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1、概论机械工程材料你现在浏览的是第一页，共26页 第一章第一章 概论概论1 1 材料发展概况材料发展概况2 2 材料的性能材料的性能3 3 工程材料的分类工程材料的分类4 4 材料的结合方式及工程材料键性材料的结合方式及工程材料键性5 5 零件的失效形式及选材原则零件的失效形式及选材原则你现在浏览的是第二页，共26页石器石器铁器铁器象形尊象形尊(西周西周)石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代新材料时代新材料时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。人类所使用的材料来划分时代。1材料发展概况材料发展概况你现在
2、浏览的是第三页，共26页材料科学的重要地位材料科学的重要地位每一个应用科学家和工程师（机械的、土木工程的、电气的或其每一个应用科学家和工程师（机械的、土木工程的、电气的或其它方面的）都必不可少地要用到材料，不论产品是桥梁、计算机、它方面的）都必不可少地要用到材料，不论产品是桥梁、计算机、宇宙飞船、心脏起博器、核反应堆、还是汽车的排气装置，工程宇宙飞船、心脏起博器、核反应堆、还是汽车的排气装置，工程师们都必须完全了解他们所用材料的师们都必须完全了解他们所用材料的性能和行为特征性能和行为特征。以汽车为例，汽车制造中要使用各种各样的材料：钢铁、玻璃、塑料、以汽车为例，汽车制造中要使用各种各样的材料：
3、钢铁、玻璃、塑料、橡胶等。而仅仅对钢材一项而言，就有橡胶等。而仅仅对钢材一项而言，就有2000多种不同种类和型号的多种不同种类和型号的品种供我们选择。品种供我们选择。地位：材料、能源、信息，地位：材料、能源、信息，三大技术三大技术你现在浏览的是第四页，共26页在进行材料选择时，工程师必须首先考虑在进行材料选择时，工程师必须首先考虑使用性使用性能能，再考虑材料的，再考虑材料的工艺性能工艺性能。使用性能：在使用条件下所表现的性能，包括材料的使用性能：在使用条件下所表现的性能，包括材料的物理、化学物理、化学和和力学性能力学性能；工艺性能：材料在加工过程中所反映的性能，包括工艺性能：材料在加工过程中所
4、反映的性能，包括铸铸造性能、压力加工性能、切削加工性能、焊接性能、造性能、压力加工性能、切削加工性能、焊接性能、热处理性能热处理性能等。等。2材料的性能材料的性能你现在浏览的是第五页，共26页一一.定义定义:力学性能是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的力学性能是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。性能。二二.指标指标:弹性弹性、塑性塑性、韧性韧性、强度、强度、硬度和疲劳强度等。硬度和疲劳强度等。2.1材料的力学性能材料的力学性能你现在浏览的是第六页，共26页金属材料的金属材料的物理性能物理性能1.1.密度密度 2.2.熔点熔点 3.3.导热性导热性 4.4.导电性导电性 5.5.热膨胀性热
5、膨胀性 6.6.磁性磁性1.1.耐腐蚀性耐腐蚀性 2.2.抗氧化性抗氧化性 金属材料的化学金属材料的化学性能性能你现在浏览的是第七页，共26页2.2材料的工艺性能材料的工艺性能1 1 铸造性能铸造性能2 2 锻造性能锻造性能3 3 切削加工性能切削加工性能4 4 焊接性能焊接性能5 5 热处理性能热处理性能你现在浏览的是第八页，共26页3工程材料的分类工程材料的分类 工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能、被用来制取零件和元件的材料。担某种功能、被用来制取零件和元件的材料。一一.按材料的化学组成分类按材料的化学组成分类 （1 1）金属
