第一章 材料的分类与性能

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第一章 材料的分类 与性能
§1.1 工程材料的分类
工程材料:主要是指用于机械、车辆、船舶、建筑、 化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料, 用来制造工程构件和机械零件,也包括一些用于制造工具 的材料和具有特殊性能(如耐蚀、耐高温等)的材料。
当今世界材料五花八门,分类也不尽相同。
按用途分:
荷的作用, 如活塞销、锤杆、冲模和锻模等,材料抵抗 冲击载荷作用的能力称为冲击韧性
冲击功A k = m g H – m g h (J)
冲击韧性值αk就是试样缺口处单位面积上所消耗 的冲击功。
2.断裂韧性
桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力 脆断,这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。 尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度, 但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大 或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹 在应力作用下可失稳而扩展,导致机件破断。
力学性能 物理性能
化学性能Biblioteka Baidu
制造:指将原材料变成产品的全过程。 材料对其所涉及的加工工艺的适应能力——工艺性能
锻造性能 加工性能
焊接性能
热处理性能
§1.2 材料的使用性能 ——力学性能
力学性能是指材料在受力作用下所表现出的性能。
力学性能的类型
1.按加载方式不同:拉伸、压缩、弯曲、扭转与剪切等 2.按载荷变化特性:静载荷力学性能和动载荷力学性能
由两种或两种以上不 同性质或不同组织构成的 ,具有比任何单一材料更 优越的综合性能的材料称 为复合材料。
复合材料这个看似陌生的名词,实际上与每个人 都息息相关。 人的躯体是由骨骼与肌肉两种性质完全不同的“材料 ”组成,这可以说就是一种天然的巧夺天工的“复合材 料” 人类很早就会使用粘土和稻草的混合物来造房屋,这 种房子比单纯用粘土要经久耐用得多,这是至今可知的 最古老的人造建筑复合材料。
材料
结构材料
功能材料
主要是利用其强度、硬度、塑 性、韧性等力学性能
主要利用其声、光、电、磁、 热等性能
§1.1 工程材料的分类
按结合键(离子键、共价健、金属键和分子键四种)分 :这种分类来介绍材料世家的成员,比较科学,脉 络比较清楚。
金属材料
工程材料
功能材料 高分子材料
复合材料
金属材料主要以金属键结合,为主要的工程材料, 在 自然界中存在的109种化学元素中有87种是金属,20世纪 几乎所有的金属都被研究过,几乎所有有用的金属都在为 人类服务,金属材料不愧是人类最紧密、最忠实、最可靠 的朋友,是因为金属具有如下突出的优点:
今天最常用的钢筋混凝土,先把钢筋编成骨架,然后 浇灌上水泥,凝固后变成非常坚固的工程建筑,这就是 较现代化的建筑复合材料。
人们普遍使用的橡胶自行车(汽车、飞机)轮胎、高 压水管等都是橡胶与纺织材料(天然纤维、人造纤维或 金属丝)的复合材料。
§1.2 材料的使用性能
材料是人类社会制造有用器件的物质。 有用:指材料满足产品使用需要的特性—— 使用性能
高分子材料以分子键和共价键为主,是由碳、氢、氧、 硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。塑性、耐 蚀性、电绝缘性、减振性好,密度小 ;包括塑料、橡胶及合 成纤维等 。之所以称为高分子,就是因为它的分子量高。常 用高分子材料的分子量在几百到几百万之间,巨大的分子量 赋予这类材料以崭新的物理、化学性质:
可以压延成膜;
可以纺织成纤维;
可以挤铸或模压成各种形状的构件;
可以产生强大的粘结能力;
可以产生巨大的弹性形变; 并具有质轻、绝缘、高强、耐热、耐腐蚀、自润滑等 许多独特的性能。
高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、 轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中 被广泛应用。
