工程材料的分类与性能课件

第一章第一章 工程材料的分类及性能工程材料的分类及性能神舟一号飞船1.1 1.1 工程材料的分类工程材料的分类 1.2 1.2 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 1.3 1.3 工程材料的的其他性能工程材料的的其他性能第一章工程材料的分类及性能神舟一号飞船1.1工程材第一节第一节 工程材料的分类工程材料的分类工程材料工程材料是用于机械工程、建筑工程、航空航天是用于机械工程、建筑工程、航空航天等领域的材料。等领域的材料。按应用领域分：按应用领域分：机械工程材料、建筑材料、生物材料、机械工程材料、建筑材料、生物材料、信息材料、航空航天材料等信息材料、航空航天材料等 按性能特点分：按性能特点分：1、结构材料：、结构材料：以力学性能为主，兼有一定的理化性能以力学性能为主，兼有一定的理化性能2、功能材料：、功能材料：以特殊的物理、化学性能为主以特殊的物理、化学性能为主第一节工程材料的分类工程材料是用于机械工程、建筑工程、按化学组成分：按化学组成分：1、金属材料、金属材料 2、高分子材料、高分子材料 3、无机非金属材料、无机非金属材料 4、复合材料、复合材料按化学组成分：1 1、金属材料、金属材料、金属材料、金属材料l以金属键结合为主以金属键结合为主 l良好的导电性、导热良好的导电性、导热性、延展性和金属光性、延展性和金属光泽泽 l用量最大、应用最广用量最大、应用最广泛泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属,重金属重金属,贵金属贵金属,稀稀有金属有金属 1、金属材料以金属键结合为主黑色金属有色金属轻金属,重金铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达达达达1010亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%60%以上。以上。以上。以上。带材带材异形材异形材板材板材管材管材铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨金属材料制品金属材料制品金属材料制品2 2、无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷材料、无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷材料、无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷材料、无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷材料l以共价键和离子键为以共价键和离子键为主主l熔点高、硬度高、耐熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大腐蚀、脆性大 l分为传统陶瓷、特种分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类陶瓷和金属陶瓷三类 2、无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷材料以共价键和离子键为主传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石如黏土、石英、长石如黏土、石英、长石如黏土、石英、长石等等等等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为3 3 3 3、高分子材料、高分子材料、高分子材料、高分子材料 l以分子键和共价键为以分子键和共价键为主主l塑性、耐蚀性、电绝塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密缘性、减振性好，密度小度小 l包括塑料、橡胶及合包括塑料、橡胶及合成纤维等成纤维等分子键分子键共价键共价键3、高分子材料以分子键和共价键为主分子键共价键高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。烯丙酰氯烯丙酰氯-苯乙烯苯乙烯高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化机机械械零零件件在在使使用用过过程程中中，要要受受到到诸诸如如拉拉伸伸、压压缩缩、扭扭转转、剪剪切切、摩摩擦擦、冲冲击击以以及及温温度度和和化化学学介介质质等等作作用用，并并且且还还要要传传递力和能。递力和能。因因此此，作作为为构构成成机机械械零零件件的的金金属属材材料料，应应具具备备良良好好的的力力学学性性能能、物物理理性性能能、和和化化学学性性能能以以防防止止零零件件早早期期失失效效，同同时还要有良好的时还要有良好的工艺性能工艺性能 。第二节第二节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能机械零件在使用过程中，要受到诸如拉伸、压缩、扭转、剪切l使用性能：使用性能：材料在使用过程中所材料在使用过程中所表现的性能。包括表现的性能。包括力学性能、物力学性能、物理性能理性能和和化学性能化学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所材料在加工过程中所表现的性能。包括表现的性能。包括铸造、锻压、铸造、锻压、焊接、热处理焊接、热处理和和切削性能等切削性能等。神舟一号飞船力学性能力学性能 材料受载荷材料受载荷(外力外力)作用时表现出的性能，如，强度、作用时表现出的性能，如，强度、塑性、硬度、韧性等。塑性、硬度、韧性等。使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性外力（载荷）的形式及类型：静载荷、动载荷、交变载荷外力（载荷）的形式及类型：静载荷、动载荷、交变载荷外力（载荷）的形式及类型：静载荷、动载荷、交变载荷静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）硬度（布氏硬度、洛氏硬度）硬度（布氏硬度、洛氏硬度）动载时材料的力学性能动载时材料的力学性能冲击韧性（冲击韧性（K K）疲劳强度疲劳强度断裂韧性断裂韧性材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形变形。外力去除后能够恢复的变形称为外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。