工程材料学 第01章 绪论

1、1工程材料学工程材料学主讲人：王爱华主讲人：王爱华Tel:el:-mailE-mail：2参考教材l周风云 主编 ，工程材料及应用，华中科技大学出版社，2002年12月 第二版l边洁等编，机械工程材料学习方法指导，2003年09月第1版l邱平善等主编，机械工程材料辅助教材，2000年3月第1版3学习要求 主要概念主要概念 工程材料，结构材料，功能材料; 材料的组织、结构，使用性能，工艺性能; 陶瓷材料，高分子材料，复合材料 内容要求内容要求 工程材料的分类。 工程材料的性能，掌握机械工程中常用力学性能指标的意义及单位 （s，0.2，b, ，H

2、B, HRC, HV, a k, KIC, -1）。4第一章第一章 绪论绪论工程材料工程材料材料的性能材料的性能材料的分类材料的分类研究内容及目的研究内容及目的工程材料工程材料材料的性能材料的性能材料的分类材料的分类研究内容及目的研究内容及目的5第一节第一节 材料材料1-1 材料的含义 能为人类能为人类经济经济地用于地用于制造制造有用物品的物质。有用物品的物质。 不是所有物质都可以称为不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物工业化学品、食物和药物, 都不算作材料。都不算作材料。 材料分为天然材料与人工材料分为天然材料与人工合成材料。合成材料。

3、6材料的发展史也是人类文明史材料的发展史也是人类文明史 l1 石器时代石器时代 公元前公元前10万年万年l2 青铜时代青铜时代 公元前公元前3000年年l3 铁器时代铁器时代 公元前公元前1000年年l4 水泥时代水泥时代 公元公元0年年l5 钢时代钢时代 1800年年l6 硅时代硅时代 1950年年l7 新材料时代新材料时代 1990年年7材料的重要性材料的重要性 l材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。l20世纪70年代，信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。l80年代以高技术群为代表的新技术革命,又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革

4、命的重要标志。8工程材料工程材料 定义定义 凡是与工程有关的材料均谓之工程材料。凡是与工程有关的材料均谓之工程材料。 应用领域广泛，机械、电器、建筑、化应用领域广泛，机械、电器、建筑、化工、航空航天等。工、航空航天等。 结构材料结构材料：以：以力学性能力学性能为主，兼有一定为主，兼有一定的物理、化学性能。的物理、化学性能。 (功能材料功能材料：以特殊的物理、化学性能为：以特殊的物理、化学性能为主，如：电、光、声、磁、热等功能和主，如：电、光、声、磁、热等功能和效应。效应。)9工程技术人员学习材料的意义工程技术人员学习材料的意义评价评价一个设备、部件、零件的优劣或质量一个设备、部件、零件的优劣或

5、质量必需保证使用的基本性能（力学、物理），具有必需保证使用的基本性能（力学、物理），具有一定的寿命（疲劳、磨损、腐蚀）；一定的寿命（疲劳、磨损、腐蚀）；便于制造，即可以生产出来；便于制造，即可以生产出来；可接受的成本。可接受的成本。相互矛盾的，利用各项知识，找到一个合理的配合，相互矛盾的，利用各项知识，找到一个合理的配合，材料起到相当重要的决定性作用。材料起到相当重要的决定性作用。10产品设计的要求 在机械产品的在机械产品的设计和维护设计和维护中，材料不仅中，材料不仅仅是图纸标题栏中诸多内容中的一项，仅是图纸标题栏中诸多内容中的一项，使用得当可以代表一个设计的使用得当可以代表一个设计的先进性先

