工程材料 大学教学课件PPT

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院工程材料工程材料- -重庆市级精品课程重庆市级精品课程http:/http:/ /本课程教材：本课程教材：刘天模，徐幸梓编，刘天模，徐幸梓编，工程材料工程材料，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，2001年年重要提示重要提示一、关于课程一、关于课程1 1、本课程是机械设计制造及其自动化专业的专业基础课；、本课程是机械设计制造及其自动化专业的专业基础课；2 2、本课程的先修课程是物理化学、材料力学；、本课程的先修课程是物理化学、材料力学；3 3、本课程共、本课程共4040学时：理论教学学时：理论教学3434学时，实验学时，实验1212学时学时（6 6次

2、，折合次，折合6 6学学时）时）。二、关于纪律二、关于纪律1 1、旷课、旷课3 3次及以上，取消考试资格；次及以上，取消考试资格；2 2、缺实验、缺实验1 1次及以上，课程成绩以次及以上，课程成绩以0 0分计。分计。三、关于成绩评定三、关于成绩评定1 1、课程成绩以百分计，由、课程成绩以百分计，由平时成绩平时成绩和和考试成绩考试成绩组成；组成；2 2、平时成绩、平时成绩4040分分（实验报告（实验报告1515分分，课堂成绩，课堂成绩2525分分 ），占），占15%15%，理论考试，理论考试6060分分。课程的主题：材料（课程的主题：材料（Materials)一、材料与材料学一、材料与材料学1.

3、1.材料的定义材料的定义2.2.材料的历史材料的历史3.3.材料学的主要研究内容材料学的主要研究内容二、材料的分类二、材料的分类三、三、工程材料工程材料的性质和任务的性质和任务绪绪 论论绪论材料：材料：用以制造各种机器、器件、结构等具有某种用以制造各种机器、器件、结构等具有某种特性的物质的实体。特性的物质的实体。绪论材料的定义材料的定义材料：材料：人类赖以生存和发展的物质基础。人类赖以生存和发展的物质基础。绪论材料的定义材料的定义材料：材料：人类社会文明程度的标志。人类社会文明程度的标志。绪论材料的历史材料的历史绪论材料的历史材料的历史绪论材料的历史材料的历史钢铁材料孕育了产业革命；钢铁材料孕

4、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；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；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。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，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。都是因为有了先进的新材料而得以实现。绪论材料的历史材料的历史使用表现使用表现性能性能/ /性质性质成分成分/ /结构结构制备制备/ /加工加工M

5、SEMSE的四个组成要素：的四个组成要素：MSEMaterials Science and Engineering绪论材料学的主要研究内容材料学的主要研究内容工程材料课程的主线：工程材料课程的主线：成分成分（Composition）组织、结构组织、结构（Structure）性性 能能（Performance）加工加工（Working）绪论材料学的主要研究内容材料学的主要研究内容第一章第一章第二章第二章第三章第三章第四章第四章第五章第五章第六章第六章第七章第七章第八章第八章功能材料功能材料（Functional materials）绪论材料的分类材料的分类材料材料按材料的性能特征和用途分类：按材

6、料的性能特征和用途分类：结构材料：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。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：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。件和产品的材料。结构材料结构材料（Structural materials）金属材料金属材料（Metallic Materials）材料材料非金属材料非金属材料（Nonmetallic Materials）复合材料复合材料（Compound Materials ）按材料的化学组成分类：按材料的化学组

7、成分类：绪论材料的分类材料的分类无机非金属材料无机非金属材料 （陶瓷材料）（陶瓷材料） 有机高分子材料有机高分子材料复合材料：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。观的形式组合而成的材料。 金属材料金属材料黑色金属黑色金属（Ferrous Metal）有色金属有色金属（Nonferrous Metal） 钢铁、锰、铬及其合金钢铁、锰、铬及其合金 铝、铜、镁、钛等及其合金铝、铜、镁、钛等及其合金绪论材料的分类材料的分类金属材料的结合键主要是金属键。金属材料的结合键主要是金属键。金属材料是工

8、程领域内应用最广泛的工程材料。金属材料是工程领域内应用最广泛的工程材料。无机非金属材料无机非金属材料 （陶瓷材料）（陶瓷材料） 陶瓷、玻璃、水泥等陶瓷、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。共价键。有机高分子材料有机高分子材料塑料、橡胶、涂料、纤维等塑料、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。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：三大类材料：绪论课程的性质和任务课程的性质和任务课程的性质：课程的性质：工程材料工程材料课程是机械类和近机类各专业的

