工程材料 Engineering Materials

1、BU Object DetectionBOBO7/3/20221Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO 材料是用来制作有用器件的物质，是人类生产和生活所必需的物质基础。从日常生活用的器具到高技术产品，从简单的手工工具到复杂的航天器、机器人，都是用各种材料制作而成或由其加工的零件组装而成。纵观人类历史，每当一种新材料出现并得以利用，都会给社会生产与人类生活带来巨大的变化。 历史学家按照人类所使用材料的种类将人类历史划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的

2、标志之一。材料材料(Material）7/3/20222Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO 旧石器时代旧石器时代（250250万年前）万年前） 人类人类在地球上出现之后，最早使用的工具是石头。在地球上出现之后，最早使用的工具是石头。7/3/20223Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO新石器时代新石器时代（1 1万年前）万年前） 原始社会原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成陶瓷。末期，

3、开始用火烧制陶器，发展成陶瓷。 7/3/20224Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 陶器人类第一种合成材料BU Object DetectionBOBO 青铜器时代青铜器时代（40004000年前）年前） 奴隶社会奴隶社会，青铜冶炼技术得到很大发展。，青铜冶炼技术得到很大发展。 我国我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平 青铜青铜（铜锡合金）（铜锡合金） 人类发明的第一种合金人类发明的第一种合金7/3/20225Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zh

4、ongyang BU Object DetectionBOBO 铁器时代铁器时代（14001400年前，春秋战国年前，春秋战国） 生产工具生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会进步起了巨大的推动作用由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会进步起了巨大的推动作用。7/3/20226Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 铁制车轮铁器物品BU Object DetectionBOBO现代社会文明的三大支柱：能源、信息和材料现代社会文明的三大支柱：能源、信息和材料信息时代是建立在材料的基础上 硅半导体晶体管集成电路计算机 磁性材料信息贮存 激光

5、材料+光导纤维信息传输信息网络能源技术以材料为支撑 再生能源、核能、燃料电池等 没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术；没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空航天工业；没有光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。现代社会，人们把材料与能源、信息并列，称为现代文明的三大支柱，而材料又是后两者的基础。 工程材料是指用于工程结构和机器零件及元器件的材料。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。信息时代（现代社会）信息时代（现代社会）7/3/20227Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang

6、Zhongyang BU Object DetectionBOBO主要内容主要内容7/3/20228Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO 选用材料时首先要考虑材料的有关性能，使之与构件的使用要求相匹配。材料性能分为：使用性能和工艺性能两大类。1）使用性能：材料在使用过程中所表现出来的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。2）工艺性能：材料在加工过程中所需要的性能。1、材料的性能、材料的性能(Material property)7/3/20229Development ProjectBSC,

7、 DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBOl材料的力学性能参数有：强度、刚度、塑性、硬度、韧性、脆性、疲劳特性等。l变形(Deformation)：材料在外力作用下，将发生形状尺寸上的变化，即产生变形。变形分为两大类，即弹性变形和塑性变形。 弹性变形(Elastic deformation)：材料在外力下产生变形，当外力去除以后仍能恢复原来形状的变形。 塑性变形(Plastic deformation)：材料在外力下产生的永久变形，而材料本身并不发生破坏的变形。1.1力学性能力学性能(Mechanical property)7/3/20221

8、0Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBOl应力(Stress)：物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，单位面积上的内力称为应力。l应变(Strain)：物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变。l失效(Failure)：是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。7/3/202211Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Obje

9、ct DetectionBOBO低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢。这类钢材在工程中使用较广，在拉伸试验中表现出的力学性能也最为典型。1.1.1低碳钢拉伸试验低碳钢拉伸试验7/3/202212Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO1.1.2低碳钢拉伸曲线分析低碳钢拉伸曲线分析7/3/202213Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 1.弹性阶段（ob段）在拉伸的初始阶段， 曲线曲线（Oa段）为一直线，说明应力与应变成正比，即满足胡克定

10、理，此阶段称为线形阶段。线性段的最高点称为材料的比例极限（p），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。线性阶段后， 曲线不为直线（ab段），应力应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也完全消失。卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限（e），一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。2.屈服阶段（bc段）超过弹性阶段后，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象成为屈服。使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极屈服极限限（s ）。当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成4

