部件接触面产生氧化膜剥落露出新金属再生成新氧化膜再剥落反复损耗的过程 磨损速度：0.10.5m/h；(属正常失效)2，机械微动磨损fretting：紧配合构件的微动区内，产生磨痕蚀坑，亦称咬蚀，微动区内有粉末产生，因此微动磨损包含了：氧化磨损、磨粒磨损、粘着磨损。,微动磨损,麻点磨损Surface fatigue（接触疲劳）：接触疲劳：滚动点接触处，在交变应力下产生的疲劳剥落，形成的小凹坑现象现象。例如：滚动
24、轴承的滚珠，后期表面形成的麻点。又例如：啮合的齿面会产生麻点，使振动、噪声、冲击增大，严重齿根可能冲击断裂。,高温对金属力学性能的影响,温度强度降低 时间强度降低,蠕变极限持久强度,材料高温力学性能指标,高温蠕变失效,蠕变：材料在长时间的恒温、恒应力的作用下缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变,a.蠕变极限,蠕变极限：1，在规定的温度下，使试样产生稳态的蠕变速率的应力。(110-5%/h)sT e s600110-5=60MPa2,在规定温度下和规定的时间内使试样产生一定蠕变总变形量的d的应力值。(105小时总变形量为1%)sTd/t s5001/105=100MPa,持久强度:,在给定温度和规定时间内使试样发生断裂的应力（1103小时）sTt s6001103=300MPa,作业题,1.钢的s=1000MPa，KIc=170MPam1/2 铝合金的s=400MPa，KIc=25MPam1/2,试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹的临界尺寸各是多少（假设裂纹的几何形状因子）?何者更适宜做压力容器？,2.有一根轴向尺寸很大的轴，在500C温度下工作，承受交变扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处承受摩擦力和接触压应力，试分析此轴的失效形式可能有哪几种？设计时需要考核哪几个力学性能指标？3.给出汽车变速箱齿轮可能出现的失效形式会有哪些？,
