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1、單擊此處編輯母版標(biāo)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,,,,*,單擊此處編輯母版標(biāo)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,,單擊此處編輯母版標(biāo)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,,,,*,第四章：工程材料的性能與常用工程材料,Properties of Engineering Materials and Its types,第一節(jié)：,工程設(shè)計(jì)制造對材料的性能要求,第二節(jié)：,工程材料的類型,第三節(jié)：,常用工程材料的特征,第四節(jié)：,工程領(lǐng)域選材及用材情況,第一節(jié)：工程設(shè)計(jì)制造對材料的

2、性能要求,一、材料與工程實(shí)際聯(lián)系的紐帶是性能,,各領(lǐng)域?qū)Σ牧咸岢隽瞬煌男阅芤螅?,,機(jī)械行業(yè),：主要為力學(xué)性能；,,,石油化工,：力學(xué)性能，耐腐蝕，耐熱性能；,,航天領(lǐng)域,：比強(qiáng)度，比剛度,,,高溫強(qiáng)度等。,,從工程意義上說，,材料和材料工程的核心,就是材料的性能以及如何達(dá)到所希望的性能。,,,性能,使用性能,工藝性能,,指在服役條件下，能保證安全可靠工作所必備的性能。,力學(xué)性能,,物理性能,,化學(xué)性能,,強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、蠕變和疲勞,熔點(diǎn)、密度以及電、磁、光和熱,耐腐蝕和抗老化,性能,使用性能,工藝性能,,鑄造,塑性加工,焊接,液,→,固；流動性,指材料的可加工性,。,熱處理,粉末

3、冶金,機(jī)械加工,塑性加工,模鍛,回到主頁,塑性加工,錘上模鍛,回到主頁,焊接,電弧焊,回到主頁,埋弧焊,焊接,電弧焊,回到主頁,埋弧焊,焊接,電弧焊,回到主頁,CO,2,氣體保護(hù)焊,表面熱處理,感應(yīng)加熱表面淬火,刀具的幾何形狀及刀具材料,金屬切削加工基礎(chǔ),,n,f,切削部分,夾持部分,刀具的組成：,切削部分,夾持部分,內(nèi)圓加工,.,鉆孔,刀具的幾何形狀及刀具材料,,金屬切削加工,,硬質(zhì)合金刀塊,二、材料性能的幾點(diǎn)屬性,,材料的性能是各種負(fù)荷作用的響應(yīng),,,力學(xué)負(fù)荷,(,加力、力矩、能量,),→,力學(xué)性能；,,,物理（負(fù)荷）過程,→物理性能；,,,化學(xué)（介質(zhì)）作用,→化學(xué)性能。,,材料性能的條件

4、性,,材料的性能是一種參量，用于表征材料在給定外界條件下的行為，即材料的性能具有條件性。,,例如：含,30%Zn,的黃銅其,σ,b,=,320MPa,（室溫,﹑,空氣,﹑,拉伸負(fù)荷及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的拉伸速度和計(jì)算方法,),。,,某材料高溫力學(xué)性能,=100MPa,，則表示此材料在,500℃,溫度下，,10,萬小時(shí)后伸長為,1%,的蠕變極限為,100MPa,。,,,,材料性能指標(biāo)的多樣性及評價(jià),,任何一種材料都具有一定數(shù)值的各種性能指標(biāo)，如強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電性、耐蝕性等等。不同場合所要求的,(,最佳,),性能不同，如：,,成型加工,→,軟些好；,,,作為工具,→,盡可能的硬 ；,,欲破碎,→,脆些好；,

5、,做輸電線,→,小電阻,(,超導(dǎo)電最好,),；,,,絕緣材料,→,高電阻。,,,……,,,三、材料的主要性能要求：,（如,圖,4--1,）,,軍用產(chǎn)品（核潛艇、航天飛機(jī)、導(dǎo)彈等）,：安全，可靠性為第一位，且不惜工本，所用材料定型，不輕易變動。,,民用產(chǎn)品：,多將經(jīng)濟(jì)成本放在首位，用滿足一定壽命期限的最低成本材料。,,例,1,：飛機(jī)機(jī)翼和機(jī)身的主框架用高強(qiáng)鋁合金,,,7075(Al-Zn-Cu-Mg),。,,例,2,：飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度鋼（,300M,）。,,例,3,：家電、輕工、日用品，強(qiáng)度要求不高且多為不規(guī)則,,形狀，多用塑料注塑，壓塑等成型；,,航天飛機(jī)增壓艙形狀復(fù)雜，要求比強(qiáng)度高，不能

