机械工程材料课件

机械工程材料概述机械工程材料是现代工程技术的基础。它们决定了机械零件的性能和寿命。本课程将深入探讨各类工程材料的特性、加工和应用。工程材料的种类和特点金属材料包括钢铁和有色金属，具有高强度和良好导电性。非金属材料如塑料、陶瓷和复合材料，具有轻质、耐腐蚀等特点。新型材料如纳米材料和智能材料，具有独特的物理化学性质。金属材料的机械性能强度材料抵抗永久变形或断裂的能力。弹性材料在应力去除后恢复原状的能力。塑性材料在应力作用下产生永久变形的能力。金属材料的热处理1退火缓慢加热后慢冷，用于软化金属、消除内应力。2正火加热后空冷，用于细化晶粒、提高强度和韧性。3淬火快速加热后急冷，用于提高硬度和强度。4回火淬火后再加热，用于减少脆性、增加韧性。钢铁材料的分类和性能碳钢含碳量决定强度和硬度。常用于建筑和机械制造。合金钢添加其他元素改善性能。如不锈钢、工具钢等。铸铁含碳量高，易于铸造。常用于机床底座等。有色金属材料铝及其合金轻质、耐腐蚀，广泛用于航空航天和汽车工业。铜及其合金导电性好，用于电气设备和装饰品。钛及其合金强度高、质量轻，用于航空航天和医疗器械。镁及其合金密度最低的工程金属，用于轻量化设计。塑料材料1热塑性塑料可重复加热成型，如聚乙烯、聚苯乙烯。2热固性塑料一旦成型不可再熔化，如酚醛树脂、环氧树脂。3弹性体具有橡胶弹性，如聚氨酯、硅橡胶。复合材料基体材料如树脂、金属或陶瓷，提供形状和支持。增强材料如纤维或颗粒，提供强度和刚度。界面基体和增强材料间的结合，影响性能。陶瓷材料高硬度耐磨性好，适用于切削工具。耐高温熔点高，可用于高温环境。耐腐蚀化学稳定性好，适用于化工设备。工程材料的选择原则1性能要求考虑强度、硬度、韧性等机械性能。2使用环境评估温度、湿度、腐蚀性等因素。3加工工艺考虑材料的可加工性和成型方法。4经济性权衡材料成本、加工成本和使用寿命。材料的腐蚀与防护腐蚀类型均匀腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀开裂等。防护方法表面处理、阴极保护、添加缓蚀剂等。材料的疲劳与断裂1裂纹萌生在应力集中处形成微小裂纹。2裂纹扩展在循环载荷作用下，裂纹逐渐扩大。3突然断裂当裂纹达到临界尺寸时，材料突然断裂。金属材料的焊接熔化焊如电弧焊、气体保护焊，通过熔化金属实现连接。压力焊如摩擦焊、超声波焊，通过压力和热量实现连接。钎焊使用熔点低于母材的填充金属实现连接。金属材料的切削加工车削用于加工旋转体零件。铣削用于加工平面、沟槽等。钻削用于加工圆孔。磨削用于精加工，提高表面质量。塑料材料的加工工艺注塑成型将熔融塑料注入模具，冷却后得到成品。挤出成型将熔融塑料通过模具挤出，形成连续的型材。吹塑成型用于制造中空制品，如塑料瓶。热压成型将塑料板材加热后压制成型。陶瓷材料的制造工艺1原料制备粉末制备、配料和混合。2成型通过压制、注浆或挤出等方法成型。3干燥去除成型体中的水分。4烧结在高温下使颗粒结合，形成致密结构。实验室材料试验概述拉伸试验试验过程将标准试样在拉伸机上逐渐拉伸至断裂。获得数据屈服强度、抗拉强度、延伸率等。压缩试验试验目的测定材料在压缩载荷下的强度和变形特性。适用材料混凝土、陶瓷等脆性材料，以及塑料、复合材料等。数据分析压缩强度、弹性模量、屈服点等。弯曲试验三点弯曲常用于测试材料的抗弯强度。四点弯曲可获得更均匀的应力分布。悬臂梁弯曲用于测试薄板或薄膜材料。硬度试验布氏硬度用钢球压入，适用于较软金属。洛氏硬度用圆锥或钢球压入，适用范围广。维氏硬度用金刚石压头压入，适用于各种材料。肖氏硬度测量回弹高度，适用于橡胶等弹性材料。冲击试验夏皮冲击试验使用V形缺口试样，测量吸收的能量。伊佐德冲击试验使用悬臂梁试样，适用于塑料材料。断裂韧性试验1试样制备制作含预制裂纹的标准试样。2加载在试验机上逐步增加载荷。3数据采集记录载荷-位移曲线。4计算根据公式计算断裂韧性值。金属显微组织分析试样制备切割、磨制、抛光和腐蚀。显微观察使用光学显微镜或电子显微镜观察。组织分析识别相组成、晶粒大小等特征。图像处理使用软件进行定量分析。腐蚀试验浸泡试验将试样浸入腐蚀介质中，测量质量损失。电化学测试测量腐蚀电位和电流，评估腐蚀速率。盐雾试验模拟海洋环境，评估涂层性能。应力腐蚀试验在腐蚀环境下施加应力，评估开裂敏感性。疲劳试验轴向疲劳施加交变拉压载荷。旋转弯曲疲劳试样旋转时承受弯曲载荷。热疲劳模拟温度循环引起的疲劳。材料分析与表征材料的环境与可持续性1生态设计考虑材料的全生命周期影响。2可回收性选择易于回收和再利用的材料。3能源效率开发低能耗的材料制造和加工工艺。4生物基材料利用可再生资源开发新型材料。材料的应用案例航空航天轻质高强材料如钛合金、复合材料在飞机结构中的应用。生物医学生物相容性材料如钛合金、陶瓷在人工关节中的应用。电子工业半导体材料和纳米材料在集成电路