工材应用第一至十二章.ppt

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1、湖南科技大学机电学院 2009年10月公共课程,主 讲 人： 颜 焕 元 联系电话：15073230586 专业方向：材料加工工程 新型金属材料,工程材料及应用 （第二版） 主 编：周凤云 华中科技大学出版社,教案：http:/ 课时学分 ：32时 3学分,参考书：,1金属学与热处理原理崔中圻 、刘北兴编 哈尔滨工业大学出版社 2工程材料主编:王特典 副主编:卫家楣 张启芳 东南大学出版社 3工程材料学习指南及习题集高家诚 、张廷楷编 重庆大学出版社 4材料的力学性能郑修麟 主编 西北工业大学出版社,绪 论,一、什么是材料? 二、材料的演变历史 三、材料的分类 四、学习工程材料的必要性 五、研

2、究手段,一、什么是材料？,材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生活和生产的物质基础。 是人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基础，是人类经济活动的基本组成部分。 人类社会的发展伴随着材料的发明和发展。,“材料、能源与信息”当代科技革新的三大支柱。,1.材料（Materials）的定义 (Definition),材料Material：材料科学 （工科） 物质科学 （理科） Webster编者“New International Dictionary（1971年）”中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的基本物质（

3、如金属、木料、塑料、纤维等） 迈尔新百科全书中材料的含义：材料是指从原材料中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。,2. 原料与材料（Raw Materials and Materials ）,原料（Raw Materials） 由原料到材料。 原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化学变化。 材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转变过程不发生化学变化。,3. 材料与物质(Materials and Matter),材料可由一种或多种物质组成

4、。 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异、类型不同的材料。,中国著名科学家钱学森曾指出：“现在材料科学已经发展到一旦有了设计就能把材料造出来，这就给我们提出了一个新的可能，我们可以让工程设计人员、力学工作者和材料工作者一道再加上电子计算机，把一项工程一直设计到细观或微观的水平。这个新的发展将大大提高将来工程设备的使用效能。,二、材料的演变历史,材料是人类文明进步的物质基础，材料的更新与进步促进了人类社会的发展。,原始社会：石头、木头、兽骨。 奴隶社会：铜（司母戊鼎） 封建社会：铁（镰、铲、锄、斧、锯、钻等） 近代社会：钢 现代社会：金属材料、现代陶瓷、高分子材料、复合材料以及纳米

5、材料,时代与材料,人类的发展史就是一部材料的发展史。,石器的制造和使用,在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。 中华民族的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。 旧石器时代,陶器与瓷器的发明和使用,陶器,新石器时代(公元前6000年公元前5000年)，中华民族的先人们用粘土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。 马家窑(甘肃)文化时期的陶器表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等。,瓷器中国China文化的象征,最早生产瓷器的国家。 东汉时期发明了瓷器。 瓷器于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，13世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。

6、 瓷器 瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。 中国瓷器畅销全球，名誉四海。,我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化,夏朝(公元前2140年始)以前我国青铜的冶炼就开始，殷、西周时期已发展到很高的水平。 青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。 青铜器时代,从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重达8750 N, 外型尺寸为1.33 m0.78 m1.10 m, 是迄今世界上最古老的大型青铜器。 从湖北随州出土的战国青铜编钟是我国古代文 化艺术高度发达的见证。 世界上最古老的关于青铜合金成分的文字记载:春秋战国时期周礼考工记 六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐(剂）； 五分其金而锡居一，谓之斧斤之

7、齐； 四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐； 三分其金而锡居一，谓之大刃之齐； 五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐； 金、锡半，谓之鉴燧之齐。,各需要什么性能？,我们祖先已经认识到青铜的性能与成分之间的密切关系。,铁器的生产和应用, 青秋战国时期(公元前770年公元前221年)开始大量使用铁器。 从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用的铁模，冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸造的高级阶段。西汉时期 炼铁技术有很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，比欧洲早1700多年。在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20多座冶铁炉和锻炉。炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑。生产规模壮观。 我国古代创造了三种炼钢方法