随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、化 工、能源等工业的发展,对材料的性能提出越来越高、 越来越多的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求 。复合材料的研究和应用引起了人们的重视。
所有的金属材料可分为两大家:钢铁和有色金属。目 前,世界的钢铁总年产量8亿吨,而有色金属年产量约 5000万吨,钢铁产量占金属总量约为94%,因此钢铁仍然 是金属材料中的主力军,但是非铁金属由于它们的特殊性 能,在工业中仍有不可替代的重要用途。
钢铁材料的基础是铁和碳的合金。 1、铸铁:含碳量﹥ 2.11%; 2、碳钢:含碳量﹤2.11%; 3、合金钢:有目的的加入各种适量的合金元素如Si、
特种陶瓷又称精细陶瓷,是以精致、高纯的人工合 成材料为原料的陶瓷,常用作工程上的耐热、耐蚀、耐 磨零件。
说起高分子材料,普通人也许会觉得莫测高深,其 实我们身边到处都是它们的身影。
无论是作为食物的蛋白质还是作为织物的棉、毛和 蚕丝都是天然高分子材料,就连人体本身,基本上也是 由各种生物高分子构成的。我国在开发天然高分子材料 方面曾走在世界领先水平。利用竹、棉、麻纤维等高分 子材料造纸是我国古代的四大发明之一。另外,利用桐 油与大漆等高分子材料作为油漆、涂料制作漆制品也是 我国古代的传统技术。
力学性能
常用的指标有: 弹性、强度、塑性、硬度、 韧性和疲劳强度等。
一、强度 ——金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力
材料的强度用拉伸试验测定。(拉伸加载速率较低, 俗称静拉伸试验)。
力学性能
(a)原始试样
(b)拉伸后试样 圆形拉伸试样
低碳钢的拉伸曲线
静拉伸试验
OE——弹性变形阶段 EK——弹塑变形阶段 K——断裂阶段
镁合金方向盘骨架
镁合金汽缸盖
● 比强度高,耐高、低温, 耐腐蚀,质轻,无毒,生物相 容性好。
● 应用
航空航天 海洋、化工
生物医学
● 镧、铈、钷、钇、铒……等17种元素。 ● “工业味精”的美名
稀土与生命 稀土之光
外部压力:高分子材料
陶瓷材料 复合材料
内部压力:能源、资源和
环境
1、对已有金属材料提高质 量,挖掘潜力,使其产生 最大效益。
● 密度低、比强度、导电性好、加工性好和抗大气腐蚀 ● 现代航空工业的基础
据统计,目前世界各国的飞机总数达数十万 架。一架现代化超音速战斗机上,铝合金的重量 已占总重量的70%以上。据称,英、法联合研制 的“协和”式飞机,每架用铝220吨。看来,铝被 称为“飞行金属”是当之无愧!
● 密度低、比强度和比刚度较高。 ● 镁合金 — 汽车轻量化的材料 —减少油耗
Mn、 Cr、 Ni、 Mo、W、 V、 Ti、 Nb 、B
等,达到诸如高强度、高硬度、高耐磨性、 耐热性及抗腐蚀性能等要求,“工业维生素”
之称。
除了钢铁等黑色金属外,铝、铜、钛、镁、金、银 、铂等80多种金属统称为有色金属。有色金属家族庞大 ,各有神通。其中有许多成员的比重很小,如镁、锂、 铝、钛等;有的成员导热导电性能极好,如铜、银、金 等;有的成员化学性质比较稳定,且耐腐蚀,工艺性能 好,如金、银、铂等;有的成员不仅化学性质特别稳定 ,而且高温抗氧化性特好,如金、银、铂等,还有的成 员耐高温,如铂、铱、钼、钨等,其中钨的熔点高达 3420℃,这就是为什么人们总是用钨丝作电灯泡灯丝的 原因了。所以,有色金属是现代工业和科学技术中不可 缺少的材料,在机械、化工、电子、仪表、交通、航天 、航海和日常生活中较广泛应用。
金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。
也就是在一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难 易程度。
4.加工性能
一般用切削后的表面质量(以表面粗 糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。
具有适当的硬度(170—230 HBS)和足够的脆性时切削性好
5.热处理性能
热处理——改变材料性能的主要手段