6、用,,塑料，而用有色金屬超塑性加工成型。,,,第二節(jié)：工程材料的類型,一：分類,:,,,按存在狀態(tài)：,單晶體，多晶體和非晶體材料。,,按尺寸：,一維,(,纖維,,,晶須,),、二維,(,薄膜,),和三維,(,塊體,),材料等。,,按用途：,建筑材料、機(jī)械工程材料、航空航天材料、核材料、信息材料、電子材料、能源材料、生物材料、醫(yī)用材料等。,,按物化性質(zhì)：,耐磨材料、耐蝕材料、磁性材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料等,,,最常用、最有價(jià)值的分類：,,按其組成和性質(zhì)：,金屬材料、無機(jī)非金屬材料（陶瓷）、高分子材料和復(fù)合材料（如,圖,4--2,）。,,按主要功能：,結(jié)構(gòu)材料和功能材料。,,按開發(fā)使用時(shí)間和先進(jìn)

7、性：,傳統(tǒng)材料和新型材料（先進(jìn)材料）。,,,二、結(jié)構(gòu)材料和功能材料,,結(jié)構(gòu)材料,：,利用其力學(xué)性能，制造以受力為主的構(gòu)件。如齒輪、軸、自行車鏈條、飛機(jī)起落架和房梁等。,,,有時(shí)也要求某些理化性能（第二位，如光澤、熱導(dǎo)率、抗腐蝕、抗氧化等）。,,,結(jié)構(gòu)材料量大面廣，是機(jī)械制造，工程建筑，交通運(yùn)輸，能源利用物質(zhì)基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)材料大都屬于傳統(tǒng)材料。,,,現(xiàn)今，新型陶瓷結(jié)構(gòu)材料、高性能高分子材料、復(fù)合材,,料正受到高度重視。,,,,功能材料,：,利用其獨(dú)特的物理性質(zhì)（熱、光、電、聲、磁等），化學(xué)性質(zhì)（溶蝕性、耐腐蝕性、抗?jié)B入性、抗氧化性，催化性能、離子交換性能以及吸收、吸附等性能 ）和生物功能等。,,,它

8、在電子、紅外、激光、能源、通信等許多新技術(shù)發(fā)展中起重要作用。常用于電子器件、光敏元件、絕緣材料等。如制作磁盤、集成電路、光纖以及各類傳感器、能量轉(zhuǎn)換器等。是今日高科技的基礎(chǔ)。,,結(jié)構(gòu)材料和功能材料的劃分是相對的，銅既是結(jié)構(gòu)材料（如做渦輪閥門），又是功能材料（導(dǎo)線等）。,,,三、傳統(tǒng)材料和新型材料,,傳統(tǒng)材料,：,指在工業(yè)中早已批量生產(chǎn)，成熟應(yīng)用的材料，如鋼鐵、水泥、塑料等。是建筑業(yè)，汽車業(yè)等支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)（又稱基礎(chǔ)材料）。需求量大，生產(chǎn)規(guī)模大，價(jià)格低。但資源負(fù)擔(dān)大，環(huán)境污染嚴(yán)重。,,新型材料（先進(jìn)材料）,：指正在發(fā)展、具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景的材料。主要用于高科技產(chǎn)品，在商業(yè)化或研制之中，具有保

9、密性，如高性能金屬材料，特種陶瓷，先進(jìn)復(fù)合材料，金剛石薄膜及生物功能材料等。其投資強(qiáng)度高、更新規(guī)?？?、風(fēng)險(xiǎn)性大、知識和技術(shù)密集程度高，成功后回報(bào)率高、不以規(guī)模取勝（量少利大）。,,,傳統(tǒng)材料和新型材料的關(guān)系：,,傳統(tǒng)材料,＋新技術(shù),→,具有更優(yōu)良性能,→,成為,新材料,,先進(jìn)材料,＋解密后,→,商業(yè)化并大量生產(chǎn)應(yīng)用,→,,成為,傳統(tǒng)材料,從傳統(tǒng)角度看，傳統(tǒng)材料更為重要，尤其是民用工程。,,,第三節(jié)：常用工程材料的特征,一、金屬材料的特征：,,優(yōu)良的力學(xué)性能：,在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)，有很好的,,塑性、韌性→廣泛用于工程結(jié)構(gòu)材料。,,高強(qiáng)度、高模量、高結(jié)合能,：導(dǎo)致具有較高的熔點(diǎn)、,,剛,度及強(qiáng)