8、从矿石中直接炼出自然钢。用这种钢做的剑在东方各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲； 西汉时期的经过“百次”冶炼锻打的百炼钢； 南北朝时期生产的灌钢。先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早1600多年。,铁人 黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸),钢的热处理技术达到相当高的水平,西汉史记天官书中有“水与火合为淬”一说， 正确地说出了钢铁加热、水冷的淬火热处理工艺要点。 汉书王褒传中记载有“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”的制剑技术。 明代科学家宋应星在天工开物一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺作了详细的论述。 钢铁生产工具的发展，对社会进步起了巨大的推动作用。,丝绸天然高分子材料 丝绸是一种天然高分子材

9、料，在我国有着悠久的历史，我国丝绸质地柔软，色彩鲜艳，美观华丽，光彩夺目。于十一世纪传到波斯（伊朗）、阿拉伯、埃及，于1470年传到意大利的威尼斯，进入欧洲。中国丝绸，名扬四海 老师提示 历史充分说明，我们勤劳智慧的祖先，在材料的创造和使用上有着辉煌的成就，为人类文明、世界进步作出了巨大贡献。 想一想：中华民族对材料发展作出了重大贡献，你能再举出几个例子来吗？,20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为“发明之母”和“产业的粮食”的新材料研制更是异常活跃，出现了 “高分子时代”、“半导体时代”、“先进陶瓷时代”和“复合材料时代”等种种提法。在当今新技术革命波及整个国际社会的浪潮冲击下，

10、人类进入了一个“材料革命”的新时代。,三、材料的分类 classfication,金属材料 化学组成分类 无机非金属材料 components 有机高分子材料 状态分类 气态 单晶 state 液态 多晶 固态 非晶 复晶 应用领域分类 建筑、仪表、电子、医用 包装、耐火、能源 application 等等。 作用分类 工程（结构） function 功能,材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。,按作用分:,1、工程材料： 用于制作工程构件、机械装备、机械零件、工具及模具的材料。 其特点：具有较好的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能。 包括：金属材料、高 分子材料、陶瓷材料和复合材料四

11、大类；其共同发展形成四分天下的格局。 2、功能材料： 具有 声、光、电、磁、热等功能和效应的材料 。,按作用分:,1.金属材料 2.高分子材料 3.陶瓷材料 4.复合材料 5.此外，激光材料、光纤材料、磁记录薄膜材料、太阳能电池材料、纳米材料等。,传统陶瓷现代陶瓷： 氧化铝系列切削工具陶瓷 氮化硅系列结构陶瓷 氧化锆系列增韧陶瓷,纳米材料(nano material),指尺寸在1100nm之间的超细微粒（1nm=10-9m)。从广义上看，纳米材料应该是晶粒或晶界等显微构造能达到纳米尺寸的材料，且其制备原料必须是纳米级的。 纳米级结构材料简称为纳米材料，是指其结构单元的尺寸介于1纳米100纳米范

12、围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。,当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为。 与传统固体材料相比，具有如下特点： 1、小尺寸效应：金：熔点1064，纳米金：330 原因是粒子尺寸减小，自由电子减少，金属键破坏，从而熔点降低。 2、表面与界面效应：如纳米金属在空气中燃烧；吸附气体并反应，原因是尺寸小，比表面大，出现大量悬挂键或点阵畸变，活

13、性增强。 3、量子尺寸效应：同一种材料随纳米微粒尺寸的减小，发光的颜色从红色到绿色再到蓝色，即发光带的波长由690nm移向480nm。 纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。,主要用途有：,医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。

14、家电 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。 电子计算机和电子工业 可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。,环境保护 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤（饮水机），从而消除污染。 纺织工业 在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内

