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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,*,0 緒論,工程材料性能及應用簡介,材料力學性能,材料,材料的性能,材料的分類,研究內容及目的,主要參考書,1,0.1 材料,經過人類勞動取得的勞動對象。一般把來自采掘工業(yè)和農業(yè)的勞動對象稱為“,原料,”，把經過工業(yè)加工的原料成為“,材料,”。,材料是,人類賴以生存與發(fā)展、征服及改造自然的物質基礎,是人類活動不可缺少的東西。,材料是社會生產力發(fā)展的標志，生產中使用的材料性質反映了人類社會的文明水平。,現(xiàn)代國家的實力與水平主要取決于他的能源、材料、信息的發(fā)展。,什么是材料,2,材料,工程技術人員學習材料

2、科學知識的意義,評價,一個設備、部件、零件的優(yōu)劣或質量：必需保證使用的基本性能（力學、物理），具有一定的壽命（耐 疲勞、磨損、腐蝕）；便于制造，,即可以生產出來,；可接受的成本。,這幾點要求是相互矛盾的，但是應利用各種專業(yè)知識，從中找到一個合理的配合，可見其中材料起到相當重要的決定性作用。,在機械產品的設計和維護中，不要單看材料僅僅是圖紙標題欄中諸多內容中的一項，用的得當可以反映設計的先進性，達到價廉物美的效果；否則，可能是一個落后的設計，或者是閉門造車，根本上沒法制造出來，甚至會隱藏禍根，導致使用中釀成事故和災難。,3,0.2 材料的性能,材料的性能,是指材料的性質和功能。,性質,是本身所具

3、有的特質或本性；,功能,是人們對材料的某種期待與要求中可以,承擔功效,，以及承擔該功效下的,表現(xiàn)或能力,。,主要有,（1）力學性能,（2）物理性能,（3）化學性能,（4）工藝性能。,4,不同服役條件對材料性能的要求不同,5,力學性能,材料的力學性能是指材料處于特定環(huán)境因素(溫度、介質等)時，在外力或能量的作用下表現(xiàn)出來的變形和破壞的特征。,材料的性能,通常把作用在材料上的外力或能量稱為載荷或負荷。材料的主要力學性能有,：,彈性,強度,塑性,硬度,沖擊韌性,疲勞特性,耐磨性,6,拉伸試驗,過程：,力學性能,外力增加，試樣伸長。得到,P,l,曲線，換算為曲線。材料表現(xiàn)為彈性變形、均勻塑性變形、頸縮

4、、斷裂。,7,彈性與剛度,彈性變形：,力學性能,彈性模量與剛度：,在OA段為直線，即應力與應變成正比，變化規(guī)律服從虎克定律。并且在外力卸載后試樣恢復到原始長度?？梢赃_到的最大應力成為彈性極限(或比例極限)。,8,強度與塑性,屈服強度：,s,0.2,力學性能,塑性：,斷裂前可發(fā)生永久變形的能力。,抗拉強度：,b,材料,開始發(fā)生塑性變形的最小應力。,材料,發(fā)生斷裂前能承受的最大應力。,9,硬度,硬度,是衡量材料軟硬程度的指標，反映材料抵抗局部塑性變形的能力。,力學性能,莫氏硬度：,布氏硬度：,用直徑D鋼球在力P的作用下壓在試樣上，保持一定時間,得到壓痕(直徑d)。實用于較軟塑性材料測量。,10,硬

5、度,力學性能,洛氏硬度：,用120,圓錐金剛石壓頭，1470N (150kgf)力壓入材料，以壓入材料表面的深度來度量材料的硬度。用于硬度較高的（淬火）鋼件。,用對面夾角136四棱錐金剛石壓頭，在力P作用下壓入材料，用壓痕單位面積上承受的力作為材料硬度的度量。力的大小從980N、490N、297N到0.192N不等。壓痕小用顯微鏡來觀察，用于測量表層或微區(qū)。,維氏硬度：,11,沖擊韌性,沖擊韌性,是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。常用,一次彎曲沖擊韌性,試驗a,k,值來表示。以帶缺口標準試樣快速沖斷時，單位橫截面積吸收的功來衡量。沖擊韌性是材料強度和塑性綜合作用的結果。,力學性能,試

