航空材料-热处理课件

Thursday,January5,2023航空材料

主讲：韦肖飞Thursday,December29,2022航空1绪论材料与材料科学材料的分类与概况材料科学与机械工程本课程的目的、内容与学习要求航空材料》精品课程张家界航院数控工程系绪论材料与材料科学航空材料》精品课程张家界航院数控工程系2一、材料与材料科学

人类社会的发展按材料分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。

我们的祖先创造了辉煌的历史原始社会末期，中国最早使用了陶器。东汉时期出现瓷器，传至世界各国。汉代，先炼铁后炼钢的技术居世界领先地位。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系一、材料与材料科学航空材料》精品课程张家界航院数控工程系3现代技术的三大支柱：能源、信息、材料；材料的品种、数量和质量已成为衡量一个国家科技和国民经济水平及国防力量的重要标志。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系现代技术的三大支柱：能源、信息、材料；航空材料》精品课程张4什么是材料？航空材料》精品课程张家界航院数控工程系什么是材料？航空材料》精品课程张家界航院数控工程系5材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”四号飞船成功返回国产涡喷-7涡轮喷气发动机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”四号飞6石器铁器

象形尊(西周)石器时代青铜器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系石器铁器象形尊(西周)石器时代材料是人类进化的里程碑。由于702什么是材料科学材料科学是研究材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系02什么是材料科学材料科学是研究材料的结构、制备加工工艺与8材料科学与工程的四要素使用性能成分/组织固有性能制备/加工航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料科学与工程的四要素使用性能成分/组织固有性能制备/加工航9材料科学与工程的四要素使用性能成分/组织固有性能制备/加工材料科学与工程的四要素使用性能成分/组织固有性能制备/加工10材料结构所包括的四个层次：原子结构、结合键、原子排列方式和组织成分/组织制备/加工制备、加工方法及其对性能的影响材料结构所包括的四个层次：原子结构、结合键、原子排列方式和组11材料本身所具有的物理、化学及力学性能固有性能使用性能将材料的固有性能和产品设计、工程应用能力等联系起来。如寿命、速度、能量利用率、安全可靠性材料本身所具有的物理、化学及力学性能固有性能使用性能将材料的12机械工程材料机械工程材料主要指用于机械工程、电器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等领域的材料。机械工程材料机械工程材料主要指用于机械工程、电器工程、建筑工13

材料史上几个重要事件1863年，出现了金相显微镜，产生了金相学。进而产生了金属学，金属学以化学、物理、材料力学为基础。1912年出现了X射线衍射技术。1932年出现了电子显微分析技术。公欲善其事，必先利其器。

20世纪以来，材料的发展状况

高性能金属材料发展的同时，高分子材料、陶瓷材料和复合材料迅速发展，目前正在进入人工合成材料的新时代。

航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料史上几个重要事件航空材料》精品课程张家界航院14

材料科学的研究范畴材料科学是研究材料的成分、组织、性能和应用之间的关系及其规律的一门科学，它包含四个基本要素：材料的成分组织结构、材料的制备合成与加工工艺、材料的固有性能和材料的使用行为。

多数发达国家非常重视材料科学研究1972年，美国国家科学院的白皮书报告，全美科技人员有25%从事材料问题研究，还有25%以某种形式参与材料的研究。1986年《科学的美国人》杂志在讨论有关材料研究的文章中指出“材料科学的进展决定了经济关键部门增长率的极限范围”。

航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料科学的研究范畴航空材料》精品课程张家界航15金属材料制品航空材料》精品课程张家界航院数控工程系金属材料制品航空材料》精品课程张家界航院数控工程系161990年美国总统的科学顾问指出“材料科学在美国是最重要的学科”。

二、材料的分类与概况

工程材料是指固体材料领域中与工程（结构、零件、工具）有关的材料，主要应用于机械制造、航空航天、化工、建筑与交通等部门。按其应用领域分为机械工程材料、电子工程材料、航空材料按其性能特点分为结构材料和功能材料工程上按材料的化学属性将材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料四大类。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系1990年美国总统的科学顾问指出“材料科学在美国是17河北沧州的铁狮子铸造于公元953年，距今已有1千余年的历史，狮高5.3m，长6.5m，宽3m，重约40t。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系河北沧州的铁狮子铸造于公元953年，距今已有1千余年的历史，18建筑铝合金型材铝材管铝合金门窗铝塑板铝合金制品铝材管铝板航空材料》精品课程张家界航院数控工程系建筑铝合金型材铝材管铝合金门窗铝塑板铝合金制品铝材管铝板航空19金属材料纯金属合金航空材料》精品课程张家界航院数控工程系金属材料纯金属合金航空材料》精品课程张家界航院数控工20建筑桥梁器械车辆、飞机、舰艇其它航空材料》精品课程张家界航院数控工程系建筑航空材料》精品课程张家界航院数控工程系21航空材料》精品课程张家界航院数控工程系航空材料》精品课程张家界航院数控工程系22航空材料》精品课程张家界航院数控工程系航空材料》精品课程张家界航院数控工程系23“空间金属”航空材料》精品课程张家界航院数控工程系“空间金属”航空材料》精品课程张家界航院数控工程系24“深海金属”航空材料》精品课程张家界航院数控工程系“深海金属”航空材料》精品课程张家界航院数控工程系25用钛—镍形状记忆合金制成的人造卫星天线“亲生物金属”航空材料》精品课程张家界航院数控工程系用钛—镍形状记忆合金制成的人造卫星天线“亲生物金属”航空材料26重大成果航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料的发展。1966年我国成功发射人造卫星；1999年11月21日我国载人航天工程第一艘试验飞船“神舟”一号飞行成功；2003年10月15日中国第一艘载人飞船“神舟”五号飞行成功。人造卫星运载火箭“神舟”五号飞行成功飞船重大成果航空、航天事业迅速崛起，带动航空27重大成果

