工程材料及热加工工艺基础课件

工程材料及热加工工艺基础机电工程学院周玉梅zymtky@163.com第1章材料的种类与性能材料按化学组成（或基本组成）分类根据材料的性能分类材料按服役的领域来分类材料按结晶状态分类材料按尺寸分类1.1材料的种类1.金属材料2.无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）4.复合材料材料按化学组成（或基本组成）分类ElementPeriodicTable元素周期表金属材料：金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料：可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。无机非金属材料无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。

高分子材料（高聚物Polymer）高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。复合材料(Composite)复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。金属基复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料MilitaryCommercialHelicoptersSpace复合材料的的应用领域域根据材料的的性能分类类结构材料是指具有抵抵抗外场作作用而保持持自己的形形状、结构构不变的优优良力学性性能（强度度和韧性等等），用于于结构目的的的材料。。这种材料料通常用来来制造工具具、机械、、车辆和修修建房屋、、桥梁、铁铁路等。是是人们熟悉悉的机械制制造材料、、建筑材料料，包括结结构钢、工工具钢、铸铸铁、普通通陶瓷、耐耐火材料、、工程塑料料等传统的的结构材料料（一般结结构材料））以及高温温合金、结结构陶瓷等等高级结构构材料。功能材料是具有优良良的电学、、磁学、光光学、热学学、声学、、力学、化化学和生物物学功能及及其相互转转化的功能能，被用于于非结构目目的的高技技术材料。。材料按服役役的领域来来分类电子信息材材料：指用于信息息的探测、、传输、显显示、运算算和处理的的光电信息息材料。信信息材料主主要包括信信息的监测测和传感（（获取）材材料、信息息的传输材材料、信息息的存储材材料、信息息的运算和和处理材料料。能源材料：按使用目的的不同分为为新能源材材料、节能能材料和储储氢材料等等。新能源源材料包括括增值堆用用核材料、、聚变堆材材料、太阳阳能电池（（单晶硅、、多晶硅、、非晶硅等等）；节能能材料包括括非晶体金金属磁性材材料（用作作变压器铁铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和和超导材料料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体体用材料））；储氢材材料航空航天材材料：主要包括新新型金属材材料（如先先进铝合金金、超高强强度钢、高高温合金、、高熔点合合金、铍及及其合金））、烧蚀防防热材料和和新型复合合材料。此此外，还包包括一些功功能材料，，如涂层材材料、隔热热材料、透透明材料、、阻尼材料料、密封材材料、润滑滑材料、粘粘合剂材料料等生物材料：：是一类合成成物质或天天然物质或或这些物质质的复合，，它能作用用一个系统统的整体或或部分，在在一定时期期内治疗、、增强或替替换机体的的组织、器器官或功能能。医用金金属及合金金、陶瓷、、高分子、、复合材料料电子信息材材料Thefirstsolidstatetransistor(1947atBellLabs)Nd:YV04lasercrystalTheopticalfibercableintheforegroundhastheequivalentinformation-carryingcapacityofthecoppercableinthebackgroundMagneticmaterials能源材料HydrogentankofTOYOTAFCHV-3,fuelcellhybridvehicle,usesthealloyproposedbyETRI.Ni-Hbattery航天、航空空材料555-seattwin-deck,four-aisle,Maximumtake-offweight(including