11、5斜纹。这是由于试件的45斜截面上作用有最大切应力，这些斜纹是由于材料沿最大切应力作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。BU Object DetectionBOBO3.强化阶段（ce段）经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。若在此阶段卸载，则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线（如d-d斜线），其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。当载荷卸载到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。卸载完之后，立即再加载，则加载时的应力应变关系基本上沿卸载时的直线变化。因此，

12、如果将卸载后已有塑性变形的试样重新进行拉伸实验，其比例极限或弹性极限将得到提高，这一现象称为冷作硬化。在硬化阶段应力应变曲线存在一最高点，该最高点对应的应力称为材料的强强度极限度极限（b），强度极限所对应的载荷为试件所能承受的最大载荷Fb。4.颈缩阶段（ef段）试样拉伸达到强度极限b之前，在标距范围内的变形是均匀的。当应力增大至强度极限f之后，试样出现局部显著收缩，这一现象称为颈缩。颈缩出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲线呈现下降趋势，直至最后在f点断裂。试样的断裂位置处于颈缩处，断口形状呈杯状，这说明引起试样破坏的原因不仅有拉应力还有切应力。7/3/202214Developm

13、ent ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO 工程上常用屈服强度和抗拉强度来表征材料的强度特性。在屈服阶段的应力最低点称为屈服强度或屈服点；从开始加载到破坏的整个过程中，试件截面所经受的最大应力就反映出材料的强度，通常称为材料的抗拉强度。l屈服强度l抗拉强度7/3/202215Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 0SFss0SFbb1.1.3强度强度(Strength)-材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。BU Object DetectionBOBO一个

14、结构的刚度（k）是指弹性体抵抗变形拉伸的能力。计算公式： k=P/P是作用于结构的恒力，是由于力而产生的形变。刚度的国际单位是牛顿每米（N/m）。l刚度是使物体产生单位变形所需的外力值。刚度与物体的材料性质、几何形状、边界支持情况以及外力作用形式有关。l弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等。1.1.4刚度刚度(Stiffness)-材料受力时抵抗变形的能力。是材料或结构弹性变形难易程度的表

15、征。7/3/202216Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang eeE弹性模量BU Object DetectionBOBO7/3/202217Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO 1.1.5塑性塑性(Plasticity)-材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性质。7/3/202218Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象BU Object D

16、etectionBOBOl 硬度测试有很多种方法，如压入法、回弹法、划痕法等，工业上主要用的是压入法。压入法是将比工件更硬的物质压入工件表面，利用所得到的压痕测量工件的硬度的方法。布氏硬度；洛氏硬度；维氏硬度；1.1.6硬度硬度(Hardness)-材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，即是抵抗局部塑性变形的能力。7/3/202219Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBOl 布氏硬度的测量方法是用规定大小的载荷P，把直径为D的钢球压入被测材料表面，持续规定的时间后卸载，用载荷值和压痕面积之比定义硬

17、度值。1.1.6.1布氏硬度布氏硬度7/3/202220Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBOl 洛氏硬度所采用的压头是锥角为120的金刚石圆锥或直径为1/16英寸（1英寸等于25.4毫米）的钢球，并用压痕深度作为标定硬度值的依据1.1.6.2洛氏硬度洛氏硬度7/3/202221Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 钢球压头与金刚钢球压头与金刚石压头石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕BU Object DetectionBOBOl 维氏硬度的

18、测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头是金刚石的正四棱锥体。试验时，在一定载荷的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度，除以计算压痕的表面积，载荷除以表面积的数值就是试样的硬度值。1.1.6.3维氏硬度维氏硬度7/3/202222Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO脆性脆性(Brittleness)与韧性相反，是指当外力达到一定限度时,材料发生无先兆的突然破坏,且破坏时无明显塑性变形的性质。 材料在断裂前有较

