(精品)第一章 材料的种类与性能.ppt

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1、第一章第一章 材料的种类与性能材料的种类与性能1.1材料的种类n1.1 材料的种类材料的种类金属材料金属材料（1 1）黑色金属）黑色金属 铁和以铁为基的合金铁和以铁为基的合金(钢、铸钢、铸铁和铁合金铁和铁合金)；（2 2）有色金属）有色金属 黑色金属以外的所有金属及其黑色金属以外的所有金属及其合金。合金。高分子材料高分子材料 又又称称高高聚聚物物，是是由由一一种种或或几几种种简简单单低低分分子子化化合合物物经经聚聚合合而而组组成成的的分分子子量量很很大大的的化化合合物物,工工程程上上通通常常根根据据机机械械性性能能和和使使用用状状态态将将其其分分为为四四大大类类：塑塑料料、合合成成纤纤维维、橡

2、橡胶胶、胶胶粘粘剂。剂。陶瓷材料陶瓷材料 陶陶瓷瓷材材料料属属于于无无机机非非金金属属材材料料，主主要要为为金金属属氧氧化化物物和和金金属属非非氧氧化化合合物物。由由于于大大部部分分无无机机非非金金属属材材料料含含有有硅硅和和其其它它元元素素的的化化合合物物，所所以以又又叫叫做做硅硅酸酸盐盐材材料料。它它一一般般包包括括无无机机玻玻璃璃(硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃)、玻玻璃璃陶陶瓷瓷(或或称称微微晶玻璃晶玻璃)和陶瓷等三类。和陶瓷等三类。复复合合材材料料是是由由两两种种或或两两种种以以上上化化学学性性质质或或组组织织结结构构不不同同的的材材料料组组合合而而成成。复复合合材材料料既既能能保保持持原原组

3、组成成材材料料的的重重要要特特色色，又又通通过过复复合合效效应应使使各各组组分分的的性性能能互互相相补补充充，获获得得原原组组分分不不具具备的许多优良性能。备的许多优良性能。复合材料复合材料机械工程材料的常用性能机械工程材料的常用性能 两方面材料使用性能材料使用性能材料工艺性能材料工艺性能力学性能力学性能（强度、塑性韧性等）强度、塑性韧性等）物理性能物理性能（光、热、电、磁等）（光、热、电、磁等）化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等）生物性能（生物性能（相容性、自恢复性等）相容性、自恢复性等）加工性能加工性能（切削、锻造等）（切削、锻造等）铸造性能铸造性能（适合铸造与否）（适合铸造与

4、否）焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否）热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化）1.2.1静载时材料的力学性能 e:弹性变形 s:均匀塑性变形 达到b:集中塑性变形，产生颈缩变形量达k 点后，发生断裂 1.2.1 静载时材料的力学性能w1.强度（1）弹性极限 :弹簧的主要指标之一 的单位是Mpa.1M=1106 Pa=N/m2 弹性模量E:弹性变形的难易程度 弹性模量的单位是Gpa 1G 1109 图12退火低碳钢的拉伸曲线 图12退火低碳钢的应力应变曲线bkes1.强度（2）屈服强度 ：开始塑性变形 的最小应力；单位是Mpa条件屈服强度 是韧性材料的主要设计依据。(3

5、)抗拉强度 ：材料断裂之前的(4)最大应力。单位是Mpa.1.2.1静载时材料的力学性能1.强度是脆性材料的主要设计依据。n2.塑性n(1)延伸率：表示试样拉伸断裂后的相对伸长量。，无量纲。n拉伸试样原始标距长度;n拉伸试样拉断后的标距长度1.2.1静载时材料的力学性能n(2)断面收缩率：表示试样断裂后截面的相对收缩量。也无量纲。拉伸试样原始横截面积；拉伸试样拉断处的横截面积。1.2.1静载时材料的力学性能断裂后断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象n说明：说明：n 用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。变形。n 直径直径d0 相同时，相同时，l

6、0，。只有当只有当l0/d0 为常为常数时，塑性值才有可比性。数时，塑性值才有可比性。n当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 10 表示；表示；n当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 10n 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征n3.硬度n(1)布氏硬度n表示：380HB1.2.1静载时材料的力学性能n(1)布氏硬度n压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适适用于布氏硬度值在用于布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。n压压头头为为硬硬质质合合金金