静载时材料的力学性能材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，拉伸试验拉伸试验原始试样拉伸后试样拉伸试验拉伸试验：即即静静拉拉伸伸力力对对试试样样轴轴向向拉拉伸伸,测测量量力力和和相相应应的的伸伸长长,一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。拉伸试验原始试样拉伸后试样拉伸试验：拉伸曲线拉伸曲线：拉伸曲线拉伸曲线材料在拉伸的过程中经历四个阶段：材料在拉伸的过程中经历四个阶段：弹性、屈服、强化、颈缩弹性、屈服、强化、颈缩，存在三个特征点：，存在三个特征点：比例极限、屈服点、强度极限比例极限、屈服点、强度极限拉伸曲线：拉伸曲线材料在拉伸的过程中经历四个阶段：弹性、屈服一、弹性和刚度一、弹性和刚度一、弹性和刚度一、弹性和刚度 弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即，即 材料承受最大弹性变形时的应材料承受最大弹性变形时的应力。力。刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性变材料受力时抵抗弹性变形形 的能力。的能力。指标为弹性模量指标为弹性模量E E。弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。截面形状来提高零件的刚度。应力应力 =F/S0应变应变 =(l-l0)/l0一、弹性和刚度弹性：指标为弹性极限e，即弹性模量的二、强度与塑性二、强度与塑性二、强度与塑性二、强度与塑性 强强度度：材材料料在在外外力力作作用用下下抵抵抗抗变变形和破坏的能力。形和破坏的能力。屈屈服服点点 s：材材料料发发生生屈屈服服时时对对应应的应力值。的应力值。规规定定残残余余伸伸长长应应力力 0.2：残残余余变变形形量量为为0.2%时时的的应应力力值值。用用于于铸铸铁等无明显屈服现象的材料。铁等无明显屈服现象的材料。抗抗拉拉强强度度 b：材材料料断断裂裂前前所所承承受受的最大应力值。的最大应力值。0.2 比强度比强度 b b /强度与密度之比强度与密度之比二、强度与塑性强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能塑性：塑性：塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为：指标为：指标为：伸长率：伸长率：断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。l 直径直径d0 相同时，相同时，l0，。只有当。只有当l0/d0 为常数为常数时，塑性值才有可比性。时，塑性值才有可比性。l当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 l 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，为塑性材料表征说明：三、硬度三、硬度三、硬度三、硬度l材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。l布氏硬度布氏硬度HBHB布氏硬度计布氏硬度计三、硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度计 l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，适适用用于于布布氏氏硬硬度度值在值在450以下的材料。以下的材料。l压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布布氏氏硬硬度度在在650以下的材料。以下的材料。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测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。料。l适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。HBb(MPa)钢黄洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常常用用的的标尺为标尺为A、B、C。HR HR 测量原理图测量原理图洛氏硬度洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬质如硬质合金、表淬层和渗碳层。合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有色如有色金属和退火、正火钢等。金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕操作简便，压痕小，适用范围广。小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量维氏硬度维氏硬度维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，后面的数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。字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。l根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验显微维氏硬度试验。l维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺常用硬度的比较常用硬度的比较常用硬度的比较常用硬度的比较压头载荷 kgf硬度范围HBS钢球3000450HBW硬质合金球3000450650HRA金刚石圆锥602088HRB钢球10020100HRC金刚石圆锥1502070HRD金刚石圆锥1004077布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度HV金刚石棱锥51201300维氏硬度维氏硬度应用有色合金，退正火调质钢淬火、调质钢碳化物、硬质合金有色合金，退正火钢淬火、调质钢薄钢板、表面硬化工件各种硬度工件常用硬度的比较压头载荷kgf硬度范围HBS钢球300硬度换算公式硬度换算公式硬度换算公式硬度换算公式HB 和 HVHB400时，HBHVHB400时，HBHVHR HR 和和 HBHB、HVHV :钢材硬度换算钢材硬度换算b b3.4HB 3.4HB （HB=125175HB=125175）b b3.6HB 3.6HB （HBHB175175）HRC2HRA-104（HRC=2060）HB10HRC（HRC=2060）HB2HRB钢材强度、硬度换算钢材强度、硬度换算硬度换算公式HB和HVHB400时，HBHV钢材四、冲击韧度四、冲击韧度四、冲击韧度四、冲击韧度l是指材料抵抗冲击载荷作用是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。