6、材料）金属材料 （2 2）无机非金属材料）无机非金属材料 （3 3）高分子材料）高分子材料 （4 4）复合材料）复合材料你现在浏览的是第九页，共26页(1)金属材料金属材料用量最大、应用最广泛用量最大、应用最广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,稀有金属稀有金属 （2）无机非金属材料）无机非金属材料包括水泥、玻璃、耐火材料包括水泥、玻璃、耐火材料和陶瓷等。主要原料是硅酸和陶瓷等。主要原料是硅酸盐矿物，又称硅酸盐材料。盐矿物，又称硅酸盐材料。你现在浏览的是第十页，共26页（3 3）高分子材料）高分子材料按来源分为天然高分子材料按来源分为天然高分子材料(蛋白
7、、蛋白、淀粉、纤维素等淀粉、纤维素等)和人工高分子材和人工高分子材料料(合成塑、合成橡胶、合成纤维合成塑、合成橡胶、合成纤维)。按性能及用途可分为塑料、橡胶、胶按性能及用途可分为塑料、橡胶、胶粘剂、涂料粘剂、涂料。（4 4）复合材料）复合材料由基体材料增强材料复合而成。基由基体材料增强材料复合而成。基体材料有金属、陶瓷、塑料等，体材料有金属、陶瓷、塑料等，增强材料有各种纤维和无机化合增强材料有各种纤维和无机化合物等。物等。烯丙酰氯烯丙酰氯-苯乙烯苯乙烯玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料你现在浏览的是第十一页，共26页二二.按材料的使用性能分类按材料的使用性能分类 （1 1）结
8、构材料）结构材料 是以强度、刚度、塑性、韧性等力学性能为指标，是以强度、刚度、塑性、韧性等力学性能为指标，用来制造承受载荷、传递动力的零件和构件的材料。用来制造承受载荷、传递动力的零件和构件的材料。（2 2）功能材料）功能材料 是以光、声、电、磁、热等物理性能为指标，是以光、声、电、磁、热等物理性能为指标，用来制造特殊性能的元件的材料。用来制造特殊性能的元件的材料。你现在浏览的是第十二页，共26页4材料的结合方式材料的结合方式及工程材料键性及工程材料键性一一 、结合键、结合键 原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。一般可把结合键分为一般可把结合键分为离
9、子键离子键、共价健共价健、金属键金属键和和分子键分子键四四种。种。你现在浏览的是第十三页，共26页1.1.离子键离子键正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。的离子键。NaClNaCl、CaOCaO、AlAl2 2OO3 3等由离子键组成。等由离子键组成。你现在浏览的是第十四页，共26页2.2.共价键共价键由共用价电子对产生的结合键叫共价键。最具有代由共用价电子对产生的结合键叫共价键。最具有代表性的共价晶体为金刚石。属于共价晶体的还有表性的共价晶体为
10、金刚石。属于共价晶体的还有SiCSiC、SiSi3 3N N4 4、BNBN等化合物。等化合物。共价键的结合力很大，所以共价晶体强度高、硬共价键的结合力很大，所以共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。你现在浏览的是第十五页，共26页3.3.金属键金属键正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。金属键无所谓饱和性和方向性。金属键无所谓饱和性和方向性。你现在浏览的是第十六页，共26页金属键的特性金属键的特性1.1.