6、进性，达到达到价廉物美价廉物美的效果；的效果； 否则可能闭门造车，无法生产制造，甚否则可能闭门造车，无法生产制造，甚至会隐藏祸根，导致在使用时至会隐藏祸根，导致在使用时灾难灾难。返回11第二节第二节 材料的性能材料的性能定义定义 材料的性质和功能材料的性质和功能性质性质 本身所具有的特质或本性本身所具有的特质或本性功能功能 材料要求或期待承担的功效材料要求或期待承担的功效 承担该功效下的表现或能力承担该功效下的表现或能力 力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能工艺性能工艺性能材料的性能材料的性能12力学性能力学性能指材料处于特定指材料处于特定环境因素环境因素(温度、介质等温度、介质等

7、)时，在时，在外力外力或能量或能量以及作用下表现出来的以及作用下表现出来的变形和破坏变形和破坏的特征。的特征。作用在材料上的外力或能量称为作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷载荷或负荷。材料的主要力学性能有材料的主要力学性能有： 弹性弹性 强度强度 塑性塑性 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳特性疲劳特性 耐磨性耐磨性13拉伸试验拉伸试验过过程程外力增加，试样伸长外力增加，试样伸长 P P L L曲线曲线 曲线。曲线。材料表现为弹性变形、均匀塑性变形、颈缩、材料表现为弹性变形、均匀塑性变形、颈缩、断裂。断裂。14弹性与刚度弹性与刚度弹性变形：弹性变形：弹性模量与刚度：弹性模量与刚度：OAOA段

8、为直线应力与段为直线应力与应变成正比，服从虎克定应变成正比，服从虎克定律。律。在外力卸载后试样恢复到在外力卸载后试样恢复到原始长度。原始长度。达到的最大应力成为弹性达到的最大应力成为弹性极限极限( (比例极限比例极限) )。15强度与塑性强度与塑性屈服强度：屈服强度：s s 0.20.2 抗拉强度：抗拉强度：b b 材料材料开始发生塑性变形的开始发生塑性变形的最小应力。最小应力。材料材料发生断裂前能承受的发生断裂前能承受的最大应力。最大应力。16syield strength没有明显屈服点时，规定0.2%的残余形变应力值0.2为屈服强度。17l若 5%，称为塑性材料塑性材料（或称为延性材延性材

9、料料），否则，称为脆性材料脆性材料。l低碳钢材料是典型的塑性材料，铸铁和陶瓷是典型的脆性材料。塑性：塑性：断裂前可发生永久变形的能力。断裂前可发生永久变形的能力。1819硬度硬度衡量材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部塑性变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。形的能力。莫氏硬度莫氏硬度材料名称材料名称 硬度级别硬度级别滑石滑石1石膏石膏2萤石萤石4钠长石钠长石6黄玉黄玉8刚玉刚玉9金刚石金刚石10布氏硬度布氏硬度用直径用直径D D钢球在力钢球在力P P的作用下压在试样的作用下压在试样上一定时间上一定时间, ,压痕直压痕直径为径为d d。实用于较软实用于较软的塑性材料的塑性材

10、料。20洛氏硬度洛氏硬度用用120120度圆锥金刚石压头，度圆锥金刚石压头，1470N 1470N (150kgf)(150kgf)力压入材料，以压入材料表面力压入材料，以压入材料表面的深度来度量材料的硬度。用于硬度较的深度来度量材料的硬度。用于硬度较高的淬火钢件。高的淬火钢件。用对面夹角用对面夹角136136度四棱锥金刚石压头，在度四棱锥金刚石压头，在力力P P作用下压入材料，用压痕单位面积上作用下压入材料，用压痕单位面积上承受的力作为材料硬度的度量。力的大小承受的力作为材料硬度的度量。力的大小从从980N980N、490N490N、297N297N到到0.192N0.192N不等。压不等。

