【重庆大学工程材料】绪论+第一章

工程材料Engineeringmaterials 王金星材料科学与工程学院 邮箱 wjx 电话工程材料 重庆市级精品课程 本课程教材 刘天模 徐幸梓编 工程材料 北京 机械工业出版社 2001年 重要提示一 关于课程1 本课程是机械设计制造及其自动化专业的专业基础课 2 本课程的先修课程是物理化学 材料力学 3 本课程共40学时 理论教学34学时 实验12学时 6次 折合6学时 二 关于纪律1 旷课3次及以上 取消考试资格 2 缺实验1次及以上 课程成绩以0分计 三 关于成绩评定1 课程成绩以百分计 由平时成绩和考试成绩组成 2 平时成绩40分 实验报告15分 课堂成绩25分 占15 理论考试60分 绪论 课程的主题 材料 Materials 一 材料与材料学1 材料的定义2 材料的历史3 材料学的主要研究内容二 材料的分类三 工程材料 的性质和任务 绪论 绪论 材料 用以制造各种机器 器件 结构等具有某种特性的物质的实体 绪论 材料的定义 材料 人类赖以生存和发展的物质基础 绪论 材料的定义 材料 人类社会文明程度的标志 石器时代 绪论 材料的历史 陶器时代 绪论 材料的历史 青铜器时代 铁器时代 绪论 材料的历史 新材料的使用对人类社会经济和科技的发展起着重要的推动作用 钢铁材料孕育了产业革命 半导体材料促进了现代信息技术的建立和发展 复合材料及新型超合金材料为空间技术的发展奠定了物质基础 光导纤维的出现又为现代数字信息技术及网络技术带来了无限美好的前景 人类社会进步与发展中的每一个重大突破 都是因为有了先进的新材料而得以实现 绪论 材料的历史 使用表现 性能 性质 成分 结构 制备 加工 MSE的四个组成要素 MSE MaterialsScienceandEngineering 绪论 材料学的主要研究内容 工程材料课程的主线 成分 Composition 组织 结构 Structure 性能 Performance 加工 Working 绪论 材料学的主要研究内容 第一章 第二章第三章第四章 第五章第六章 第七章第八章 功能材料 Functionalmaterials 绪论 材料的分类 材料 按材料的性能特征和用途分类 结构材料 具有较高力学性能并主要用来制造机械产品结构件的材料 功能材料 具有特殊物理 化学等性能并主要用来制造具有特定功能的元 器件和产品的材料 结构材料 Structuralmaterials 金属材料 MetallicMaterials 材料 非金属材料 NonmetallicMaterials 复合材料 CompoundMaterials 按材料的化学组成分类 绪论 材料的分类 无机非金属材料 陶瓷材料 有机高分子材料 复合材料 由两种或两种以上的不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观的形式组合而成的材料 金属材料 黑色金属 FerrousMetal 有色金属 NonferrousMetal 钢铁 锰 铬及其合金 铝 铜 镁 钛等及其合金 绪论 材料的分类 金属材料的结合键主要是金属键 金属材料是工程领域内应用最广泛的工程材料 无机非金属材料 陶瓷材料 陶瓷 玻璃 水泥等 陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物 其结合键主要是离子键和共价键 有机高分子材料 塑料 橡胶 涂料 纤维等 高分子材料的结合键主要是共价键 氢键和分子键 三大类材料 绪论 课程的性质和任务 课程的性质 工程材料 课程是机械类和近机类各专业的专业基础课 课程的主要任务 根据零件的工作 服役 条件与性能要求 合理选择材料 确定加工工艺及路线 保证材料性能潜力的充分发挥 获得理想的使用性能 提高产品零件的质量 节省材料 降低成本 即 服役条件 性能要求 选材 制定工艺路线 获得使用性能教学参考书 1 王焕庭 机械工程材料 大连理工大学出版社 1991年 2 崔忠圻 金属学与热处理 机械工业出版社 1996年 第一章材料的性能 材料的性能 力学性能 机械性能 物理性能 化学性能 工艺性能 使用性能 铸造性能 焊接性能 可锻性能 切削加工性能 第一章材料的性能 第一章材料的性能 第一节力学性能材料的力学性能是材料在受外力作用时表现出的性能 拉伸试样 拉伸试验机 A A B C D E p e s b E 低碳钢的 曲线 p 比例极限 e 弹性极限 s 屈服强度 b 抗拉强度 E E 刚度 第一章材料的性能 O 第一章材料的性能 第一章材料的性能 一 弹性和刚度1 弹性 Elasticity 材料在外力作用下不产生永久变形的能力 弹性极限 Elasticlimit 其中 Fe为弹性极限载荷 N A0为试样原始横截面积 mm2 2 刚度 Stiffness 材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力 根据Hooke slaw E 其中 E为弹性模量 MPa 表征刚度 MPa MPa 第一章材料的性能 二 强度和硬度1 强度 Strength 材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力 屈服强度 YieldStrength 材料抵抗塑性变形的能力 其中 Fs为试样屈服时的载荷 N 条件屈服强度没有明显塑性变形的塑性材料 以产生0 2 永久变形时的应力值作为其屈服强度 称条件屈服强度 其中 F0 2为试样产生0 2 残余塑性变形时的载荷 N MPa MPa 第一章材料的性能 抗拉强度 TensileStrength 材料在拉伸力作用下抵抗被拉断的能力 为材料断裂前所能承受的最大应力 其中 Fb为试样断裂前的最大载荷 N 其他强度指标 