afullload):(617tons).flyadistanceofover10,000milesRolls-RoyceTrent900Engine生物材料DevelopmentofanartificialfingerjointfromHKUCustominplants,Innova,US材料按结晶晶状态分类类单晶材料是由一个比比较完整的的晶粒构成成的材料，，如单晶纤纤维、单晶晶硅；多晶材料是由许多晶晶粒组成的的材料，其其性能与晶晶粒大小、、晶界的性性质有密切切的关系。。非晶态材料料是由原子或或分子排列列无明显规规律的固体体材料，如如玻璃、高高分子材料料。Singlecrystalsilicondiamond材料按材料料的尺寸分分类1.零维材料即即超微粒子子。通过Sol-gel法、多多相沉积或或激光等方方法，可以以制备出亚亚微米级的的陶瓷或金金属粉末，，大小1——100nm的超微微粒比表面面积大（可可作为高效效催化剂））、比表面面能高、熔熔点低、烧烧结温度下下降、扩散散速度快、、强度高而而塑性下降降慢、电子子态由连续续能带变为为不连续、、光吸收也也发生异常常现象（可可以成为高高效微波吸吸收材料））。2.一维材料即即纤维材料料。如光导纤纤维由于其其信息传输输量远比铜铜、铅的同同轴电缆大大，而且光光纤有很强强的保密性性，所以发发展很快。。再比如脆脆性块状材材料在变成成细丝后便便增加了韧韧性，可以以用来增强强其它的块块状。实用用纤维为碳碳纤维、硼硼纤维、陶陶瓷纤维。。3.二维材料即即薄膜材料料，如金刚石薄薄膜、高温温超导薄膜膜、半导体体薄膜。由由于薄膜的的电子所处处状态和外外界环境的的影响，可可表现出不不同的电子子迁移规律律，完成特特定的电学学、光学或或电子学功功能，如成成为绝缘体体、铁电体体、导体或或半导体等等，从而有有可能作为为光学薄膜膜用于非线线性光学、、光开关、、放大或调调幅、敏感感与传感元元件，用于于显示或探探测器，用用于环保或或表面改性性的保护膜膜。4.三维材料即即块状材料料。1.2材材料的力学学性能一、弹性与与刚度二、强度与与塑性三、硬度四、冲击韧韧度五、疲劳强强度六、断裂韧韧度材料在承受受各种载荷荷时的行为为（静载荷，，动载荷，，变载荷））各类材料的的应力-应应变行为应力=P/F0应变=(l-l0)/l0低碳钢的应应力-应变变曲线拉伸试样拉伸试验机spProportionallimit比例例极限seElasticlimit弹性性极限ssYeildstrength(limit)屈屈服强度（（极限）sbTensilestrength抗抗拉强度skBreakingstrength断裂强强度低碳钢的应应力-应变变曲线一、弹性和和刚度材料的E越越大，刚度度越大；弹性：指标为弹性性极限e，即材料承受最最大弹性变变形时的应应力。刚度：材料受力时时抵抗弹性性变形的能能力。指标为弹性性模量E。。弹性模量的的大小主要要取决于材材料的本性性，除随温温度升高而而逐渐降低低外，其他他强化材料料的手段如如热处理、、冷热加工工、合金化化等对弹性性模量的影影响很小。。可以通过过增加横截截面积或改改变截面形形状来提高高零件的刚刚度。强度:材料在在载荷作用用下抵抗永久变变形和破坏坏的能力。当承受拉力力时，主要要是屈服强度和和抗拉强度度。二、强度与与塑性屈服服强强度度s：材材料料发发生生微微量量塑塑性性变变形形时时的的应应力力值值。。即即在拉拉伸伸试试验验过过程程中中，，载载荷荷不不增增加加，，试试样样仍仍能能继继续续伸伸长长时时的的应应力力。。条件件屈屈服服强强度度0.2：高碳碳钢钢等等无无屈屈服服点点，，国国家家标标准准规规定定以以残余余变变形形量量为为0.2%时时的的应力力值值作作为为它它的的条条件件屈屈服服强强度度，，以以σσ0.2来表表示示。。抗拉拉强强度度σσb：：试样样在在断断裂裂前前所所能能承承受受的的最最大大应应力力，，表表示示材材料料抵抵抗抗断断裂裂的的能能力力。。塑性性—断裂裂前前材材料料发发生生不不可可逆逆永永久久变变形形的的能能力力断后后延延伸伸率率d=(L-L0)/L0断面面收收缩缩率率y=(A0-A)/A0d和y越高高材材料料的的塑塑性性越越好好指标标拉伸试样的颈缩现象说明明：：①用用断断面面缩缩率率表表示示塑塑性性比比伸伸长长率率更更接接近近真真实实变变形形。。②直直径径d0相同同时时，，l0，，。。只只有有当当l0/d0为常常数数时时，，塑塑性性值值才才有有可可比比性性。。当l0=10d0时，，伸伸长长率率用用表示示；；当l0=5d0时，，伸伸长长率率用用5表示示。。