工程材料-1零部件对材料性能的要求

1、 1.1 零部件所受的各种负荷零部件所受的各种负荷 1.2 工程设计与加工工艺所需要的材料工程设计与加工工艺所需要的材料性能性能 1.3 工程材料的类型及主要特征工程材料的类型及主要特征一、力学负荷一、力学负荷 拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转载荷。拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转载荷。 很多零件工作时同时承受几种载荷的作用很多零件工作时同时承受几种载荷的作用：车床主轴工作时承受弯曲、扭转、压缩车床主轴工作时承受弯曲、扭转、压缩3 3种载种载荷；钻床立柱同时承受拉伸和弯曲荷；钻床立柱同时承受拉伸和弯曲2 2种载荷。种载荷。二、热负荷二、热负荷 高温条件下工作使工程材料的高温条件下工作使工程材料的力学性

2、能下降力学性能下降，产生高温产生高温蠕变蠕变，并可能产生，并可能产生氧化，热疲劳氧化，热疲劳。三、环境介质的作用三、环境介质的作用 对金属零件的作用主要是：腐蚀和摩擦磨损。对金属零件的作用主要是：腐蚀和摩擦磨损。 腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀。腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀。 碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差，钛及其合金、，钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好，铝合金和铜合金的耐腐不锈钢的耐腐蚀性好，铝合金和铜合金的耐腐蚀性较好。蚀性较好。 零件在摩擦过程中表面发生尺寸变化和物零件在摩擦过程中表面发生尺寸变化和物质耗损的现象质耗损的现象-磨损。常见的有：粘结磨损、磨损。

3、常见的有：粘结磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点腐损。磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点腐损。 对高分子零件的作用主要为老化。对高分子零件的作用主要为老化。 整机性能、零部件性能与材料性能整机性能、零部件性能与材料性能 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 工程材料的理化性能工程材料的理化性能 工程材料的加工工艺性能工程材料的加工工艺性能l使用性能：使用性能：材料在使用过程中材料在使用过程中所表现的性能。包括所表现的性能。包括力学性能、力学性能、物理性能和化学性能物理性能和化学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中材料在加工过程中所表现的性能。包括所表现的性能。包括铸造、锻铸造、锻压、焊接、热处理和切

4、削性能压、焊接、热处理和切削性能等。等。神舟一号飞船l机械零件的强度一般表现为短时承载能力和长期机械零件的强度一般表现为短时承载能力和长期使用寿命。使用寿命。机械零件的强度主要由机械零件的强度主要由3个因素起作用。个因素起作用。l结构因素结构因素：零件在整机中的作用、零件的的形状、：零件在整机中的作用、零件的的形状、尺寸及其与其他零件的配合关系。尺寸及其与其他零件的配合关系。l加工工艺因素加工工艺因素：全部加工工艺过程对零件强度的：全部加工工艺过程对零件强度的影响。影响。l材料因素材料因素：材料的成分、组织与性能。：材料的成分、组织与性能。l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外

5、力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形变形。l外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。弹性变形。l外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l0l弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时的应力。的应力。l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模量量E E。 ）（MP

6、atgE 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 l强度：强度：材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。变形和断裂的能力。l上屈服强度上屈服强度ReH：材料发生明显材料发生明显塑性变形时应力较大时的强度。塑性变形时应力较大时的强度。l下屈服强度下屈服强度R

7、eL：材料发生明显材料发生明显塑性变形时应力较小时的强度。塑性变形时应力较小时的强度。 屈服强度屈服强度 s / 条件屈服强度条件屈服强度 0.2： 抗拉强度抗拉强度Rm / b：材料断裂前材料断裂前所承受的最大应力值。所承受的最大应力值。0.2 伸长率伸长率A/：%100001 lll %100010 FFF 断面收缩率断面收缩率Z/：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象l说明：说明：l 用用断面缩率表示塑性比伸长率更接近断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。真实变形。l 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才

