工程材料的基本知识

第四章 工程材料的基本知識 工程材料的基本知識
§4-1 工程材料的種類及性能 常用金屬 §4-2 常用金屬材料 §4-3 非金屬材料 §4-4 金屬材料的熱處理 §4-5 材料成型技術簡介
§4-1 工程材料的種類及性能
常用工程材料的種類 1. 常用工程材料的種類 1)金 材料: 包括黑色金屬 鋼鐵） 1)金屬材料: 包括黑色金屬（鋼鐵）和有色 金屬材料 工程陶瓷: 2)工程陶瓷 由金屬和非金屬 2)工程陶瓷: 由金屬和非金屬元素的化合物 所構成的各種無機非金 成的各種無機非金屬 所構成的各種無機非金屬材料 3)有 高分子材料：工程中常見的有塑料、 3)有機高分子材料：工程中常見的有塑料、 橡膠和膠黏劑 4)複合材料： 上述兩種或多種單一材料人工 4)複合材料：將上述兩種或多種單一材料人工 兩種或多種單 合成在 合成在一起的材料
( 2 ) 橡膠 以生膠為基礎加入適量的填加劑組成的高分子 以生膠為 劑組成的高分子 以生膠為基 加入適量的填加劑組 彈性體 分類 分 天然橡膠：從天然植物中採集到的一種聚乙戊 天然橡膠 天然植物中採集到的一種 天然橡 二烯為主要成分的高聚物， 來製造 二烯為主要成分的高聚物，用來製造輪胎，也 膠帶、 管及各種 膠製品 如刹車 可製作膠帶、膠管及各種橡膠製品，如刹車皮 合成橡膠：基本性能和用途與天然橡膠相似，可 合成橡膠 基本性能和用途與天然橡膠相似， 某些特殊場 如耐高温、低温的矽 用於某些特殊場合，如耐高温、低温的矽橡膠， 耐油的聚硫橡膠和丁腈橡膠 特别耐腐蝕 耐油的聚硫橡膠和丁腈橡膠，特别耐腐蝕的氟橡 膠等 。
Fatigue test
6）力學性能-耐磨性 性能材料在一定工作條件下抵抗磨損的能力。 材料在一定工作條件下抵抗磨損的能力。 體積磨 量磨損量和長度磨損 來評定 用體積磨損量、質量磨損量和長度磨損量來評定。
(2)工程材料的物理、化學及加工性能 工程材料的物理、 物理性能：指材料在重力、 物理性能：指材料在重力、電磁場、熱力等物理 因素作用下所表現出來的性能或屬 因素作用下所表現 的性能或屬 包括材料的密度、熔点、導電性 性，包括材料的密度、熔点、導電性、 磁性能、導熱性 磁性能、導熱性、熱膨脹性等 性能：主要指材料的抗氧化性、耐蝕性和耐酸 化學性能：主要指材料的抗氧化性、耐蝕性和耐酸 性等，反映了材料在常温或高温環 性等，反映了材料在常温或高温環境下 抵抗各種化學作用的能力。 種化學作用的能力 抵抗各種化學作用的能力。 材料加工性能：指材料對各種加工方式的適應性 材料加工性能：指材料對 加工方式的適應性 方式
常用金屬 §4-2 常用金屬材料
和合金鋼 1. 碳鋼和合金鋼 碳鋼 ：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼 合金鋼 各種金屬合金 合金鋼：各種金屬合金鋼 合金鋼 2. 鑄鐵 灰鑄鐵 球墨灰鑄鐵 球墨灰鑄鐵 可鍛鑄鐵 合金鑄鐵 合金鑄鐵 有色金屬 3. 有色金屬材料
碳鋼 低碳鋼：含碳量低於 0.30% 強度較差， 強度較差，但有較好的成型性 中碳鋼：含碳量在 0.30% ~ 0.50% 中等強度、延展性及硬度 中等強度、 高碳鋼：含碳量在 0.50% ~ 0.95% 具較耐磨耗特性， 具較耐磨耗特性，故適用於表面 長久受到磨耗之工具，如農具。 長久受到磨耗之工具，如農具。
3）力學性能-硬度 性能硬度是衡量材料軟硬程度的指標 硬度越高， 硬度是衡量材料軟硬程度的指標。硬度越高， 表示材料抵抗局部塑性變形的能力越大， 表示材料抵抗局部塑性變形的能力越大，材料 的耐磨性也較好 也較好。 的耐磨性也較好。 勃式硬度 用 HB 表示 洛式硬度 用 HRB(較軟金屬)或 HRC(較硬金屬)表示 HRB(較軟金屬) HRC(較硬金屬) 較軟金屬 較硬金屬