19、大形变、断裂时断面常呈现外延形变，此形变不能立即恢复，其应力-形变关系成非线性、消耗的断裂能很大的材料。韧性的材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大；硬度、拉伸强度和拉伸弹性模量相对较小。建筑钢材(软钢)、木材、塑料等是较典型的韧性材料。脆性材料力学性能的特点是抗压强度远大于抗拉强度,破坏时的极限应变值极小。砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。与韧性材料相比,它们对抵抗冲击荷载和承受震动作用是相当不利的。作为工程材料，我们希望它同时具有良好的韧性和刚性。在改善材料的韧性时，还应设法提高刚性。一般加入弹性体可增加韧性，加入无机填料可增加刚性。最有效的方法是将弹性体的增韧和

20、填料的增强结合起来。1.1.7韧性韧性(Toughness)-材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。表现为当承受应力时对折断的抵抗。7/3/202223Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBOl 疲劳特征零件 、构件的疲劳破坏可分为3个阶段 ：微观裂纹阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面不足以

21、抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。l 通过改进零件的形状以减小应力集中，或对最弱环节的表面层采用适当的强化工艺，便能显著地提高其疲劳强度。应用疲劳强度设计能保证机械在给定的寿命内安全运行。1.1.8疲劳疲劳(Fatigue)-是指构件在低于屈服强度的条件下，在是指构件在低于屈服强度的条件下，在交变载荷作用下发生破坏的现象。这种断裂被称为交变载荷作用下发生破坏的现象。这种断裂被称为“疲劳断疲劳断裂裂”。引起疲劳断裂的最低应力值，即疲劳强。引起疲劳断裂的最低应力值，即疲劳强(Fatigue strength)。7/3/202224Development ProjectBSC, DE/C

22、U, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBOl 强度是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。l 刚度是指材料受力时抵抗变形的能力。是材料或结构弹性变形难易程度的表征。l 硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，即是抵抗局部塑性变形的能力。l 塑性是指材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的性质。l 韧性是指材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。表现为当承受应力时对折断的抵抗。l 脆性是指当外力达到一定限度时,材料发生无先兆的突然破坏,且破坏时无明显塑性变形的性质。l 疲劳是指构件在低于屈服强度的条件下，在交变载荷作用下发生破坏的现象。这种断裂被称为

23、“疲劳断裂”。引起疲劳断裂的最低应力值，即疲劳强度。1.1.9力学性能参数汇总力学性能参数汇总7/3/202225Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO1.密度(Density)：单位体积材料的质量。= m/V 2. 熔点(Melting point )：材料的熔化温度。3. 热膨胀性(Thermal expansion)：材料随温度的增加，体积增大的性质。4. 导热性( Thermal conductivity )：材料单位截面积传导热量的能力。5. 导电性(Electrical condu

24、ctivity )：材料对电流的传导特性。电阻率是单位长度、单位截面积的电阻值，其单位为.m。6. 磁性(Magnetism)：材料在磁场中的表现出来的特性。非铁磁性物质Al、Cu等；铁磁性物质Fe、Ni、Co等。1.2物理性能物理性能(Physical properties)7/3/202226Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 材料 铅 铜 铁 钛 铝 锡 钨 塑料 玻璃钢 碳纤维复合材料 密度/g/cm3 11.3 8.9 7.8 4.5 2.7 7.28 19.3 0.92.2 2.0 1.11.6 材料 钨 钼 钛 铁 铜 铝

25、 铅 铋 锡 铸铁 碳钢 铝合金 熔点/ 3380 2630 1677 1538 1083 660.1 327 271.3 231.9 12791148 14501500 447575 材料 铝 铅 锡 铜 铁 钛 碳钢 黄铜 青铜 铸铁 线膨胀系数 /10-61/ 23.6 29.3 23.0 17.0 11.76 8.2 10.613 17.820.9 17.618.2 8.711.6 材料 银 铜 铝 铁 灰铸铁 碳钢 热导率/W/(m) 419 393 222 75 63 67（100） BU Object DetectionBOBO1.耐腐蚀性(Corrosion resistanc

26、e )：材料抵抗各种介质腐蚀破坏的能力。由材料的成分、化学性能、组织形态等决定。腐蚀分为化学腐蚀、电化学腐蚀、一般腐蚀等。高分子材料面临的主要是有机溶剂腐蚀及老化（光化学降解）。提高材料的耐腐蚀性的方法很多，如添加其他混合元素（不锈钢）、均匀化处理（抛光）、表面处理（发蓝、电镀）等都可以提高材料的耐腐蚀性。2. 抗氧化性(Oxidation resistance )：是指金属材料在高温时抵抗氧化性气氛腐蚀作用的能力称为抗氧化性。金属 表面形成的致密的氧化层能阻止金属的进一步氧化。1.3化学性能化学性能(Chemical properties)7/3/202227Development Proj

