工程领域对材料性能的要求

金属材料与热处理——材料性能、应用与选择第一页，共四十八页。绪论一、材料与人类、材料与现代工程材料对于人类历史发展的贡献：作为历史阶段的标志旧石器时代新石器时代青铜器时代铁器（钢铁）时代（现代）电子材料或新材料时代（？）第二页，共四十八页。二、现代工程与材料见下图

当代文明的三大支柱：★材料★能源★信息+（近年）生命科学（生物工程）全球新技术革命的重要标志：新材料技术、新能源技术、信息技术和生物技术第三页，共四十八页。第四页，共四十八页。第五页，共四十八页。F-14飞机第六页，共四十八页。F-117隐形战斗机第七页，共四十八页。C-130运输机第八页，共四十八页。第九页，共四十八页。航天飞机导弹第十页，共四十八页。第十一页，共四十八页。第十二页，共四十八页。第十三页，共四十八页。轿车部分零部件成形方法及材料第十四页，共四十八页。三、机械专业学生与材料未来的工程技术人员、研发人员和管理人员从事工作：机械设计、制造、维护等→（要进行选材、用材）→提出技术要求→材料选择→备料→热、冷加工→适当的热处理→精加工→成品→检验→使用。第十五页，共四十八页。四、课程性质、主线与内容课程性质：机类专业技术基础课课程主线：工程要求→力学及其他负荷特征→对应的材料性能→材料选择→材料成型加工特征、提高材料性能的热处理与表面处理→常见工程材料及其典型应用。第十六页，共四十八页。必须掌握：

★材料特征、性能（第1～2章）

★材料的加工性及加工中的性能变化（第3～4章）★材料的具体应用（第5～14章）关键：★具体工况（应用）下正确、科学合理选材和确定加工路线与应用。

第十七页，共四十八页。例1：吊重物（25t）（1）若用铸铁杆，需截面25.4×25.4mm，单位杆长的重量~5.95kg/m。（2）若用钢杆，需截面14.2×14.2mm，单位杆长的重量~2.00kg/m。（3）若用芳纶纤维，需截面7.62×7.62mm，单位杆长的重量~0.093kg/m。综合考虑：用钢丝绳（兼有高强度、柔软性、长寿命及价格）例2：各种刀具、齿轮、主轴；用什么材料为佳，如何加工处理？课程与教材特色：立足工程实际、面向应用，充分体现工程性。第十八页，共四十八页。工程领域对材料性能的要求

兰州理工大学材料科学与工程学院第1章第一篇工程材料的性能和基本特征第十九页，共四十八页。本章主要内容1.1工程构件与机械零件所受各种负荷概述1.2工程设计制造所需要的材料力学性能1.3工程设计制造所需的材料理化性能1.5工程材料的类型及主要特征1.4工程材料的加工工艺性能第二十页，共四十八页。负荷→零件→可能产生各种损伤→（严重时）失效

1.1.1力学负荷（mechanicalload）

•加载形式：拉伸与压缩、剪切、扭转、弯曲、以及组合加载(如车床主轴)。•效应：变形→严重时破坏（断裂等）。交变载荷：周期性变化，如齿轮冲击载荷：瞬时加载，如锤击静载荷动载荷•载荷性质1.1工程构件与机械零件所受各种负荷概述第二十一页，共四十八页。图1-1受力杆件图1-2铆钉联结图1-3方向盘图1-4火车轮轴第二十二页，共四十八页。图1-5周期变动载荷示意图(a)交变载荷(b)重复载荷(c)随机变动载荷

（a）（b）(c)第二十三页，共四十八页。•温度因素（temperatureeffects）：高温、低温、热冲击。（1）T↑，材料强度↓（2）高温下材料强度随加载时间延长而降低

T>0.3Tm，很小应力下的缓慢变形（3）温度反复变化，产生热应力（4）急热急冷产生的热振或热冲击（5）温度交替变化，次数较多引起热疲劳（6）低温下的材料脆化1.1.2热负荷第二十四页，共四十八页。产生物理、化学作用；摩擦磨损及老化等

①腐蚀作用：化学腐蚀、电化学腐蚀和物理溶解（详细情况和选材见第12章）。

②摩擦磨损作用：接触零件间相对运动时发生摩擦，零件在摩擦过程中其表面发生尺寸变化和物质耗损的现象，磨损引起功和能消耗、噪声等。磨损是零件表面材料的逐渐失去，常见类型有黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损。1.1.3环境介质的作用第二十五页，共四十八页。③老化作用（degradation）

各种环境因素作用下材料性能的逐渐退化、变坏，最终丧失使用价值的现象。例轮胎龟裂、发粘，塑料变硬变脆。老化的环境因素：温度、日光、电、辐射、应力、化学介质等。第二十六页，共四十八页。一、整机性能、零部件性能与材料性能材料的强度及其它力学性能零部件尤其关键件的强度机器的性能在合理设计制造基础上零件部件机器如变速器ִ、齿轮箱如齿轮、螺钉如机床