11、压痕小用显微镜来观察，用于测量表层或微痕小用显微镜来观察，用于测量表层或微区。区。维氏硬度维氏硬度2122冲击韧性冲击韧性 材料在材料在冲击载荷冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。作用下抵抗变形和断裂的能力。 用用一次弯曲冲击韧性一次弯曲冲击韧性试验试验a ak k值来表示。以带缺口标值来表示。以带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的功。冲击准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的功。冲击韧性是材料韧性是材料强度和塑性综合作用强度和塑性综合作用的结果。的结果。试样尺寸试样尺寸试验方法试验方法23断裂韧性断裂韧性材料中存在材料中存在缺陷缺陷时，材料抵抗时，材料抵抗脆性断裂脆性断裂的能力。的能力

12、。 断裂韧性指标为断裂韧性指标为K KICIC，有专门的测定方法。工程应用，有专门的测定方法。工程应用要求：要求：大型构件存在各种缺陷，在缺陷前端有不同的应力大型构件存在各种缺陷，在缺陷前端有不同的应力作用，都存在应力集中，其中裂纹受张开应力作用作用，都存在应力集中，其中裂纹受张开应力作用为最危险。为最危险。Y裂纹形状系数，裂纹形状系数，a裂纹长度的一半。裂纹长度的一半。24疲劳强度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生的断裂现象称为疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断裂是损伤的积累。疲劳断裂是损伤的积累过程，包括疲劳裂纹的过

13、程，包括疲劳裂纹的产生产生、扩展扩展、瞬间断裂瞬间断裂三各阶三各阶段。应力大小和段。应力大小和循环次数循环次数有关。有关。低周疲劳低周疲劳又称条件疲劳极限，又称条件疲劳极限，参照零件工作周期可能作用参照零件工作周期可能作用的次数（的次数（102-105）下能承受下能承受的应力极限值。的应力极限值。（可以有效发挥材料的作用）高周疲劳高周疲劳对称应力作用趋于水对称应力作用趋于水平线的最大应力为平线的最大应力为-1-1 , ,作作为永久可用的疲劳强度极限。为永久可用的疲劳强度极限。实际大多以实际大多以10107 7次未断裂的应次未断裂的应力来测定。力来测定。NoImage25耐磨性耐磨性一个零件相对

14、另一零件有摩擦运动而造成接触面一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面的尺寸变化、质量损失现象。的尺寸变化、质量损失现象。磨损的后果可能因零件尺寸变化，轻则降低传动质量，影响磨损的后果可能因零件尺寸变化，轻则降低传动质量，影响部件的使用性能；重则因尺寸变小造成零件断裂。部件的使用性能；重则因尺寸变小造成零件断裂。磨损主要有磨粒磨损磨损主要有磨粒磨损( (切削切削) )、粘着磨损、粘着磨损( (分子作用力分子作用力) )；此外；此外接触疲劳有人作为磨损，也有人算另一类损伤形式。接触疲劳有人作为磨损，也有人算另一类损伤形式。测定方法让两试样组成摩擦付，在设定条件测定方法让两试样组成摩擦付，在设定

15、条件( (力、润力、润滑剂滑剂) )进行一定时间的摩擦运动后，测定试样的尺寸进行一定时间的摩擦运动后，测定试样的尺寸减小值减小值/ /质量的损失值质量的损失值/ /摩擦表明外观形貌来比较不摩擦表明外观形貌来比较不同材料的耐磨性。同材料的耐磨性。26物理性能物理性能指材料本身的具有各种物理量指材料本身的具有各种物理量(热、电、光、磁等热、电、光、磁等)以以及环境变化时它们的变化程度。及环境变化时它们的变化程度。密度与比容密度与比容导热性导热性 热膨胀系数热膨胀系数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物体内温度梯度为1/m/m时，在单位时间、单位面积内传递的热量 W/

16、(m.K) 温度上升1时，单位长度的伸长量 mm/(.mm)或-1 27电阻与电导电阻与电导电阻温度系数电阻温度系数熔点熔点 导磁率导磁率物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是M，其倒数称为电导率 S/M西门子/米温度上升1时，电阻率 的变化系数，单位-1 电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。 超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值降为零的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合物的转变温度达到100K以上。从铁合金、化合物(铁氧体)特有性能。28化学性能化学性能反映材料与各种化学试

