工程材料课件 (Engineering Materials)

– 应变 (strain)：单位长度的伸长量，用试样的伸长量 除以试样的原始标距表示。
拉伸试验机
拉伸试验的颈缩现象
应力
应变
低碳钢的应力－应变曲线
弹性和刚度
– 弹性 (Elasticity)：金属材料受外力作用时产生变形, 当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。
– 弹性变形：随载荷撤除而消失的变形。
– 抗拉强度 b(Breaking strength)：试样在断裂前所能承受的最
大应力。
– 屈服强度和抗拉强度是零件设计的重要依据，也是评定金属 强度的重要指标之一。
塑性 (Plasticity)
– 在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。
– 伸长率δ：是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距之比。 – 断面收缩率ψ：试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积
高分子材料
– 又称聚合物，包括天然高分子材料（木材、棉、麻 等）和合成高分子材料（塑料，合成橡胶等）。其 主要组分高分子化合物是有许多结构相同的结构单 元相互连接而成。它具有较高的强度、良好的塑性、 较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。高 分子材料发明虽晚，但异军突起，因其物美价廉， 在工程材料中应用越来越广。
本课程的研究内容
– 主要研究机械工程上所用的结构材料，主要偏重于 金属材料。
– 研究金属材料的组织、结构及其与机械性能和工艺 性能之间的关系。
第一章 材料的性能(properties)
材料的力学性能(mechanical properties)
– 定义：指材料在不同环境（温度、介质）下，承受 各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、 交变应力等）时所表现出的力学特征。
多晶体示意图
多晶体示意图
金属的结晶
– 晶体物质由液态转变为固态的过程。 – 物质中的原子由不规则排列转变为规则排列的过程。
金属结晶的过程
– 纯金属的冷却曲线
温 度
To T1
理论冷却曲线 实际冷却曲线
时间
– 过冷现象 – 过冷度
ΔT = T0 – T1
– 过冷是结晶的必要条件。
– 金属结晶的过程（形核、长大）
常见的金属晶格
– 体心立方晶格
– 面心立方晶格
– 密排六方晶格
晶格缺陷
点缺陷
刃型位错示意图 a) 晶格立体模型 b) 平面图
线缺陷
晶界的过渡结构示意图
亚晶界结构示意图
面缺陷
单晶体与多晶体
– 单晶体 – 多晶体
晶粒 (Grain) 晶界 (Grain boundary) 金属材料都是多晶体
– 指标：弹性 、刚度、强度、塑性 、硬度、冲击韧 性 和疲劳强度等。
静拉伸试验 (Tensile test)
– 测量材料抵抗缓慢增加的拉力作用时表现出来的性 能，包括弹性、刚度、强度以及塑性。
– 应力 (stress)：单位面积上试样承受的载荷，用试样 承受的载荷除以试样的原始横截面积表示，单位： 帕斯卡。
– 刚度：材料抵抗弹性变形的能力。
– 弹性模量 (Young’s modulus)：弹性下应力与应变的 比值，表示材料抵抗弹性变形的能力。
强度 (Strength)
– 定义：材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。
–
屈服强度 应力值.
s
(Yield
strength)：材料产生明显塑性变形的最低
之比。
硬度试验
– 硬度 (Hardness)：是指材料抵抗其他硬物体压入其表 面的能力。
– 常用测量硬度的方法包括布氏硬度HB、洛氏硬度 HRC、维氏硬度HV。
布氏硬度计
布氏硬度
洛氏硬度测试示意图
h1-h0
洛氏硬度
洛氏硬度计
维氏硬度
冲击韧性ku,kv (Impact toughness)
复合材料
– 由两种或两种以上材料组成，其性能是它的组成材 料所不具备的。复合材料可以有非同寻常的刚度、 强度、高温性能和耐蚀性。按基本材料分类，它可 分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基 复合材料等。复合材料具有极其优异性能，质轻， 强度高，韧性好，可制作运动器材，而在航空航天 领域更是无可替代。
晶核长大的方式——枝晶
– 影响晶核的形核率和晶体长大率的因素
过冷度的影响
难熔杂质的影响
– 细化晶粒的方法
晶粒度的概念及其对金属力学性能的影响 增大过冷度 பைடு நூலகம்变质处理
金属的同素异构性 (allotropy)
– 一种金属具有两种或两种以上的晶体结构的性质。 – 纯铁的同素异构转变
– 在工程领域有把金属及其合金分为两类：（1）黑色 金属，即铁和铁基合金（钢铁及合金钢）；（2）有 色金属，黑色金属以外的所有金属及其合金，常见有 铝及铝合金，铜及铜合金等。
陶瓷材料
– 实际上是各种无机非金属材料的通称。陶瓷在机械性 能上表现出突出的硬而脆的特点，即硬度高、脆性大、 塑性几乎为零；在热性能上表现出高熔点、高热硬性、 高抗氧化性；此外还具有很好的耐蚀性、绝缘性，是 有发展前途的高温材料。
工程材料 Engineering Materials
绪论
材料的定义 材料的分类
– 金属材料 Metal – 陶瓷材料 Ceramic – 高分子材料 Polymer – 复合材料 Composite
金属材料
– 金属材料包括纯金属和以金属元素为主的合金。金属 具有正的电阻温度系数，通常有良好的导电性、导热 性、延展性、高的密度和高的光泽。金属材料一般有 良好的综合机械性能（强度、塑性和韧性等），是工 程领域应用最广的材料。
第二章 金属的晶体结构与结晶
晶体与非晶体
– 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两 大类。
– 晶体 (Crystal)：原子（或分子）按一定的几何规律作周期性 地排列 。
– 非晶体(Non-crystal) ：原子（或分子）则是无规则的堆积在 一起。（如松香、玻璃、沥青）
晶格与晶胞
– 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
疲劳强度(Fatigue strength )
– 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的 最大应力值。
钢材的交变载荷循环次数
材料的物理和化学性能
– 材料的物理性能是指材料的固有属性，它包括材料 的密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性 等。
– 材料的化学性能是指材料在化学介质的作用下所表 现出来的性能，如材料的耐腐蚀性、抗氧化性和化 学稳定性。