27、ectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO1. 铸造性能(Castability)铸造：将液体金属浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，冷却凝固以后获得毛坯、铸件或原材料的工艺方法。铸造性能：液体金属浇注到铸型空腔中，待冷却凝固以后获得结构完整、轮廓清晰的铸件的能力。铸造性能包括充型能力、收缩等。2. 锻造性能(Forgeability)锻造：金属材料在外力作用下，产生变形，从而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯、锻件或原材料的工艺方法。锻造性能：金属材料在外力作用下，获得优质锻件的能力。锻造性能取决于金属材料的塑性和变形

28、抗力。材料的塑性好、变形抗力小，则锻造性能好。1.4工艺性能工艺性能(Processing property)7/3/202228Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO3. 焊接性能(Weldability)焊接：通过加热或加压力（或同时加热并加压力），借助于原子或分子之间的结合作用，使分离的金属结合起来的工艺方法。可焊性：金属材料在一定的焊接方法、焊接材料、焊接规范以及结构形式的条件下，形成优质连接的难易程度。材料的含碳量越低，则可焊性越好。4. 切削加工性(Machinability)切削

29、加工：借助于机械，将材料加工成零件的过程。切削加工性：材料被切削加工成形并得到精确的形状、尺寸以及高的表面光洁度的能力。5. 热处理性能(Heat treatment property)热处理：通过加热、保温、冷却等手段，通常在不改变外形的条件下，改变其内部组织，以获得所需性能的工艺方法。热处理性能：通过热处理改变材料的性能的难易程度。热处理性能包括淬硬性、淬透性、扩散能力等。7/3/202229Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO 质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件；在选择

30、材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。 所谓经济性原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而且是指运用价值分析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。 1.5经济性原则经济性原则(The economy principle）7/3/202230Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO2、材料的分类、材料的分类(Classification of Materials)7/3/202231Development ProjectBSC,

31、 DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO 金属材料来源丰富，并具有优良的使用性能和加工性能，是机械工程中应用最普遍的材料，常用以制造机械设备、工具、模具，并广泛应用于工程结构中。金属材料大致可分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属通常指以铁、锰、铬为基的合金；有色金属是指黑色以外的金属及其合金，如铜及铜合金、铝及铝合金等。2.1金属材料金属材料(Metal material)7/3/202232Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO金属键金

32、属键(Metallic bond) 通过金属离子和自由电子结合而形成的键接方式称为“金属键”。由金属原子上脱离下来的最外层电子，称为“自由电子” 。它们在金属中聚集成为“电子云”，并可以自由移动。失去价电子的原子成为“正离子”，通过电子云将它们连接在一起。由于电子云在金属中可以自由移动，所以金属具有良好的导电性和导热性，同时，在光照的条件下使其激发，继而产生金属光泽。当金属原子之间产生位移时，由于自由电子的存在，使原子之间不致产生破坏，因而，金属具有良好的塑性。金属晶体金属晶体(Metal crystal) 金属内部原子在三维空间的规则排列构成金属晶体。金属中的原子-离子按金属键结合，因此金属

33、晶体通常具有很高的导电性和导热性、很好的可塑性和机械强度，对光的反射系数大，呈现金属光泽，在酸中可替代氢形成正离子等特性。最常见最典型的晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方结构。金属晶体的物理性质和结构特点都与金属原子之间主要靠金属键键合相关。金属可以形成合金，是其主要性质之一。 金属单质及一些金属合金都属于金属晶体。金属晶体中存在金属离子(或金属原子)和自由电子 ，金属离子和自由电子之间存在较强烈的金属键，自由电子在整个晶体中自由运动，金属具有共同的特性，如金属有光泽、不透明，是热和电的良导体，有良好的延展性和机械强度。大多数金属具有较高的熔点和硬度，金属晶体中，金属离子排列越紧密，金属离

