第一章 材料的机械性能指标与常用工程材料

课程的特点和内容特点:涉及的理论范围广机械、机构、工程机械类型多要求:着重于建立系统概念掌握分析工程机械的方法内容:机械基础（机械总论、通用机械零部件、液压传动）常用工程机械（起重、运输、土石方、桩工、钢筋混凝土）工程机械概论工程机械概论第一篇 工程机械基础知识第一章 材料的机械性能指标与常用工程材料第一节 材料的主要机械性能第二节 黑色金属材料第三节 有色金属材料第四节 其他工程材料引言强度强度 构件抵抗破坏的能力称为构件的强度。第一节 材料的主要机械性能一、强度一、强度（抗拉强度、屈服强度）低碳钢的 曲线分析：试件在拉伸过程中经历了四个阶段，有两个重要的强度指标。obob段段弹性阶段弹性阶段(比例极比例极限限p p弹性极限弹性极限e e)bcbc段段屈服阶段屈服阶段屈服点屈服点 cdcd段段强化阶段强化阶段 抗拉强度抗拉强度 dede段段缩颈断裂阶段缩颈断裂阶段 引言第一节 材料的主要机械性能二、钢材的塑性和韧性二、钢材的塑性和韧性延伸率和断面收缩率试件拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保留下来。工程上用试件拉断后遗留下来的变形表示材料的塑性指标。常用的塑性指标有两个:延伸率:%断面收缩率:%L1 试件拉断后的标距L 是原标距A1 试件断口处的最小横截面 面积A 原横截面面积。、值越大，其塑性越好。一般把 5的材料称为塑性材料塑性材料，如钢材、铜、铝等；把 2.11之间的铁碳合金。（三）工程机械中常用钢和铸铁的分类（三）工程机械中常用钢和铸铁的分类第二节 黑色金属材料二、钢的热处理二、钢的热处理时间将钢在固态下进行加热、保温和冷却使钢得到预期的组织和性能的工艺。第二节 黑色金属材料热处理的主要目的:改变钢的性能。热处理的应用范围:整个制造业。热处理的分类热处理普 通热处理表 面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火 化 学 热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;第二节 黑色金属材料定义:把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后随炉 冷却。目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织 准备。1、退火（二）普通热处理工艺（二）普通热处理工艺2、正火定义:把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后在空气 中冷却。目的:消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织 准备。第二节 黑色金属材料定义:把零件加温到临界温度以上30 50,保温一段时间,然后快速冷 却(水冷)。目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。3、淬火4、回火定义:把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后 冷却到室温。目的:消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。第二节 黑色金属材料耐磨件M回=0.3%C+150250低温回火弹簧等T回=F针+Fe3C粒350500中温回火调质件S回=F多+Fe3C球500650高温回火高合金钢P回=F多+Fe3C粒650A1高温软化淬火+高温回火=调质处理用途组 织温度()名 称第二节 黑色金属材料（三）钢的表面热处理（三）钢的表面热处理工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。1.表面淬火定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。2.化学热处理定义:将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。第二节 黑色金属材料化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:2.吸收吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。活性原子被零件表面吸收和溶解。3.扩散扩散:活性原子由零件表面向内部扩散活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。形成一定的扩散层。1.分解分解:化学介质在高温下释放出待渗的活化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。性原子。