15、衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。 机械工业 采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。,四、现代材料的应用,传统的钢铁和非铁金属一直用量最多。 仅在机械工业，90%以上。 如今不断开发新型金属材料，应用于航空航天，能源、机电等领域，与高分子材料，陶瓷材料和复合材料四分天下。,一些新材料的用途,建筑材料,集成电路,连接导线,球形触点,引线框盘,芯片模 附件,引线框,铅框架,基层（可选）,楔形触点,轨道飞行器,到目前为止共有6架轨道飞行器，它们是OV101“企业号”(Enterprise)、OV-102“哥伦比亚

16、号”(Columbia)、OV099“挑战者号”(Challenger)、OV103“发现者号”(Discovery)、OV 104“阿特兰蒂斯号”(Atlantis)和OV105“奋进号”(Endeavour)。“企业号”为试验机，其它5架为工作机，其中“挑战者号”已在1986年1月的事故中炸毁。,航天飞机,航天飞机各处承受的温度,航天飞机的选材,表面隔热材料(HRSI)防热瓦,表面隔热材料(LRSI低温)防热瓦,增强的碳/碳材料(RCC).,表面隔热材料(HRSI高温)防热瓦,五、研究与手段,1863年：光学显微镜 1921年：X射线晶体衍射技术 1932年：电子显微镜；离子探针；俄歇电子

17、谱仪 现 代： 扫描电镜；多功能电子能谱仪,学习目的,能让学生懂得材料科学的内涵，获得工程材料的有关理论和知识。 初步认识“材料的成分组织结构加工工艺性能特点改性方式工程应用”之间的关系。 掌握工程材料的类别，基本特性，应用范围及质量鉴别的常用方法。 懂得材料的性能与工程设计的关系，能合理地选用材料，正确地制定材料加工程序，设计出经久耐用成本低廉的优质创新产品。,学习工程材料的方法,1分类。 2性质。 3应用。,第一章 材料的结合方式及性能,物质是由粒子（如原子、离子或分子）组成。 粒子之间的相互作用产生势能。 粒子本身不停由热运动形成动能。 1、固态：势能动能 2、液态：势能接近动能 3、气

18、态：势能动能 工程上常用的材料一般都是固态物质。,第一节 固态原子的结合键,1.晶体与非晶体 晶体：指固态物质的原子（离子、分子或原子团）在三维空间作有规律的周期性重复排列的物质，且规则排列的距离大大超过原子尺度，贯穿晶体的整个体积，这种排列方式称为长（远）程有序。 非晶体：指原子只能在几个原子尺度的小范围内呈有规则的排列，这种排列方式称为短（近）程有序。 （1）晶体都有固定的熔点，并非都有规则的几何外形 （2）晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。 例如：晶体的金属，若将它从液态通过急冷（大约106 /s),便可使其具有类似玻璃的某些非晶态特征，所以非晶态的金属也有人称为“玻璃态金属”；而非

19、晶态的玻璃经高温长时间加热又可形成晶体玻璃。,2.原子之间的结合能,结合键：晶体中，使原子稳定结合在一起的力及其结合方式 结合能：把1mol的固体分解为自由原子所需的能量。单位：KJ/mol 1J=2.77810-7 kwh 1mol=6.021023 个（原子） 3.原子结合键的类型 晶体的原子结合键有金属键、共价键、离子键、范德瓦尔键（分子键）等,几种基本的类型,（一）金属键 定义：正离子与电子之间的相互吸引力，使所有的离子结合在一起。据库仑定律：结合力f=kq1q2 /r2 特点：无方向性：因维持离子在一起的电子并不固定在一定的位置上，所以金属键是无方向性的。当金属发生弯曲等变形时，金属

