工程传热学——第01章绪论-文档资料

第一节 材料及材料的重要性
一. 什么是材料?其重要意义是什么？
世界是由物质构成的，材料就是人们用来制成各种机器 、器件、结构等具有某种特性的物质实体。材料是人类
社会生活的物质基础，材料的发展导致时代的变迁，推
动人类的物质文明和社会进步。在人类即将进入知识经 济的新时代，材料与能源和信息并列为现代科学技术的
课堂（6％），作业（10％），实验（4％），笔试（80％）
例子： 1、70－80年代电话－80年代后期的程控电话（进入家庭）－ 90年代的光纤通信（个人移动电话的普及） 2、90年代电脑内存28M－后期到56M－21世纪初的256M－现 在的8G 3、磁记录：录像带－VCD－DVD 4、电视机：显像管－等离子－液晶
第一节 材料及材料的重要性
一. 什么是材料?其重要意义是什么？
水平，如隐身飞机，大规模集成电路。
国防 军事 微型 飞机
生物 医疗 血管 潜艇
光电 信息 微型 芯片
精密 仪器 微型 马达
Poem of Tang Dynasty “Yellow Crane Tower” with the minimum line width of 5 µm
第一节 材料及材料的重要性
热膨胀系数α
物理性能
熔点
物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结 合力。 单位是M，其倒数称为电导率 单位℃-1 电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；
电阻与电导 电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。
电阻温度系数 温度上升1℃时，电阻率 的变化系数，
离子导电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。
断裂韧性
20世纪80年代初，某电站大 型汽轮机转子轴断裂。
物理性能
材料的物理性能：是指材料的具有各种物理量(热、电、 光、磁等)以及环境变化时他们的变化程度。 密度与比容 单位体积物质的质量 Kg/M3 单位质量的物质所占的体积 M3/Kg 导热性 物体内温度梯度为1℃/M时，在单位时间、单位 面积内传递的热量 W/(M2.K) 温度上升1℃时，单位长度的伸长量 mm/(℃.mm)或℃-1
机理：滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。
多 脚 虫 的 爬 行
强度与塑性
抗拉强度：σb
材料屈服后，σ 随ε 增加而增加。这 一现象称为加工硬化。到达的最大应 力点 D。此处对应的应力的抗拉强度， 记为σ b。抗拉强度反应材料在破断 之前所承受的最大应力。材料发生断 裂前能承受的最大应力。
塑性：断裂前可发生永久变形的
弹性模量：线性部分斜率
σ＝ E × ε E＝σe/εe 弹性模量表示材料抵抗弹 性变形能力，是材料的刚 度指标。这是材料的固有 特性，反映了材料内部原 子结合键的强弱。
弹性与刚度
汽车板簧
强度与塑性
塑性变形：
当σ超过 A点后，试样除发生弹性 变形外，还发生塑性变形，当外 力卸载后，材料仍保持部分残余 变形――塑性变形。
第二节 材料分类
一、按材料用途分
1 工程材料：主要利用其力学性能，制造结构件的一类材料。 主要有：建筑材料、结构材料 力学性能：强度、塑性、硬度、韧性等
2 功能材料：主要利用其物理、化学性能制造器件的一类材料.
主要有：半导体材料 （Si） 磁性材材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料 1 金属材料：纯金属和合金
第三节 材料的性能
材料的性能： 材料的性能主要包含以下几个方面：
1. 力学性能
2. 物理性能 3. 化学性能 4. 工艺性能
力学性能
材料在外力或能量以及环境因素（温度、 介质）作用下表现出反抗变形或破坏的
能力。
材料的主要力学性能有： • 弹性 • 强度 • 冲击韧性 • 疲劳特性
• 塑性
• 硬度
冲击韧性
冲击韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
用ak表示。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。
ak= mg(H2-H1)/s 试样尺寸 试验方法
疲劳强度
零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下，而发生的断 裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂是损伤的积累过程，包括疲劳 裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三各阶段。应力大小和循环次数 有关。 疲劳曲线：测量在不同的交变 应力作用下，材料发生断 裂的循环次数，即得疲劳 曲线，记为：－N曲线。 愈小，N愈大 疲劳极限， 是指材料在无限 次(>107)交变应力作用下 而不断裂的最大应力，即 －N曲线开始趋于水平处对 应的应力。
磁导率
磁通密度随磁场强度的变化率，也是仅与材料性质 有关的固有物理量，是铁合金、铁氧体的 特有性能。
化学性能
材料的化学性能反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可 能性和反应速度大小的相关参数。 工程材料主要考虑其耐腐蚀性。
材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为
腐蚀。发生腐蚀的化学过程有： 化学腐蚀(氧化)、 电化学腐蚀 应力腐蚀
第四节 课程内容与考试
课程内容
(1)晶体结构 ， (2) 结晶和相图, (3) 材料的形变, (4) Fe－C合 金, (5) 热处理; (6) 合金钢; (7) 有色金属材料（Al， Cu， Ti 合金）; (8) 陶瓷材料; (9) 高分子材料; (10) 选材设计
目的 1. 了解现有工程材料的结构和性能 2. 了解现有材料的新工艺、新用途 3. 培养创建新材料的思路 考试：
屈服强度：σs σ0.2
在BC段，σ不变，但ε持续增加。发
生均匀塑性变形的开始应力，即B 点时对应的应力 ， 称为屈服强度。
屈服强度反映了材料抵抗塑性变形