研制了超7隐形战斗机，2003年8月30日首飞成功。超7隐形战斗机

歼7E战斗机在C60和碳纳米管新型碳材料的研究方面取得许多新的成果,利用碳纳米管作为衬底,制备出均匀、致密的金刚石薄膜，并用碳纳米管作为晶须增强复合材料，制作纳米复合材料。碳纳米管重大成果

研制了超7隐形战斗机，2003年8月3028一、工程材料在机翼、机体和防热层上的应用

（一）机翼和机体（二）防热层机翼和机体一、工程材料在机翼、机体和防热层上的应用

（一）机翼和机体机29喷嘴边缘荷载”(Nozzlesideloads)是火箭发动机排气喷嘴发动机壳体飞机尾部喷管喷嘴边缘荷载”(Nozzlesideloads)是火箭发3003工程材料简介分类金属材料非金属材料航空材料》精品课程张家界航院数控工程系03工程材料简介分类金属材料非金属材料航空材料》精品课程31金属材料MetallicMaterials金属材料钢铁材料Ferrousmetals有色金属材料Non-ferrousmetals用量占80%航空材料》精品课程张家界航院数控工程系金属材料MetallicMaterials金属材料钢铁材32非金属材料Non-metallicMaterials分类陶瓷材料高分子材料复合材料功能材料航空材料》精品课程张家界航院数控工程系非金属材料Non-metallicMaterials分类33陶瓷材料CeramicMaterials陶瓷传统陶瓷结构陶瓷航空材料》精品课程张家界航院数控工程系陶瓷材料CeramicMaterials陶瓷传统陶瓷结34高分子材料

PolymericMaterials又称聚合物，按照用途可分为：塑料PlasticMaterials合成纤维Syntheticfibres橡胶Rubbers航空材料》精品课程张家界航院数控工程系高分子材料PolymericMaterial35金属、聚合物、陶瓷优点缺点都非常明显，如果把两种材料结合在一起，发挥各自的长处，又可以在一定程度下克服了它们的弱点，就产生了复合材料。复合材料

CompositeMaterials航空材料》精品课程张家界航院数控工程系金属、聚合物、陶瓷优点缺点都非常明显，如果把两种材36功能材料

FunctionalMaterials电功能材料磁功能材料热功能材料光功能材料其它功能材料简介航空材料》精品课程张家界航院数控工程系功能材料FunctionalMaterial37（一）

金属材料用量最大、用途最广分为：黑色金属和有色金属。1.黑色金属：即钢铁材料，占金属材料的95%以上。2.有色金属：既非铁合金，指除铁基合金以外的所有金属及其合金材料。分为轻金属（铝、镁、钛），重金属（铅、锑），贵金属（金、银、镍、铂）。（二）高分子材料重量轻电绝缘隔热耐蚀高分子材料又称聚合物，是由相对分子质量很大的大分子组成，其主要原料是石油化工产品航空材料》精品课程张家界航院数控工程系（一）金属材料用量最大、用途最广航空材料》精品课程张家38按其性能分为塑料、橡胶、合成纤维、涂料和胶粘剂。塑料是最重要的高分子材料，分为通用塑料和工程塑料。通用塑料占塑料生产的70%左右，聚乙烯是典型代表。工程塑料指力学性能较高的聚合物。（三）陶瓷材料陶瓷材料是指硅酸盐、金属与非金属元素的化合物（主要是氧化物、氮化物、碳化物）航空材料》精品课程张家界航院数控工程系按其性能分为塑料、橡胶、合成纤维、涂料和胶粘剂。航空材料》39传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。

特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷发动机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长40工业上分为三大类：1.传统陶瓷，由粘土、石英、长石组成，主要成分是天然硅、铝的氧化物及硅酸盐，常作建筑材料。2.特种陶瓷，主要成分是人工氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等的烧结材料，常作工业上耐热、耐蚀、耐磨等零件。3.金属陶瓷,金属粉末与陶瓷粉末的烧结材料，常作工具、模具等。陶瓷材料优点高硬度、高耐磨性、高的抗压强度、高耐热性和耐蚀性。缺点塑性低易脆断且不易加工成形。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系工业上分为三大类：航空材料》精品课程张家界航院数控工程系41（四）复合材料金属、高分子、陶瓷材料各有优点，将两种或两种以上的材料微观地组合在一起形成的材料，便是复合材料。各组成材料取长补短，是一种新型的优异材料。按其基体不同可分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。树脂基复合材料已处于成熟应用阶段，金属基复合材料和陶瓷基复合材料由于制造工艺复杂，成本高昂，尚处于研制开发阶段。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系（四）复合材料航空材料》精品课程张家界航院数控工程系42高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。

烯丙酰氯-苯乙烯航空材料》精品课程张家界航院数控工程系高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮43

综上所述，根据结合键可将材料分为四类:

金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。高分子材料以分子键和共价键结合，耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热性较差。陶瓷材料以离子键、共价键结合，熔点高，硬度高，耐热，耐磨，脆性大，难以加工。复合材料可由多种结合键组成，强韧性好，比强度、比刚度高，抗疲劳性好。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系综上所述，根据结合键可将材料分为四类:航空材44