20、键方向也随之变动，金属原子便改变它们彼此之间的关系，但并不使键破坏。故具有良好的塑性。 导电性：在外电压作用下，电子云中价电子会发生运动，从而使金属晶体具有良好的导电性。,导热性：正离子在热的作用下，振动加剧并传递热量，故金属晶还有良好的导热性。 金属键：金属离子“公”有电子,（二）共价键 定义：通过共用价电子使相邻原子核结合起来的方式。属于此种键的一般是处在周期表中间位置的具有3、4、5个价电子的元素。 f=Kq1q2 /r2 q1 =2 q2 特点： 有方向：共价键具有固定的方向关系 结合能大，硬脆，塑性差：共价键的晶体发生弯曲时，其键必受到破坏。如陶瓷材料,（三）离子键：正负离子通过静电

21、引力结合在一起。 据库仑定律： f=Kq1q2 /r2 特点：键的结合能最大，r 变小，f 呈几何级数增大 常温下导电性差，熔融状态下整个离子容易运动，易导电。 无方向性,（四）分子键（范德瓦尔键） 定义：分子键是指中性原子或分子间微弱的结合力。实际上在每一个瞬间，分子上电子云的分布的密度是不均匀的，其正负电荷中心并不重合，而使分子的一端带负电，另一端带正电。形成瞬时偶极，分子与分子通过偶极与偶极之间的吸引力便形成分子键。 特点：1、有方向； 2、不导电、不导热； 3、弹性模量E、强度较低，熔点 硬度也较低,六、四种结合键能的比较,第二节 工程材料的分类,工程材料的分类 1.按材料的用途可以分

22、为：建筑材料、电工材料、结构材料（机械工程材料）等 2.按材料的结晶状态可以分为：单晶体材料、多晶体材料及非晶体材料 3.按材料的物理性能及物理效应可以分为：半导体材料、磁性材料、激光材料、热电材料、光电材料 4.在工程上，通常是按照材料的化学成分、结合键的特点，将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料等几大类,一、金属材料,金属材料：以过渡族金属为基础的纯金属及含有金属、非金属或半金属的合金，是工程材料中最重要的材料之一。 1、 金属材料皆为晶体，其原子间的结合键主要为金属键。 2、 金属材料分为两大类： 第一大类：钢铁材料，它是指铁、锰、铬及其合金，其中以铁为基的合金-钢和铸

23、铁应用最广，约占整个结构和工具材料的80以上； 第二大类：非铁金属材料，它是指黑色金属以外的所有金属及其合金。,金属材料的加工工艺手段,铸造,熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。,锻压,锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力加工的范畴。,焊接结构,焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。,1. 金属材料 metals,化学成分碳素钢、合

24、金钢 品质普通、优质、高级优质钢 金相组织或组织结构珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体 用途建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢 冶炼方法平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢,灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 特殊性能铸铁,铸铁,钢 -,(1) 黑色金属材料,Stell,(2) 有色金属-五 大 类,轻金属 (4.5g/cm3) 铜、镍、铅、锌 贵金属 金、银、铂、铑 类金属（半） 硅、硒、绅、硼 稀有金属 钛、锂、钨、钼、镭,常用的稀有金属材料有：Al、Cu 、Zn、 Sn、 Pb、 Mg、 Ni,(3) 基本特性 Principal Properties a. 金属键，常规法生产的为晶体结构；

25、b. 常温下固体熔点较高； c. 金属光泽； d. 纯金属范性大、展性、延性大； e. 强度较高； f. 导热、导电性好； g. 空气中移氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性 抗氧化性。 (4) 用途 Application a. 结构材料:如机床,建筑机械设备、工程交通工具； b. 导体材料，电线芯（铜） c. 工具,二、高分子材料,二、高分子材料：是以高分子化合物为主要组分的材料 。 1、高分子材料的分子 内原子之间通过共价键，高分子之间通过分子键结合。 2、分类见下表 ：,3. 高分子材料 polymers, Marcomolecules,(1) 分类 碳链 CCC 按主链结构 杂链