灰鑄鐵 生產過程簡單， 强度高，耐磨性、 生產過程簡單，抗壓强度高，耐磨性、消振 性好， 强度稍 性差， 性好，抗拉强度稍低，韌性差，常應用於引 擎汽缸體、機械底座、支架等。 擎汽缸體、機械底座、支架等。 球墨灰鑄鐵 球墨灰鑄鐵 為可熱處理的鑄鐵，具中高強度與好的切削性， 為可源自文库處理的鑄鐵，具中高強度與好的切削性， 強度與好的切削性 可應用於製造曲柄軸、連桿等。 可應用於製造曲柄軸、連桿等。 可鍛鑄鐵 強度、軔性與塑性都較灰鑄鐵佳， 強度、軔性與塑性都較灰鑄鐵佳，可應用於製 造曲柄軸、 造曲柄軸、連桿等
應力σ = P A0 應變 ε = (L L0 ) / L0
(1) 彈性極限 = σ e 彈性模數 E = σ ε ( 2) 降伏極限 = σ y
(3) 抗拉強度 = σ u
2）力學性能-塑性 性能材料在外力作用下產生塑性變形而不斷裂的能力 材料在外力作用下產生塑性變形而不斷
L1 L0 伸長率 δ = × 100% L0
3. 複合材料 合材料的組成及性能特點 1）複合材料的組成及性能特點 複合材料至少由兩大類組成：基體相和增强相 合材料至少由兩 類組成 具有高比强度和比剛 高的抗疲勞 具有高比强度和比剛度、高的抗疲勞性、高的 斷裂韌性 强的減震能力、高温性能好、 斷裂韌性、强的減震能力、高温性能好、抗潛 變能力强 以及優良的減摩性和耐蝕性 力强、 耐蝕性等特 變能力强、以及優良的減摩性和耐蝕性等特 有良好的加工性能。 點，它還有良好的加工性能。 常用複 2）常用複合材料 纖維增强複合材料 層疊增强複合材料 纖維增强複 層疊增强 纖維增强 層疊增强複 骨架複 骨架 顆粒增强複合材料 骨架複合材料 顆粒增强複
§4-3 非金屬材料
1. 常用高分子材料 (1)塑料 (1)塑料 2. 陶瓷 3. 複合材料 (2)橡 (2)橡膠
1. 常用高分子材料 (1)塑料 以樹脂為主要成分的有機高分子固體材料 以 主要成分的有機高分子固體 質量輕、比强度高，耐腐蝕性好，絕緣性能優 質 比强度高，耐腐蝕性好，絕緣性能 性能優 耐磨及自潤滑性能突出， 異，減摩擦、耐磨及自潤滑性能突出，消音吸 振性强，易成型加工，以及其它特殊性能 。 振性强，易成型加工， 分類 分 脂受熱後 熱後性 塑性塑料、 按樹脂受熱後性質：熱塑性塑料、熱固性塑料 按塑料使用範圍：通用塑料、工程塑料和特種 按塑料使用範圍：通用塑料、工程塑料和特種 範圍 塑料
Rockwell Hardness Test 洛式) (洛式)
4）力學性能-衝擊韌性 性能材料在衝擊負荷作用下抵抗斷裂的一種能力， 材料在衝擊負荷作用下抵抗斷裂的一種能力， 衝擊負荷作用下抵抗 標準試樣受衝擊器作用所吸收的能量表示 吸收的能量表示。 用標準試樣受衝擊器作用所吸收的能量表示。
5）力學性能-疲度強度 性能材料在無數次重複“ 變應力 作用下， 材料在無數次重複“交變應力”作用下，而不引 無數 裂的最大應力 大應力值 起斷裂的最大應力值。
2. 陶瓷 用各種粉狀原料做成一定形狀後，在高温窯爐 用各種 原料做成一定形狀後，在高温窯 用各 狀後 燒製而成的一種無機非金 而成的一種無機非 中燒製而成的一種無機非金屬固體材料 具有硬度高、抗壓强度大、耐高温、不怕氧化 具有硬度高、 具有硬度高 强度大、耐高温、 和腐蝕 隔熱絕緣性能好等特性 和腐蝕、隔熱絕緣性能好等特性 分類 分 普通陶瓷： 泛用於 普通陶瓷：廣泛用於建築、日用、衛生、化工、 日用、 化工、 紡織、高低壓電器等行業 結構件和用品 壓電器等行 紡織、高低壓電器等行業的結構件和用品 陶瓷： 氧化物陶瓷、 碳化物陶瓷、 特 種 陶瓷 ： 氧化物陶瓷 、 碳化物陶瓷 、 氮化物 陶瓷
合金鋼 合金鋼 鎳可改良材料的韌性、硬化能及抗腐蝕能力 可改良材料的韌性、
(硬化能愈大，代表鋼材在同一種淬火條件下能被硬化 硬化能愈大， 的深度愈深， 的深度愈深，但硬化能大並不代表能經由淬火而獲得 更大的硬度。 更大的硬度。)
鉻可增加硬化能、抗磨耗的能力、高溫強度， 可增加硬化能、抗磨耗的能力、高溫強度， 尤其高濃度的鉻可大大提高抗腐蝕的能力， 尤其高濃度的鉻可大大提高抗腐蝕的能力，所 以是不銹鋼的重要成份。 不銹鋼的重要成份 以是不銹鋼的重要成份。 硫、磷、鉛可改良鋼的切削性