三、材料科学与机械工程机械工程是一个极广的概念

发展方向将朝着大型及微型、高速、耐高低温、耐高压、耐恶劣环境影响等方向发展。优质的机械产品是合理的材料、优良的设计和正确的加工这三者整体配合，而材料是基础。

（一）材料与产品质量大量事实说明，许多材料及其工艺问题是我国机械产品功能差、质量低寿命短的主要原因之一。

航空材料》精品课程张家界航院数控工程系三、材料科学与机械工程航空材料》精品课程张家界航院45材料性能与内部结构的关系

材料的不同性能都是由其内部结构来决定的，从材料的内部结构来料加工看，可分为四个层次：原子结构——结合键——原子排列方式——显微组织航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料性能与内部结构的关系材料的不同性能都是由其内46四层次的关系原子结构是基础；结合键不同性能也不同；原子排列方式（晶体和非晶体）的差别，可以改变材料的整个性能；显微组织是研究材料性能的基础。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系四层次的关系原子结构是基础；航空材料》精品课程张家界航院数47本课程的要求和基本内容获得常用材料的基础理论知识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围；在了解材料成分、组织、性能关系的基础上，可根据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材；了解结构、工艺、外界条件（温度、环境介质）对材料性能的影响，正确制定零件的冷、热加工工艺路线。要求航空材料》精品课程张家界航院数控工程系本课程的要求和基本内容获得常用材料的基础理论知识，了解各种机48金属学、热处理原理，基础与工艺；材料（钢铁材料，有色金属及其合金，高分子材料，陶瓷材料，复合材料）；重点成分—组织—性能。基本内容航空材料》精品课程张家界航院数控工程系金属学、热处理原理，基础与工艺；基本内容航空材料》精品课程49第一章材料的力学性能材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求种可以承担功效，以及承担该功效下的表现或能力。力学性能物理性能化学性能工艺性能。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系第一章材料的力学性能材料的性能是指材料的性质和功能50第一章材料的力学性能金属材料性能：使用性能和工艺性能使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备的性能，它包括物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能。工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称机械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系第一章材料的力学性能金属材料性能：使用性能和工艺性能航空材51机械工程材料的常用性能

两方面材料使用性能材料工艺性能力学性能（强度、塑性韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）生物性能（相容性、自恢复性等）加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）航空材料》精品课程张家界航院数控工程系机械工程材料的常用性能两方面材料使用性能材料工艺性能力学性52力学性能定义:

是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系力学性能定义:航空材料》精品课程张家界航院数控工程系53力学性能强度硬度断裂韧度疲劳主要指标：塑性韧性航空材料》精品课程张家界航院数控工程系力学性能强度硬度断裂韧度疲劳主要指标：塑性韧性航空材54物理性能物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。（一）密度（二）热学性能⒈熔点；⒉热容；⒊热膨胀；⒋热传导（三）电学性能⒈电阻率ρ；⒉电阻温度系数；⒊介电性（四）磁学性能⒈磁导率μ；⒉饱和磁化强度Ms和磁矫顽力Ｈc航空材料》精品课程张家界航院数控工程系物理性能物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意55化学性能

材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧失。（一）化学腐蚀（二）电化学腐蚀(三）提高零件耐蚀性的主要措施航空材料》精品课程张家界航院数控工程系化学性能航空材料》精品课程张家界航院数控工程系56塑性变形又称永久变形或残余变形

塑性材料：断裂前产生较大塑性变形的材料,如低碳钢

脆性材料：断裂前塑性变形很小的材料，如铸铁、石料材料拉伸的力学性能航空材料》精品课程张家界航院数控工程系塑性变形又称永久变形或残余变形塑性材料：断裂前产生较大塑性57材料的机械性质通过试验测定，通常为常温静载试验。试验方法应按照国家标准进行。国家标准规定《金属拉伸试验方法》（GB228—2002)LL=10dL=5d对圆截面试样：对矩形截面试样：航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料的机械性质通过试验测定，通常为常温静载试验。试验方法应按58国家标准不仅规定了试验方法，对试件的形式也作了详细规定当l=10d时的试件称为长试件，为推荐尺寸当l=5d时的试件称为短试件，为材料尺寸不足时使用标准试件航空材料》精品课程张家界航院数控工程系国家标准不仅规定了试验方法，对试件的形式也作59液压式材料试验机材料的力学性能在材料试验机上进行测试。材料试验机的式样有很多，但大多为机械传动或液压传动。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系液压式材料试验机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系60电子拉力试验机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系电子拉力试验机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系61一、强度强度：材料抵抗永久变形和断裂的能力拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验机上进行拉伸试样：圆形试样（断面为圆形），根据GB6397－86的规定，拉伸试样分为长比例试样或短比例试样。对圆形试样：长试样l=10d。；短试样l=5d。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系一、强度强度：材料抵抗永久变形和断裂的能力航空材料》精品课6220kN试验机10kN试验机电子拉力试验机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系20kN试验机10kN试验机电子拉力试验机航空材料》精品课63拉伸曲线在开始的OA阶段，材料处于弹性变形阶段；超过e点后，材料开始产生塑性变形，在S点处出现一小段水平线，这种现象称为“屈服”，标志着材料发生微量塑性变形。在试样的标距长度内某处，横截面发生局部收缩，即产生“缩颈”现象，此时拉伸力开始减小，故b点为曲线上集中干预部，直至断裂（k点）。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系拉伸曲线在开始的OA阶段，材料处于弹性变形阶段；超过e点64PP拉伸曲线：P~ΔL曲线应力－应变曲线：s

~e曲线L0σεPΔLs=P/A0e=ΔL/L0航空材料》精品课程张家界航院数控工程系PP拉伸曲线：P~ΔL曲线应力－应变曲线：s~65一、低碳钢拉伸时的力学性能σεO名义应力(Nominalstress)比例极限σP弹性阶段Elasticstage弹性极限σeBA屈服应力σsC真应力(Truestress)F局部变形阶段Localizationstage断裂E强化阶段Hardeningstage强度极限σbD屈服阶段Yieldingstage航空材料》精品课程张家界航院数控工程系一、低碳钢拉伸时的力学性能σεO名义应力(Nomi66力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形塑性变形:外力去除后不能消失的变形航空材料》精品课程张家界航院数控工程系力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变67应变ε应力σ弹性变形屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀集中塑性变形断裂航空材料》精品课程张家界航院数控工程系应变ε应弹性变形屈服塑性变形均匀不均匀集中塑性变形断裂航空材68σe：弹性极限σp：比例极限σs：屈服极限，屈服强度σb：强度极限，抗拉强度以上力学性能指标均对成分、组织敏感航空材料》精品课程张家界航院数控工程系σe：弹性极限以上力学性能指标均对成分、组织敏感航空材料69拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象70应变ε应力σ弹性变形屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀集中塑性变形断裂应变ε应弹性变形屈服塑性变形均匀不均匀集中塑性变形断裂71σe：弹性极限σp：比例极限σs：屈服极限，屈服强度σb：强度极限，抗拉强度以上力学性能指标均对成分、组织敏感航空材料》精品课程张家界航院数控工程系σe：弹性极限以上力学性能指标均对成分、组织敏感航空材料72Oabcd①弹性阶段—比例极限