10、度（其結(jié)合鍵為金屬鍵）。,,某,些理化性能,：導(dǎo)電，導(dǎo)熱，減摩（如青銅），耐蝕,,（如,不,銹鋼，鋁，銅合金）。,,性能范圍廣泛：,從輕金屬到重金屬，從堿金屬、貴金屬,,,到過渡金屬，其密度、彈性摸量、強(qiáng)度以及抗氧化能力等可在數(shù)倍～數(shù)百倍范圍內(nèi)變動（故很大選擇余地）。,,,,優(yōu)良的加工性能：,具有好的塑性成型性，鑄造性，切削,,加工和電加工性。,,可熱處理及表面改性：,大幅度（成倍）改變其性能。,,價(jià)格一般比較便宜，易獲得,。,,缺點(diǎn)：,,地球資源有限（如銅，僅幾十年開采年限）；,,特高溫度,(>1050℃ ),及某些特殊介質(zhì)中不能勝任。,工程應(yīng)用廣泛：,,機(jī)械制造：鋼鐵,95%,、有色金屬,

11、4.5%,、塑料,0.5%,；,,汽車業(yè),(1985,年福特公司,),：鋼鐵,72%,、鋁合金,5.3%,、塑料,,,8.5%,。,,,二、無機(jī)非金屬材料的特性：,,主要由氧化物、碳化物、氮化物以及硅酸鹽等物質(zhì)組,,成的材料，由傳統(tǒng)硅酸鹽材料演變而來，其,典型代表,,即陶瓷材料,。,,主要由,離子鍵,或,離子,—,共價(jià)鍵,組成，,具有高鍵強(qiáng)，高鍵,,能。故具有高化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫，耐腐蝕,。,,極高的彈性模量,,,比金屬高數(shù)倍,。,,屬脆性材料，抗壓不抗拉。,,硬度高，高溫下仍保持高硬度值。,,,,熔點(diǎn)高,,,高溫強(qiáng)度好,。作高溫材料,,,如陶瓷發(fā)動機(jī),,,坩堝等,.,,導(dǎo)電性能變化范圍大,：

12、可作為絕緣材料、半導(dǎo)體材料,,以及其他功能材料。,,缺點(diǎn)：,極脆，加工性差，可靠性差。,,工程應(yīng)用,：,,一般日常用途（傳統(tǒng)陶瓷）；,,某些特殊用途（現(xiàn)今陶瓷，如壓電材料、磁性材料和生,,物陶瓷，如人造器官）。,,,三、高分子材料的特征：,,高分子材料是有許多小分子單體經(jīng)聚合反應(yīng)（以共價(jià)鍵,,結(jié)合）而形成。它具有一系列不同的特點(diǎn)：,,密度?。?聚丙烯,910kg/m,3,,,泡沫塑料僅,10kg/m,3,,,對產(chǎn)品,,輕量化有利。,,強(qiáng)度低，但比強(qiáng)度高（,甚至高于鋼鐵），某些工程塑料,,能代替部分金屬制造機(jī)器零部件。,,低的彈性模量，較高的彈性,(100%,～,1000%,,金屬,0.1%).

13、,,優(yōu)良的電（絕緣）性能,，作為優(yōu)良的絕緣材料。,優(yōu)良的減摩、耐磨和自潤滑性能。,,,,優(yōu)良的耐腐蝕性能,（耐酸、堿及某些化學(xué)藥品），甚至勝,,過一般的不銹鋼。,,優(yōu)良的透光性和隔熱、隔音性,.,如有機(jī)玻璃、聚苯乙烯,,的透光率,>90%,，是很好的輕型建筑材料。,,可加工性好,，可用各種方法成形與后加工，單件成本低,,廉。,,缺點(diǎn)：,,絕對強(qiáng)度、剛度水平低，不耐熱,(<300℃ );,可燃、易老化。,,工程應(yīng)用：,,一般結(jié)構(gòu)材料（日用品、輕工品等），耐蝕材料，膠粘材料等。,,,四、復(fù)合材料的特征：,,由兩種以上不同性質(zhì)的材料復(fù)合而成,。如混凝,,土，膠合板，玻璃鋼。,,具有組成它的單一材料所

