工程领域对材料性能的要求.pptx

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1、金属材料与热处理材料性能、应用与选择绪 论一、材料与人类、材料与现代工程 材料对于人类历史开展的奉献：作为历史阶段的标志 旧石器时代新石器时代青铜器时代铁器（钢铁）时代（现代）电子材料或新材料时代（？）二、现代工程与材料 见 下 图 当代文明的三大支柱：材料 能源 信息+（近年）生命科学（生物工程）全球新技术革命的重要标志：新材料技术、新能源技术、信息技术和生物技术 F-14飞机飞机F-117隐形战斗机隐形战斗机C-130运输机运输机航天飞机航天飞机导导弹弹轿车局部零部件成形方法及材料轿车局部零部件成形方法及材料三、机械专业学生与材料 未来的工程技术人员、研发人员和管理人员 从事工作：机械设计

2、、制造、维护等（要进行 选材、用材）提出技术要求材料 选择备料热、冷加工适当的热 处理精加工成品检验使用。四、课程性质、主线与内容课程性质：机类专业技术根底课课程主线：工程要求力学及其他负荷特征 对应的材料性能材料选择材料 成型加工特征、提高材料性能的热 处理与外表处理常见工程材料及 其典型应用。必须掌握：材料特征、性能 （第12章）材料的加工性及加工中的性能变化（第34章）材料的具体应用 （第514章）关键：具体工况（应用）下正确、科学合理选材和确定加 工路线与应用。例例1：吊重物（：吊重物（25t）（1）假设用铸铁杆，需截面）假设用铸铁杆，需截面25.425.4mm，单，单位杆长的重量位杆

3、长的重量5.95kg/m。（2）假设用钢杆，需截面）假设用钢杆，需截面14.214.2mm，单，单位杆长的重量位杆长的重量2.00kg/m。（3）假设用芳纶纤维，需截面）假设用芳纶纤维，需截面7.627.62mm，单位杆长的重量，单位杆长的重量0.093kg/m。综合考虑：用钢丝绳（综合考虑：用钢丝绳（兼有高强度、柔软性、长寿命兼有高强度、柔软性、长寿命及及价格）价格）例例2：各种刀具、齿轮、主轴；用什么材料为佳，如何：各种刀具、齿轮、主轴；用什么材料为佳，如何加工处理？加工处理？课程与教材特色：立足工程实际、面向应用，充分体课程与教材特色：立足工程实际、面向应用，充分体现工程性。现工程性。工

4、程领域对材料性能的要求工程领域对材料性能的要求工程领域对材料性能的要求工程领域对材料性能的要求 兰州理工大学材料科学与工程学院兰州理工大学材料科学与工程学院第第1章章第一篇第一篇工程材料的性能和工程材料的性能和根本特征根本特征本章主要内容本章主要内容1.1 工程构件与机械零件所受各种负荷概述工程构件与机械零件所受各种负荷概述1.2 工程设计制造所需要的材料力学性能工程设计制造所需要的材料力学性能1.3 工程设计制造所需的材料理化性能工程设计制造所需的材料理化性能1.5 工程材料的类型及主要特征工程材料的类型及主要特征1.4 工程材料的加工工艺性能工程材料的加工工艺性能负荷负荷零件零件可能产生各

5、种损伤可能产生各种损伤（严峻时）失效（严峻时）失效1.1.11.1.1力学负荷（力学负荷（力学负荷（力学负荷（mechanicalloadmechanicalload）加载形式：拉伸与压缩加载形式：拉伸与压缩、剪切、扭转、弯曲、以及组合剪切、扭转、弯曲、以及组合加载加载(如车床主轴如车床主轴)。效应：变形效应：变形严峻时破坏（断裂等）。严峻时破坏（断裂等）。交变载荷：周期性变化，如齿轮交变载荷：周期性变化，如齿轮冲击载荷：瞬时加载，冲击载荷：瞬时加载，如锤击如锤击静载荷静载荷动载荷动载荷载荷性质载荷性质1.11.1工程构件与机械零件所受各种负荷概述工程构件与机械零件所受各种负荷概述工程构件与机