—弹性极限虎克定律弹性摸量②屈服阶段

—屈服极限③强化阶段—强度极限④局部变形阶段e航空材料》精品课程张家界航院数控工程系Oabcd①弹性阶段—比例极限—弹性极限虎克定律弹性摸73弹性(elasticity):金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形(elasticdeformation):随载荷撤除而消失的变形。

弹性极限(elasticlimit):

Fe弹性极限载荷(N)

σe

=

(Mpa)

A0

试样原始横截面积(mm2)航空材料》精品课程张家界航院数控工程系弹性(elasticity):金属材料受外力作弹性变形(74强度(strength):材料在力的作用下抵抗变形和破坏的能力。种类:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。

(2)屈服强度(yieldstrength):

屈服点SFs

σs

=

(Mpa)

A0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)航空材料》精品课程张家界航院数控工程系强度(strength):材料在力的作用下抵抗种类:抗拉75按照国家标准规定，取对应于试件产生0.2%的塑性应变(εp=0.2%)的应力作为屈服点,称为“条件屈服强度”,用σ0.2表示名义屈服强度。“名义屈服强度”σ0.2有些塑性材料(如:铝合金)没有明显的屈服平台。σε由于无法确定其屈服点,只能采用人为规定的方法。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系按照国家标准规定，“名义屈服强度”σ0.2有些塑性76按照国家标准规定，取对应于试件产生0.2%的塑性应变(εp=0.2%)的应力作为屈服点,称为“规定残余伸长应力”,用σ0.2表示。“名义屈服应力”σ0.2有些塑性材料(如:铝合金)没有明显的屈服平台。σε由于无法确定其屈服点,只能采用人为规定的方法。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系按照国家标准规定，“名义屈服应力”σ0.2有些塑性77规定残余伸长应力：

r0.2=Fr0.2/A0slF0.20.2%l0o航空材料》精品课程张家界航院数控工程系规定残余伸长应力：r0.2=Fr0.2/A0slF078(3)抗拉强度(tensilestrength):

试样在断裂前所能承受的最大应力。Fb试样断裂前的最大载荷(N)

σb=

(Mpa)

A0试样原始横截面积(mm2)航空材料》精品课程张家界航院数控工程系(3)抗拉强度(tensilestrength):航空79重要强度指标应力：单位横截面积上的内力，。

屈服点（屈服极限）：金属产生屈服现象时的应力。

条件屈服强度：工程技术上一般规定，以试样产生的塑性变形伸长量达到0．2％时的应力，σ0.2。抗拉强度（强度极限）：金属拉断前承受的最大拉应力，航空材料》精品课程张家界航院数控工程系重要强度指标应力：单位横截面积上的内力，。航空材料》80应力σ应变ε其它类型材料的应力-应变曲线大多数纯金属(Al,Cu,Au,Ag)变形分为三个阶段，无屈服塑性变形阶段脆性材料（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢及高碳合金钢）只有弹性变形阶段高弹材料(橡胶)只有非线性弹性变形一个阶段，且弹性变形能力强，弹性变形率可达100～1000％。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系应力σ应变ε其它类型材料的应力-应变曲线大多数纯金属(81二、塑性塑性：金属材料断裂前发生永久变形的能力断后伸长率：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率δ数值不同，因此应注明试样尺寸比例。断面收缩率：试样拉断处横截面积的减小量与原始横截面积的百分比，Ψ强度是表征材料变形抗力指标，而塑性是描述变形能力的指标。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系二、塑性塑性：金属材料断裂前发生永久变形的能力航空材料》精82断后伸长率(Percentelongation)断面收缩率(Percentreductioninarea)与

表征材料破坏后的塑性变形程度。与试件的原始尺寸L/d有关；

与试件的原始尺寸无关。在工程中按区分塑性材料和脆性材料塑性指标:L1A1注意：材料拉断后经过卸载得到残余应变εp应变实质就是伸长率δδ<2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ>10%属塑性材料航空材料》精品课程张家界航院数控工程系断后伸长率(Percentelongation)断面收缩83第二节硬度及硬度试验硬度：金属材料抵抗表面局部变形和断裂，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力一、布氏硬度试验法用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球，以相应的试验力F（N）压入试件表面，并保持一定的时间，然后卸除试验力，测量试件表面的压痕直径d（mm），航空材料》精品课程张家界航院数控工程系第二节硬度及硬度试验硬度：金属材料抵抗表面局部变形和断裂84布氏硬度120HBS10／1000／30代表用10mm钢球，在1000kgf（10kN）试验力作用下保持30s，测得的布氏硬度值。布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。由于布氏硬度试验的压痕较大，试验结果能更好地代表试件的硬度。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系布氏硬度120HBS10／1000／30代表用10mm钢球851、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2、布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：120HBS500HBW4、测量范围

用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属原材料等.布氏硬度3、优缺点（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品或半成品与薄件（4）测量费时，效率低航空材料》精品课程张家界航院数控工程系1、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的球体（86二、洛氏硬度实验原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验时，先加初始试验力98N（10kgf），使压头紧密接触试件表面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度的起点，再加使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d处。洛氏硬度计表盘上读出即可。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系二、洛氏硬度实验原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验871、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理:

用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。

2、洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC

4、测量范围

用于测量淬火钢、硬质合金成品或半成品等材料.洛氏硬度3、优缺点（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品或半成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理:用金刚石圆锥或淬88洛氏硬度试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表-2选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种符号压头类型载荷/kgf硬度有效范围使用范围HRA金刚石圆锥体6020～88适用于测量硬质合金、钢表面淬火层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球10020～100适用于测量非铁金属,退火、正火等HRC金刚石圆锥体15020～70适用于调质钢、淬火钢等航空材料》精品课程张家界航院数控工程系洛氏硬度试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表891、维氏硬度试验原理:用夹角为136°的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N）压入试样表面，测出压痕对角线长度d。2、维氏硬度值

用压痕对角线长度表示。如：640HV。

4、测量范围

常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。三、维氏硬度3、优缺点（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2）可测成品与薄件（3）试样表面要求高，费工。§1-2硬度航空材料》精品课程张家界航院数控工程系1、维氏硬度试验原理:用夹角为136°的金刚石四棱锥体90第三节韧性和冲击试验韧性：金属在冲击力作用下，断裂前吸收变形能量的能力。韧性愈好，代表金属的抗冲击破坏能力愈强。摆锤式一次冲击试验原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度H，然后下落将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为Ak航空材料》精品课程张家界航院数控工程系第三节韧性和冲击试验韧性：金属在冲击力作用下，断裂前吸收91冲击试验实际上，冲击吸收功AK数值可由试验机读出，而无需计算冲击韧度：将冲击吸收功AK值除以试样缺口底部的横载而积A0（cm2）得到的值ak=AK/A0

冲击韧度作为衡量材料刚性的依据航空材料》精品课程张家界航院数控工程系冲击试验实际上，冲击吸收功AK数值可由试验机读出，而无需计算92断裂韧性及衡量指标断裂韧度KIC:是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

单位：MPa·m1/2或者MN·m-3/2应用（判断构件是否安全，合理选材） KI

<KIC构件安全KI

>KIC构件发生脆性断裂KI＝KIC构件发生低应力脆性断裂的临界条件3 应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等航空材料》精品课程张家界航院数控工程系断裂韧性及衡量指标断裂韧度KIC:是评定材料抵抗脆性断裂93式中：Y__裂纹的几何形状因子;

σ__外加应力（N/mm2）；

a__裂纹的半径（mm）；

K1__

强度因子（MPa·m1/2或MN·m-3/2）当K1达到临界值K1C时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而K1＜K1C时，零件安全可靠。K1=Yσa2、应力场强度因子航空材料》精品课程张家界航院数控工程系式中：Y__裂纹的几何形状因子;K1=Yσa2、应力场强度因94零件在交变载荷下的疲劳断裂交变应力：是指大小和方向随时间周期变化的应力疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系零件在交变载荷下的疲劳断裂交变应力：是指大小和方向随时间周期951、疲劳现象

零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定周期的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳（fatigue）航空材料》精品课程张家界航院数控工程系1、疲劳现象零件在循环应力的作用，即使工作时承受的96疲劳：

承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。（80%的断裂由疲劳造成）影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。1943年美国T-2油轮发生断裂航空材料》精品课程张家界航院数控工程系疲劳：（80%的断裂由疲劳造成）影响因素：194972、疲劳极限σ-1:

表示金属材料在无数次交变载荷作

用而不破坏的最大应力。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系2、疲劳极限σ-1:

表示金属材98基本概念疲劳曲线：一般钢铁材料所受交变应力最大值σmax与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）N的曲线关系。疲劳极限σ-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的最大应力值。通常规定经受107循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲劳极限航空材料》精品课程张家界航院数控工程系基本概念疲劳曲线：一般钢铁材料所受交变应力最大值σmax与其99疲劳曲线航空材料》精品课程张家界航院数控工程系疲劳曲线航空材料》精品课程张家界航院数控工程系100钢材的循环次数一般取

N=107有色金属的循环次数一般取

N=1083、提高疲劳极限途径改善零件的结构形状降低表面粗糙度值采取表面强化航空材料》精品课程张家界航院数控工程系钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取101疲劳疲劳破坏的过程：一般认为，在交变应力作用下，材料的某些局部地区逐渐产生微小的裂纹，尤其在氧化物、硫化物等非金属夹杂物和钢件表面的沟槽、螺纹根部、加工刀痕等处，更易诱发裂纹。随着应力循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，使钢件剩下的断面大为减小，以致不能承受载荷而突然断裂。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系疲劳疲劳破坏的过程：一般认为，在交变应力作用下，材料的某些局102示意图疲劳断口的特点航空材料》精品课程张家界航院数控工程系示意图疲劳断口的特点航空材料》精品课程张家界航院数控工程系103疲劳源区和疲劳扩展区的微观形貌一个疲劳源两个疲劳源微裂纹疲劳条纹航空材料》精品课程张家界航院数控工程系疲劳源区和疲劳扩展区的微观形貌一个疲劳源两个疲劳源微裂纹疲劳104影响疲劳抗力的因素载荷类型材料本质零件表面状态工作温度腐蚀介质航空材料》精品课程张家界航院数控工程系影响疲劳抗力的因素载荷类型航空材料》精品课程张家界航院数控105总结疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种脆性断裂，危害很大。无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。工作应力s<疲劳极限，构件不发生疲劳断裂。工作应力s>疲劳极限，构件在一定的周次下断裂，该周次称为过载持久值。工作应力越大，过载持久值越低。3 疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否发生疲劳断裂。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系总结疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种脆性断裂106航空材料》精品课程张家界航院数控工程系航空材料》精品课程张家界航院数控工程系107Thursday,January5,2023航空材料

主讲：韦肖飞Thursday,December29,2022航空108绪论材料与材料科学材料的分类与概况材料科学与机械工程本课程的目的、内容与学习要求航空材料》精品课程张家界航院数控工程系绪论材料与材料科学航空材料》精品课程张家界航院数控工程系109一、材料与材料科学