14、不具備的性能,。美國,,先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)中碳纖維復(fù)合材料占,40%--50%,，,,垂直起飛,(,包括直升機(jī),),機(jī)占,65%,。,,先進(jìn)復(fù)合材料很昂貴。,,,五、工程材料的主要性能比較,,各大類型材料的主要性質(zhì),(,密度、彈性模量、強(qiáng)度等,),,,的比較（如,表,4--3,）：,,密度：,鋼鐵,>,陶瓷,>,鋁,>,玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,(GFRP)>,,,塑料。,,耐熱性,：陶瓷,>,鋼鐵,>,鋁,>GFRP>,塑料。,,拉伸強(qiáng)度：,鋼鐵,>GFRP>,鋁,≈,陶瓷,>,玻璃,>,塑料,,比拉伸強(qiáng)度,：,GFRP>,鋁,>,鋼鐵,>,塑料,>,玻璃,>,陶瓷。,,韌性：,鋼鐵,>,鋁,≈,GFR

15、P,>,塑料,≈,陶瓷,>,玻璃,,導(dǎo)熱率：,鋁,>,鋼鐵,>,陶瓷,>,玻璃,>GFRP>,塑料,,線膨脹系數(shù)：,塑料,>,鋁,≈,GFRP >,鋼鐵,>,玻璃,>,陶瓷,,導(dǎo)電率,：鋁,>,鋼鐵,>,陶瓷,> GFRP >,玻璃,>,塑料,,,General Characters of Materials,Chapter3 Properties of Materials,33,化學(xué)性能 Chemical Performance,Chapter3 Properties of Materials,34,,溶蝕性,,耐腐蝕性,,抗?jié)B透性,,抗氧化性,——,材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力,化學(xué)穩(wěn)定性

16、,,力學(xué)性能 Mechanical Property,Chapter3 Properties of Materials,35,——,材料抵受外力作用的能力,,,,低碳鋼的應(yīng)力,-,應(yīng)變曲線,拉伸試樣,拉伸試驗(yàn)機(jī),應(yīng)力,?,,=,P,/,F,0,,應(yīng)變,?,,= (,l,-,l,0,)/,l,0,,,材料的一些力學(xué)性能特點(diǎn)：,很多金屬材料既有高的強(qiáng)度，又有良好的延展性；,,多晶材料的強(qiáng)度高于單晶材料；,,這是因?yàn)槎嗑Р牧现械木Ы缈芍袛辔诲e的滑移，改變滑移的方向。通過控制晶粒的生長，可以達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。,,固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬；,,雜質(zhì)原子的存在對位錯運(yùn)動具有牽制作用。,,多數(shù)無機(jī)非

17、金屬材料延展性很差，屈服強(qiáng)度高。,,源于共價(jià)鍵的方向性,Chapter3 Properties of Materials,39,各種材料的硬度特征：,由共價(jià)鍵結(jié)合的材料如,金剛石,具有很高的硬度，這是因?yàn)?共價(jià)鍵的強(qiáng)度較高,；,,無機(jī)非金屬材料有較高硬度,,離子鍵和共價(jià)鍵的強(qiáng)度均較高；,,當(dāng)含有,價(jià)態(tài)較高,而,半徑較小的離子,時(shí)，所形成的離子鍵強(qiáng)度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。,,金屬材料形成固溶體或合金時(shí)可顯著提高材料的硬度。,,高分子材料硬度通常較低,,分子鏈之間主要以,范德華力,或,氫鍵,結(jié)合，鍵力較弱,Chapter3 Properties of Materials,40,

18、材料的硬度（hardness),,——,材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力的量度,布氏硬度,（Brinell hardness）,,,,洛氏硬度,（Rockwell hardness）,,維氏硬度,（Vickers hardness）,Chapter3 Properties of Materials,41,,材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo),,,,,,硬度,——,材料抵抗局部變形，特別是局部塑性變形、壓痕或劃痕的能力,,,,,,1,）布氏硬度,HB,,,2,）洛氏硬度,HRC,,,,Chapter3 Properties of Materials,43,硬度試驗(yàn),,疲勞性能,,——

19、,材料抵抗疲勞破壞的能力,疲勞（fatigue）：,材料在循環(huán)受力（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。,Chapter3 Properties of Materials,44,,熱性能,Thermal Property,熱容（heat capacity）,,熱膨脹（thermal expansion）,,熱傳導(dǎo)（thermal conduction）,Chapter3 Properties of Materials,45,各種材料的導(dǎo)熱率,金屬材料有很高的熱導(dǎo)率,,自由電子在熱傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)主要角色；