6、樣尺寸,試驗方法,12,斷裂韌度,斷裂韌性,是材料中存在缺陷時，材料抵抗脆性斷裂的能力。,力學性能,斷裂韌度指標為K,IC,，有專門的測定方法。工程應用要求：,因為,大型構件不可避免存在各種缺陷，在缺陷前端有不同的應力作用，都存在應力集中，其中裂紋受張開應力作用為最危險。,Y裂紋形狀系數(shù)，a裂紋長度的一半。,13,疲勞強度,零件在低于屈服應力的交變應力的反復作用下，而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為,疲勞斷裂,。疲勞斷裂是損傷積累的過程，包括疲勞裂紋的產生、擴展、瞬間斷裂三個階段。應力大小和循環(huán)次數(shù)有關。,力學性能,低周疲勞,又稱條件疲勞極限，參照零件工作周期可能作用的次數(shù)N下能承受的應力極限值,N,。（可

7、以有效發(fā)揮材料的作用）,高周疲勞,對稱應力作用趨于水平線的最大應力為,-1,作為永久可用的疲勞強度極限。實際大多以10,7,次未斷裂的應力來測定。,14,耐磨性,一個零件相對另一零件有摩擦運動而造成接觸面的尺寸變化、質量損失現(xiàn)象成為磨損。,力學性能,磨損的后果可能因零件尺寸變化，輕則降低傳動質量，影響部件的使用性能；重則因尺寸變小造成零件斷裂。,磨損主要有,磨粒磨損,(切削)、,粘著磨損,(分子作用力)；此外接觸疲勞有人歸類為磨損，也有人歸為另一類損傷形式。,測定方法,讓兩試樣組成摩擦副，在設定條件(力、潤滑劑)進行一定時間的摩擦運動后，測定試樣的尺寸減小值/質量的損失值/摩擦表面外觀形貌來比

8、較不同材料的耐磨性。,15,物理性能,材料的物理性能是指材料本身的具有各種物理量(熱、電、光、磁等)以及環(huán)境變化時它們的變化程度。,材料的性能,密度與比容,導熱率,熱膨脹系數(shù),單位體積物質的質量 Kg/m,3,單位質量的物質所占的體積 m,3,/Kg,物體內溫度梯度為1/m時，在單位時間、單位面積內傳遞的熱量,W/(m,K),溫度上升1時，單位長度的伸長量,mm/(,mm)或,-1,16,物理性能,材料的性能,電阻與電導,電阻溫度系數(shù),熔點,導磁率,物質由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，反映固態(tài)下原子間結合力。,電阻率,為單位長度和單位截面積導體的電阻。單位是M，其倒數(shù)稱為電導率 S/M,西門子/米,溫

9、度上升1時，,電阻率,的變化系數(shù)，單位,-1,電子導電的特點是溫度升高，電阻率上升；離子導電是熱激活過程，溫度升高，電阻率下降。,超導現(xiàn)象是材料在很低溫度下，電阻突然從某個值降為零的特征。每種材料有自己的轉變溫度，某些化合物的轉變溫度達到100K以上。,是鐵合金、化合物(鐵氧體)特有性能。,17,化學性能,反映材料與各種化學試劑發(fā)生化學反應的可能性和反應速度大小的相關參數(shù)。,材料的性能,工程材料主要考慮其耐腐蝕性，電化學材料有的考察電極電位、儲能密度等。,材料由于周圍環(huán)境介質侵蝕而造成的損傷和破壞均稱為腐蝕。,發(fā)生腐蝕的化學過程有化學腐蝕(氧化)、電化學腐蝕和應力腐蝕等不同形式。腐蝕速度與材料

10、、介質、溫度、應力、輻照因素有關。腐蝕不僅影響零件表明質量，并且可以造成零件早期損壞，防腐設計應考慮材料的選擇和防腐措施相結合。,18,工藝性能,材料的工藝性能是材料力學、物理、化學性能的綜合表現(xiàn)。主要反映材料生產或零部件加工過程的可能性或難易程度。,材料的性能,1.,材料可生產性,：得到材料可能性和制備方法。,2.,鑄造性,：將材料加熱得到熔體，注入較復雜的型腔后冷卻凝固，獲得零件的方法。,流動性：充滿型腔能力,收縮率：縮孔數(shù)量的多少和分布特征,偏析傾向：材料成分的均勻性,19,工藝性能,材料的性能,3.,鍛造性,：材料進行壓力加工(鍛造、壓延、軋制、拉拔、擠壓等)的可能性或難易程度的度量。