1.2工程设计制造所需要的的材料性能第二十七页，共四十八页。(1)拉伸试验和应力—应变曲线

弹性变形——塑性变形——断裂(2)弹性和刚度

σe

弹性极限

弹性零件的设计依据

σ∝εσ＝E·εE＝σ/εE称为材料的刚度

弹性模量的比较：陶瓷＞金属＞＞高分子材料。•工程应用：要求低E（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫子。要求高E（保持固有形状能力强），如主轴，钻杆。要求E比刚度（E/ρ）大（轻而不易变形），如航空航天,碳纤维复合材料＞Ti合金＞Al合金＞＞钢铁等。1.2.2工程材料的力学性能第二十八页，共四十八页。（a）低碳钢的应力-应变曲线（b）原始及拉断试样图1-6低碳钢的应力-应变图第二十九页，共四十八页。(3)强度、塑性和黏弹性强度——材料抵抗变形和断裂的能力。

塑性——材料产生塑性变形的能力。•屈服强度σs（σ0.2）=Ps/F（MPa）,是零件最重要的设计指标。•抗拉强度σb=Pb/F，也是重要的设计指标，数据易得。•比强度σs/ρ及σb/ρ，单位质量的强度：水泥0.8，木材12.5，钢5.2，铝11.1，Ti13.3，碳纤维160.9。•延伸率δ=（l1－l0）/l0×100%。•断面收缩率ψ=（F0－F1）/F0×100%。

塑性不能直接作为设计指标，但可作为参考指标•黏弹性第三十页，共四十八页。(4)硬度（hardness）材料的软硬程度，用压痕深度或面积表征。

①压痕深或面积大，材料软；反之硬。②测量方便，一般属无损检测。③硬度与强度、塑性存在一定的关系。硬度是零件设计时的主要力性技术要求。④零件中、高硬度要求时，用洛氏硬度30～70HRC

标注公差3～5HRC。零件中、低硬度要求时，用布氏硬度100～450HBS

标注公差30～50HBS。★

布氏硬度★

洛氏硬度★

维氏硬度第三十一页，共四十八页。

布氏硬度第三十二页，共四十八页。洛氏硬度第三十三页，共四十八页。

维氏硬度第三十四页，共四十八页。(5)冲击韧性（impacttoughness）材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，常用缺口试样冲断所吸收的功。冲击功高，韧性材料如钢筋；冲击功低，脆性材料如玻璃、陶瓷、铸铁。部分材料室温韧性好、低温变脆—存在延性—脆性转折。(6)疲劳强度（fatiguelimit）周期变动应力下的材料强度。

σ>σb

一次寿命σ>σ-1有限寿命

σ<σ-1“永”不破坏，无限寿命。σ-1=(0.45～0.55)σb见图1-7见图1-8见图1-9第三十五页，共四十八页。图1-7试样冲击示意图图1-8冷脆转变温度第三十六页，共四十八页。图1-9疲劳曲线和对称循环交变应力图（a）疲劳曲线（b）对称循环交变应力第三十七页，共四十八页。材料加工成形的难易程度，不同材料很不一样。所以加工方法各不相同。•金属：铸造工艺性(充型能力、收缩大小、偏析倾向等),灰铸铁、青铜好。可锻性(变形能力、变形难易等),低碳钢、有色金属好。可焊性(易施焊且不易产生缺陷等),钢铁材料中低碳钢好。1.3工程设计制造所需的材料理化性能（自学）1.4工程材料的加工工艺性能第三十八页，共四十八页。切削加工性(断屑、粗糙度、刀具磨损等),灰铸铁好。热处理工艺性(接受淬火、变形开裂倾向等),合金钢好。•塑料：多注射（塑）成形，易成形，易加工（包括后续加工）。•陶瓷：多粉末烧结成形，难以切削加工。第三十九页，共四十八页。⑴按使用功能分类：

•结构材料（structuralmaterial）：实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。

•功能材料（functionalmaterial）：利用其理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等）。⑵按成分分类——三大类或四大类材料（加复合材料）。1.5工程材料类型及主要特征1.5.1工程材料的分类第四十页，共四十八页。•金属材料的特征（metals）优点：兼有良好力性(较高强度、刚度、塑性、韧性)及某些理化性能(良好导电、导热性等)和较好的工艺性，价格便宜或适中。大量用作结构材料，部分用作功能材料。

缺点：资源有限；特高温及特殊介质中不能胜任。•高分子材料的特征（高聚物，polymer）优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量轻，加工性好，原料丰富。缺点：力性尤其强度低；不耐高温（≤300℃）；易老化易燃。1.5.2各类材料的特征第四十一页，共四十八页。•陶瓷材料的特征（ceramics无机非金属材料，金属与非金属的化合物如Al2O3、SiC）优点：优良理、化性能(耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等)及极好的耐高温性能，且原料来源广泛。主要用在特殊场合(特殊陶瓷)及日常(传统陶瓷)。

缺点：性脆、难加工，可靠性差。•复合材料的特征（composites两种或多种材料复合而成）

优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要进行人为设计、制造。缺点：目前性能高的价贵。