將鋼件加 到某一温度以上，保温一段時 淬火 將鋼件加熱到某一温度以上，保温一段時 將鋼件 以大於臨界冷卻速度冷卻 於臨界冷 間，然後以大於臨界冷卻速度冷卻，以獲 麻田散鐵組織的熱處理 得麻田散鐵組織的熱處理過程 目的使材料的硬度與強度增加，但材料也 目的使材料的硬度與強度增加， 目的使材料的硬度與強度增加 會變的較脆 會變的較脆。 回火 回火就是把已經淬火的鋼件重新加熱到某 回火就是把已經 回火就是把已 淬火的鋼件重新加熱 一温度，適當保温 保温後 到室温的熱處 一温度，適當保温後，冷卻到室温的熱處 過程。 理過程。 目的可改良鋼的抗拉強度與降伏強度，並 目的可改良鋼的抗拉強度與降伏強度， 目的可改良鋼的抗拉強度與降伏強度 增加材料的延性。 增加材料的延性。
的表面熱處 熱處理 2. 鋼的表面熱處理 表面淬火 通過快速加熱，使鋼件在預定厚度達到相變化， 在預定厚度達到相變化， 通 快速加熱 然後再立即淬火。 然後再立即淬火。 目的是使表層獲得高硬度、高耐磨性的麻田散組 目的是使表層獲得高硬度、 目的是使表層獲得高硬度 高耐磨性的麻田散組 而心部仍保持原來的塑性和韌性都較 織，而心部仍保持原來的塑性和韌性都較好的退 常化組織。 火、正常化組織。 學熱處理 化學熱處理 件置於特定的介質 加熱和保温 使介質 保温， 鋼件置於特定的介質中加熱和保温，使介質中的 活性原子滲 件表層 造成表 化學成份和 活性原子滲入鋼件表層，造成表層的化學成份和 組織改 而達到材料表面性能變化之目的 性能變化之目 組織改變，而達到材料表面性能變化之目的。 碳氮共滲 滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鉻、滲鋁等
§4-1 工程材料的種類及性能
2. 工程材料的主要性能 (1)工程材料的力學性能 工程材料的力學 1）强度 2）塑性 3）硬度 4）衝擊韌性 5）疲勞强度 6）耐磨性 (2)工程材料的物理、化學及加工性能 工程材料的物理、
1）力學性能-强度 性能强度是指在外力作用下材料抵抗變 與斷裂的能力 强度是指在外力作用下材料抵抗變形與斷裂的能力
§4-4 金屬材料的熱處理
1. 鋼的整體熱處理 的整體熱處 體熱處理 2. 鋼的表面熱處理 的表面熱處 熱處理
的整體熱處 體熱處理 1. 鋼的整體熱處理 退火 將鋼件加熱到適當温度，保温一定時間， 將鋼件加 將鋼件 適當温度，保温一定時間， 温度 時間 後緩慢冷 慢冷卻 得接近平衡狀態組織 狀態組織的 随後緩慢冷卻以獲得接近平衡狀態組織的 熱處理過程。 熱處理過程。 目的是使組織與成份均匀化、或是消除殘 目的是使組織與成份均匀化、 目的是使組織與成份均匀化 或是消除殘 留應力、或是消除内應 或是消除鋼中 留應力、或是消除内應力、或是消除鋼中 的氫。 正常化 鋼件加熱到某一温度以上，保温適當時間 鋼件加熱到某一温度以上，保温適當時間 在空氣中冷卻 熱處理過程。 後，在空氣中冷卻的熱處理過程。 目的改善鋼的組織和性能，可作為最終熱 目的改善鋼 組織和性能，可作為 目的改善 和性能 理而直接使用。 處理而直接使用。
有色金屬 有色金屬材料 及其合金： 比强度和比剛 度高、 鋁 及其合金 ： 質 量 輕 、 比强度和比 剛 度高 、 導電導熱性好 耐腐蝕 因而廣 泛用於飛機 性好、 導電導熱 性好 、 耐腐 蝕 ， 因而 廣 泛用 於飛機 航空等工業的主要材料。 製造業，成為航空等工業的主要材料。 及其合金： 銅及其合金： 黄銅是以鋅作為主要合金元素的銅合金 是以鋅作為主要合金元素的銅 鋅作為主要合金元素的 錫為主 加元素，有高的耐磨性、 青銅以錫為主添加元素，有高的耐磨性、耐腐 好的力學性能與鑄造性能，常用以製 與鑄造性能 以製造 蝕性，好的力學性能與鑄造性能，常用以製造 耐磨、 及耐蝕零件，如齒輪、軸承等。 耐磨、減摩擦及耐蝕零件，如齒輪、軸承等。 無錫青 無錫青銅比錫青銅具有更高的力學性能、耐磨性 具有更高的力學性能、 耐蝕性，主要有： 青铜， 銅等。 和耐蝕性，主要有：鋁青铜，錳青銅等。