人类社会的发展按材料分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。

我们的祖先创造了辉煌的历史原始社会末期，中国最早使用了陶器。东汉时期出现瓷器，传至世界各国。汉代，先炼铁后炼钢的技术居世界领先地位。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系一、材料与材料科学航空材料》精品课程张家界航院数控工程系110现代技术的三大支柱：能源、信息、材料；材料的品种、数量和质量已成为衡量一个国家科技和国民经济水平及国防力量的重要标志。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系现代技术的三大支柱：能源、信息、材料；航空材料》精品课程张111什么是材料？航空材料》精品课程张家界航院数控工程系什么是材料？航空材料》精品课程张家界航院数控工程系112材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”四号飞船成功返回国产涡喷-7涡轮喷气发动机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”四号飞113石器铁器

象形尊(西周)石器时代青铜器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系石器铁器象形尊(西周)石器时代材料是人类进化的里程碑。由于11402什么是材料科学材料科学是研究材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系02什么是材料科学材料科学是研究材料的结构、制备加工工艺与115材料科学与工程的四要素使用性能成分/组织固有性能制备/加工航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料科学与工程的四要素使用性能成分/组织固有性能制备/加工航116材料科学与工程的四要素使用性能成分/组织固有性能制备/加工材料科学与工程的四要素使用性能成分/组织固有性能制备/加工117材料结构所包括的四个层次：原子结构、结合键、原子排列方式和组织成分/组织制备/加工制备、加工方法及其对性能的影响材料结构所包括的四个层次：原子结构、结合键、原子排列方式和组118材料本身所具有的物理、化学及力学性能固有性能使用性能将材料的固有性能和产品设计、工程应用能力等联系起来。如寿命、速度、能量利用率、安全可靠性材料本身所具有的物理、化学及力学性能固有性能使用性能将材料的119机械工程材料机械工程材料主要指用于机械工程、电器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等领域的材料。机械工程材料机械工程材料主要指用于机械工程、电器工程、建筑工120

材料史上几个重要事件1863年，出现了金相显微镜，产生了金相学。进而产生了金属学，金属学以化学、物理、材料力学为基础。1912年出现了X射线衍射技术。1932年出现了电子显微分析技术。公欲善其事，必先利其器。

20世纪以来，材料的发展状况

高性能金属材料发展的同时，高分子材料、陶瓷材料和复合材料迅速发展，目前正在进入人工合成材料的新时代。

航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料史上几个重要事件航空材料》精品课程张家界航院121

材料科学的研究范畴材料科学是研究材料的成分、组织、性能和应用之间的关系及其规律的一门科学，它包含四个基本要素：材料的成分组织结构、材料的制备合成与加工工艺、材料的固有性能和材料的使用行为。

多数发达国家非常重视材料科学研究1972年，美国国家科学院的白皮书报告，全美科技人员有25%从事材料问题研究，还有25%以某种形式参与材料的研究。1986年《科学的美国人》杂志在讨论有关材料研究的文章中指出“材料科学的进展决定了经济关键部门增长率的极限范围”。

航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料科学的研究范畴航空材料》精品课程张家界航122金属材料制品航空材料》精品课程张家界航院数控工程系金属材料制品航空材料》精品课程张家界航院数控工程系1231990年美国总统的科学顾问指出“材料科学在美国是最重要的学科”。

二、材料的分类与概况

工程材料是指固体材料领域中与工程（结构、零件、工具）有关的材料，主要应用于机械制造、航空航天、化工、建筑与交通等部门。按其应用领域分为机械工程材料、电子工程材料、航空材料按其性能特点分为结构材料和功能材料工程上按材料的化学属性将材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料四大类。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系1990年美国总统的科学顾问指出“材料科学在美国是124河北沧州的铁狮子铸造于公元953年，距今已有1千余年的历史，狮高5.3m，长6.5m，宽3m，重约40t。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系河北沧州的铁狮子铸造于公元953年，距今已有1千余年的历史，125建筑铝合金型材铝材管铝合金门窗铝塑板铝合金制品铝材管铝板航空材料》精品课程张家界航院数控工程系建筑铝合金型材铝材管铝合金门窗铝塑板铝合金制品铝材管铝板航空126金属材料纯金属合金航空材料》精品课程张家界航院数控工程系金属材料纯金属合金航空材料》精品课程张家界航院数控工127建筑桥梁器械车辆、飞机、舰艇其它航空材料》精品课程张家界航院数控工程系建筑航空材料》精品课程张家界航院数控工程系128航空材料》精品课程张家界航院数控工程系航空材料》精品课程张家界航院数控工程系129航空材料》精品课程张家界航院数控工程系航空材料》精品课程张家界航院数控工程系130“空间金属”航空材料》精品课程张家界航院数控工程系“空间金属”航空材料》精品课程张家界航院数控工程系131“深海金属”航空材料》精品课程张家界航院数控工程系“深海金属”航空材料》精品课程张家界航院数控工程系132用钛—镍形状记忆合金制成的人造卫星天线“亲生物金属”航空材料》精品课程张家界航院数控工程系用钛—镍形状记忆合金制成的人造卫星天线“亲生物金属”航空材料133重大成果航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料的发展。1966年我国成功发射人造卫星；1999年11月21日我国载人航天工程第一艘试验飞船“神舟”一号飞行成功；2003年10月15日中国第一艘载人飞船“神舟”五号飞行成功。人造卫星运载火箭“神舟”五号飞行成功飞船重大成果航空、航天事业迅速崛起，带动航空134重大成果

研制了超7隐形战斗机，2003年8月30日首飞成功。超7隐形战斗机

歼7E战斗机在C60和碳纳米管新型碳材料的研究方面取得许多新的成果,利用碳纳米管作为衬底,制备出均匀、致密的金刚石薄膜，并用碳纳米管作为晶须增强复合材料，制作纳米复合材料。碳纳米管重大成果