34、子的半径越小、离子电荷越高，金属键越强，金属的熔、沸点越高7/3/202233Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 金属键示意图BU Object DetectionBOBO7/3/202234Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 黑色 金属有色 金属金属材料铸铁钢 碳钢合金钢(锰硅铬镍钨钛)轻金属(铝镁钛) 重金属(铜锌铅镍) 贵重金属(金银)稀有金属(钨钼钒铌钴) 放射金属(镭铀钍)低碳钢中碳钢高碳钢BU Object DetectionBOBO1.碳钢（1）按钢的含碳量多少分类

35、 分为三类：低碳钢，含碳量0.25%；中碳钢，含碳量为0.25%0.60%；高碳钢，含碳量0.60%。正是由于钢中含有一定量的碳，才能对钢进行热处理，才能调节或改变其机械性能。在一定范围内，随着含碳量的增加，钢的硬度和强度得到提高，但其塑性和韧性降低。（2）按钢的用途分类 分为两类：碳素结构钢，按用途可分为工程用钢和机器用钢两大类。工程用钢主要用于各种工程结构，这类钢冶炼方便、成本低、用 量大，一般不进行热处理；机器用钢采用优质碳素结构钢和合金结构钢，它们一般都经过热处理后使用。碳素工具钢，按用途可分为刃具钢、模具钢和刃具钢，主要用于制造各种工具、量具和模具等。例：45钢即表示C=0.45%的

36、优质碳素结构钢。45号钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45号钢可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望发挥45钢优越的机械性能，常将45钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。2.1.1钢钢(Steel)7/3/202235Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO2.合金钢 钢里除铁、碳外，加入其他的合金元素，就叫合金钢。 在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获

37、得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。例如锰能提高钢的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能；铬能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。（1）按合金元素总含量多少分类 分为三类：低合金钢，合金元素总含量小于5%；中合金钢，合金元素总含量为5%10%；高合金钢，合金元素总含量大于10%。（2）按用途分类 分为三类：合金结构钢，用于制造各种性能要求更高的机械零件

38、和工程构件；如20CrMnTi钢。合金工具钢，用于制造各种性能要求更高的刃具、量具和模具；如W18Cr4V、CrWMn、5CrMnMo等。特殊性能钢，具有特殊物理和化学性能的钢。如不锈钢（1Cr18Ni9）、耐热钢（15CrMo）、耐磨钢（Mn13）等。例：不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素.铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素,当钢中含铬量达到12左右时,铬与腐蚀介质中的氧作用,在钢表面形成一层很薄的氧化膜（ 自钝化膜），防止氧原子继续渗入继续氧化,而获得抗锈蚀能力。除铬外,常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等,以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求.7/3/202236Develop

39、ment ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBOl铸铁是含碳量大于2.1%，并含有较多Si、Mn、S、P等元素的多元铁合金。铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可以用铸铁来制造。根据铸铁中碳的存在形式不同，铸铁可分为白口铸铁可分为白口铸铁和灰口铸铁两大类。（一）白口铸铁 白口铸铁中的碳几乎全部以Fe3C形式存在，断口呈银白色，性能硬而脆，很难进行切削加工，工业上极少用来制造机械零件。主要用作炼钢原料或用于可锻铸铁的毛

40、坯。（二）灰口铸铁 灰口铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的石墨形式存在，断口呈暗灰色。根据灰口铸铁中石墨存在形式不同，它又可分为普通灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。灰口铸铁价格便宜，应用广泛，占铸铁的总产量80%以上。2.1.2铸铁铸铁(Cast iron)7/3/202237Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBOl铝及铝合金(Aluminum and aluminum alloy) 纯铝具有白色光泽，密度小（2.72g/cm3),熔点低（660.4），导电、导热性能优良；具有面心立方晶格，无

41、同素异构转变，无磁性；纯铝在空气中易氧化，在其表面形成致密的氧化膜，因而抗大气腐蚀性能好；具有的塑性和低的强度（纯度为99.99时，b=45MPa,=50），易于加工成型还具有良好的低温塑性（253塑性仍不下降）。 纯铝不适合做机械零件。铝合金可改变其组织结构，提高力学性能。常加入的主要元素有：Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr等辅加元素。由于以上元素的加入，使得铝合金既具有高的强度又保持了纯铝的优良特性。因此铝合金可用于制造承受较大载荷的机械零件或构件，成为工业中广泛应用的有色金属材料。 铝在人体内是慢慢蓄积起来的，其引起的毒性缓慢、且不易察觉，然而，一旦发生代谢