11、良好的导电性和导热性。良好的导电性和导热性。2.2.正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。绝大多数金属具有超导性，即绝大多数金属具有超导性，即 在温度接近于绝对零度时电阻突然在温度接近于绝对零度时电阻突然下降，趋近于零下降，趋近于零。3.3.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏作用而发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏4.4.不透明并呈现特有的金属光泽不透明并呈现特有的金属光泽。金属中的自由电子能
12、吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。你现在浏览的是第十七页，共26页4.4.分子键分子键原子或分子之间是靠范特瓦尔斯力结合起来，这原子或分子之间是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。种结合键叫分子键。范特瓦尔斯力很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度范特瓦尔斯力很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。你现在浏览的是第十八页，共26页二、工程材料的键性二、工程材料的键性1.1.金属材料金属材料结合键结合键：绝大多数的结合键是金：
13、绝大多数的结合键是金属键，少数具有共价键（灰锡）属键，少数具有共价键（灰锡）和离子键（和离子键（Mg3Sb2）；）；特性特性：金属材料的金属特性特别明：金属材料的金属特性特别明显。显。2.2.陶瓷材料陶瓷材料结合键结合键：离子键和共价键，大部分：离子键和共价键，大部分材料以离子键为主材料以离子键为主特性特性：高的熔点和硬度，脆性大。：高的熔点和硬度，脆性大。3.3.高分子材料高分子材料结合键：结合键：分子内共价键结合，分子分子内共价键结合，分子间以分子键结合。间以分子键结合。特性特性：较好的力学性能。：较好的力学性能。你现在浏览的是第十九页，共26页(一一)过量变形失效过量变形失效1.过量弹性
14、变形失效过量弹性变形失效2.过量塑性变形失效过量塑性变形失效3.蠕变变形失效蠕变变形失效5零件的失效形式及选材原则零件的失效形式及选材原则零件的失效有三种形式，即零件的失效有三种形式，即过量变形过量变形、断裂断裂和和表面损伤失效表面损伤失效。你现在浏览的是第二十页，共26页1.1.过量弹性变形失效过量弹性变形失效零件由于产生过大的弹性变形而失效，称为弹性变形失效。例如对于受弯扭的轴类零件，零件由于产生过大的弹性变形而失效，称为弹性变形失效。例如对于受弯扭的轴类零件，其过大变形量会造成轴上啮合零件的严重偏载甚至啮合失常，进而导致传动失效。其过大变形量会造成轴上啮合零件的严重偏载甚至啮合失常，进而
15、导致传动失效。2.2.过量塑性变形失效过量塑性变形失效零件承受的应力超过其材料的屈服强度时发生塑性变形，过量的塑性变形会使零件的相零件承受的应力超过其材料的屈服强度时发生塑性变形，过量的塑性变形会使零件的相对位置发生变化，使整个机器运转不良。对位置发生变化，使整个机器运转不良。3.3.蠕变变形失效蠕变变形失效受长期固定载荷的零件，在工作中尤其是在高温下发生蠕变（即在应力不变的情况受长期固定载荷的零件，在工作中尤其是在高温下发生蠕变（即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加的现象）。如锅炉、汽轮机、航空发动机及其它下，变形量随时间的延长而增加的现象）。如锅炉、汽轮机、航空发动机及其它热机的
16、零部件，常由于蠕变产生的塑性变形和应力松弛而失效。热机的零部件，常由于蠕变产生的塑性变形和应力松弛而失效。你现在浏览的是第二十一页，共26页(二二)断裂失效断裂失效断裂失效是机械零件的主要失效形式，根据断裂的性质和断裂失效是机械零件的主要失效形式，根据断裂的性质和断裂的原因，可分为下列几种。断裂的原因，可分为下列几种。（1）韧性断裂失效）韧性断裂失效零件承受的载荷大于零件材料的屈服强度，断裂前零件有明零件承受的载荷大于零件材料的屈服强度，断裂前零件有明显的塑性变形，尺寸变化明显，断面缩小，断口呈纤维状。显的塑性变形，尺寸变化明显，断面缩小，断口呈纤维状。（2）低温脆性断裂失效失效）低温脆性断裂