6、械零件所受各种负荷概述工程构件与机械零件所受各种负荷概述图图1-1 1-1 受力杆件受力杆件 图图1-2 1-2 铆钉联结铆钉联结图图1-3 1-3 方向盘方向盘图图1-4 1-4 火车轮轴火车轮轴图图1-5 1-5 周期变动载荷示意图周期变动载荷示意图(a)(a)交变载荷交变载荷 (b)(b)重复载荷重复载荷 (c)(c)随机变动载荷随机变动载荷 （a a）（b b）(c)(c)温度因素（温度因素（temperatureeffects）：高温、低温、热冲击。：高温、低温、热冲击。（1 1）TT，材料强度，材料强度，材料强度，材料强度（2 2）高温下材料强度随加载时间延长而降低）高温下材料强度

7、随加载时间延长而降低）高温下材料强度随加载时间延长而降低）高温下材料强度随加载时间延长而降低 T0.3TmT0.3Tm，很小应力下的缓慢变形，很小应力下的缓慢变形，很小应力下的缓慢变形，很小应力下的缓慢变形（3 3）温度反复变化，产生热应力）温度反复变化，产生热应力）温度反复变化，产生热应力）温度反复变化，产生热应力（4 4）急热急冷产生的热振或热冲击）急热急冷产生的热振或热冲击）急热急冷产生的热振或热冲击）急热急冷产生的热振或热冲击（5 5）温度交替变化，次数较多引起热疲劳）温度交替变化，次数较多引起热疲劳）温度交替变化，次数较多引起热疲劳）温度交替变化，次数较多引起热疲劳（6 6）低温下的

8、材料脆化）低温下的材料脆化）低温下的材料脆化）低温下的材料脆化1.1.21.1.2热负荷热负荷热负荷热负荷产生物理、化学作用；摩擦磨损及老化等产生物理、化学作用；摩擦磨损及老化等腐蚀作用：腐蚀作用：化化学学腐腐蚀蚀、电电化化学学腐腐蚀蚀和和物物理理溶溶解解（详详细细情情况况和和选选材材见见第第12章）。章）。摩擦磨损作用：摩擦磨损作用：接接触触零零件件间间相相对对运运动动时时发发生生摩摩擦擦，零零件件在在摩摩擦擦过过程程中中其其外外表表发发生生尺尺寸寸变变化化和和物物质质耗耗损损的的现现象象，磨磨损损引引起起功功和和能能消消耗耗、噪噪声声等等。磨磨损损是是零零件件外外表表材材料料的的逐逐渐渐失

9、失去去，常常见见类类型型有有黏黏着着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和外表疲劳磨损。磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和外表疲劳磨损。1.1.31.1.3环境介质的作用环境介质的作用环境介质的作用环境介质的作用老化作用（老化作用（degradation）各各种种环环境境因因素素作作用用下下材材料料性性能能的的逐逐渐渐退退化化、变变坏坏，最最终终丧丧失失使使用用价价值值的的现现象象。例例轮轮胎胎龟龟裂裂、发发粘粘，塑塑料料变变硬硬变脆。变脆。老化的环境因素：温度、日光、电、辐射、应力、化学老化的环境因素：温度、日光、电、辐射、应力、化学介质等。介质等。一、整机性能、零部件性能与材料性能材料的强度及其它力学性能零部

10、件尤其关键件的强度机器的性能在合理设计制造根底上零件 部件 机器如变速器、齿轮箱如齿轮、螺钉如机床1.21.2工程设计制造所需要的的材料性能工程设计制造所需要的的材料性能工程设计制造所需要的的材料性能工程设计制造所需要的的材料性能(1)(1)(1)(1)拉伸试验和应力拉伸试验和应力拉伸试验和应力拉伸试验和应力应变应变应变应变曲线曲线曲线曲线弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形断裂断裂(2)(2)(2)(2)弹性和刚度弹性和刚度弹性和刚度弹性和刚度e弹性极限弹性极限弹性零件的设计依据弹性零件的设计依据 EE/E称为材料的刚度称为材料的刚度弹性模量的比较：陶瓷金属高分子材料。弹性模量的比较：陶瓷金属高

11、分子材料。工程应用：工程应用：要求低要求低E（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫子。（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫子。要求高要求高E（保持固有形状能力强），如主轴（保持固有形状能力强），如主轴，钻杆。，钻杆。要求要求E比刚度（比刚度（E/）大（轻而不易变形），如航空航天）大（轻而不易变形），如航空航天,碳纤碳纤维复合材料维复合材料Ti合金合金Al合金钢铁等。合金钢铁等。1.2.21.2.2工程材料的力学性能工程材料的力学性能工程材料的力学性能工程材料的力学性能（a a）低碳钢的应力）低碳钢的应力-应变曲线应变曲线 （b b）原始及拉断试样）原始及拉断试样图图1-6 1-6 低碳钢的应力低

