材料的分類與性能

1、第一篇第一篇 工程材料概論工程材料概論u 材料與人類文明材料與人類文明u 材料科學(xué)與機(jī)械工程材料科學(xué)與機(jī)械工程u 材料分類與性能材料分類與性能一、材料的分類一、材料的分類 二、工程材料的性能二、工程材料的性能1.3 材料的分類與性能材料的分類與性能一、材料的分類一、材料的分類材料材料有機(jī)材料有機(jī)材料無機(jī)材料無機(jī)材料 金屬金屬高分子高分子陶瓷陶瓷復(fù)合材料復(fù)合材料工程材料分類工程材料分類What?What? 各類材料的性能特點各類材料的性能特點金屬材料金屬材料主要為金屬鍵。主要為金屬鍵。熱和電的良導(dǎo)體熱和電的良導(dǎo)體具有良好的強(qiáng)度與延展性以及金屬光具有良好的強(qiáng)度與延展性以及金屬光澤澤陶瓷材料陶瓷材料

2、通常為離子鍵或共價鍵。通常為離子鍵或共價鍵。絕緣體而且比較耐熱。絕緣體而且比較耐熱。高分子材料高分子材料通常為共價鍵、分子通常為共價鍵、分子鍵和氫鍵，以共價鍵為主。鍵和氫鍵，以共價鍵為主。分子結(jié)構(gòu)都非常巨大分子結(jié)構(gòu)都非常巨大通常密度較低，在高溫下不穩(wěn)定。通常密度較低，在高溫下不穩(wěn)定。復(fù)合材料復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)性能的復(fù)合. .玻璃纖維增強(qiáng)高分子玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料復(fù)合材料一、材料的分類一、材料的分類 二、工程材料的性能二、工程材料的性能1.3 材料的分類與性能材料的分類與性能鑄造性鑄造性能能可鍛性可鍛性能能可焊性可焊性能能切削加工性切削加工性能能熱處理性熱處理性能能工程材料的性能工

3、程材料的性能 使用性能使用性能力學(xué)性能力學(xué)性能物理性能物理性能化學(xué)性能化學(xué)性能 工藝性能工藝性能 二、工程材料的性能二、工程材料的性能表征材料在給定外界條件下的行為表征材料在給定外界條件下的行為材料的性能材料的性能材料在外加載荷（外力或能量）作用下或載荷與環(huán)境材料在外加載荷（外力或能量）作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)出來的行因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)出來的行為。為。主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。 機(jī)械設(shè)計中應(yīng)首先考慮材料的力學(xué)性能。通俗地講力機(jī)械設(shè)計中應(yīng)首先考慮材料的力學(xué)性能。通俗地講力

4、學(xué)性能決定了學(xué)性能決定了在多大和怎樣形式的載荷條件下而不致于改在多大和怎樣形式的載荷條件下而不致于改變零件幾何形狀和尺寸的能力變零件幾何形狀和尺寸的能力。（一）力學(xué)性能（一）力學(xué)性能指標(biāo)指標(biāo): : 彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度等。彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度等。工程材料的機(jī)械性能工程材料的機(jī)械性能 材料在受力時的性質(zhì)材料在受力時的性質(zhì)1、靜載單向拉伸應(yīng)力、靜載單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 拉伸機(jī)上，低拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線靜拉伸曲線 拉伸試驗拉伸試驗機(jī)機(jī)曲線分為四階段：曲線分為四階段：1）階段）階段I（oab）彈性變形彈性變形階段階段poa段

5、段：L P 直線階段直線階段pab段段：極微量塑性變形：極微量塑性變形（0.001-0.005%)pa: Pp pb: Pe （不產(chǎn)生永久變形的（不產(chǎn)生永久變形的最大抗力）最大抗力）2）階段）階段II（bcd）段）段屈服變屈服變形形pc: 屈服點屈服點 Ps屈服現(xiàn)象：金屬材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的標(biāo)志。屈服現(xiàn)象：金屬材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的標(biāo)志。3）階段）階段III（dB）段）段均勻均勻塑性變形階段塑性變形階段pB: Pb 材料所能承受的最材料所能承受的最大載荷大載荷4）階段）階段IV(BK) 段段局部集局部集中塑性變形中塑性變形1. 低鋼低鋼,正火正火/退火調(diào)質(zhì)中鋼，低、中退火調(diào)質(zhì)中鋼，低

6、、中C合金鋼某些合金鋼某些Al合金合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。及某些高分子材料具有類似上述曲線。2. 鑄鐵、陶瓷：只有第鑄鐵、陶瓷：只有第I階段階段3. 中、高碳鋼：沒有第中、高碳鋼：沒有第II階段階段頸縮頸縮2、材料的強(qiáng)度、材料的強(qiáng)度(strength) 材料所能承受的極限應(yīng)力材料所能承受的極限應(yīng)力. 單位：單位： MPa(MN/mm2) 公式：公式：=P/Fo 物理意義物理意義: :材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。 抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度 、 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 、 抗扭強(qiáng)度等?？古?qiáng)度等。1 1）屈服

