机械工程导论第五讲2

第讲五工程材料第讲五工程材料材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。材料是人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基础,是人类活动不可缺少的东西。材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质反映了人类社会的文明水平。现代国家的实力与水平主要取决于能源、材料、信息的发展。第讲五主要内容材料的性能材料的分类智能材料第讲五一、材料的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、可以承担的功效，以及承担该功效下的表现或能力。材料的性能包括：力学性能物理性能化学性能工艺性能第讲五材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、介质等)时，在外力或能量作用下表现出来的变形和破坏的特征。通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料的力学性能有：

弹性

强度

塑性

硬度冲击韧性疲劳特性耐磨性发生弹性形变后可以恢复原来状态的一种性质材料在外力作用下抵抗破坏(永久变形和断裂)的能力材料的耐磨损性能，以规定摩擦条件下的磨损率或磨损度的倒数表示材料在多次交变载荷作用而不会产生破坏的最大应力衡量材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部塑性变形的能力材料能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力一、材料的性能（力学性能）第讲五材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量(热、电、光、磁等)以及环境变化时他们的变化程度。密度与比容导热性热膨胀系数单位体积物质的质量Kg/M3单位质量的物质所占的体积M3/Kg物体内温度梯度为1℃/M时，在单位时间、单位面积内传递的热量W/(M·K)温度上升1℃时，单位长度的伸长量mm/(℃·mm)或℃-1材料的物理性能有：一、材料的性能（物理性能）第讲五电阻与电导电阻温度系数熔点

导磁率物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是M，其倒数称为电导率S/M温度上升1℃时，电阻率的变化系数，单位℃-1电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。铁合金、化合物(铁氧体)特有性能。一、材料的性能（物理性能）第讲五材料的化学性能反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极电位、储能密度等。材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏称为腐蚀。

一、材料的性能（化学性能）第讲五材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。可生产性

得到材料可能性和制备方法。

铸造性

将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却

凝固，获得零件的方法。材料的工艺性能有：锻造性

材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压

等)的可能性或难易程度的度量。一、材料的性能（工艺性能）第讲五

焊接性

利用部分熔体，将两块材料连接在一起。切削加工性

材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。热处理性能

可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变

的程度。一、材料的性能（工艺性能）第讲五二、材料的分类材料按化学成分分为：金属材料非金属材料复合材料第讲五二、材料的分类（金属材料）金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。纯金属及其合金。合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有金属性的材料。金属性的关键特征是具有正的电阻温度系数，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。第讲五①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的合金钢。铸铁是碳含量大于2.1％的铁碳合金，可用于制造各种机器零件，如机床的床身，发动机的气缸体、缸套，机器的底座等。碳钢也叫碳素钢，指含碳量小于2.1%的铁碳合金，用于钢板、钢筋、桥梁、键、销、螺钉、螺母、弹簧等。合金钢是除铁、碳外，加入其他的合金元素，可用于车辆、船舶、变速箱齿轮、柴油机的凸轮轴、发动机传动轴、轴承滚动体等。二、材料的分类（金属材料）第讲五二、材料的分类（金属材料）②有色金属是除钢铁以外的所有金属及其合金，与钢铁相比，有色金属的产量和使用量低，价格高。但由于它们具有某些独特的性能，成为现代科技和工程中不可缺少的重要材料。例如，铝合金、铜合金、轴承合金、钛合金、镁合金等在航空航天、造船、化工、冶金等行业获得了广泛应用。③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。第讲五二、材料的分类（非金属材料）非金属材料由非金属元素或化合物构成的材料。自19世纪以来，随着生产和科学技术的进步，尤其是无机化学和有机化学工业的发展，人类以天然的矿物、植物、石油等为原料，制造和合成了许多新型非金属材料，如水泥、人造石墨、特种陶瓷、合成橡胶、合成树脂（塑料）、合成纤维等。非金属材料可分为无机材料和有机材料两大类。①属于无机材料的有耐火材料、陶瓷、磨料、碳和石墨材料、石棉等；②属于有机材料的有木材、皮革、胶粘剂和高分子合成材料──合成橡胶、合成树脂、合成纤维等。第讲五二、材料的分类（非金属材料）高强度结构非金属材料的密度较钢、铁、铜、铅等金属材料小得多，有些比铝、镁、钛等还轻。这些材料被用来制造手轮、手柄、支架、仪表板等一般轻质结构件，也可用来制造飞机机翼和叶片、整体船艇、汽车车身和传动轴、高压容器等高强度结构件，这样可以减轻自重、增加运载能力或提高运行速度、节约能源。非金属材料的性能及应用减摩耐磨材料某些无机非金属材料因硬度高而耐磨，如金刚石、砂布，可用于磨削和切削；有些材料因有高弹性而耐磨，如橡胶轮胎和运输皮带能抵抗泥沙、矿石、煤炭等颗粒的磨损；有些材料借其自身固有的润滑性能和低摩擦系数而能减少摩擦和磨损，如塑料、石墨、氮化硅等制成的轴承、导轨、活塞环、密封圈等机械零件，能在无油干摩擦或少油润滑条件下安全运行，这对忌油脂或不便供给油润滑的场合特别有利。耐腐蚀如陶瓷、石墨、、塑料等的大多数品种，都能耐酸、碱、盐、有机溶剂和很多其他化学药品。非金属材料实验机，如不透性石墨能抵抗浓酸和浓碱，聚四氟乙烯塑料则几乎能耐所有化学药品，甚至在氧化性最强的沸腾王水中也不受侵蚀。这些材料适于制造化工用的容器、塔器、鼓风机、泵、管、阀等机械设备和零部件。密封性如橡胶、塑料、石棉和柔性石墨等因有良好的柔性和弹性而适于制造动态和静态的密封零件，如压缩机的活塞环、密封填料、O型和V型密封圈等。20世纪60年代以来，还出现了一种以树脂或橡胶为基体、称为液体密封胶的密封材料，适用于各种静态密封，使用方便。电绝缘如橡胶、塑料、陶瓷、石棉都是应用广泛的电绝缘材料。二、材料的分类（非金属材料）第讲五二、材料的分类（复合材料）复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。二、材料的分类（复合材料）三、智能材料智能材料(Intelligentmaterial)，是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。智能材料具备以下功能:(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏,及时和恰当；