研制了超7隐形战斗机，2003年8月30135一、工程材料在机翼、机体和防热层上的应用

（一）机翼和机体（二）防热层机翼和机体一、工程材料在机翼、机体和防热层上的应用

（一）机翼和机体机136喷嘴边缘荷载”(Nozzlesideloads)是火箭发动机排气喷嘴发动机壳体飞机尾部喷管喷嘴边缘荷载”(Nozzlesideloads)是火箭发13703工程材料简介分类金属材料非金属材料航空材料》精品课程张家界航院数控工程系03工程材料简介分类金属材料非金属材料航空材料》精品课程138金属材料MetallicMaterials金属材料钢铁材料Ferrousmetals有色金属材料Non-ferrousmetals用量占80%航空材料》精品课程张家界航院数控工程系金属材料MetallicMaterials金属材料钢铁材139非金属材料Non-metallicMaterials分类陶瓷材料高分子材料复合材料功能材料航空材料》精品课程张家界航院数控工程系非金属材料Non-metallicMaterials分类140陶瓷材料CeramicMaterials陶瓷传统陶瓷结构陶瓷航空材料》精品课程张家界航院数控工程系陶瓷材料CeramicMaterials陶瓷传统陶瓷结141高分子材料

PolymericMaterials又称聚合物，按照用途可分为：塑料PlasticMaterials合成纤维Syntheticfibres橡胶Rubbers航空材料》精品课程张家界航院数控工程系高分子材料PolymericMaterial142金属、聚合物、陶瓷优点缺点都非常明显，如果把两种材料结合在一起，发挥各自的长处，又可以在一定程度下克服了它们的弱点，就产生了复合材料。复合材料

CompositeMaterials航空材料》精品课程张家界航院数控工程系金属、聚合物、陶瓷优点缺点都非常明显，如果把两种材143功能材料

FunctionalMaterials电功能材料磁功能材料热功能材料光功能材料其它功能材料简介航空材料》精品课程张家界航院数控工程系功能材料FunctionalMaterial144（一）

金属材料用量最大、用途最广分为：黑色金属和有色金属。1.黑色金属：即钢铁材料，占金属材料的95%以上。2.有色金属：既非铁合金，指除铁基合金以外的所有金属及其合金材料。分为轻金属（铝、镁、钛），重金属（铅、锑），贵金属（金、银、镍、铂）。（二）高分子材料重量轻电绝缘隔热耐蚀高分子材料又称聚合物，是由相对分子质量很大的大分子组成，其主要原料是石油化工产品航空材料》精品课程张家界航院数控工程系（一）金属材料用量最大、用途最广航空材料》精品课程张家145按其性能分为塑料、橡胶、合成纤维、涂料和胶粘剂。塑料是最重要的高分子材料，分为通用塑料和工程塑料。通用塑料占塑料生产的70%左右，聚乙烯是典型代表。工程塑料指力学性能较高的聚合物。（三）陶瓷材料陶瓷材料是指硅酸盐、金属与非金属元素的化合物（主要是氧化物、氮化物、碳化物）航空材料》精品课程张家界航院数控工程系按其性能分为塑料、橡胶、合成纤维、涂料和胶粘剂。航空材料》146传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。

特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷发动机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长147工业上分为三大类：1.传统陶瓷，由粘土、石英、长石组成，主要成分是天然硅、铝的氧化物及硅酸盐，常作建筑材料。2.特种陶瓷，主要成分是人工氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等的烧结材料，常作工业上耐热、耐蚀、耐磨等零件。3.金属陶瓷,金属粉末与陶瓷粉末的烧结材料，常作工具、模具等。陶瓷材料优点高硬度、高耐磨性、高的抗压强度、高耐热性和耐蚀性。缺点塑性低易脆断且不易加工成形。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系工业上分为三大类：航空材料》精品课程张家界航院数控工程系148（四）复合材料金属、高分子、陶瓷材料各有优点，将两种或两种以上的材料微观地组合在一起形成的材料，便是复合材料。各组成材料取长补短，是一种新型的优异材料。按其基体不同可分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。树脂基复合材料已处于成熟应用阶段，金属基复合材料和陶瓷基复合材料由于制造工艺复杂，成本高昂，尚处于研制开发阶段。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系（四）复合材料航空材料》精品课程张家界航院数控工程系149高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。

烯丙酰氯-苯乙烯航空材料》精品课程张家界航院数控工程系高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮150

综上所述，根据结合键可将材料分为四类:

金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。高分子材料以分子键和共价键结合，耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热性较差。陶瓷材料以离子键、共价键结合，熔点高，硬度高，耐热，耐磨，脆性大，难以加工。复合材料可由多种结合键组成，强韧性好，比强度、比刚度高，抗疲劳性好。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系综上所述，根据结合键可将材料分为四类:航空材151