17、剂发生反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性化学反应的可能性和和反应速度反应速度大小的相关参数。大小的相关参数。 工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极电位、储能密度等。 材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏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。均称为腐蚀。 发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀( (氧化氧化) )、电化学、电化学腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照温度、应力、辐照因素有关。腐蚀不仅影响零件因素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期

18、损坏，防腐设计应表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。考虑材料的选择和防腐措施相结合。29工艺性能工艺性能材料力学、物理、化学性能的材料力学、物理、化学性能的综合表现综合表现。主要反映。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。材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。1. 材料可生产性材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。：得到材料可能性和制备方法。2. 铸造性铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的方法。冷却凝固，获得零件的方法。流动性：充满型腔能力流动性：充满型腔能力收

19、缩率：缩孔数量的多少和分布特征收缩率：缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向：材料成分的均匀性偏析倾向：材料成分的均匀性303. 锻造性锻造性 材料进行压力加工材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等压等)的可能性或难易程度的度量。的可能性或难易程度的度量。4. 焊接性焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。塑性变形能力：塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形抗力：塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。发生塑性变形所需要的最小外力。连接能力：连接能力：焊接头部位强度与母材

20、的差别程度。焊接头部位强度与母材的差别程度。焊接缺陷：焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。变形程度。315. 切削加工性切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。6. 热处理性能热处理性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度。时性能改变的程度。切削抗力切削抗力加工表面质量加工表面质量排屑难易程度排屑难易程度切削刀具的使用寿命切削刀具的使用寿命 随着科技进步的发展

21、，对材料工艺性能的评价标准也在随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和变化。不断发展和变化。32材料性能总结材料性能总结决定材料性能实质：决定材料性能实质：构成材料原子的类型：构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料的元材料的成分描述了组成材料的元素种类以及各自占有的比例。素种类以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素原子的排列方式除了和元素自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有密切的关系。密切的关系。研究的意义：研究的意义：性能决定了材料的用途。性能决定了材料的用途

22、。性能决定了材料和零部件生产方法。性能决定了材料和零部件生产方法。性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。返回33第三节第三节 材料的分类材料的分类工程材料工程材料：主要利用其力学性能制作结构件。：主要利用其力学性能制作结构件。建筑材料建筑材料 结构材料结构材料 工具材料工具材料按材料用途（性能）按材料用途（性能）功能材料功能材料：主要利用其物理、化学性能或效应制作：主要利用其物理、化学性能或效应制作具有特定功效的器件。具有特定功效的器件。半导体材料半导体材料 磁性材料磁性材料 激光材料激光材料热电材料热电材料 光电材料光电材料 声电

23、材料声电材料 等等等等34材料的分类材料的分类 金属材料金属材料：纯金属及其合金。：纯金属及其合金。合金是由两种或两种以合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有金属性金属性的材料。金属性的关键特征是具有正的电阻温度系数，这的材料。金属性的关键特征是具有正的电阻温度系数，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。钢铁材料钢铁材料( (黑色金属黑色金属) )按材料成分：按材料成分：钢钢铸铁铸铁非铁金属材料非铁金属材料( (有色金属有色金属) )轻金属轻金属 Al Mg Ca Na Al Mg Ca Na 重金属重金属 Cu Ni Pb Sn Zn Cu Ni Pb Sn Zn 贵金属贵金属 Ag Au Pb Rb IrAg Au Pb Rb Ir稀有金属稀有金属 Zr Ti Nb Zr Ti Nb 稀土金属稀土金属 Re(Y Nd Re(Y Nd ) )放射性金属放射性金属 Ra U Th Ra U Th 35材料的分类材料的分类 高分子材料高分子材料：有机聚合物：有机聚合物热塑性塑料：尼龙热塑性塑料：尼龙 聚乙烯聚乙烯 聚氯乙稀聚氯乙稀 聚