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度 抗扭强度 2 硬度 Hardness 材料抵抗局部变形的能力 即抵抗其他硬物体压入其表面的能力 MPa 结论 通常材料的强度越高 硬度也越高 第一章材料的性能 布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV肖氏硬度HS锉刀法 硬度的测量方法 第一章材料的性能 布氏硬度HB Brinell hardness 用一定载荷F 将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表面 保持一定时间后卸去载荷 根据压痕面积确定硬度值 F 压头 被测材料 布氏硬度测试示意图 布氏硬度计 第一章材料的性能 洛氏硬度HR Rockwllhardness 将锥度为120 的金刚石或钢制标准压头用规定压力压入被测材料表面 根据压痕深度确定硬度值 压头 被测材料 洛氏硬度测试方法 洛氏硬度计 第一章材料的性能 维氏硬度HV DiamondPenetratorHardness 用一种顶角为136 的金钢石角锥压头 在载荷F kgf 作用下 材料表面压出一个四方锥形压痕 测量压痕对角线长度d mm 计算压痕面积A mm2 以F A的数值表示硬度值 压头 被测材料 维氏硬度测试方法 维氏硬度计 压痕 第一章材料的性能 常用硬度测试方法的应用范围 布氏硬度HB通常测试较软的材料 如退火 正火 调质钢 铸铁 有色金属等 洛氏硬度HR通常测试较硬的材料 如淬火钢 调质钢等 布氏硬度和洛氏硬度的简单换算 1HRC 10HBS维氏硬度HV适于测试材料极薄层的硬度 如金属镀层 薄片金属 渗碳或氮化件的表面硬度等 第一章材料的性能 三 塑性和韧性1 塑性 Plasticity 材料在外力作用下 产生永久残余变形而不断裂的能力 断面收缩率 PercentageReductioninArea 其中 A1和A0分别为试样拉断处和试样原始的横截面积 mm2 伸长率 延伸率 SpecificElongation 其中 L1和L0分别为试样拉断后和试样原始的标距长度 mm 第一章材料的性能 2 韧性 Toughness 材料断裂时所需能量的度量 冲击韧性 NotchToughness 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 试样冲断时所消耗的冲击功Ak Ak mg h1 mg h2 J 冲击韧性值ak是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功 用以表示材料冲击韧性的大小 通常材料的塑性越好 韧性也越好 J cm2 第一章材料的性能 冲击试验机 冲击试样和冲击试验示意图 第一章材料的性能 材料的强度 硬度与塑性 韧性的关系 通常 材料的强度越高 则硬度越大 通常 材料的塑性越好 则韧性越好 通常 材料的强度和硬度越高 则塑性和韧性越低 第一章材料的性能 四 疲劳强度疲劳 Fatigue 材料在交变载荷作用下 在低于其屈服强度的应力下即发生断裂的现象 疲劳强度 FatigueStrength 材料在规定次数的交变载荷作用下 而不至引起断裂的最大应力 用 1表示 疲劳强度又称疲劳极限 规定次数 钢铁材料 107有色金属及其合金 108 钢铁材料的 1值约为其 b的1 2 非金属材料的 1一般远低于金属 材料的疲劳损坏在工程领域中是较普遍的一种失效形式 因此 提高材料及其制品的疲劳寿命非常重要 第一章材料的性能 第二节物理和化学性能一 物理性能1 密度 Density 材料单位体积的质量 与密度有关的重要指标 比强度抗拉强度与密度的比值 b 飞机 宇宙飞船上使用的结构材料要求有高的比强度 Ti Al及其合金具有高的比强度 比弹性模量弹性模量与密度的比值 E 第一章材料的性能 2 熔点 MeltingPoint 材料的熔化温度 晶体材料具有固定的熔点 而非晶体则没有固定的熔点 3 热容 HeatCapacity 材料在没有体积变化时 温度变化1 时热量的变化 材料从一种状态转变为另一种状态 是因为其内部的原子或分子结构发生了变化 这使材料的热容也发生变化 如材料在熔化或气化时 需要外界输入热量 表现为材料的热容发生了变化 4 热膨胀性 Expansibility 线膨胀系数材料每变化1 时引起的长度相对膨胀量的大小 一般来说 陶瓷的线膨胀系数最小 金属次之 高分子材料最大 第一章材料的性能 5 导热性 HeatConductivity 材料传导热量的性能 通常 金属及合金的导热性远高于非金属材料 6 导电性 ElectricConductivity 材料传导电荷的性能 用电导率或电阻率表示 金属及其合金一般具有良好的导电性 陶瓷材料和高分子材料一般是绝缘体 7 磁性 Magnetism 材料在磁场中导磁的性能 物质的磁性主要有抗磁性 顺磁性 铁磁性等 8 介电常数 DielectricConstant 材料在电场中被极化的性能 第一章材料的性能 二 化学性能1 耐腐蚀性 CorrosionResistance 材料抵抗介质侵蚀的能力 陶瓷材料和高分子材料的而腐蚀性通常比金属材料高得多 2 高温抗氧化性 OxidationResistanceatHighTemperature 材料在高温下迅速氧化后 能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜从而阻止进一步氧化的能力 3 抗老化性能 AgeingResistance 高分子材料抵抗老化的能力 4 降解性 Degradability 塑料在自然环境下能否迅速分解的能力 第一章材料的性能 第三节工艺性能一 铸造性浇注铸件时 液态材料能充满铸型并获得优质铸件的性能 铸造性的好坏与液态材料的流动性 收缩率 偏析等因素有关 二 可