9、专业基础课。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：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：品零件的质量，节省材料，降低成本。即： 服役条件服役条件性能要求性能要求选材选材制定工艺路线制定工艺路线获得使用性能获得使用性能 教学参考书：教学参考书：1 王焕庭，机械工程材料，大连理工大学出版社，王焕庭，机械工程材料，大连

10、理工大学出版社，1991年年2 崔忠圻，金属学与热处理，机械工业出版社，崔忠圻，金属学与热处理，机械工业出版社，1996年年材料的性能材料的性能力学性能（机械性能）力学性能（机械性能）物理性能物理性能化学性能化学性能工艺性能工艺性能使用性能使用性能铸造性能铸造性能焊接性能焊接性能可锻性能可锻性能切削加工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。材料的力学性能是材料在受外力作用时表现出的性能。拉伸试样拉伸试样拉伸试验拉伸试验机机AABCDE p e s b E低碳钢的低碳钢的 曲线曲线 p比例极限比例极限 e弹性极

11、限弹性极限 s屈服强度屈服强度 b抗拉强度抗拉强度 E E刚度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、弹性和刚度一、弹性和刚度1.1.弹性弹性（Elasticity）材料在外力作用下不产生永久变形的能力。材料在外力作用下不产生永久变形的能力。l 弹性极限弹性极限（Elastic limit） 其中，其中， F Fe e为弹性极限载荷，为弹性极限载荷，NN；A A0 0为试样原始横截面积，为试样原始横截面积，mmmm2 2。2.2.刚度刚度（Stiffness） 材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。 根据根据HookesHookes law

12、law： E 其中，其中，E E为弹性模量，为弹性模量，MPaMPa，表征刚度。，表征刚度。0eeAF（MPa）（MPa）第一章材料的性能二、强度和硬度二、强度和硬度1.1.强度强度（Strength ）材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。l 屈服强度屈服强度（Yield Strength）材料抵抗塑性变形的能力。材料抵抗塑性变形的能力。其中，其中， F Fs s为试样屈服时的载荷，为试样屈服时的载荷，NN。l 条件屈服强度条件屈服强度没有明显塑性变形的塑性材料，以产生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永久变形时的应力值作为其

13、屈服强度，称条件屈服强度。为其屈服强度，称条件屈服强度。其中，其中， F F0.20.2为试样产生为试样产生0.2%0.2%残余塑性变形时的载荷，残余塑性变形时的载荷，NN。0ssAF02 . 02 . 0AF（MPa）（MPa）第一章材料的性能l 抗拉强度抗拉强度（Tensile Strength）：）：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。最大应力。其中，其中， F Fb b为试样断裂前的最大载荷，为试样断裂前的最大载荷，NN。 其他强度指标：其他强度指标：抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度。抗压强

14、度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度。2.2.硬度硬度（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。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。0bbAF（MPa）结论：通常材料的强度越高，硬度也越高结论：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布氏硬度HBHB洛氏硬度洛氏硬度HRHR维氏硬度维氏硬度HVHV肖氏硬度肖氏硬度HSHS锉刀法锉刀法硬度的测量方法：硬度的测量方法：第一章材料的性能l 布氏硬度布氏硬度 HB（Brinell-hardness）用一定载荷用一定载荷F F，将直径为，将直径为D D 的淬火钢球或硬质合金球压入被测

15、材料的表面，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。保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积确定硬度值。F压头压头被测材料被测材料布氏硬度测试示意图布氏硬度测试示意图 布氏硬度计布氏硬度计 第一章材料的性能l 洛氏硬度洛氏硬度 HR（Rockwll hardness）将锥度为将锥度为120120的金刚石或钢制的金刚石或钢制标准压头用规定压力压入被测材料表面，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。根据压痕深度确定硬度值。压头压头被测材料被测材料洛氏硬度测试方法洛氏硬度测试方法 洛氏硬度计洛氏硬度计 第一章材料的性能l 维氏硬度维

16、氏硬度 HV（Diamond Penetrator Hardness ）用一种顶角为用一种顶角为136136的金钢石角锥压头，在载荷的金钢石角锥压头，在载荷F F（kgfkgf）作用下，材料表）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面压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度d d（mmmm），计算压痕面积），计算压痕面积A A（mmmm2 2），以），以F F/ /A A的数值表示硬度值。的数值表示硬度值。压头压头被测材料被测材料维氏硬度测试方法维氏硬度测试方法 维氏硬度计维氏硬度计 压痕压痕第一章材料的性能 常用硬度测试方法的应用范围：常用硬度测试方法的应用范围：F布氏硬度