7、球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于布氏硬度在于布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。3.硬度l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值,符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保保持持时时间间。如如 120HBS10/1000/30 表表示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf（9.807kN）载载荷荷作作用用下下保保持持30s测测得的布氏硬度值为得的布氏硬度值为120。布氏硬度的布氏硬度的优点优点：测量误差小，数据稳定。：测量误差小，数据稳定。缺点缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及

8、比压头：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。还硬的材料。适适于于测测量量退退火火、正正火火、调调质质钢钢,铸铸铁铁及及有有色色金金属属的的硬度。硬度。n3.硬度n（2）洛氏硬度，表示：62HRCnHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗如硬质合金、表淬层和渗碳层。碳层。nHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火如有色金属和退火、正火钢等。钢等。nHRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢。用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢。n洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范操作简便，压痕小，适用范围广。围广。n缺

9、点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。1.2.1静载时材料的力学性能n（3）维氏硬度：用HV表示。n主要用于薄壁件的硬度测试。主要用于薄壁件的硬度测试。n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。n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。n维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。1.2.2 其他载荷下材料的力学性能 1.冲击韧性 2.断裂韧性 3.疲劳强度 4.磨损1.2.2其他载荷下材料的力学性能n1.冲击韧性图15 摆锤冲击实验示意图n2、断裂韧性断裂韧性KIC n材材料料内内部部常常

10、有有裂裂纹纹，产产生生应应力力集集中中时时，在在裂裂纹纹尖尖端端点点，尖尖端端点点应应力力和应力强度因子和应力强度因子KI有关，有关，KI又是外加应力又是外加应力的函数：（的函数：（s）nKI=Y a1/2nY:是系数，无量纲，和裂纹形状等有关，在是系数，无量纲，和裂纹形状等有关，在12之间；之间；n：外加应力，单位：外加应力，单位MPa，（，（s）；）；na：裂纹长度之半；：裂纹长度之半；nKI单位：单位：MPam1/2（MNm2）（）（1m-1/2）MNm3/21.2.2其他载荷下材料的力学性能n2、断裂韧性断裂韧性KICn公式表明：na1/2，KI，当KI达到KIC时，裂纹尖端处超过屈服

11、强度，使裂纹迅速扩展而脆断，而此时外力应力远小于屈服强度。nKIC称断裂韧性，它可以通过实验测定，是材料的常数。1.2.2其他载荷下材料的力学性能n3、疲劳强度(力加载方式是交变载荷)n材料在低于材料在低于 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。n交变应力低于屈服强度，但长时间作用于零件，使其断裂，称疲劳断裂，值称疲劳强度，单位Mpa。n大，抗疲劳能力强。n交变次数：106107（钢）；107108（有色金属）n，一般工程师手册可查。n4.磨损磨损n机器运转时，因磨损导致材料磨损而失效。n磨损类型：黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨损1.2.2其他载荷

12、下材料的力学性能n1.2.3材料的高温和低温性能n1.高温性能n(1)蠕变n蠕变是材料在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢产生材料在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象。塑性变形的现象。产生蠕变的最低温度产生蠕变的最低温度l碳钢碳钢 300350l合金钢合金钢 350400l一般金属材料一般金属材料 0.30.4Tml陶瓷材料陶瓷材料 0.30.4Tm（2）材料高温力学性能指标材料高温力学性能指标蠕变强度蠕变强度高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标。高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标。表示方法表示方法1.材材料料在在一一定定温温度度下下、一一定定时时间间内内产产生生一一定

13、永久变形量所能承受的最大应力。定永久变形量所能承受的最大应力。n表示表示6006000 0C C，1000h1000h内内，引起，引起0.1%0.1%变形量，能承受变形量，能承受最大应力最大应力88MPa.88MPa.蠕变强度蠕变强度材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。持久强度持久强度表示方法表示方法指指材材料料在在一一定定温温度度下下、一一定定时时间间内内所所能能承承受的最大断裂应力。受的最大断裂应力。n表示表示8008000 0C C，100h100h，材料能承受最大应力，材料能承受最大应力186 186 MPaMPa.n室温下强度不能用于高低温