11、,4.,焊接性,：利用部分熔體，將兩塊材料連接在一起。,塑性變形能力：材料不破壞的前提下的最大變形量。,塑性變形抗力：發(fā)生塑性變形所需要的最小外力。,連接能力：焊接接頭部位強度與母材的差別程度。,焊接缺陷：焊接處出現(xiàn)氣孔、裂紋可能性的大小或母材變形程度。,20,工藝性能,材料的性能,5.,切削加工性,：材料進行切削加工的難易程度。它與材料的種類、成分、硬度、韌性、導熱性等有關。,6.,熱處理性能,：可以實施的熱處理方法和材料在熱處理時性能改變的程度。,切削抗力,加工表面質量,排屑難易程度,切削刀具的使用壽命,隨著科技進步的發(fā)展，對材料工藝性能的評價標準也在不斷發(fā)展和變化。,21,材料性能總結,

12、決定材料性能實質：,構成材料原子的類型,：材料的成分描述了組成材料的元素種類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身的性質有關以外，還和材料經歷的生產加工過程有密切的關系。,研究的意義：,性能,決定了材料的,用途,。,性能,決定了材料和零部件,生產方法,。,性能,的變化規(guī)律為,改變材料性能,達到人們需求提供,途徑,。,22,0.3 材料的分類,工程材料,：主要利用其力學性能制作結構件。,建筑材料,結構材料 工具材料,按材料用途（性能）,功能材料,：主要利用其物理、化學性能或效應制作具有特定功效的器件。,半導體材料,磁性材料 激光材料,熱電材料 光電材料 聲電材

13、料 等,23,材料的分類,（1）金屬材料,：純金屬及其合金。合金是由兩種或兩種以上元素組成，其中至少有一種為金屬元素組成具有,金屬性,的材料。金屬性的關鍵特征是具有正的電阻溫度系數(shù)，這是由于它的導電是自由電子的運動所決定的。,鋼鐵材料(黑色金屬),按材料成分：,鋼 鑄鐵,非鐵金屬材料(有色金屬),輕金屬 Al Mg Ca Na,重金屬 Cu Ni Pb Sn Zn,貴金屬,Ag Au Pb Rb(,銣,)Ir(,銥,),稀有金屬 Zr Ti Nb,稀土金屬 Re(Y Nd(,釹,),放射性金屬 Ra U Th(,釷,),24,材料的分類,Periodic table of the elemen

14、ts with those elements that are inherently metallic in nature in color.,25,材料的分類,（2）高分子材料,：有機聚合物。,熱塑性塑料：尼龍 聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯,按材料成分：,熱固性塑料：樹脂 聚氨酯,彈性材料：天然橡膠 合成橡膠,Miscellaneous internal parts of a,contemporary parking meter are made of an acetal(,縮醛,)polymer.Engineered polymers are typically inexpensive and

15、 characterized by ease of formation and adequate structural properties.(Courtesy of the Du Pont,Company,Engineering Polymers Division),26,材料的分類,（2）高分子材料,：有機聚合物。,熱塑性塑料：尼龍 聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯,按材料成分：,熱固性塑料：樹脂 聚氨酯,彈性材料：天然橡膠 合成橡膠,27,材料的分類,按材料成分：,瓷：以氧化鋁為主,陶：硅酸鹽為主,廣義,陶瓷,(,特種陶瓷,)：金屬與氧、碳、氮、硅等化合物,（3）陶瓷材料,：一種或多種金屬氧化物

16、或其他化合物。,Some common ceramics for traditional engineering applications.These miscellaneous parts with characteristic 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.),28,材料的分類,按材料成分：,29,材料的分類,按材料成分：,（4）復合材料,：兩種或兩種以上性質不同的材料組合起來的一種固體材料。,Example of a fiberglass composite composed of microscopic-scale(微觀尺度)reinforcing glass fibers in a polymer matrix.,30,0.4 本課程學習內容、目的,材料力學性能課程主要內容