42、紊乱的毒性反应，则后果非常严重。因此，必须引起我们的重视，在日常生活中要防止铝的吸收，减少铝制品的使用。2.1.3有色金属及其有色金属及其合金合金(Non-ferrous metal and alloy)7/3/202238Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO根据成分及加工特点，铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金。1形变铝合金 形变铝合金能承受压力加工。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、建筑用门窗等。形变铝合金包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金等。因其塑性好，故常利用压

43、力加工方法制造冲压件、锻件等，如铆钉、焊接油箱、管道、容器、发动机叶片、飞机大梁及起落架、内燃机活塞等。形变铝合金按合金中所含主要元素成分可分为：工业纯铝（1系），Al-Cu合金（2系），Al-Mn合金（3系），Al-Si合金（4系），AL-Mg合金（5系），Al-Mg-Si合金（6系），Al-Zn-Mg合金（7系），Al-其它元素合金（8系）及备用合金组（9系）。2铸造铝合金 铸造铝合金是用于制造铝合金铸件的材料，按主要合金元素的不同，铸造铝合金分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。表示方法为LZ 7/3/202239Development ProjectBSC, DE/CU, Zha

44、ng Zhongyang BU Object DetectionBOBO应用应用于于BNS外壳外壳7/3/202240Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 铝硅铸造铝合金 铝硅合金是应用最广的铸造铝合金，通常称为硅铝明。其铸造性能好，比重小，并有相当好的抗蚀性和耐热性，适于制造形状复杂的零件，如泵体、电动机壳体、发动机的气缸头、活塞以及汽车、飞机、仪器上的零件，也可制造日用品。通常带有保护性表面涂层。GD-AlSi12（Cu） DIN 1725压力铸造铝合金主要成分：（重量%）Si 11 13.5Mn 0.2 0.5Al 其余允许杂质：（

45、重量%）Cu 1.0Fe 1.3Zn 0.5Mg 0.3Ni 0.2Ti 0.15Pb 0.2Sn 0.1其它杂质 每种0.05 共BU Object DetectionBOBOl铜及铜合金(Copper and copper alloy) 纯铜呈紫红色，俗称“紫铜”、“红铜”或“赤铜”。其密度为8.9g/cm3,熔点为1083；具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性；具有良好的导电性和导热性；在大气、淡水和冷凝水中具有良好的耐蚀性。纯铜的强度不高(b200MPa-250MPa),硬度较低(40 HB-50HB),塑性好(4550)。冷变形后，其强度可提高到400500MPa,硬度可达到10

46、0200HB，但伸长率下降。纯铜主要用于配制铜合金、制作导线及耐蚀材料等。 紫铜因呈紫红色而得名。它不一定是纯铜，有时还加入少量脱氧元素或其他元素以改善材质和性能,因此也归入铜合金。中国紫铜加工材按成分可分为：普通紫铜(T1、T2、T3、T4)、无氧铜（TU1、TU2和高纯、真空无氧铜）、脱氧铜（TUP、TUMn）、添加少量合金元素的特种铜（砷铜、碲铜、银铜）四类。紫铜的电导率和热导率仅次于银，广泛用于制作导电、导热器材。紫铜在大气、海水和某些非氧化性酸（盐酸、稀硫酸）、碱、盐溶液及多种有机酸（醋酸、柠檬酸）中有良好的耐蚀性。7/3/202241Development ProjectBSC,

47、DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO铜合金是在纯铜中加入合金元素制成的，常用合金元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等。由于合金元素的固溶强化及第二相强化作用，使得铜合金既提高了强度，又保证了纯铜的特性。因而在机械工业中得到了广泛的应用。根据化学成分，铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。 1.黄铜是由铜和锌所组成的合金，因色黄而得名。铜含量62%68%的黄铜，其熔点为934967度。如果只是由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜。如果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。黄铜的机械性能和耐磨性能都很好，可用于

