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1、1,0 绪论 工程材料性能及应用简介,材料力学性能,材料材料的性能材料的分类研究内容及目的主要参考书,2,0.1 材料,经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为“原料”，把经过工业加工的原料成为“材料”。,材料是人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基础,是人类活动不可缺少的东西。材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质反映了人类社会的文明水平。现代国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、信息的发展。,什么是材料,3,材料,工程技术人员学习材料科学知识的意义,评价一个设备、部件、零件的优劣或质量：必需保证使用的基本性能（力学、物理），具有一定的寿命（耐 疲
2、劳、磨损、腐蚀）；便于制造，即可以生产出来；可接受的成本。这几点要求是相互矛盾的，但是应利用各种专业知识，从中找到一个合理的配合，可见其中材料起到相当重要的决定性作用。,在机械产品的设计和维护中，不要单看材料仅仅是图纸标题栏中诸多内容中的一项，用的得当可以反映设计的先进性，达到价廉物美的效果；否则，可能是一个落后的设计，或者是闭门造车，根本上没法制造出来，甚至会隐藏祸根，导致使用中酿成事故和灾难。,4,0.2 材料的性能,材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求中可以承担功效，以及承担该功效下的表现或能力。,主要有（1）力学性能（2）物理性
3、能（3）化学性能（4）工艺性能。,5,不同服役条件对材料性能的要求不同,6,力学性能,材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、介质等)时，在外力或能量的作用下表现出来的变形和破坏的特征。,材料的性能,通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料的主要力学性能有：,弹性 强度 塑性 硬度,冲击韧性 疲劳特性 耐磨性,7,拉伸试验,过程：,力学性能,外力增加，试样伸长。得到Pl曲线，换算为曲线。材料表现为弹性变形、均匀塑性变形、颈缩、断裂。,8,弹性与刚度,弹性变形：,力学性能,弹性模量与刚度：,在OA段为直线，即应力与应变成正比，变化规律服从虎克定律。并且在外力卸载后试样恢复到原始长
4、度。可以达到的最大应力成为弹性极限(或比例极限)。,9,强度与塑性,屈服强度：s 0.2,力学性能,塑性：断裂前可发生永久变形的能力。,抗拉强度：b,材料开始发生塑性变形的最小应力。,材料发生断裂前能承受的最大应力。,10,硬度,硬度是衡量材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部塑性变形的能力。,力学性能,莫氏硬度：,11,硬度,力学性能,12,冲击韧性,冲击韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。常用一次弯曲冲击韧性试验ak值来表示。以带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的功来衡量。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。,力学性能,试样尺寸,试验方法,13,断裂韧度,断裂韧性是材
5、料中存在缺陷时，材料抵抗脆性断裂的能力。,力学性能,断裂韧度指标为KIC，有专门的测定方法。工程应用要求：,因为 大型构件不可避免存在各种缺陷，在缺陷前端有不同的应力作用，都存在应力集中，其中裂纹受张开应力作用为最危险。,Y裂纹形状系数，a裂纹长度的一半。,14,疲劳强度,零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下，而发生的断裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂是损伤积累的过程，包括疲劳裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三个阶段。应力大小和循环次数有关。,力学性能,低周疲劳又称条件疲劳极限，参照零件工作周期可能作用的次数N下能承受的应力极限值N。（可以有效发挥材料的作用）,高周疲劳对称应力作用趋于水平线的最大应
6、力为-1,作为永久可用的疲劳强度极限。实际大多以107次未断裂的应力来测定。,15,耐磨性,一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面的尺寸变化、质量损失现象成为磨损。,力学性能,磨损的后果可能因零件尺寸变化，轻则降低传动质量，影响部件的使用性能；重则因尺寸变小造成零件断裂。磨损主要有磨粒磨损(切削)、粘着磨损(分子作用力)；此外接触疲劳有人归类为磨损，也有人归为另一类损伤形式。,测定方法让两试样组成摩擦副，在设定条件(力、润滑剂)进行一定时间的摩擦运动后，测定试样的尺寸减小值/质量的损失值/摩擦表面外观形貌来比较不同材料的耐磨性。,16,物理性能,材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量(
7、热、电、光、磁等)以及环境变化时它们的变化程度。,材料的性能,密度与比容,导热率,热膨胀系数,单位体积物质的质量 Kg/m3单位质量的物质所占的体积 m3/Kg,物体内温度梯度为1/m时，在单位时间、单位面积内传递的热量 W/(mK),温度上升1时，单位长度的伸长量 mm/(mm)或-1,17,物理性能,材料的性能,电阻与电导,电阻温度系数,熔点,导磁率,物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。,电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是M，其倒数称为电导率 S/M,西门子/米,温度上升1时，电阻率 的变化系数，单位-1,电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导电是热激活过
8、程，温度升高，电阻率下降。,超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值降为零的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合物的转变温度达到100K以上。,是铁合金、化合物(铁氧体)特有性能。,18,化学性能,反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。,材料的性能,工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极电位、储能密度等。,材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀(氧化)、电化学腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照因素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料