显显然然5>③>时，，无无颈颈缩缩，，为为脆脆性性材材料料表表征征<时，，有有颈颈缩缩，，为为塑塑性性材材料料表表征征硬度度是是材材料料抵抵抗抗表表面面局局部部塑塑性性变变形形的的能能力力硬度度也也反反映映材材料料抵抵抗抗其其它它物物体体压压入入的的能能力力通常常材材料料的的强强度度越越高高，，硬硬度度也也越越高高工程程上上常常用用的的硬硬度度指指标标有有布氏氏硬硬度度洛氏硬度维氏硬度二、硬度布氏硬度HB用一定载荷P，将直径为D的球体（淬淬火钢球或硬硬质合金球）），压入被测测材料的表面面，保持一定定时间后卸去去载荷，测量量被测试试表表面上所形成成的压痕直径径d，由此计算压压痕的球缺面面积F，其单位面积积所受载荷称称为布氏硬度度。布氏硬度度值HB=P/F当测试压头为为淬火钢球时时，只能测试试布氏硬度小小于450的的材料，以HBS表示当测试压头为为硬质合金时时，可测试布布氏硬度为450~650的材料，，以HBW表表示120HBS10/1000/30表示直径为为10mm的的钢球在1000kgf（9.807kN）载载荷作用下保保持30s测测得的布氏硬硬度值为120。在测定材料的的布氏硬度时时，应根据材材料的种类和和试样的厚度度，选择球体体材质、球体体直径D、施施加栽荷P和和载荷保持时时间等布氏硬度的优优点：测量误误差小，数据据稳定。缺点：压痕大大，不能用于于太薄件、成成品件及比压压头还硬的材材料。适于测量退火火、正火、调调质钢,铸铸铁及有色金金属的硬度。。材料的b与HB之间的的经验关系：：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度HR原理：洛氏硬硬度试验是用用特殊的压头头（金刚石压头或或钢球压头）在先后施加加的两个载荷荷（预载荷和和总载荷）的的作用下压入入金属表面来来进行的。总载荷P为预预载荷P0和和主要载荷P1之和，即即P=P0+P1洛氏硬度值是是施加总载荷P并卸除主载载荷P1引起起的残余压入入深度.该值用来表表示被测材料料硬度的高低低。HR=k-(h1-h0)/0.002优点：操作简便，压压痕小，适用用范围广。缺点：测量结果分散散度大。图1-4洛洛氏硬度试验验示意图a)HR(A、C、D)标尺b)HRB标尺尺钢球压头与金刚石压头维氏硬度HV维氏硬度的测测量原理与布布氏硬度相同同，不同点是是压头为一相相对面夹角为为136°金金刚石正四方方棱锥体，所所加负荷为5~120kgf（49.03~1176.80N）它所测定的硬硬度值比布氏氏、洛氏硬度度精确，压入入深度浅，适适于测定经表表面处理零件件的表面层的的硬度，改变变负荷可测定定从极软到极极硬的各种材材料的硬度，，但测定过程程比较麻烦。。在用规定的压压力P将金刚石压头头压入被测试试件表面并保保持一定时间间后卸去载荷荷，测量压痕痕投影的两对对角线的平均均长度d，据此计算出出压痕的表面面积S，最后求出压压痕表面积上上平均压力（（P/S），以此作为为被测材料的的维氏硬度值值。压痕维氏硬度用符符号HV表示示，符号前的的数字为硬度度值，后面的的数字按顺序序分别表示载载荷值及载荷荷保持时间。。根据载荷范围围不同，规定定了三种测定定方法—维氏氏硬度试验、、小负荷维维氏硬度试验验、显微维氏氏硬度试验。。维氏硬度保留留了布氏硬度度和洛氏硬度的优优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计三、冲击韧性性是指材料抵抗抗冲击载荷作作用而不破坏坏的能力。指标为冲击韧韧性值ak(通过冲击实实验测得)。。韧脆转变温度度韧材料的冲击韧韧性随温度下下降而下降。。在某一温度度范围内冲击击韧性值急剧剧下降的现象象称韧脆转变变。发生韧脆脆转变的温度度范围称韧脆脆转变温度。。材料的使用用温度应高于于韧脆转变温温度。体心立方金属属具有韧脆转转变温度，而而大多数面心心立方金属没没有。断裂（fracture）韧性断裂（Ductilefracture）断裂前发生明明显的宏观塑塑性变形，断断口为杯形，，暗灰纤维状状脆性断裂（brittlefracture）:：断裂前不发生生塑性变形，，断口平齐，，由无数发亮亮的小平面组组成a软金属、、聚合物b低碳钢c铸铁、陶陶瓷、玻璃DuctilefractureBrittlefractureTheRMSTitanicleavesportinthe1998movieTitanic.WreckofTitanic现代造船用钢钢（左）与TITANIC号残骸上上的钢（右））冲击韧性试试样modernsteelandTitanicsteel四、断裂韧韧性工作应力s[s]=ss/kk为安全全系数要求材料具有有足够的dy,指标和韧性Ak传统的设计方方法：不能保证不发发生低应力下下的脆断！！！