48、制造精密仪器、船舶的零件、枪炮的弹壳等。含锌量不同，也会有不同的颜色，如含锌量为18%-20%会呈红黄色，而含锌量为20%-30%就会呈棕黄色。黄铜代号用“ H +数字”表示， H 表示黄铜，数字表示铜的质量分数。如 H68 表示含铜量为 68% ，含锌量为 32% 的黄铜，铸造黄铜则在代号前加“ Z ”字，如 ZH62。如 Zcuzn38 表示含锌量为 38% ，余量为铜的铸造黄铜。7/3/202242Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO2青铜青铜是是金属治铸史上最早的合金，在纯铜（红铜）

49、中加入锡或铅的合金，有特殊重要性和历史意义。但工业上都习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜合金也为青铜，所以青铜实际上包括锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。青铜具有熔点低、硬度大、可塑性强、耐磨、耐腐蚀、色泽光亮等特点，青铜器适用于铸造各种器具、机械零件、轴承、齿轮等。青铜牌号为：Q第一主添加元素化学符号除铜以外的元素含量，例如：QAl5、QSn6.5-0.1、QAl10-4-4。3.白铜白铜是以镍为主要添加元素的铜基合金，呈银白色，有金属光泽，故名白铜。 白铜分为普通白铜和特殊白铜。 纯铜加镍能显白铜山水墨盒著提高强度、耐蚀性、硬度、电阻和热电性，并降低电阻率温度系数。因此白铜较其他铜合

50、金的机械性能、物理性能都异常良好，延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀、富有深冲性能，被广泛使用于造船、石油化工、电器、仪表、医疗器械、日用品、工艺品等领域，并还是重要的电阻及热电偶合金。白铜的缺点是主要添加元素镍属于稀缺的战略物资，价格比较昂贵。普通白铜的牌号为：B镍的平均百分含量，如B5，为含镍5的白铜；特殊白铜的牌号为：B主加元素符号（镍除外）镍平均百分含量主加元素平均百分含量。如BMn401.5为含40Ni、1.5%Mn的锰白铜。7/3/202243Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO

51、1、热处理的概念将钢在固态下，通过加热、保温、冷却，通常不改变钢的形状，改变钢的组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。热处理的不改变形状，改变内部组织；只在固态下发生相变。热处理的分类（1）普通热处理：退火、正火、淬火、回火。 退火：将钢加热到适当的温度、保温，然后缓慢冷却的热处理工艺称为“退火”。目的：调整硬度，便于切削加工。消除残余内应力，防止后续加工中变形和开裂。细化晶粒，提高力学性能或为最终热处理做组织准备。 正火：将钢加热保温后空冷的热处理工艺。正火的目的和退火相同。 淬火：将钢加热到临界点以上，保温后以大于临界冷却速度冷却，使A转变为M的热处理工艺。 以大幅提高钢的力学性能，从

52、而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。 回火：将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。一般用于减小或消除淬火钢件中的内应力，或者降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性。（2）表面热处理：表面淬火、化学热处理。（3）其他热处理：真空热处理 、形变热处理、控制气氛热处理、激光热处理等。2.1.4金属的热处理及表面处理金属的热处理及表面处理(Heat treatment and surface treatment of metal)7/3/202244Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object Dete

53、ctionBOBO2.表面处理电镀电镀镀层金属或其他不溶性材料做阳极，待镀的工件做阴极，镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观。电泳电泳电泳是电泳涂料在阴阳两极，施加于电压作用下，带电荷之涂料离子移动到阴极,并与阴极表面所产生之碱性作用形成不溶解物，沉积于工件表面。电泳漆膜具有涂层丰满、均匀、平整、光滑的优点，电泳漆膜的硬度、附着力、耐腐、冲击性能、渗透性能明显优于其它涂装工艺。发黑发黑钢制件的表面发黑处理，也称之为