26、CNC=O COC backebone 元素 Si 、P、B 塑料 Plastics 通用塑料、工程塑料； 热塑性、热固性 橡胶 Ruber 天然、合成 按使用性质 纤维 Fiber 人造、合成 粘合剂 Adhesive 涂料 Coating,(2) 基本性质 a. 共价键，部分范氏键 b. 分子量大，无明显容点，有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf； c. 力学状态有三态 玻璃态、高弹态、粘流态 d. 比重小 e. 绝缘性好 f. 优越的化学稳定性 g. 成型方法多 (3) 用途 结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件 绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件 建筑材料：贴面板、地贴

27、包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料 涂装：涂料 粘合剂：粘合剂 日用：织物（衣服）胶鞋 运输：轮胎，传送带,三、陶瓷材料,三、陶瓷材料：主要由一种或多种金属元素与非金属元素的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物及硅酸盐等组成的无机非金属多晶材料。 1、陶瓷材料的结合键：离子键为主（离子晶体）或共价键为主（共价晶体）。 2、分类见下表,2 无机非金属材料 Inorganic nonmetals,(1) 分类（按成分，化学结构和用途分四大类） 混凝土（水泥） 玻璃 Glass 硅及耐火材料 Silane 陶瓷（器） Ceramics 传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧 制而成。(Silicate Cer

28、amics) 特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。,(2) 基本特性，以陶瓷为例，其它有较大差别 a. 离子键、共价键及其混合键； b. 硬而脆； c. 熔点高、耐高温抗氧化 d. 导热、导电性差； e. 耐化学腐蚀性性好； f. 耐磨； g. 成型方式为粉末制坏、烧制成型 (3) 用途 建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。 工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀） 绝缘瓷瓶。 功能陶瓷：磁性、导电。,四、复合材料,复合材料：是由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。在性能上不仅保留了组成材料各自的优点，而且还具有着单一组成不具备的优良性能：密度小、强度高、耐高温

29、、耐磨损。 1、复合材料的原子具有非常复杂的结合键。 2、例如玻璃钢是由玻璃纤维与环氧树脂EP复合而成，钢筋混凝土由水泥、矿石、水和钢筋复合而成。,4. 复合材料 composites,定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的新的性能的材料 (1) 分类 按性能： 结构复合材料 功能复合材料 按增强剂形状及增强机理： 粒子增强 纤维增强 基体 Matrix 增强体 Reinforcement 金属 金属、无机非金 按复合方式 无机非金属 金属、无机非金属 高分子（塑料，橡胶） 金属、无机非金、高分子,(2) 基本性质 a. 抗疲劳性能良好； b. 结构件减震性好； c. 比强度和比量高

30、； d. 耐烧能性和耐高温性能好 e. 具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能 (3) 用途 无机-高分子 玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)汽车,游艇， 碳纤维增强塑料飞机机翼、高尔夫 球棍、 撑杆跳杆 金属陶瓷 飞机螺旋桨叶 综合金属韧性，陶瓷耐 高温性 高分子-高分子 橡胶增韧塑料 抗冲PS ABS树脂 减震材料,第三节 材料的性能,材料的性能一般分为使用性能和工艺性能。 使用性能：物理：密度、熔点、导热性、热断裂性、电、磁、光性 化学：耐腐蚀、抗氧化性 力学： 静态-强度、硬度、塑性、耐磨性 动态-冲击韧度、疲劳特性等 工艺性能：铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性,一、力学性能,材料的力学性能是指材

31、料在外力或能量以及环境因素（温度、介质等）作用下表现出的变形和破裂的特性。通常把外力或能量称为载荷或负荷。,1、强度,4、冲击韧性,3、硬度,2、塑性,弹性极限(e),比例极限(p),屈服强度s,抗拉强度b,名义(条件)屈服强度0.2,弹性,5、断裂韧度,6、疲劳特性,7、耐磨性,（一）拉伸试验及曲线：,拉伸试验是测定材料力学性能最常用的方法。沿试样轴向缓慢施加载荷，使其发生拉伸变形直至断裂。,长试样：L0=10d0,短试样：L0=5d0,1.拉伸试样（GB6397-86）,拉伸试验机,绘制出载荷P与试样伸长量L之间的关系曲线，并可测定应力（）与应变（）关系：,(1)应力：单位面积上试样承受的