断裂韧度KIc:材料抵抗裂纹纹失稳扩展的的能力，单位位是MPa•m1/2裂纹尖端强度度场因子KI=Ysa1/2Y是裂纹的的几何形状因因子值为为1~2s是零件的工作作应力a是裂纹的的半长度s2a反映材料抵抗抗脆性断裂能能力的性能指指标前面所述的力力学性能，都都是假定材料料内部是完整整、连续的，，但是实际上上，内部不可可避免的存在在各种缺陷（（夹杂、气孔孔等），由于缺陷的存存在，使材料料内部不连续续，这可看成成材料的裂纹纹，在裂纹尖尖端前沿有应应力集中产生生，形成一个个裂纹尖端应应力场断裂微观机制制neckingmicrovoidsmallcavititescoalescetocrackscrackspropogateFinalshearfracturewithfibrouspulloutindicatingplasticdeformation韧性断断裂微孔，，缺陷陷合并为为裂纹纹裂纹扩扩展最后剪剪切断断裂，，包含含显示示塑性性断裂裂的纤纤维断断口油轮断断裂和和北极极星导导弹发发动机机壳体体爆炸炸与材材料中中存在在缺陷陷有关关北极星导弹裂纹扩展的基本形式1950年年，美美国北极星星导弹弹固体燃燃料发动机机壳体体在实验验时发发生爆炸，经过过研究究，发发现破破坏的的原因因是材材料中中存在在0.1～～1mm的的裂纹纹并扩扩展所所致。。五、疲疲劳极极限疲劳（Fatigue））:零件在在交变变载荷荷下经经过较较长时时间工工作而而发生生断裂裂的现现象（80%的的断裂裂由疲疲劳造造成）扭转:r=-1曲曲轴轴弯曲:r=0齿齿轮轮齿根根压缩:r=-∞∞球球轴承承小拉大大压:r<0连连杆杆大拉小小压0<r<1缸缸盖螺螺钉常见的的交变变应力力r=σσmin/σmax材料在在低于于s的重复复交变变应力力作用用下发发生断断裂的的现象象。材料在在规定定次数数应力力循环环后仍仍不发发生断断裂时时的最最大应应力称称为疲疲劳极极限。。用-1表示。。钢铁材材料规规定次次数为为，，有有色色金属属合金金为。。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳断断口特特征疲劳源源区疲劳裂裂纹扩扩展区区最后断断裂区区一般在在局部应应力集集中或或强度度较低低部位位首先出出现裂裂纹源源，在在载荷荷继续续作用用后，，裂纹纹随后后扩展展导致致断裂裂轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳断断口通过改善材材料的的形状状结构构，减减少表表面缺缺陷，，提高高表面面光洁洁度，，进行行表面面强化化等方法法可提提高材材料疲疲劳抗抗力。。失效(failure)机械零零件失失去在在一定定的载载荷、、温度度、介介质作作用下下保持持一定定的几几何形形状、、尺寸寸、实实现机机械运运动、、传递递力和和能的的效能能。失效的的原因因机械零零件的的失效效形式式(第11章章)零件的的结构构设计计材料的的选择择材料的的加工工制造造装配调调整使用和和保养养材料的的失效效形式式过量变变形断裂磨损腐蚀高温蠕蠕变过量变变形弹性变变形塑性变变形抗力指指标条件比比例极极限条件弹弹性极极限条件屈屈服极极限σ0.001%-0.01%σ0.005%-0.05%σ0.01%-0.5%弹性变变形量量Δl（刚刚度））精密机机床丝丝杠炮筒、、弹簧簧一般机机器的的机座座、机机架、、桥梁梁、容容器断裂韧性断断裂脆性断断裂抗力指指标冲击韧韧度ak断裂韧韧度KIC计算?疲劳断断裂静、冲冲击载载荷交变载载荷断口特特征疲劳极极限过载持持久值值磨损粘着磨磨损磨粒磨磨损腐蚀磨磨损氧化磨磨损接触疲疲劳：：麻点点磨损损微动磨磨损高温蠕变持久强度蠕变极限腐蚀高温氧化腐蚀电化学腐蚀电偶腐蚀小孔腐蚀缝隙腐蚀应力腐蚀防腐蚀措施？磨损失失效一、磨磨损Wear：零件在在磨擦擦过程程中其其表面面发生生尺寸寸变化化和物物质耗耗损的的现象象粘着磨磨损adhesivewear：摩擦副副局部部发生生冷焊合合（挤破破润滑滑膜和和部件件表面面的氧氧化膜膜，原原子间间结合合），，随后后撕裂裂的过过程。。例如如：曲曲轴烧烧瓦了了；蜗蜗轮、、蜗杆咬咬死了了等现现象磨损速速度大大：10～～15μm/h磨粒磨磨损Abrasivewear：：硬质磨磨粒使使摩擦擦面产产生塑性变变形或嵌入或切割的过程程。例如：：矿山山用的的粉碎碎机，，磨粒粒磨损损严重重。磨损速速度较较大：：0.5～5μm/h；磨粒腐蚀磨磨损corrosivewear：环环境介介质与与摩擦擦力联联合腐腐蚀、、磨损损：1，氧氧化腐腐蚀剥剥落：：部件件接触触面产产生氧氧化膜膜→剥落→露出新新金属属→再生成成新氧氧化膜膜→再剥落落→反复损损耗的的过程程磨损速速度：：0.1～0.5μm/h；(属正常常失效效)2，机机械微微动磨磨损fretting：：紧配合合构件件的微微动区区内，，产生生磨痕痕蚀坑坑，亦亦称咬咬蚀，，微动区区内有有粉末末产生生，因因此微微动磨磨损包包含了了：氧氧化磨磨损、、磨粒粒磨损损、粘粘着磨磨损。。