17、失效失效零件在低于其材料的韧脆转变温度以下工作时，其韧性和塑零件在低于其材料的韧脆转变温度以下工作时，其韧性和塑性大大降低并发生脆性断裂而失效性大大降低并发生脆性断裂而失效。你现在浏览的是第二十二页，共26页（3）疲劳断裂失效）疲劳断裂失效零件在承受交变载荷时，尽管应力的峰值在抗拉强度甚至在零件在承受交变载荷时，尽管应力的峰值在抗拉强度甚至在屈服强度以下，但经过一定周期后仍会发生断裂，这种现象屈服强度以下，但经过一定周期后仍会发生断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂为脆性断裂。称为疲劳。疲劳断裂为脆性断裂。（4）蠕变断裂失效）蠕变断裂失效在高温下工作的零件，当蠕变变形量超过一定范围时，零件在高温下
18、工作的零件，当蠕变变形量超过一定范围时，零件内部产生裂纹而很快断裂，有些材料在断裂前产生颈缩现象。内部产生裂纹而很快断裂，有些材料在断裂前产生颈缩现象。（5）环境破断失效）环境破断失效在负载荷条件下，由于环境因素（例如腐蚀介质）的影响，在负载荷条件下，由于环境因素（例如腐蚀介质）的影响，往往出现低应力下的断裂使零件失效。环境破断失效应往往出现低应力下的断裂使零件失效。环境破断失效应包括应力腐蚀、氢脆、腐蚀、疲劳等。包括应力腐蚀、氢脆、腐蚀、疲劳等。你现在浏览的是第二十三页，共26页(三三)表面损伤失效表面损伤失效1.1.磨损失效磨损失效 相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面发生损耗或相互
19、接触的一对金属表面，相对运动时金属表面发生损耗或产生塑变，使金属状态和尺寸改变的现象。产生塑变，使金属状态和尺寸改变的现象。2.腐蚀失效腐蚀失效 零件暴露于活性介质环境中并与环境介质间发生化学和电化零件暴露于活性介质环境中并与环境介质间发生化学和电化学作用而造成零件表面损耗，引起尺寸、性能变化，导致失效学作用而造成零件表面损耗，引起尺寸、性能变化，导致失效。3.表面疲劳失效表面疲劳失效 相互接触的两个运动表面，在工作过程中承受交变接触应力的作相互接触的两个运动表面，在工作过程中承受交变接触应力的作用而导致表面层材料发生疲劳而脱落，造成失效。用而导致表面层材料发生疲劳而脱落，造成失效。实际上零件
20、的失效形式往往不是单一的，随外界条件的变化，实际上零件的失效形式往往不是单一的，随外界条件的变化，失效形式可以从一种形式转变为另一种形式。如齿轮的失效，失效形式可以从一种形式转变为另一种形式。如齿轮的失效，往往先有点蚀、剥落，后出现断齿等多种形式。往往先有点蚀、剥落，后出现断齿等多种形式。你现在浏览的是第二十四页，共26页(四四)选材的一般原则选材的一般原则选用材料应考虑的一般原则是：选用材料应考虑的一般原则是：使用性原则使用性原则 是保证零件完成规定功能的必要条件。是保证零件完成规定功能的必要条件。工艺性原则工艺性原则 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。材料的工艺性能表示材料加工的难易程
21、度。经济性原则经济性原则 是选材的重要原则之一，一般包括材料的价是选材的重要原则之一，一般包括材料的价 格、零件的成本与国家的资源等。格、零件的成本与国家的资源等。你现在浏览的是第二十五页，共26页学习要求1本课程的重要性：是机械类专业的技术基础课本课程的重要性：是机械类专业的技术基础课2本课程特点：本课程特点：a 新概念多，逻辑性不强，对过去基础的要求不高新概念多，逻辑性不强，对过去基础的要求不高 b 需花一定时间记忆，初学时感觉有点凌乱需花一定时间记忆，初学时感觉有点凌乱 c 讲课有取舍，不完全照本宣科讲课有取舍，不完全照本宣科 记好笔记记好笔记 d 讲课讲课32学时，学时，3学习要求学习要求 a 平时成绩（课堂纪律，作业，）平时成绩（课堂纪律，作业，）b 期末考试没有最后的总复习和复习题）期末考试没有最后的总复习和复习题）你现在浏览的是第二十六页，共26页