热处理性能—材料热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向
复合材料
最有前途的新型结构材料
§1.3 材料的工艺性能
1.铸造性能
金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性 能,用流动性、收缩性和偏析来衡量。
2.锻造性能
金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性 。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑 性越好,变形抗力越小,金属的锻造性能越好。
§1.3 材料的工艺性能
材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。
式中:Y__裂纹的几何形状因子;
σ__外加应力(N/mm2); a__裂纹的半长(mm); K1__ 强度因子(MPa·m1/2或MN·m-3/2)
当K1达到临界值K1C时,零件内裂纹将发生失稳 扩展而出现低应力脆性断裂,而K1<K1C时,零件安 全可靠。
(先进的冶炼技术、加工技术、先 进的热处理技术等)
2、开拓金属材料新的功能 ,以适应更高的使用要求 。
(如高温合金、超导合金、形状记忆 合金、储氢合金、纳米金属、非晶态 合金等)
神秘的形状记忆合金
(a) 原始形状
(b) 拉 直
形状记忆合金是
能记住自己在某
一温度下的外部
形状的合金材料,
即在一定温度下,
形状记忆合金内
部的微观结构会
(c)
加热后恢复
发生晶相转变, 宏观就表现为自
身形状的改变。
形状记忆效应简易演示实验
提起陶瓷,大家并不陌生,我们每天都在与陶瓷 打交道:吃饭的碗,喝水的茶杯,贴墙的瓷砖,建筑 水泥,玻璃……
陶瓷是我国古代劳动人民的一大发明。陶瓷诞生 的确切年月,已无从考证。从现有的考古材料看,可 以断定陶瓷与中华文明几乎同时诞生。 在英文单词 中,“china”一词代表中国,当这个单词的开头字 母用小写字母时,则代表陶瓷器,可见中国人发明了
比例极限 弹性极限 屈服点或屈服强度 抗拉强度
力学性能
二、塑性
塑性:是指金属材料在静载荷作用下,产生永久变 形而不破坏的能力称为塑性。伸长率δ和断面收缩率ψ是 表示材料塑性好坏的指标。
1. 伸长率(δ)
伸长率是指在拉伸试验中, 试样拉断后标距的伸 长量与原始标距的百分比,即d=(L1-L0)/L0
K1C即为断裂韧度
常见工程材料的断裂韧度K1C值(MN·m-3/2)
§1.2 材料的使用性能 ——物理性能
一、密度
单位体积物质的质量称为该物质的密度
金属材料
密典度型小代于表5铝×,10比3 k刚g度/m、3 的比金强属度称 为高轻,金广属泛。应用于飞机结构件
陶瓷材料 高分子材料


降 低
比刚度、比强度低,应用受限
L1—试样拉断后的标距伸长量 L0—试样原始标距
力学性能
2. 断面收缩率(ψ)
断面收缩率是指试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩 减量与原始横断面积的百分比,即 ψ =(F0-F1)/F0
F1—试样断裂处的最小横断面积 F0—试样原始横断面积
特别提示:δ或ψ越大,表示材料的塑性越好。
力学性能
三、硬度
陶瓷乃是一件举世公认的事实。
随着科学技术的发展,陶瓷已不仅仅用于人们的 日常生活和建筑业,而且在许多高新技术领域找到了
用武之地。
陶瓷材料以共价键和离子键为主,熔点高、硬度高、 耐腐蚀、脆性大 ,分为传统陶瓷、特种陶瓷两大类。
传统陶瓷又称普通陶瓷,是以天然材料(如黏土、 石英、长石等)为原料的陶瓷,主要用作水泥、玻璃、 砖瓦、耐火材料等建筑材料使用。
硬度是衡量材料软硬程度的指标,是指材料抵抗其 他硬物体压入其表面的能力,即受压时抵抗局部塑性变 形的能力。
常用测量硬度的方法:布氏硬度HB 、洛氏硬度HR、 维氏硬度HV。
布氏硬度试验原理图
布氏硬度计
力学性能
四、韧性 指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力
是材料强度和塑性的综合表现
1.冲击韧性(αk) 许多机械零件和工具在工作中, 往往要受到冲击载
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