8、有可比性。l当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用A11.3 / 表示；表示；l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用A / 5 表示。表示。 显然显然A A11.3 ( 5 )l A Z 时，时，无颈缩，为无颈缩，为脆性材料脆性材料表征表征 A 5000 。l 高分子化合物有高分子化合物有天然的天然的（蚕丝、羊毛、纤维素、天蚕丝、羊毛、纤维素、天然橡胶、淀粉、蛋白质等然橡胶、淀粉、蛋白质等 ），也有，也有人工合成的人工合成的（塑料、（塑料、合成橡胶、合成纤维、粘接剂和涂料等）合成橡胶、合成纤维、粘接剂和涂料等），工业用高工业用高分子材料主要是人工合成的。分子材料主要是人工合成的。l

9、高分子化合物高分子化合物由简单的结构单元重复连接而成由简单的结构单元重复连接而成。如由如由乙烯合成聚乙烯乙烯合成聚乙烯: CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2- , CH2CH2 nl可简写成可简写成 n CH2=CH2 。 l组成聚合物的低分子化合物称为组成聚合物的低分子化合物称为单体。单体。l聚合物的分子为很长的链条，称为聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链。大分子链。 CH2CH2 nl大分子链中重复结构单元大分子链中重复结构单元( (如聚乙烯中如聚乙烯中 ) )称为称为链节。链节。 聚乙烯分子链聚乙烯分子链l常用的聚合物反应有加成聚合反应常用的聚合物反应有

10、加成聚合反应(简称简称加聚反应加聚反应)和和缩合聚合反应缩合聚合反应(简称简称缩聚反应缩聚反应)。l2 、高分子材料的分类、高分子材料的分类l 按用途分按用途分塑料、橡胶、纤维、塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。胶粘剂、涂料等。 l 按按聚合物反应类型聚合物反应类型分为加聚物分为加聚物和缩聚物。和缩聚物。 l 按按聚合物的热行为聚合物的热行为分为热塑性分为热塑性聚合物和热固性聚合物聚合物和热固性聚合物. l 按按主链上的化学组成分为主链上的化学组成分为碳链碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物。合物。 1.3.1 高分子材料的结构高分子材料的结构l1、大分子链的结

11、构、大分子链的结构 l 大分子链的大分子链的柔顺性柔顺性 l大分子链主链共价键有一大分子链主链共价键有一定键长和键角，保持键长定键长和键角，保持键长和键角不变时单键可任意和键角不变时单键可任意旋转，旋转，称称单键的内旋转。单键的内旋转。l内旋转使大分子链卷曲成各种不同形状，对外力有很内旋转使大分子链卷曲成各种不同形状，对外力有很大的适应性，这种特性称为大分子链的大的适应性，这种特性称为大分子链的柔顺性。柔顺性。l柔顺性与单键内旋转的难易程度有关。柔顺性与单键内旋转的难易程度有关。 l 大分子链的形状大分子链的形状l按照大分子链的几何形状，可将高分子化合物分为按照大分子链的几何形状，可将高分子化

12、合物分为线型结构、支化型结构线型结构、支化型结构( (支链型结构支链型结构) )和体型结构。和体型结构。l线型结构高聚物线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是的弹性、塑性好，硬度低，是热塑热塑性材料。性材料。支化型结构近于线型结构支化型结构近于线型结构 。体型结构高聚体型结构高聚物物硬度高，脆性大，无弹性和塑性，是硬度高，脆性大，无弹性和塑性，是热固性材料。热固性材料。l2、高分子的聚集态结构、高分子的聚集态结构l固态高聚物分为固态高聚物分为晶态、部分晶态和非晶态晶态、部分晶态和非晶态三大类，晶态为分三大类，晶态为分子链排列规则的部分，而排列无规则的部分为非晶态。子链排列规则的部分，而排列无

13、规则的部分为非晶态。l通常通常线性聚合物在一定条件线性聚合物在一定条件下可以形成晶态或部分晶态下可以形成晶态或部分晶态，而而体型聚合物为非晶态体型聚合物为非晶态（或（或玻璃态）玻璃态）l聚合物的结晶也是形核和核聚合物的结晶也是形核和核的长大过程。的长大过程。l晶态熔点、密度、强度、硬晶态熔点、密度、强度、硬度、刚性、耐热性、化学稳度、刚性、耐热性、化学稳定性高，而弹性、塑性、韧定性高，而弹性、塑性、韧性下降。性下降。 1.3.2 高分子材料的性能高分子材料的性能 l1、线型非晶态高分子材料的力学状态、线型非晶态高分子材料的力学状态 l 玻璃态：玻璃态：低温下，链段不能运动。在外力作用下，低温下