9、的选择和防腐措施相结合。,19,工艺性能,材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。,材料的性能,1.材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。,2.铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的方法。,流动性：充满型腔能力收缩率：缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向：材料成分的均匀性,20,工艺性能,材料的性能,3.锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量。,4.焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。,塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形抗力：发生塑性
10、变形所需要的最小外力。,连接能力：焊接接头部位强度与母材的差别程度。焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。,21,工艺性能,材料的性能,5.切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。,6.热处理性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度。,切削抗力加工表面质量排屑难易程度切削刀具的使用寿命,随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和变化。,22,材料性能总结,决定材料性能实质：,构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料的元素种类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
11、身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有密切的关系。,研究的意义：,性能决定了材料的用途。性能决定了材料和零部件生产方法。性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。,23,0.3 材料的分类,工程材料：主要利用其力学性能制作结构件。,建筑材料 结构材料 工具材料,按材料用途（性能）,功能材料：主要利用其物理、化学性能或效应制作具有特定功效的器件。,半导体材料 磁性材料 激光材料热电材料 光电材料 声电材料 等,24,材料的分类,（1）金属材料：纯金属及其合金。合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有金属性的材料。金属性的关键特征是具有正的电阻温度系数，这是
12、由于它的导电是自由电子的运动所决定的。,钢铁材料(黑色金属),按材料成分：,钢 铸铁,非铁金属材料(有色金属),轻金属 Al Mg Ca Na,重金属 Cu Ni Pb Sn Zn,贵金属 Ag Au Pb Rb(铷)Ir(铱),稀有金属 Zr Ti Nb,稀土金属 Re(Y Nd(钕),放射性金属 Ra U Th(钍),25,材料的分类,Periodic table of the elements with those elements that are inherently metallic in nature in color.,26,材料的分类,（2）高分子材料：有机聚合物。,热塑性塑
13、料：尼龙 聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯,按材料成分：,热固性塑料：树脂 聚氨酯,弹性材料：天然橡胶 合成橡胶,Miscellaneous internal parts of acontemporary parking meter are made of an acetal(缩醛)polymer.Engineered polymers are typically inexpensive and characterized by ease of formation and adequate structural properties.(Courtesy of the Du Pont Company,E
14、ngineering Polymers Division),27,材料的分类,（2）高分子材料：有机聚合物。,热塑性塑料：尼龙 聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯,按材料成分：,热固性塑料：树脂 聚氨酯,弹性材料：天然橡胶 合成橡胶,28,材料的分类,按材料成分：,瓷：以氧化铝为主,陶：硅酸盐为主,广义陶瓷(特种陶瓷)：金属与氧、碳、氮、硅等化合物,（3）陶瓷材料：一种或多种金属氧化物或其他化合物。,Some common ceramics for traditional engineering applications.These miscellaneous parts with characteri
15、stic resistance to damage by high temperatures and corrosive environments are used in a variety of furnaces and chemical processing systems.(Courtesy of Duramic Products,Inc.),29,材料的分类,按材料成分：,30,材料的分类,按材料成分：,（4）复合材料：两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种固体材料。,Example of a fiberglass composite composed of microscopic
16、-scale(微观尺度)reinforcing glass fibers in a polymer matrix.,31,0.4 本课程学习内容、目的,材料力学性能课程主要内容 材料在各种服役条件下的失效现象及微观机理；材料力学性能指标的本质、概念、实用意义，以及各种力学性能 指标之间的相互联系；影响材料力学性能的因素，提高力学性能的方向和途径；材料力学性能的测试技术。目的：1）合理使用材料掌握不同服役条件下力学性能变化规律，有助于正确选择材料；2）研究开发新材料明确提高力学性能的方向和途径，是研发新材料的关键；3）改进和开发冷热加工工艺-提高产品性能、生产效率、降低成本，减轻环境负荷。,32
17、,0.5 位错理论的回顾 位错理论的基本概念,（1）晶体中的缺陷：点、线、面、体缺陷（2）位错定义：晶体中已滑移部分与未滑移部分在滑移面上的交界线，称为位错线。（3）位错的描述及种类：柏氏矢量；刃位错、螺位错、混型位错。（4）位错的萌生与增殖：形核；F-R位错源理论。（5）位错的运动：滑移、攀移、交滑移、交割与割阶（6）位错运动受阻：塞积群、割阶、气团、面角位错（7）其他：位错的应力场、弹性应变能 及受力；位错的分解或合成；典型晶体中的位错。,33,0.5.2 位错理论的作用,（1）材料的理论强度远远高于实际强度；（2）材料的屈服-位错的萌生与增殖；（3）材料的加工硬化-位错运动受阻；（4）材料的断裂、蠕变的机理。（5）晶体生长速率的理论值与实际测量值的差异。,34,参 考 书,1.束德林.工程材料力学性能.机工,2010.2.郑修麟.材料的力学性能.西北工大,2004.3.Thomas H.Courtney.材料力学行为(英).北京:机工,2004.4.Kenneth G.Budinski,Michael K.Budinski.Engineering Materials Properties and Selections(7th ed).New Jersey:Pearson Education Inc.,