三、材料科学与机械工程机械工程是一个极广的概念

发展方向将朝着大型及微型、高速、耐高低温、耐高压、耐恶劣环境影响等方向发展。优质的机械产品是合理的材料、优良的设计和正确的加工这三者整体配合，而材料是基础。

（一）材料与产品质量大量事实说明，许多材料及其工艺问题是我国机械产品功能差、质量低寿命短的主要原因之一。

航空材料》精品课程张家界航院数控工程系三、材料科学与机械工程航空材料》精品课程张家界航院152材料性能与内部结构的关系

材料的不同性能都是由其内部结构来决定的，从材料的内部结构来料加工看，可分为四个层次：原子结构——结合键——原子排列方式——显微组织航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料性能与内部结构的关系材料的不同性能都是由其内153四层次的关系原子结构是基础；结合键不同性能也不同；原子排列方式（晶体和非晶体）的差别，可以改变材料的整个性能；显微组织是研究材料性能的基础。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系四层次的关系原子结构是基础；航空材料》精品课程张家界航院数154本课程的要求和基本内容获得常用材料的基础理论知识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围；在了解材料成分、组织、性能关系的基础上，可根据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材；了解结构、工艺、外界条件（温度、环境介质）对材料性能的影响，正确制定零件的冷、热加工工艺路线。要求航空材料》精品课程张家界航院数控工程系本课程的要求和基本内容获得常用材料的基础理论知识，了解各种机155金属学、热处理原理，基础与工艺；材料（钢铁材料，有色金属及其合金，高分子材料，陶瓷材料，复合材料）；重点成分—组织—性能。基本内容航空材料》精品课程张家界航院数控工程系金属学、热处理原理，基础与工艺；基本内容航空材料》精品课程156第一章材料的力学性能材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求种可以承担功效，以及承担该功效下的表现或能力。力学性能物理性能化学性能工艺性能。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系第一章材料的力学性能材料的性能是指材料的性质和功能157第一章材料的力学性能金属材料性能：使用性能和工艺性能使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备的性能，它包括物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）和力学性能。工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称机械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系第一章材料的力学性能金属材料性能：使用性能和工艺性能航空材158机械工程材料的常用性能

两方面材料使用性能材料工艺性能力学性能（强度、塑性韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）生物性能（相容性、自恢复性等）加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）航空材料》精品课程张家界航院数控工程系机械工程材料的常用性能两方面材料使用性能材料工艺性能力学性159力学性能定义:

是指金属材料在外力的作用下所表现出来的抵抗能力。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系力学性能定义:航空材料》精品课程张家界航院数控工程系160力学性能强度硬度断裂韧度疲劳主要指标：塑性韧性航空材料》精品课程张家界航院数控工程系力学性能强度硬度断裂韧度疲劳主要指标：塑性韧性航空材161物理性能物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意义；而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。（一）密度（二）热学性能⒈熔点；⒉热容；⒊热膨胀；⒋热传导（三）电学性能⒈电阻率ρ；⒉电阻温度系数；⒊介电性（四）磁学性能⒈磁导率μ；⒉饱和磁化强度Ms和磁矫顽力Ｈc航空材料》精品课程张家界航院数控工程系物理性能物理性能，不仅对工程材料的选用来说，有着重要的意162化学性能

材料在生产、加工和使用时，均会与环境介质发生化学反应，从而使其性能恶化或功能丧失。（一）化学腐蚀（二）电化学腐蚀(三）提高零件耐蚀性的主要措施航空材料》精品课程张家界航院数控工程系化学性能航空材料》精品课程张家界航院数控工程系163塑性变形又称永久变形或残余变形

塑性材料：断裂前产生较大塑性变形的材料,如低碳钢

脆性材料：断裂前塑性变形很小的材料，如铸铁、石料材料拉伸的力学性能航空材料》精品课程张家界航院数控工程系塑性变形又称永久变形或残余变形塑性材料：断裂前产生较大塑性164材料的机械性质通过试验测定，通常为常温静载试验。试验方法应按照国家标准进行。国家标准规定《金属拉伸试验方法》（GB228—2002)LL=10dL=5d对圆截面试样：对矩形截面试样：航空材料》精品课程张家界航院数控工程系材料的机械性质通过试验测定，通常为常温静载试验。试验方法应按165国家标准不仅规定了试验方法，对试件的形式也作了详细规定当l=10d时的试件称为长试件，为推荐尺寸当l=5d时的试件称为短试件，为材料尺寸不足时使用标准试件航空材料》精品课程张家界航院数控工程系国家标准不仅规定了试验方法，对试件的形式也作166液压式材料试验机材料的力学性能在材料试验机上进行测试。材料试验机的式样有很多，但大多为机械传动或液压传动。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系液压式材料试验机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系167电子拉力试验机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系电子拉力试验机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系168一、强度强度：材料抵抗永久变形和断裂的能力拉伸试验法：拉伸试验在拉伸试验机上进行拉伸试样：圆形试样（断面为圆形），根据GB6397－86的规定，拉伸试样分为长比例试样或短比例试样。对圆形试样：长试样l=10d。；短试样l=5d。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系一、强度强度：材料抵抗永久变形和断裂的能力航空材料》精品课16920kN试验机10kN试验机电子拉力试验机航空材料》精品课程张家界航院数控工程系20kN试验机10kN试验机电子拉力试验机航空材料》精品课170拉伸曲线在开始的OA阶段，材料处于弹性变形阶段；超过e点后，材料开始产生塑性变形，在S点处出现一小段水平线，这种现象称为“屈服”，标志着材料发生微量塑性变形。在试样的标距长度内某处，横截面发生局部收缩，即产生“缩颈”现象，此时拉伸力开始减小，故b点为曲线上集中干预部，直至断裂（k点）。航空材料》精品课程张家界航院数控工程系拉伸曲线在开始的OA阶段，材料处于弹性变形阶段；超过e点171PP拉伸曲线：P~ΔL曲线应力－应变曲线：s

~e曲线L0σεPΔLs=P/A0e=ΔL/L0航空材料》精品课程张家界航院数控工程系PP拉伸曲线：P~ΔL曲线应力－应变曲线：s~172一、低碳钢拉伸时的力学性能σεO名义应力(Nominalstress)比例极限σP弹性阶段Elasticstage弹性极限σeBA屈服应力σsC真应力(Truestress)F局部变形阶段Localizationstage断裂E强化阶段Hardeningstage强度极限σbD屈服阶段Yieldingstage航空材料》精品课程张家界航院数控工程系一、低碳钢拉伸时的力学性能σεO名义应力(Nomi173力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形塑性变形:外力去除后不能消失的变形航空材料》精品课程张家界航院数控工程系力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变174应变ε应力σ弹性变形屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀集中塑性变形断裂航空材料》精品课程张家界航院数控工程系应变ε应弹性变形屈服塑性变形均匀不均匀集中塑性变形断裂航空材175σe：弹性极限σp：比例极限σs：屈服极限，屈服强度σb：强度极限，抗拉强度以上力学性能指标均对成分、组织敏感航空材料》精品课程张家界航院数控工程系σe：弹性极限以上力学性能指标均对成分、组