14、，链段不能运动。在外力作用下，只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。l高聚物呈玻璃态的高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃化最高温度称玻璃化温度，用温度，用Tg表示。表示。用于这种状态的材用于这种状态的材料有塑料和纤维。料有塑料和纤维。 线型非晶态高聚物的温度线型非晶态高聚物的温度- -变形曲线变形曲线 一、高分子材料的机械性能一、高分子材料的机械性能 l 高弹态：高弹态：温度高于温度高于Tg，分子活动能力增加，受力分子活动能力增加，受力时产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。时产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。l 粘流态：粘流态

15、：由于温度高，分子活动能力很大，在外由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分力作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分子材料的加工态，子材料的加工态，大分子链开始发大分子链开始发生粘性流动的温生粘性流动的温度称粘流温度，度称粘流温度，用用Tf表示。表示。 线型非晶态高聚物的温度线型非晶态高聚物的温度- -变形曲线变形曲线 l2、晶态高聚物和体型高聚物的力学状态、晶态高聚物和体型高聚物的力学状态l 完全结晶的线性高聚物完全结晶的线性高聚物与低分子晶体材料一样没有高弹态，与低分子晶体材料一样没有高弹态，部分结晶高聚物部分结晶高聚物在非晶在非晶区区Tg与晶区与

16、晶区T m 间，非晶区柔性好，间，非晶区柔性好，晶区刚性好，处于晶区刚性好，处于皮革态。皮革态。l 体型非晶态高聚物体型非晶态高聚物具有具有l网状分子链，其交联点的网状分子链，其交联点的l密度影响高聚物的物理状密度影响高聚物的物理状l态。态。交联密度较小，链段交联密度较小，链段l仍可以运动，具有高弹态，弹性好，仍可以运动，具有高弹态，弹性好，如轻度硫化的橡胶；交如轻度硫化的橡胶；交联密度大，链段不能运动，高弹态消失，与玻璃一样硬而脆，联密度大，链段不能运动，高弹态消失，与玻璃一样硬而脆，如酚醛塑料。如酚醛塑料。 线型晶态高聚物的线型晶态高聚物的温度温度- -变形曲线变形曲线 强度低强度低 高聚

17、物的强度平均高聚物的强度平均100MPa，但其密度小，比强但其密度小，比强度高。度高。 弹性高、弹性模量低弹性高、弹性模量低 高聚物弹性变形量高聚物弹性变形量1001000，E：220MPa(取决于分子链的柔顺性取决于分子链的柔顺性)；金属弹性变形量；金属弹性变形量0.11.0，E：1032105MPa。 粘弹性粘弹性 高聚物的应变取决于应力和应力作用的速率。高聚物的应变取决于应力和应力作用的速率。产生粘弹性的原因：链段运动遇到困难，需要时间来调产生粘弹性的原因：链段运动遇到困难，需要时间来调整构象以适用外来的要求。外力作用速度越快，链段越整构象以适用外来的要求。外力作用速度越快，链段越来不及

18、作出反应，粘弹性越强。来不及作出反应，粘弹性越强。 粘弹性主要表现为粘弹性主要表现为蠕变、应力松弛和内耗。蠕变、应力松弛和内耗。 受迫弹性受迫弹性 无定形高聚物在玻璃态受到拉伸断裂前也能产生较无定形高聚物在玻璃态受到拉伸断裂前也能产生较大的变形，这种变形本质上是弹性变形大的变形，这种变形本质上是弹性变形(分子链段由卷曲性变为分子链段由卷曲性变为伸直形，玻璃化温度以下，链段运动被冻结，变形不能回复伸直形，玻璃化温度以下，链段运动被冻结，变形不能回复)，而不是分子链的粘性流动引起的不可逆塑性变形。而不是分子链的粘性流动引起的不可逆塑性变形。 韧性韧性 高聚物的韧性约为金属的百分之一，常采用提高其强