32、载荷。用试样承受的载荷(N)除以试样的原始横截面积S0(mm2)表示: =F/S0 (MPa) (2)应变：单位长度的伸长量。用试样的伸长量l(mm)除以试样的原始标距l0(mm)表示: =l/l0 (3)应力-应变曲线(-曲线): 形状和拉伸曲线相同，单位不同,op段： 比例弹性变形阶段； pe段：非比例弹性变形阶段； 平台或锯齿（es段）：屈服阶段； sb段：均匀塑性变形阶段，强化阶段。 b点：形成了“缩颈”。 bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。,断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。,低碳钢（20钢）拉伸的应力应变曲线（-曲线） 研究表明，低

33、碳钢在外加载荷作用下的变形过程一般可分为三个阶段： 弹性变形 塑性变形 断裂。,（1）弹性与刚度,弹性：指材料在外力作用下不发生永久变形的能力。 弹性极限(e):指材料在外力作用下不产生永久变形的最大应力。（Mpa) 比例极限(p):指A处应力与应变之比。（Mpa),弹性模量E(杨氏模量):指材料在弹性范围内,其应力与应变的比值。E=/(Mpa),标志材料抵抗弹性变形的能力,用以表示材料的刚度指标.,E值愈大,即刚度愈大,材料愈不容易产生弹性变形. E铁=196000,E塑料=2004000 E值的大小,主要取决于各种材料的本性,反映了材料内部原子结合键的强弱。 影响因素：温度。而一些处理方法

34、(如热处理、冷加工、合金化等)对它的影响很小。,材料的刚度不等于机件的刚度 :机件的刚度与结构因素有关,如横截面积、截面形状.,滞弹性与弹性滞后的概念,（2）强度:指材料在外力作用下抵抗塑性变形和破断的能力。 塑性变形:指材料在外力作用下产生变形,去除外力后不能恢复的残余变形量。,屈服强度s：试样屈服时的最小应力 ,即B点对应的应力值，或称为屈服极限。所谓屈服是指应力不增加而应变却继续增加的现象。 名义(条件)屈服强度0.2：当试样产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值。 屈服强度是工程设计与选材的重要依据之一。如湘江三大桥的紧固螺栓各种机械零部件的设计，特别是结构零件 抗拉

35、强度b：材料在拉伸条件下，破裂前所受的最大应力，或称为强度极限。它表示材料抵抗断裂的能力。是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。 对于那些变形要求不高的机件，无须靠s来控制产品的变形量，常将b作为设计与选材的依据。,0.2:试样产生0.2%残余塑性变形时的应力,试样产生0.2%残余塑性变形,0.2,应用：s和0.2常作为零件选材和设计的依据。,试样有长短两种： 长试样l=10d ,其伸长率写为10;短试样l=5d,其伸长率写为5 对于不同材料，值5值不能比较。,（3）塑性：是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。也即材料断裂前发生永久变形的能力。,塑性大小用拉伸断裂时

36、伸长率与断面收缩率表示。,伸长率,断面收缩率,值值越大,材料的塑性越好。 值表示塑性更接近材料真实应变。,材料应具有一定的塑性才能进行各种变形加工。,(4)不同材料的拉伸曲线,退火低碳钢,低、中回火钢,淬火钢及铸铁,中碳调质钢,不同材料的应力应变曲线,1-强而韧，尼龙，聚氯乙烯 2-硬而脆，有机玻璃 3-硬而强，纤维增强热固性塑料 4-软而韧，伸长率大，有增塑剂的聚氯乙烯。,练习题一,1.拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？ 解： =（71-50）