54、发蓝。其原理是将钢铁制品表面迅速氧化,使之形成致密的氧化膜保护层，提高钢件的防锈能力。7/3/202245Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO喷涂喷涂利用压力或静电力将油漆或粉末附着在工件表面,使工件有防腐和外观装饰作用.烤漆烤漆在基材上打上底漆、面漆，每上一遍漆，都送入无尘衡温烤房，烘烤。浸渗浸渗是一种微孔（细缝）渗透密封工艺。将密封介质（通常是低粘度液体）通过自然渗透（即微孔自吸）、抽真空和加压等方法渗入微孔（细缝）中，将缝隙填充满，然后通过自然冷却或加热等方法将缝隙里的密封介质固化，达

55、到密封缝隙的作用。喷油喷油将油漆喷在产品表面，自然风干的方式。 抛光抛光利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的，有时也用以消除光泽（消光）。7/3/202246Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO BES外壳广泛采用含有Sn、Pb、Ni的特殊黄铜，使之具有一些特殊的性能，以满足产品的使用要求与制造工艺要求，如铅黄铜具有良好的切削加工性能，锡黄铜具有良好的耐蚀性等。在外壳表面镀镍、铬、特氟龙

56、等涂层，以增加表面的光洁度、耐磨性、耐腐蚀性等。 材料名称：CuZn39Pb铅黄铜化学成分：Cu:57.5-59.5Ni:0.5Fe:0.5Pb:2.0-3.0Zn:余量杂质：1.2力学性能：抗拉强度:(b/MPa)440-450伸长率：（/%）5.5应用于应用于BES外壳外壳7/3/202247Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang BU Object DetectionBOBO2.2高分子材料高分子材料(High polymer material)7/3/202248Development ProjectBSC, DE/CU, Zhan

57、g Zhongyang 高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。分类：分类：高分子材料按来源分为天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子材料有天然橡胶、纤维素、蛋白质、淀粉、甲壳素、蚕丝等。合成高分子材料主要是指塑料、合成橡胶和合成纤维三大合成材料，此外还包括黏合剂、涂料以及各种功能性高分子材料。BU Object DetectionBOBO7/3/202249Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 结构：结构： 与一般低分子不同，高分子是由若干个最基本的结构单元以共价键键接构成，高分子材料则是通过若干高分子链聚集以及高分子链与其他添加组

58、分的相互作用儿构成。高分子化合物的相对分子质量可高达上万甚至上百万。巨大的分子质量赋予这类高分子以崭新的物理、化学性质：可以延压成膜；可以纺制成纤维；可以挤铸或模压成各种形状的构件；可以产生强大的粘接能力；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。 高分子结构通常分为链结构和聚集态结构两个部分。链结构是指单个高分子化合物的分子的结构和形态，高分子链可以是线型的，带支链的，也可以是网状的或体型的，聚集态结构是指高聚物材料本体内部高分子链之间的几何排列状态，主要包括非晶态结构、晶态结构、液晶态结构、取向结构等。BU Object DetectionBOB

59、O7/3/202250Development ProjectBSC, DE/CU, Zhang Zhongyang 命名方式：命名方式：高分子材料多采用习惯命名。常用的有：（1）在原料单体名称前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙稀等；（2）在原料单体名称后加“树脂”，如环氧树脂、酚醛树脂等。（3）采用商品名称，如聚酰胺称为“尼龙”或“棉纶”、聚酯称为“涤纶”、聚甲基丙烯酸称为“有机玻璃”等。（4）采用英文字母缩写，如聚乙烯用“PE”、聚甲醛用PO、聚氯乙稀用“PVC”等。BU Object DetectionBOBO2.2.1高分子材料高分子材料的力学状态的力学状态1、线型非晶态高聚物的力学状态根据

60、高聚物在恒定应力条件下的温度-形变曲线，即热-机曲线，可描述聚合物在不同温度下出现3种力学状态，如图所示。（1）玻璃态在低温下，分子运动能量低，链段不能运动，在外力作用下，只能使大分子的原子发生微量位移而发生少量弹性变形，这种状态称为“玻璃态”。高聚物呈玻璃态的最高温度叫“玻璃化温度”，用“Tg”表示。在这种状态下使用的材料有塑料和纤维。（2）高弹态温度高于Tg，分子活动能力增加，大分子的链段发生运动，因此产生很大的弹性变形，可达1001000，被称为“高弹态”。在这种状态下使用的高聚物是橡胶。（3）粘流态由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相对滑动。称为“粘流态”。粘流态