的能力，但实际上许多材料没有 明显的屈服。此时，将残余形变 量为0.2％处的应力定义为屈服强 度。 记为：σ0.2 =σs
强度与塑性
纳米铜的室 温超塑性
三大支柱、其作用和意义尤为重要。
第一节 材料及材料的重要性
二. 材料的重要性
1。 材料是人类赖以生存和发展，征服及改造自然的物质基 础。 2。材料是社会生产力发展的标志 远古时代： 石头，兽骨，木材 原始社会： 火烧陶器
石刀
石斧
半坡变体鸟纹盆
第一节 材料及材料的重要性
二. 材料的重要性
2。材料是社会生产力发展的标志 商.周： 冶金术，青铜
二. 材料的重要性
2。材料是社会生产力发展的标志
20世纪50年代： 高分子材料，先进陶瓷，复合材料
60年代： 80年代： 半导体材料 液晶，光纤
90年代：
纳米材料（小尺寸效应，
面效应， 量子尺寸效应）
第一节 材料及材料的重要性
二. 材料的重要性 3. 一个国家的实力主要取决于它的能源、材料、信息的发展
目 录
第一章 绪论
第二章 晶体结构 第三章 结晶相图 第四章 钢铁材料 第五章 塑性变形
第六章 热处理
第七章 合金钢 第八章 有色金属 第九章 其他材料 第十章 材料选择
第一章 绪论
工程材料简介
工程材料的分类
工程材料的性能
本课程内容
考试方式
第一节 材料及材料的重要性
一. 什么是材料?其重要意义是什么？
2 高分子材料： 由低分子化合物依靠分子键聚合而成的有机聚合物 主要组成：C，H，O，N，S，Cl，F，Si
三大类： 塑料（低分子量）： 聚丙稀 树脂（中等分子量）：酚醛树脂，环氧树脂 橡胶（高分子量）： 天然橡胶，合成橡胶
3 陶瓷材料： 由一种或多种金属或非金属的氧化物，碳化物， 氮化物，硅化物及硅酸盐组成的无机非金属材料。 陶瓷：结构陶瓷： Al2O3，Si3N4，SiC等 功能陶瓷 ： 铁电 ，压电等 4 复合材料： 由两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种固体材料。 如：金属＋C纤维 金属＋陶瓷 特点：密度小、强度高、耐磨损，耐腐蚀 应用：航空航天、化工、机械等领域
纯金属： 在元素周期表中带“金”旁的元素都是金属 合 金：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有 一种是金属元素，组成具有金属性的材料： 金属性：导电性（自由电子） 金属材料有两大类：钢 铁（黑色金属） 非铁金属材料（有色金属，铁、锰、 铬以外的所有金属的统称）
非铁金属材料：
轻金属（Ni以前） 重金属（Ni以后） 贵金属（Ag，Au，Pt，Pd） 稀有金属（Zr，Nb，Ta） 放射性金属（Ra，U）
• 耐磨性
下面以拉伸试验为例说明材料的力学性能
过程： 外力增加，试样伸长。得到F－L曲线，换算为－ 曲线。材料表现为弹性变形、均匀塑性变形、颈缩、断裂。 应力：＝F/S, 应变：= L/L0
颈缩阶段 屈服阶段 强化阶段
弹性阶段
低碳钢拉伸应力-应变曲线
弹性与刚度
弹性变形：
材料变形曲线中的线性部 分（OA）。线性部分的应 变弹性大小，即弹性极限。
工艺性能
材料的工艺性能：主要反映材料生产或零部件加工过程的可 能性或难易程度。
1. 材料可生产性：材料是否易获得或易制备。 2. 铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却 凝固，获得零件的能力。
3. 锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、
挤 压等)的可能性或难易程度的度量。
4. 焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起能力。
断裂韧性
材料的断裂现象
巴哈马籍油轮“威望号”断裂沉没过程
1988, a Boeing 737 failed after 19 years of service. The failure was caused by fatigue (multi-site damage).
2009年12月22日，美国航空客机在牙买加金斯敦国 际机场客机降落时冲出跑道后机身断裂。
150HBS10/1000/30?
500HBW5/750?
洛氏强度： 用120º 圆锥金刚石压头，以一定的压 力P压入材料，以压入材料表面的深度来 度量材料的硬度。用于硬度较高的材料。 硬度符号： HRC
维氏强度： 用面夹角136º 四棱锥金刚石压头，在 力P作用下压入材料，用压痕单位面积上 承受的力作为材料硬度的度量。力的大 小从980N、490N、297N到…0.192N不等。 压痕小用显微镜来观察，用于测量表层 或微区。 硬度符号：HV
hsliningmailhusteducn11第一章绪论第二章晶体结构第三章结晶相图第四章钢铁材料第五章塑性变形第六章热处理第七章合金钢第八章有色金属第九章其他材料第十章材料选择22工程材料简介工程材料的分类工程材料的性能本课程内容考试方式33什么是材料
工程材料学
机械类专业
主讲人：李 宁
Tel: 13407157641 Email: hslining@
Micro fuel cells made of glass
The next generation ultra-high density of information data storage material. Nature 457 (7231), 868-872 (2009) Acta Materialia 59 (2011) 2243–2267
能力。塑性大小用断裂时的伸 长率（δ）和断面收缩率（ψ） 来表示。
硬 度
硬度 是衡量材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局 部塑性变形的能力。 布氏硬度
根据测量方法不同分：
洛氏强度
维氏强度
莫氏硬度
布氏硬度
用直径D钢球在力P的作用 下压在试样上一定时间,压痕 直径为d。实用于较软的塑性 材料。 硬度符号：HB
春秋战国：
18世纪：
铁器 (越王勾践剑）
钢、铁
青铜斧
青铜犁
Cu-Sn二元合金相图
青铜工具的出现，在生产力的发展上起了划时代的作用。
越王勾践剑
2400年前
主要的成份：青铜和锡，还含有少量的铅、铁、镍和硫等，剑 身的黑色菱形花纹是经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同 现在精密磨床生产的产品相媲美。
第一节 材料及材料的重要性