2CO CO2 +C第二节 黑色金属材料三、型材的应用特点三、型材的应用特点（一）厚钢板（一）厚钢板（二）薄钢板（二）薄钢板（三）扁钢（三）扁钢 （四）型钢（四）型钢 第三节 有色金属材料一、铝及铝合金一、铝及铝合金铝的性能特点铝的性能特点:密度小密度小;导电及导热性能好导电及导热性能好;抗大气腐蚀性好抗大气腐蚀性好;塑塑性高性高;强度低强度低;无磁性无磁性;无打击火花无打击火花;加工工艺性好等。加工工艺性好等。纯铝的分类纯铝的分类高纯高纯铝铝 L01L010404工业高纯铝工业高纯铝 L0L0、L00L00工业纯铝工业纯铝 L1L15 5铝合金铝合金形变铝合金形变铝合金铸造铝合金铸造铝合金不能热处理不能热处理强化铝合金强化铝合金能热处理能热处理强化铝合金强化铝合金铝合金：在铝中加入铜、镁、锰、硅等元素的合金铝合金：在铝中加入铜、镁、锰、硅等元素的合金第三节 有色金属材料二、铜及铜合金二、铜及铜合金铜的性能特点铜的性能特点:密度大密度大;导电及导热性能好导电及导热性能好;抗大气腐蚀性好抗大气腐蚀性好;塑性塑性高高;强度低强度低;无磁性无磁性;无打击火花无打击火花;加工工艺性好等。加工工艺性好等。纯铜的分类纯铜的分类工业纯铜工业纯铜 T1T4无氧铜无氧铜 TU2铜合金的分类铜合金的分类黄铜黄铜:Cu Zn 白铜白铜:Cu Ni 青铜青铜:除黄铜和白除黄铜和白 铜外的所有铜外的所有 铜合金。铜合金。第四节 其他工程材料非金属材料指工程材料中除金属材料以外的其他一切材料。非金属材料指工程材料中除金属材料以外的其他一切材料。非金属材料的原料来源广泛，自然资源丰富，成形工艺简单，非金属材料的原料来源广泛，自然资源丰富，成形工艺简单，具有一些特殊性能，应用日益广泛，已成为机械工程材料中不具有一些特殊性能，应用日益广泛，已成为机械工程材料中不可缺少的重要组成部分。可缺少的重要组成部分。在机械工程中常用的非金属材料主要包括高分子材料、陶瓷材在机械工程中常用的非金属材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料料和复合材料.一、高分子聚合物材料一、高分子聚合物材料高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是指相对分子质量(分子量)很大的化合物，其分子量一般在5000以上。高分子化合物包括有机高分子化合物有机高分子化合物和无机高分子化合物无机高分子化合物两类。有机高分子化合物又分为天然的和合成的。机械工程中使用的高分子材料主要是人工合成的有机高分子聚合物（简称高聚物），例如塑料、合成橡胶、合成纤维、涂料和胶接剂等。高聚物高聚物是通过聚合反应以低分子化合物结合形成的高分子材料。第四节 其他工程材料 塑料是以合成树脂为主要成分，加入一些用来改善使用性能和塑料是以合成树脂为主要成分，加入一些用来改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的高分子材料。树脂的种类、性能、数量工艺性能的添加剂而制成的高分子材料。树脂的种类、性能、数量决定了塑料的性能，因此，塑料基本上都是以树脂的名称命名的，决定了塑料的性能，因此，塑料基本上都是以树脂的名称命名的，例如聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯。工业中用的树脂主要是合例如聚氯乙烯塑料的树脂就是聚氯乙烯。工业中用的树脂主要是合成树脂，如聚乙烯、聚氯乙烯等。成树脂，如聚乙烯、聚氯乙烯等。(一一)塑料塑料(二二)橡胶橡胶 橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。橡胶是以生胶为主要原料，加入适量配合剂而制成的高分子材料。橡胶具有弹性大（最高伸长率可达橡胶具有弹性大（最高伸长率可达8001000，外力去除后，外力去除后能迅速恢复原状），吸振能力强，耐磨性、隔声性、绝缘性好，可积能迅速恢复原状），吸振能力强，耐磨性、隔声性、绝缘性好，可积储能量，有储能量，有定的耐蚀性和足够的强度等有点，其主要缺点是易老化。定的耐蚀性和足够的强度等有点，其主要缺点是易老化。第四节 其他工程材料种类名称（代号）b/MPa/%使用温度t/回弹性耐磨性耐碱性耐酸性耐油性耐老化用 途 举 例通用橡胶天然橡胶（NR）1735650900-70110好 中 好 差 差轮胎、胶带、胶管丁苯橡胶（SBR）1520500600-50140中 好 中 差 差 好轮胎、胶板、胶布、胶带、胶管顺丁橡胶（BR）1825450800-70120好 好 好 差 差 好轮胎、v带、耐寒运输带、绝缘件氯丁橡胶（CR）25278001000-35130中 中 好 中 好 好电线(缆)包皮，耐燃胶带、胶管，汽车门窗嵌条，油罐衬里丁腈橡胶（NBR）1530300800-35175中 中 中 中 好 中耐油密封圈、输油管、油槽衬特种橡胶聚氨酯橡胶（UR）2035300800-3080中 好 差 差 好耐磨件、实心轮胎、胶辊氟橡胶（FPM）2022100500-50300中 中 好 好 好 好高级密封件，高耐蚀件，高真空橡胶件硅橡胶41050500-100300差 差 好 中 差 好耐高、低温制品和绝缘件第四节 其他工程材料二、复合材料二、复合材料由两种或两种以上性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料，由两种或两种以上性质不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料，称为复合材料。