14、。持久强度持久强度n2.低温性能低温性能n脆断：多数材料，低温下，脆断：多数材料，低温下，b b，发生脆断。，发生脆断。n温度降到温度降到T TK K时，冲击功急剧减小，材料韧性变时，冲击功急剧减小，材料韧性变脆性。不大之应力，能引起断裂，脆性。不大之应力，能引起断裂，T TK K称称冷脆转冷脆转化温度。化温度。nT TK K越低，材料低温韧性越好。越低，材料低温韧性越好。1.2.4材料的物理性能n1.密度n2.熔点n3.热膨胀性n4.磁性n5.导热性n6.导电性n1.2.4材料的物理性能n1.密度单位体积中材料之质量（Kg/m3）.n轻金属：5103Kg/m3n和有关的两个物理量：1.密度航

15、空航天材料，一般要求高的比强度和比模量。即一方面要轻质；另一方面要求高强度和高刚度。（是分母）2、熔点固体熔化温度 n（1）纯金属的熔点是固定温度。纯金属的熔点是固定温度。n（2）非晶体（如橡胶）材料无固定温度；）非晶体（如橡胶）材料无固定温度；n（3）合合金金熔熔化化通通常常在在一一个个温温度度范范围围内内完完成成，且且该该温温度度范围和合金化学成分有关。范围和合金化学成分有关。n（4）低低熔熔点点金金属属易易熔熔金金属属。可可作作保保险险丝丝等等安安全全零零件。件。高熔点金属高熔点金属耐热金属。用在高温工作环境的零件。耐热金属。用在高温工作环境的零件。n（5）熔熔点点是是金金属属合合金金在

16、在冶冶炼炼、铸铸造造、焊焊接接等等重重要要工工艺艺参数。参数。n3.热膨胀性n一根铁丝长158mm，线膨胀系数11.76，温度从200C至600C，问铁丝热胀多少？n解：158（60-20）11.7610-60.0743mmn量具、精密仪器，精密零件要求线胀小。双金属片，利用线胀系数不同，使其弯曲，制成延时继电器和断电器。4、磁性、磁性材料导磁的性能n软磁材料：当外磁场失去后，该材料也基本失去磁性。如纯铁、硅钢片等。n硬磁材料：外磁场失去后，该材料磁性仍能保持，如淬火钢、钴钢等。n无磁材料：非金属材料，Cu，Al，Pb等金属材料。n5、导热性n导热能力高低用导热率来表示。n金属非金属；n纯金属

17、该金属合金n导热好，散热快，传热设备材料（暖气片）n导热差，散热慢，保温设备材料（保温容器）n6、导电性用电阻率表示，。nn金属非金属；纯金属该金属合金n（导电性，导热性）n导电好，可作电线；导电不好，制造绝缘零件或电阻丝。n半导体具有单向导电性，可做整流器。金属物理性能表金属物理性能表1.2.5 材料的化学性能n1.金属腐蚀的基本过程n2.防止金属腐蚀的途径1.金属腐蚀的基本过程（1）化学腐蚀n金属和干燥气体O2，H2S，SO2，cl2等接触，发生化学反应，生成氧化物、硫化物等。氧化是其中主要的化学腐蚀。n1.金属腐蚀的基本过程（2）电化学腐蚀n金属在酸、碱、盐等电解质溶液中构成原电池而引起

18、的腐蚀。n电化学腐蚀比化学腐蚀快，是腐蚀的主要形式。n电化学腐蚀主要在阴极。2金属防腐原则和防腐措施（P13）原则：n（1）使金属呈单相组织，无电极电位差。n（2）提高阴极电位，减少电位差。n（3）不和电解溶液接触。2金属防腐原则和防腐措施措施n（1）改变金属成分，表面渗铬、渗铝，使用不锈钢。n（2）表面镀层、发兰、镀漆等。n（3）改善腐蚀环境。n（4）阴极保护法。n1.2.6 材料的工艺性能材料的工艺性能 包括铸造性能，锻造性能，冲压性能，焊接性能，热处理和机械加工性能。在热处理和成型工艺中详述。习题习题1.写出金属材料力学性能指标的符号、名称和基本含义。2.金属材料的塑性和韧性有何相似和不太相同的地方。