12、碳钢的应力-应变图应变图(3)(3)(3)(3)强度、塑性和黏弹性强度、塑性和黏弹性强度、塑性和黏弹性强度、塑性和黏弹性强度强度材料抵抗变形和断裂的能力。材料抵抗变形和断裂的能力。塑性塑性材料产生塑性变形的能力。材料产生塑性变形的能力。屈服强度屈服强度s（0.2）=Ps/F（MPa）,是零件最重要的设计指标。是零件最重要的设计指标。抗拉强度抗拉强度b=Pb/F，也是重要的设计指标，数据易得。，也是重要的设计指标，数据易得。比比强强度度s/及及b/，单单位位质质量量的的强强度度：水水泥泥0.8，木木材材12.5，钢钢5.2，铝，铝11.1，Ti13.3，碳纤维，碳纤维160.9。延伸率延伸率=（

13、l1l0）/l0100%。断面收缩率断面收缩率=（F0F1）/F0100%。塑性不能直接作为设计指标，但可作为参考指标塑性不能直接作为设计指标，但可作为参考指标黏弹性黏弹性(4)(4)(4)(4)硬度（硬度（硬度（硬度（hardnesshardness）材料的软硬程度，用压痕深度或面积表征。材料的软硬程度，用压痕深度或面积表征。压痕深或面积大，材料软；反之硬。压痕深或面积大，材料软；反之硬。测量方便，一般属无损检测。测量方便，一般属无损检测。硬度与强度、塑性存在一定的关系。硬度是零件设计时的硬度与强度、塑性存在一定的关系。硬度是零件设计时的主要力性技术要求。主要力性技术要求。零件中、高硬度要求

14、时，用洛氏硬度零件中、高硬度要求时，用洛氏硬度 30 70HRC 标注公差标注公差 35HRC。零件中、低硬度要求时，用布氏硬度零件中、低硬度要求时，用布氏硬度 100 450HBS 标注公差标注公差 3050HBS。布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度(5)(5)(5)(5)冲击韧性（冲击韧性（冲击韧性（冲击韧性（impacttoughnessimpacttoughness）材材料料在在冲冲击击载载荷荷作作用用下下抵抵抗抗破破坏坏的的能能力力，常常用用缺缺口口试试样样冲冲断所汲取的功。断所汲取的功。冲冲击击功功高高，韧韧性性材材料料如如钢钢筋筋；冲冲击击功功低低，脆脆性

15、性材材料料如如玻玻璃璃、陶瓷、铸铁。陶瓷、铸铁。局部材料室温韧性好、低温变脆局部材料室温韧性好、低温变脆存在延性存在延性脆性转折。脆性转折。(6)(6)(6)(6)疲劳强度（疲劳强度（疲劳强度（疲劳强度（fatiguelimitfatiguelimit）周期变动应力下的材料强度。周期变动应力下的材料强度。b一次寿命一次寿命-1有限寿命有限寿命-1“永永”不破坏，无限寿命。不破坏，无限寿命。-1=(0.450.55)b见图见图见图见图1-71-7见图见图见图见图1-81-8见图见图见图见图1-1-9 9图图1-7 1-7 试样冲击示意图试样冲击示意图图图1-8 1-8 冷脆转变温度冷脆转变温度图

16、图1-9 1-9 疲劳曲线和对称循环交变应力图疲劳曲线和对称循环交变应力图（a a）疲劳曲线）疲劳曲线（b b）对称循环交变应力）对称循环交变应力材料加工成形的难易程度，不同材料很不一样。所以材料加工成形的难易程度，不同材料很不一样。所以加工方法各不相同。加工方法各不相同。金属：金属：铸造工艺性铸造工艺性(充型能力、收缩大小、偏析倾向等充型能力、收缩大小、偏析倾向等),灰铸铁、青铜灰铸铁、青铜好。好。可锻性可锻性(变形能力、变形难易等变形能力、变形难易等),低碳钢、有色金属好。低碳钢、有色金属好。可焊性可焊性(易施焊且不易产生缺陷等易施焊且不易产生缺陷等),钢铁材料中低碳钢好。钢铁材料中低碳钢