称为复合材料。按基体不同，分为两类：非金属基复合材料和金属基复合材料。按基体不同，分为两类：非金属基复合材料和金属基复合材料。按增强相的种类和形状不同，分为三类：颗粒复合材料、层叠复合按增强相的种类和形状不同，分为三类：颗粒复合材料、层叠复合材料和纤维增强复合材料。材料和纤维增强复合材料。按性能，分为结构复合材料、功能复合材料等。按性能，分为结构复合材料、功能复合材料等。第四节 其他工程材料(一一)复合材料的性能特点复合材料的性能特点1比强度和比模量高比强度和比模量高 例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量倍，比模量(弹性模量与密度之比弹性模量与密度之比)比钢大比钢大3倍。倍。2抗疲劳性能好抗疲劳性能好 例如碳纤维例如碳纤维-聚酯树脂复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的聚酯树脂复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的70-80，而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的3050。3减振性能好减振性能好 纤维与基体界面有吸振能力，可减小振动。例如，尺寸形状相同的梁，纤维与基体界面有吸振能力，可减小振动。例如，尺寸形状相同的梁，金属梁金属梁9s停止振动，碳纤维复合材料制成的梁停止振动，碳纤维复合材料制成的梁2.5s就可停止振动。就可停止振动。4高温性能好高温性能好 一般铝合金在一般铝合金在400500时弹性模量急剧下降，强度也下降。碳或硼时弹性模量急剧下降，强度也下降。碳或硼纤维增强的铝复合材料，在上述温度时，其弹性模量和强度基本不变。纤维增强的铝复合材料，在上述温度时，其弹性模量和强度基本不变。此外，复合材料还有较好的减摩性、耐蚀性、断裂安全性和工艺性等。此外，复合材料还有较好的减摩性、耐蚀性、断裂安全性和工艺性等。第四节 其他工程材料(二二)常用复合材料常用复合材料1纤维增强复合材料纤维增强复合材料(1)玻璃纤维增强复合材料(俗称玻璃钢玻璃钢)按粘结剂不同，分为热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。热塑性玻璃钢热塑性玻璃钢 以玻璃纤维为增强剂，热塑性树脂为粘结剂。与热塑性塑料相比，当基体材料相同时，强度和疲劳强度提高2-3倍，冲击韧度提高2-4倍，抗蠕变能力提高25倍，强度超过某些金属。这种玻璃钢用于制作轴承、齿轮、仪表盘、收音机壳体等。热固性玻璃钢热固性玻璃钢 以玻璃纤维为增强剂，热固性树脂为粘结剂。其密度小，耐蚀性、绝缘性、成形性好，比强度高于铜合金和铝合金，甚至高于某些合金钢。但刚度差，为钢的11015。耐热性不高(低于200)，易老化和蠕变。主要制作要求自重轻的受力件，例如汽车车身，直升机旋翼，氧气瓶，轻型船体，耐海水腐蚀件，石油化工管道和阀门等。第四节 其他工程材料(2)碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料 这种复合材料与玻璃钢相比，其抗拉强度高，弹性模量是玻璃钢的46倍。玻璃钢在300以上，强度会逐渐下降，而碳纤维的高温强度好。玻璃钢在潮湿环境中强度会损失15，碳纤维的强度不受潮湿影响。此外，碳纤维复合材料还具有优良的减摩性、耐蚀性、导热性和较高的疲劳强度。2层叠复合材料层叠复合材料层叠复合材料是由两层或两层以上不同材料复合而成。用层叠法增强的复合材料可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔声、减轻自重等性能分别得到改善。常见的有双层金属复合材料、塑料-金属多层复合材料和夹层结构复合材料等。3颗粒复合材料3.颗粒复合材料颗粒复合材料是由一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的。金属陶瓷就是颗粒复合材料，它是将金属的热稳定性好、塑性好，高温易氧化和蠕变，与陶瓷脆性大，热稳定性差，但耐高温、耐腐蚀等性能进行互补，将陶瓷微粒分散于金属基体中，使两者复合为一体。例如，钨钴类硬质合金刀具就是一种金属陶瓷