19、度高聚物的韧性约为金属的百分之一，常采用提高其强度的办法来提高韧性。的办法来提高韧性。 减摩、耐磨性减摩、耐磨性 部分高聚物部分高聚物(聚四氟乙烯，聚四氟乙烯，0.04)之间的摩擦系之间的摩擦系数很小，自润滑性能好，磨损率低。数很小，自润滑性能好，磨损率低。应应力力A应变应变BC 塑性塑性 B点对应的屈服应变较点对应的屈服应变较 大，约大，约20，而金属的多，而金属的多1；颈缩变形颈缩变形阶段很长阶段很长(冷拉变形以细颈扩展方式进冷拉变形以细颈扩展方式进行行)，扩展到整个试样后再均匀变形，扩展到整个试样后再均匀变形，C点后断裂。点后断裂。 绝缘性及隔热隔音性绝缘性及隔热隔音性 高聚物没有自由电

20、子和可移动的离子，高聚物没有自由电子和可移动的离子，是良好的绝缘体，同时也具有良好的隔热、隔音性能。是良好的绝缘体，同时也具有良好的隔热、隔音性能。 耐热性耐热性 热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。聚乙烯、尼龙热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。聚乙烯、尼龙等长期使用温度一般在等长期使用温度一般在100以下，耐高温的有机硅塑料可在以下，耐高温的有机硅塑料可在200300使用。使用。 耐蚀性耐蚀性 塑料的耐蚀性能好。尤其是聚四氟乙烯可耐强酸、强塑料的耐蚀性能好。尤其是聚四氟乙烯可耐强酸、强碱，甚至王水的腐蚀。碱，甚至王水的腐蚀。 老化老化 塑料的老化是高聚物的主要缺点，橡胶表现为变脆、龟塑料的老化

21、是高聚物的主要缺点，橡胶表现为变脆、龟裂、变软、发粘，塑料则是褪色、失去光泽、开裂。是分子链裂、变软、发粘，塑料则是褪色、失去光泽、开裂。是分子链的结构发生了降解或交联引起的。采用表面防护、加入防老化的结构发生了降解或交联引起的。采用表面防护、加入防老化剂和改进高聚物结构等方面来提高高聚物抗老化的能力。剂和改进高聚物结构等方面来提高高聚物抗老化的能力。l工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。l随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。l按组织形态，陶瓷材料分为：无机玻

22、璃、微晶玻璃和陶瓷。按组织形态，陶瓷材料分为：无机玻璃、微晶玻璃和陶瓷。 l陶瓷材料是除陶瓷材料是除金属和高聚物金属和高聚物以外的无机非以外的无机非金属材料通称。金属材料通称。l1、陶瓷材料的相组、陶瓷材料的相组成特点成特点l陶瓷材料通常由三陶瓷材料通常由三种不同的相组成，种不同的相组成，即即晶相晶相(1)、玻璃相玻璃相(2)和气相和气相(3)气孔气孔。l料致密度、降料致密度、降低烧结温度和低烧结温度和抑制晶粒长大抑制晶粒长大。l气相气相是在工艺是在工艺过程中形成并过程中形成并保留下来的。保留下来的。l晶相晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化

23、学性质的主要是晶相。理化学性质的主要是晶相。l玻璃相玻璃相的作用是的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材l陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的结合键特点l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键硅化物等，因而其结合键以离子键(如如Al2O3)、共价共价键键(如如Si3N4)及两者的混合键为主。及两者的混合键为主。共价键共价键离子键离子键l陶瓷材料具有陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。化、耐腐蚀等特性。l陶瓷材料还具有陶瓷材料还具有密度小、弹性密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特模量大、耐磨损、强度高等特点。点。 1.4.2、陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能Si3N4轴承轴承 热膨胀性能热膨胀性能 热膨胀系数大小与晶体结构和结合键密切热膨胀系数大小与晶体结构和结合键密切相关，陶瓷的线膨胀系数比聚合物、金属都低。相关，陶瓷的线膨胀系数比聚合物、金属都低。 导热性导热性 陶瓷没有自由电子的传热作用，主要靠原子陶瓷没有自由电子的传热作用，主要靠原子的振动传热，一般为较好的绝热材料。的振动传热，一般为较好的绝热材料。 热稳定性热稳定性 陶瓷的