37、/50100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2) =(S0-S1)/S0100%=24%,2.某工厂买回一批材料,要求:s230MPa；b410MPa；523%；50% 做短试样（0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下： Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm; 问买回的材料合格吗？ 解： 根据试验结果计算如下： sFss(191000)/(3.1452 )=242 230MPa b Fb s(34.51000)/(3.1452 )=439.5 410MPa 5 ll 010

38、0% (63.1-50)/50100%=26.2% 23% SS 0100% 60.31% 50% 材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。,（二）硬度：是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力,（1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度 （4）肖氏硬度(HS) （5）莫氏硬度,返 回,上一页,下一页,回主页,1.布氏硬度（HB）：,由瑞典工程师J.B.Brinell于1900年提出。,一般省略单位，HBS一般简写为HB,适宜测量较软的金属，不宜测试成品 a、选用淬火钢球时，HBS450 150HBS10/1000/30 b、选用硬质合金球时,HBW(450650)

39、500HBW5/750,国标规定:球体直径D有五种,而P/D2有七种,（N/mm2),适用范围:,450HBS;,650HBW;,1. 原理,压痕大，测量准确，但不能测量成品件。,布氏硬度计,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间.如: 120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf约9.807kN载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,返 回,上一页,下一页,回主页,实验（录像）,2.洛氏硬度（HRC）：,该测试方法是由美国的两个洛克威尔（S.P.Rockwell)和（H.M.Rockwell)191

40、1年提出。以压痕的深度h来计算硬度值。HRC1/h,h1-h0,洛氏硬度计,洛氏硬度测试示意图,洛氏硬度与布氏硬度的换算关系：HRC0.1HB 适宜测量较硬的金属（成品）,应用范围,常用洛氏硬度标度的试验范围,优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度 的材料。 缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。,试验,返 回,上一页,下一页,回主页,4. 实验（录像）,返 回,上一页,下一页,回主页,采用一相对面为136的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷P作用下压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，然后再再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，如图1-10所示，并计算出压痕的面积S，最后求

41、出压痕表面积上平均压（P/S），以此作为被测金属的维氏硬度值（HV）：,适用于各种软硬金属，尤其是表面硬化层，如化学热处理渗层、电镀层等，此法压痕清晰、测试精度高,（3）维氏硬度：由英国史密斯（R.L Smith)和桑德兰德（G.E.Sandland）于1925年提出的。,测量薄板类 ;,HVHBS ;,适用范围:,适宜于在现场对大型试件（如机床床身，大型齿轮等）进行硬度测量,（5）莫氏硬度：划痕硬度，主要用于陶瓷和矿物材料的硬度测量，从软到硬，共分10级.,一般来说，材料的硬度值越高，其强度值也越高,（4）肖氏硬度(HS)： 金刚石的冲头h1高度自由下落回跳 h2,（三）冲击韧度ak,1.定

42、义:材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。 2.冲击韧性的测定原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功(Ak)等于摆锤冲击试样前后的势能差。,冲击吸收功 Ak=GH1GH2 （J）,冲击韧度值,(J/mm2),式中：S 缺口截面积,3.脆性材料：ak低 韧性材料： ak高,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,4、冷脆转变温度T,则韧度 ak;材料由韧性脆性,这种转变称为冷脆转变,冷脆转变温度Tk：冷脆转变时相应的温度称为冷脆转变温度Tk。Tk越低,低温冲击韧度越好.,图 冷脆转变温度,（四）断裂韧度Kc,1）低应力脆性断裂：指一些高强度钢制造的机件和中、低强度钢制造的大尺寸机件，经常