7、強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s s (yield strength)(yield strength)和和條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度0.20.2 a:a: 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s s （s s代表材料開始明顯塑性變形的抗力代表材料開始明顯塑性變形的抗力, ,是設(shè)計和選材的主要依是設(shè)計和選材的主要依據(jù)之一。）據(jù)之一。） Pss = ( M pa ) F0試樣屈服時的載荷試樣屈服時的載荷( N )試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)b:b: 條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.20.2 （中高碳鋼、無屈服點，國家標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生一定的微量塑性變形的抗（中高碳鋼、無屈服點，國家標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生一定的微量塑性變形的抗力的極限應(yīng)力值來

8、表示。）力的極限應(yīng)力值來表示。）注：脆性材料設(shè)計和選材依據(jù)注：脆性材料設(shè)計和選材依據(jù)b 如：灰口鑄鐵如：灰口鑄鐵 P0.2 0.2 = ( M pa ) F0試樣產(chǎn)生試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時的載荷殘余塑性變形時的載荷(N)試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)2 2）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(tensile strength)(tensile strength) 材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值（材料抵抗外力而不致斷裂材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值）。的極限應(yīng)力值）。 PB b = ( M pa ) F0試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N)試樣原

9、始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)3 3）疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度-1-1 ( fatigue strength )( fatigue strength ) n 疲勞現(xiàn)象：疲勞現(xiàn)象： 承受載荷的大小和方同隨時間作周期性變化承受載荷的大小和方同隨時間作周期性變化交變應(yīng)力交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。發(fā)生斷裂。（80%的斷裂由疲勞造成）的斷裂由疲勞造成）n 影響因素：影響因素： 循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。應(yīng)力等

10、。n 疲勞極限-1 -1 ： 材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。斷裂的最高應(yīng)力值。陶瓷、高分子材料疲勞抗力很低；陶瓷、高分子材料疲勞抗力很低；金屬材料疲勞強(qiáng)度較高；金屬材料疲勞強(qiáng)度較高；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料較好的抗疲勞性能。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料較好的抗疲勞性能。鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系: : -1-1 = (0.45 = (0.450.55)0.55)b b 過載持久值過載持久值n 條件疲勞極限： 經(jīng)受經(jīng)受107次應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最次應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。大應(yīng)力值。鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取鋼材的循環(huán)次

11、數(shù)一般取 N = 10N = 107 7有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10N = 108 83、塑性、塑性 (plasticity):材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。能力。Lk:試樣拉斷后最終標(biāo)距長度延伸率與試樣尺寸有關(guān)，延伸率與試樣尺寸有關(guān)， 5 , 10 (Lo/do=5, 10)1 1）延伸率延伸率（specific elongationspecific elongation） 10% 屬塑性材料屬塑性材料 是指試樣拉斷后的是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長量標(biāo)距伸長量L L與原始與原始標(biāo)距標(biāo)距L L0 0之比。之比

12、。u =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100%u 越大，塑性愈好越大，塑性愈好u KIC時，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)時，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生脆斷。生脆斷。uKIKIC時，裂紋處于臨界狀態(tài)時，裂紋處于臨界狀態(tài)uKI 鑄鐵（灰口）鑄鐵（灰口） 鑄鋼（共晶點附近最好）鑄鋼（共晶點附近最好）2.2.鍛造性能（塑性、變形抗力）鍛造性能（塑性、變形抗力）低碳鋼低碳鋼 中碳鋼（低合金鋼）中碳鋼（低合金鋼） 高碳鋼（高合金鋼）鑄鐵不可鍛高碳鋼（高合金鋼）鑄鐵不可鍛壓壓3.3.焊接性能（可焊性、焊后開裂的傾向、焊區(qū)硬度）焊接性能（可焊性、焊后開裂的傾向、焊區(qū)硬度）低碳鋼低碳鋼 中碳鋼（低合金鋼）中碳鋼（低合金鋼）

13、高碳鋼（高合金鋼）高碳鋼（高合金鋼） 銅、鋁合銅、鋁合金金4.4.切削性能（切削難易程度、加工表面質(zhì)量）切削性能（切削難易程度、加工表面質(zhì)量）5.5.熱處理工藝性能（熱處理難易程度及產(chǎn)生缺陷的傾向）熱處理工藝性能（熱處理難易程度及產(chǎn)生缺陷的傾向）淬透性、變形和開裂、過熱敏感性、回火脆化和氧化脫碳等淬透性、變形和開裂、過熱敏感性、回火脆化和氧化脫碳等作業(yè)1.什么是機(jī)械工程材料?試舉幾種常見工程材料并簡述其作用。2.圍繞材料與工程的核心關(guān)系是什么？3.機(jī)械零件用工程材料的常見失效形式有哪些? 并簡述其特點.4. 簡述材料選擇的原則.5. 名詞解釋：彈性模量、屈服極限、條件屈服用強(qiáng)度、疲勞極限6. 什么是屈服現(xiàn)象？它的物理意義是什么？為什么有的材料還要規(guī)定條件屈服強(qiáng)度？ 7. 何為斷裂韌性？請簡述如何根據(jù)材料