20、,,金屬晶體中的晶格缺陷、微結(jié)構(gòu)和制造工藝都對導(dǎo)熱性有影響；,,晶格振動,,無機(jī)陶瓷或其它絕緣材料熱導(dǎo)率較低。,,熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動（聲子）的轉(zhuǎn)播。,,高溫處的晶格振動較劇烈，再加上電子運(yùn)動的貢獻(xiàn)增加，其熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。,,半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)：,,電子與聲子的共同貢獻(xiàn),,低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。,,較高溫度下電子能激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，所以導(dǎo)熱性顯著增大。,,高分子材料熱導(dǎo)率很低,,熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動的傳遞，其對能量傳遞的效果較差。,Chapter3 Properties of Materials,46,Chapter3 Properties of Materials,4

21、7,2.1.3.5 Electrical property,,導(dǎo)電性能,,,Electrical Conductivity,金屬：,導(dǎo)體、半導(dǎo)體（半導(dǎo)體金屬砷、碲等）,,陶瓷：,絕緣體、半導(dǎo)體,,高分子材料：,絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體,,其它：硅、鍺（半導(dǎo)體），石墨（導(dǎo)體）,第四節(jié)：工程領(lǐng)域選材、用材情況,一、汽車,,支柱產(chǎn)業(yè)。,1885,年世界上第一輛汽車駛上街頭，,1908,年,,美國人福特發(fā)明,T,型汽車，并實(shí)現(xiàn)了部件標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)裝,,配流水化作業(yè)。,,汽車工業(yè)帶動、促進(jìn)相關(guān)工業(yè),(,冶金，石油化工，機(jī)械，,,電子電器，輕工，紡織等,),和社會服務(wù)行業(yè),(,交通運(yùn)輸，,,石油，保險(xiǎn)，維修，商

22、業(yè)等,),的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)效益和社會,,效益巨大。,,汽車由上萬個零件組裝而成。,,,,汽車工業(yè)涉及十一大類材料：,鋼鐵、塑料、橡,,膠、涂料、有色金屬合金、鑄件、陶瓷和玻璃、,,金屬基復(fù)合材料等。,,僅美國每年消耗于汽車的用料約,6000,萬噸。,,美國福特汽車公司,(1985,年,),的數(shù)據(jù)為：鋼鐵,,,72%,，鋁合金,5.3%,，塑料,8.5%,。,,我國以中型卡車為例，鋼材,64%,，鑄鐵,21%,，有,,色金屬,1%,，非金屬材料,14%,。,,,二、航空航天器材料,,特點(diǎn)：,要求高，大量用新材料，保證高可靠性。,,用材廣泛：鋁合金、鋼、鈦合金；纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合,,材料、高分子材料、

23、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、特殊玻璃。,例,1,：,航天飛機(jī)在進(jìn)入太空或返回大氣層時(shí)，幾分鐘內(nèi)從室溫達(dá)到,1000℃,以上，采用陶瓷作為熱絕緣材料,(,用,SiO2,纖維編織成,2,萬多個陶瓷片，覆蓋機(jī)體表面約,70%,的面積,).,例,2,：,玻璃－塑料復(fù)合透明件，適用于制造各種飛機(jī)的防彈玻璃和抗鳥撞擊玻璃等。,,,三、機(jī)床用材,特點(diǎn)：,工作環(huán)境好，受力小且平穩(wěn)；對精度和保,,持精度的壽命要求高。,用材,:,主要為鑄鐵,(70%),和碳鋼,(20%),,合金鋼和,,有色金屬占,10%,，近年來工程塑料已經(jīng)取代部分,,有色金屬,(,某些齒輪、墊片、油管、罩殼等,),。,,,四、工程機(jī)械、礦山機(jī)械,,特點(diǎn)：工

24、作條件比較惡劣，易過載、沖擊，多以泥沙、,,礦石為對象，磨損嚴(yán)重、戶外作業(yè)。,,用材,(,日本中型推土機(jī),),：鋼材（鍛、軋）占,66%,，鑄鋼,,件占,20%,，鑄鐵件占,12%,，有色金屬,1.5%,，非金屬材料,,占,0.5%,；用合金鋼作關(guān)鍵件,(,挖掘機(jī)斗齒、鏈條、齒,,輪、履帶板等,),。,,,五、儀器儀表：,,特點(diǎn)：外觀美觀，小巧，輕巧。,,用材： 結(jié)構(gòu)鋼，有色金屬，工程塑料等。,六、日常及辦公用品,,特點(diǎn)：要求不高，美觀實(shí)用，便宜。,,用材：三大類材料均有；傾向：高分子材料替代各種金,,屬和木質(zhì)材料，如塑料文具，辦公家具及其它用品。,,,,圖,4-2,材料的分類,Return,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,表,4-3,各種材料的主要物性,Return,