43、出现在工作应力低于屈服强度s时发生断裂。 原因：存在裂纹、裂纹尖端处应力集中、快速扩展乃至断裂形成一个尖端应力场。,2）应力场强度因子K,(MPam1/2),Kc是材料的固有力学性能指标，反映了有裂纹存在时材料抵抗脆性断裂的能力，是强度和韧性的综合体现。 Kc的高低一定与材料的成分、内部组织、晶粒大小及非金属夹杂物的数量及分布形式有关。,当机件的最大工作应力,则带有长度小于2a裂纹的机件就不会发生断裂。,，,可见材料的断裂韧度也是工程设计中防止低应力脆性断裂的重要力学依据。,3）断裂韧度Kc：当应力强度因子K增大到某一临界值时，就能使裂纹突然扩展，材料快速断裂，这个应力强度因子K的临界值，或称

44、为断裂韧性。,（五）疲劳特性,1 ）疲劳：工程上有一些长时间承受交变应力或循环应力的机件，在工作应力低于制造材料的屈服强度时就发生了断裂，称为疲劳断裂。 零件疲劳断裂过程可表述为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段,2）疲劳极限（疲劳强度）-1： 指材料能经受无限次应力交变，而不发生疲劳断裂的最大应力。 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.450.55) b 3 ）条件疲劳极限：工程上常规定循环周次N=107或108周次时的最大应力.,有色金属的循环次数一般取 N = 108,钢材的循环次数一般取 N = 107,疲劳强度( fatigue strength ):,表

45、示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值。,1943年美国T-2油轮发生断裂,高周疲劳：交变应力低于材料的屈服强度，断裂循环周次多 （N107）。 低周疲劳：交变应力高于材料的屈服强度，断裂循环周次少 （N107）。,机件疲劳断裂产生根源 ：表面应力集中处或内部缺陷处 解决办法：合理的结构形状、减小表面缺陷和损伤；表面强化处理如喷丸、滚压、表面淬火、渗碳等。,4）高周与低周疲劳,比强度 ( specific strength ):,材料的强度值与密度值之比。,6、耐磨性：,是指材料对磨损的抵抗能力。一个零件相对另一个零件摩擦的结果引起摩擦表面有微小颗粒分离出来，使接触面尺寸变化、

46、质量损失，这种现象称为磨损。 增加材料的耐磨性方法有 降低材料的摩擦系数提高材料的硬度,作业,熟悉拉伸曲线 掌握强度及塑性指标，了解这些指标在工程上的应用 课后习题P21：、,二、物理化学性能,1、热膨胀性及导热性 线胀系数：温度上升1时，单位长度的伸长量。,导热现象：热能从高温到低温传输 热导率：物体内的温度梯度为1/m时，在单位时间、单位面积的传热量,2、电性能： 电阻率,3、耐腐蚀性： 氧化：金属与空气中的O2作用形成氧化物 耐腐蚀性：指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。,三、工艺性能,1、铸造性：液体金属充满铸型并获得优良铸型的性能、流动性、收缩率、偏析倾向。 2、锻造性（塑性加工性） 塑性

47、变形能力和变形抗力 3、焊接性：低碳钢具有良好的焊接性 4、切削加工性：有利于切削加工的硬度为160230HB 45钢 5、淬透性、淬硬性,第二章 材料的晶体结构,为什么要学习材料的晶体结构？因材料的性能不仅与结 合键有关，还与晶体结构有关。如晶态铁与铝的塑性差异。 第一节 晶体结构基本知识 一、晶格和晶胞 假设：完整无缺的理想晶体、不动的等径钢球质点，紧密堆积、规则排列。,二、晶格常数与晶系,晶格： 假想用平行直线将原子质点的中心连接的几何空间格架。 晶胞：从晶格中取最小的几何单元，一般是平行六面体格架,a, b, c 晶格常数，单位nm, 0.10.7nm,在晶体学中，三个棱边的长度及夹角是否相等，还有夹角是否为直角等原则，将晶体分为七个晶系，7种简单晶胞、7种复杂晶，共计14种,三棱边长度及各边间的夹角,（1）晶胞构成空间点阵的最基本单元。 （2）选取原则： a 能够充分反映空间点阵的对称性； b 相等的棱和角的数目最多； c 具有尽可能多的直角； d 体积最小。 （3）形状和大小有三个