17、布氏硬度 HB通常测试较软的材料。通常测试较软的材料。 如退火、正火、调质钢，铸铁，有色金属等。如退火、正火、调质钢，铸铁，有色金属等。F洛氏硬度洛氏硬度 HR 通常测试较硬的材料。通常测试较硬的材料。 如淬火钢、调质钢等。如淬火钢、调质钢等。 布氏硬度和洛氏硬度的简单换算：布氏硬度和洛氏硬度的简单换算：1HRC 10HBSF维氏硬度维氏硬度HV 适于测试材料极薄层的硬度。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。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、塑性和韧性三、塑性和韧性1.1.塑性塑性（Plasticity）材料在外力作用下

18、，产生永久残余变形而不断裂的能力。材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力。l 断面收缩率断面收缩率（Percentage Reduction in Area） 其中，其中， A A1 1和和A A0 0分别为试样拉断处和试样原始的横截面积，分别为试样拉断处和试样原始的横截面积，mmmm2 2。l 伸长率（延伸率）伸长率（延伸率）（Specific Elongation） 其中，其中， L L1 1和和L L0 0分别为试样拉断后和试样原始的标距长度，分别为试样拉断后和试样原始的标距长度，mmmm。%100AAA010%100LLL010第一章材料的性能2.2.韧性韧性（Toughne

19、ss）材料断裂时所需能量的度量。材料断裂时所需能量的度量。l 冲击韧性冲击韧性（Notch Toughness）材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。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试样冲断时所消耗的冲击功A Ak k: : Ak = mgh1 mgh2 （J） 冲击韧性值冲击韧性值a ak k 是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，用以表示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：材料冲击韧性的大小： 通常材料的塑性越好，韧性也越好。通常材料的塑性越好，韧性也越好。0kkAAa （J/cm2）第一章材料的性能冲击试验机冲击试验机冲击试样

20、和冲击试验示意图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：材料的强度、硬度与塑性、韧性的关系：F通常，材料的强度越高，则硬度越大。通常，材料的强度越高，则硬度越大。F通常，材料的塑性越好，则韧性越好。通常，材料的塑性越好，则韧性越好。F通常，材料的强度和硬度越高，则塑性和韧性越低。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、疲劳强度四、疲劳强度l 疲劳疲劳（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。现象。l 疲劳强度疲劳强度（Fatigue

21、 Strength）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，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，用用 -1 表示。疲劳强度又称疲劳极限。表示。疲劳强度又称疲劳极限。规定次数：规定次数：钢铁材料：钢铁材料：10107 7有色金属及其合金：有色金属及其合金：10108 8。钢铁材料的钢铁材料的 -1 -1值约为其值约为其 b b的的1/21/2，非金属材料的，非金属材料的 -1 -1 一般远低于金属。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

22、命非常重要。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第二节物理和化学性能一、物理性能一、物理性能1.1.密度密度（Density）材料单位体积的质量。材料单位体积的质量。 与密度有关的重要指标：与密度有关的重要指标：l 比强度比强度 抗拉强度与密度的比值，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。飞机、宇宙飞船上使用的结构材料要求有高的比强度。 TiTi、AlAl及其合金具有高的比强度。及其合金具有高的比强度。l 比弹性模量比弹性模量 弹性模量与密度的比值，弹性模量与密度的比值， E/ 。第一章材料的性能2.2.熔点熔点（M

23、elting Point）材料的熔化温度。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。晶体材料具有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点。 3.3.热容热容（Heat Capacity） 材料在没有体积变化时，温度变化材料在没有体积变化时，温度变化1时热量的变化。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。要外界输入热

24、量，表现为材料的热容发生了变化。 4.4.热膨胀性热膨胀性（Expansibility）l 线膨胀系数线膨胀系数材料每变化材料每变化1时引起的长度相对膨胀量的大小。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。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. 5.导热性导热性（Heat Conductivity）材料传导热量的性能。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。通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料。 6.6.导电性导电性（Electric Conductivity）材料传导电荷的性能

25、，用电导率或电阻率表示。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。绝缘体。 7.7.磁性磁性（Magnetism）材料在磁场中导磁的性能。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。物质的磁性主要有抗磁性、顺磁性、铁磁性等。 8.8.介电常数介电常数（Dielectric Constant）材料在电场中被极化的性能。材料在电场中被极化的性能。第一章材料的性能二、化学性能二、化学性能1.1.耐腐蚀性耐腐蚀性（Corrosion Resistance）材料抵抗介质侵蚀的能力。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。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。 2.2.高温抗氧化性高温抗氧化性（Oxidation Resistance at High Tempera