17、好。1.31.3工程设计制造所需的材料理化性能（自学）工程设计制造所需的材料理化性能（自学）工程设计制造所需的材料理化性能（自学）工程设计制造所需的材料理化性能（自学）1.41.4工程材料的加工工艺性能工程材料的加工工艺性能工程材料的加工工艺性能工程材料的加工工艺性能切削加工性切削加工性(断屑、粗糙度、刀具磨损等断屑、粗糙度、刀具磨损等),),灰铸铁好。灰铸铁好。热处理工艺性热处理工艺性(接受淬火、变形开裂倾向等接受淬火、变形开裂倾向等),),合金钢好。合金钢好。塑料：塑料：多注射（塑）成形，易成形，易加工（包括后续加工）。多注射（塑）成形，易成形，易加工（包括后续加工）。陶瓷：陶瓷：多粉末烧

18、结成形，难以切削加工。多粉末烧结成形，难以切削加工。按使用功能分类：按使用功能分类：按使用功能分类：按使用功能分类：结构材料（结构材料（structuralmaterial）：）：实实现现运运动动、传传递递运运动动，承承担担力力、负负荷荷为为主主（机机械械工工程程等等）。功能材料（功能材料（functionalmaterial）：）：利利用用其其理理化化功功能能为为主主，力力性性为为辅辅（导导电电材材料料、磁磁盘盘、光光纤等）。纤等）。按成分分类按成分分类按成分分类按成分分类三大类或四大类材料（加复合材料）。三大类或四大类材料（加复合材料）。三大类或四大类材料（加复合材料）。三大类或四大类材料

19、（加复合材料）。1.51.5工程材料类型及主要特征工程材料类型及主要特征工程材料类型及主要特征工程材料类型及主要特征1.5.11.5.1工程材料的分类工程材料的分类工程材料的分类工程材料的分类金属材料的特征（金属材料的特征（metals）优优点点：兼兼有有良良好好力力性性(较较高高强强度度、刚刚度度、塑塑性性、韧韧性性)及及某某些些理理化化性性能能(良良好好导导电电、导导热热性性等等)和和较较好好的的工工艺艺性性，价价格格廉廉价价或或适适中中。大大量量用用作作结结构材料，局部用作功能材料。构材料，局部用作功能材料。缺点：资源有限；特高温及特殊介质中不能胜任。缺点：资源有限；特高温及特殊介质中不

20、能胜任。高分子材料的特征（高聚物，高分子材料的特征（高聚物，polymer）优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量轻，优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量轻，加工性好，原料丰富。加工性好，原料丰富。缺点：力性尤其强度低；不耐高温（缺点：力性尤其强度低；不耐高温（300）；易老化）；易老化易燃。易燃。1.5.21.5.2各类材料的特征各类材料的特征各类材料的特征各类材料的特征陶瓷材料的特征陶瓷材料的特征（ceramics无机非金属材料，金属与非金属的化合物如无机非金属材料，金属与非金属的化合物如Al2O3、SiC）优点：优良理、化性能优点：优良理、化性能(耐蚀、光、电、热学性能

21、，绝缘性耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等能等)及极好的耐高温性能，且原料来源广泛。主要及极好的耐高温性能，且原料来源广泛。主要用在特殊场合用在特殊场合(特殊陶瓷特殊陶瓷)及日常及日常(传统陶瓷传统陶瓷)。缺点：性脆、难加工，可靠性差。缺点：性脆、难加工，可靠性差。复合材料的特征（复合材料的特征（composites两种或多种材料复合而成）两种或多种材料复合而成）优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要进行人为设计、制造。进行人为设计、制造。缺点：目前性能高的价贵。缺点：目前性能高的价贵。作业：教材作业：教材作业：教材作业：教材 P18-191P18-191，2 2，3 3，4 4，8 8。走进工程材料走进工程材料v1 纽约世贸大厦坍塌的材料学追思纽约世贸大厦坍塌的材料学追思v2 鸟巢、水立方和大峡谷鸟巢、水立方和大峡谷“玻璃桥玻璃桥”用材用材走进工程材料走进工程材料1燃烧的世贸大厦燃烧的世贸大厦 走进工程材料走进工程材料2中国国家体育场中国国家体育场 低合金高强度钢低合金高强度钢 中国国家大剧院中国国家大剧院 钛合金钛合金 中国国家游泳中心中国国家游泳中心 乙烯乙烯-四氟乙烯共聚物四氟乙烯共聚物 大峡谷空中走廊大峡谷空中走廊 玻璃玻璃 演讲完毕，谢谢观看！