而不破坏的能力。l指标为冲击韧指标为冲击韧性值性值a k(通过冲通过冲击实验测得击实验测得)。四、冲击韧度是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度l材料的冲击韧性随温度下材料的冲击韧性随温度下降而下降。降而下降。在某一温度范在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降围内冲击韧性值急剧下降的现象称的现象称韧脆转变韧脆转变。发生发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变的温度范围称韧韧脆转变脆转变温度温度。材料的使用材料的使用温度应高于韧脆转变温度。温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金温度，而大多数面心立方金属没有。属没有。韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关TITANIC 建造中的Titanic号TITANIC 的沉没Titanic Titanic 号钢板号钢板号钢板号钢板（左图）（左图）（左图）（左图）和和和和近代船用钢板近代船用钢板近代船用钢板近代船用钢板（右图）（右图）（右图）（右图）的冲的冲的冲的冲击试验结果击试验结果击试验结果击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试五、疲劳极限五、疲劳极限五、疲劳极限五、疲劳极限l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。l材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲疲劳极限劳极限。用。用-1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。五、疲劳极限材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象疲劳曲线疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：钢铁材料：10107 7次次非铁合金：非铁合金：10108 8次次疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：10疲劳断口疲劳断口疲劳断口疲劳断口通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面光洁度提高表面光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度六、断裂韧度六、断裂韧度六、断裂韧度六、断裂韧度油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关材料中存在缺陷有关1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北极星导弹北极星导弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式六、断裂韧度油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。断裂韧度：断裂韧度：材料抵抗内部裂纹材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。失稳扩展的能力。C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界裂纹为临界裂纹半长，单位为半长，单位为 应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。断裂韧度：材第三节第三节 工程材料的其他性能工程材料的其他性能 物理性能物理性能密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。一些金属的物理性能及机械性能一些金属的物理性能及机械性能元素符号AlCuMgNiFeTiPbSn密度，kg/m31032.708.941.748.97.864.5111.347.3熔点，6601083650145515391660327232相对电导率，%60953423163714导热系数，W/(m)2.093.851.460.590.840.17 元素符号AlCuMgNiFeTiPbSn抗拉强度b，MPa801102002402004005002503302503001820伸长率，%3240455011.53540255550704540断面收缩率，%7090657512.56070708576889090布氏硬度 HB204036806510045第三节工程材料的其他性能物理性能密度、熔点化学性能化学性能化学性能化学性能耐腐蚀性耐腐蚀性 常温下材料抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀的能力。常温下材料抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀的能力。C C钢、铸铁的耐蚀性较差钢、铸铁的耐蚀性较差TiTi合金、不锈钢合金、不锈钢、AlAl、CuCu合金的耐蚀性较好。合金的耐蚀性较好。抗氧化性抗氧化性（热稳定性）（热稳定性）材料在加热时抵抗氧化作用的能力。材料在加热时抵抗氧化作用的能力。CrCr、SiSi等可提高钢的抗氧化性。等可提高钢的抗氧化性。化学性能耐腐蚀性抗氧化性（热稳定性）工艺性能工艺性能工艺性能工艺性能材料适应加工的能力材料适应加工的能力材料适应加工的能力材料适应加工的能力铸造性能：铸造性能：流动性、收缩性、偏析流动性、收缩性、偏析工艺性能材料适应加工的能力铸造性能：流动性、收缩性、锻造性能：锻造性能：锻造性能：锻造性能：塑性、变形抗力塑性、变形抗力塑性、变形抗力塑性、变形抗力锻锻 造造冷冷 冲冲锻造性能：塑性、变形抗力锻造冷冲焊接性能：焊接性能：焊接性能：焊接性能：碳当量碳当量碳当量碳当量焊接性能：碳当量切削性能：切削性能：切削性能：切削性能：表面粗糙度、刀具寿命表面粗糙度、刀具寿命表面粗糙度、刀具寿命表面粗糙度、刀具寿命热处理性能：热处理性能：淬透性淬透性切削加工切削加工切削性能：表面粗糙度、刀具寿命热处理性能：淬透性切削加工小结小结重点要求重点要求材料的力学性能材料的力学性能:强度、塑性、硬度、韧性强度、塑性、硬度、韧性 等。等。一般要求一般要求工程材料的分类工程材料的分类材料的其他性能材料的其他性能：理化、工艺性能理化、工艺性能 小结重点要求一般要求