蚀坑处dL微动磨磨损麻点磨磨损Surfacefatigue（接接触疲疲劳））：接触疲疲劳：：滚动动点接接触处处，在在交变变应力力下产产生的的疲劳劳剥落落，形形成的的小凹凹坑现现象现现象。。例如如：滚滚动轴轴承的的滚珠珠，后后期表表面形形成的的麻点。又例例如：：啮合合的齿齿面会会产生生麻点点，使使振动动、噪噪声、、冲击击增大大，严严重齿齿根可可能冲冲击断断裂。高温对对金属属力学学性能能的影影响温度↑强度降降低↓时间↑强度降降低↓蠕变极极限持久强强度材料高高温力力学性性能指指标高温蠕蠕变失失效蠕变：：材料料在长长时间间的恒恒温、、恒应应力的的作用用下缓缓慢地地产生生塑性性变形形的现现象称称为蠕蠕变a.蠕蠕变极极限应变eIIIIII时间t蠕变极极限：1，在在规规定的的温度度下，，使试试样产产生稳稳态的的蠕变变速率率的应应力。。(1×10-5%/h)sTes600110-5=60MPa2,在在规规定温温度下下和规规定的的时间间内使使试样样产生生一定定蠕变变总变变形量量的d的应力力值。。(105小时总总变形形量为为1%)sTd/ts5001/105=100MPa持久强强度:在给定定温度度和规规定时时间内内使试试样发发生断断裂的的应力力（1××103小时））sTts6001103=300MPa作业业题题1.钢钢的的s=1000MPa，KIc=170MPa••m1/2铝合合金金的的s=400MPa，KIc=25MPa••m1/2试问问这这两两种种材材料料制制作作压压力力容容器器时时发发生生低低应应力力脆脆断断时时裂裂纹纹的的临临界界尺尺寸寸各各是是多多少少（（假假设设裂裂纹纹的的几几何何形形状状因因子子））?何何者者更更适适宜宜做做压压力力容容器器？？2.有一一根根轴轴向向尺尺寸寸很很大大的的轴轴，，在在500ºC温度度下下工工作作，，承承受受交交变变扭转转载载荷荷和和交交变变弯弯曲曲载载荷荷，，轴轴颈颈处处承承受受摩摩擦擦力力和和接接触触压压应应力力，，试分分析析此此轴轴的的失失效效形形式式可可能能有有哪哪几几种种？？设设计计时时需需要要考考核核哪哪几几个个力学学性性能能指指标标？？3.给给出出汽汽车车变变速速箱箱齿齿轮轮可可能能出出现现的的失失效效形形式式会会有有哪哪些些？？9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。13:06:1813:06:1813:0612/29/20221:06:18PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2213:06:1813:06Dec-2229-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。13:06:1813:06:1813:06Thursday,December29,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2213:06:1813:06:18December29,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。29十十二二月20221:06:19下下午13:06:1912月月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月221:06下下午12月-2213:06December29,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/2913:06:1913:06:1929December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。1:06:19下午午1:06下午午13:06:1912月-229、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。13:06:1913:06:1913:0612/29/20221:06:19PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2213:06:1913:06Dec-2229-Dec-2212、世世间