材料第02章-概论.ppt

1、倪江忠,广东交通职业技术学院,概论,概论,一、设计与材料,二、设计材料的发展,三、设计材料的分类,四、设计材料的性能与特征,五、思考题,1、材料的作用？,设计与材料（一）,2、为什么要开发和研究新材料？,材料是设计的物质基础,每一种新材料的出现都会给设计带来新的飞跃！,设计与材料（二）,设计与材料（三）,设计材料的发展,B、陶器时代物,A、石器时代,C、青铜时代物,E、高分子材料时代,D、铁器时代物,F、复合材料时代,石器时代,石刀、石茅、石箭,陶器时代,花瓶,青铜时代物,鼎,铁器时代,高分子材料时代,塑料一次注射成型的“S”形椅,复合材料时代,法国Rafale“阵风”战斗机,前机身主要是常规

2、铝合金，后机身为碳纤维复合材料。铝锂合金机身侧蒙皮。机头整流罩和喷管整流罩为聚芳酰胺纤维复合材料。起落架及发动机舱门为碳纤维复合材料。,设计材料的分类（一）,比较科学的分类方法：依据材料结合键性质进行分类。,结合键的定义：,物体在固体状态下，当原子（离子或分子）聚集为晶体是，原子（离子或分子）之间产生较强的相互作用，这种相互作用就是晶体的结合力，又叫结合键。,结合键的分类：,化学键：离子键、共价键、金属键,物理键：分子键、氢键,设计材料的分类（二）,材料的基本性能（一）,材料的性能包括使用性能和工艺性能。 材料的使用性能：指材料在正常使用条件下所表现出来的性能。主要包括力学性能、物理性能和化学

3、性能等。 材料的工艺性能：指材料在加工过程中表现出来的性能。对于金属材料来讲，工艺性能主要包括了铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能。,材料的基本性能（二）,B、材料的物理性能,A、材料的力学性能,C、材料的化学性能,D、材料的工艺性能,材料的力学性能,材料的力学性能：指材料在外加载荷作用下所表现出来的性能。材料的力学性能主要决定于材料的化学成分，但一些外在因素如载荷性质、应力状态、温度、环境介质等也会对材料的力学性能有较大的影响。因此，力学性能不仅是零件设计和选择材料的重要依据，而且也是验收、鉴定材料性能的重要依据之一。 材料的力学性能主要包括强度、塑性、硬度、弹性、冲

4、击韧度及疲劳强度等。,强度,强度是指材料在静载荷下抵抗外力产生的塑性变形和破坏的能力。根据外力作用的方式不同，强度可分为抗拉强度b、屈服强度s、抗压强度be 、抗弯强度bb。通常使用较多的强度指标主要有两个：一是抗拉强度b ，二是屈服强度s 。,抗拉强度与屈服强度比较,抗拉强度,抗拉强度b 指试样在拉伸过程中所能承受的最大应力值。 b=Fb/（MPa） 式中，Fb是试样拉断前的最大拉力(N),是试样的原始横截面积()。,屈服强度,屈服强调s 是材料开始发生明显塑性变形时的应力，屈服强度也称为屈服点。 s=Fs/（MPa） 式中，Fs为试样发生屈服变形时的应力（N），为试样原始横截面积（mm2）

5、。,抗拉强度与屈服强度比较,不少金属材料在拉伸实验中没有明显的屈服现象，难以测出屈服点。但屈服强度S确是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。,塑性,塑性是指材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。常用的塑性指标：一是伸长率，一是断面收缩率，这两个指标用百分数（ ）表示。,伸长率,伸长率 是指试样拉断后，标距内总伸长量与原标距长度的百分比。即 = ( Lk-L0)/L0 100 % 式中， Lk是试样断裂后的标距（）， L0是试样的原始标距（） 。 伸长率与试样尺寸有关，为了便于比较，必须采用标准尺寸：常用的规定尺寸是试样标距长度等于其直径的倍或倍，分别用或（通常写成）表示

6、。同一种材料 。,断面收缩率,断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原横截面积之比的百分数。即 = (S0-Sk)/S0100% 式中， Sk是试样断裂处的最小横断面积（2）， S0 是试样的原始横截面积 （2）。,断面收缩率不受试样尺寸的影响，能比较确切的反映材料的塑性。,硬度,硬度是指材料表面抵抗塑性变形和破坏的能力。 工程上最常用的硬度试验为布氏硬度（HB）和洛氏硬度(HRC) 。此外，还有维氏硬度(HV)、肖氏硬度(HS)等。 硬度判据的实用性。,布氏硬度测量方法,用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度实验，用钢球或硬质合金球压入，布氏硬度试验原理如图：,布氏硬度测量

7、机,布氏硬度表示方法,用钢球作为压头所测得的布氏硬度值用符号HBS表示，适用于测量退火、正火、调质钢件、铸铁及有色金属等硬度值低于450的材料；用硬质合金球作为压头所测得的布氏硬度用符号HBW表示，适用于测量硬度不超过650的材料。 布氏硬度的表示方法规定为：符号HBS和HBW前面的数值为硬度值，符号后面按以下顺序表示试验条件：压头球体直径（）、试验载荷（Kgf）、试验载荷保持时间（S）（1015S不标注）。,洛氏硬度测量方法,用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度实验，用金钢石圆锥或钢球压入。洛氏硬度试验原理如图：,洛氏硬度测量机,洛氏硬度表示方法,洛氏硬度是目前应用最广泛的硬度力

8、学指标，我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，试验条件及应用范围见表。 洛氏硬度值的表示方法规定为：硬度符号前面注明硬度值，例如52HRC、70HRA。 在硬度和强度之间，存在着一定的换算关系。,表,布氏与洛氏硬度测量方法比较,测量洛氏硬度可以在表盘上直接读出硬度值来，比较简便。而布氏硬度测量时需要计算或查表，比较麻烦。洛氏硬度试验的压痕小，对金属表面损伤小，可以直接测定成品件和较薄工件的硬度；但测定的硬度值不如布氏硬度值准确、稳定，故需要在试件上不同部位测定三点，取其平均值。,硬度判据的实用性,硬度实际上反映了金属材料的综合力学性能，它不仅从金属表面层的一个局部反映了材料的强度（抵抗局部变

9、形，特别是塑性变形的能力），也反映了材料的塑性（压痕的大小或深浅）硬度试验和拉伸试验都是利用静实验力确定金属材料力学性能的方法，但硬度实验在生产中得到更广泛的应用。拉伸实验属于破坏性试验，测定方法也比较复杂。硬度实验则简便迅速，基本上不损伤金属材料，甚至不需要做专门的试样，可以直接在工件上测试。,弹性极限,弹性是指材料在外力作用下产生变形，当外力去除后又恢复原来形状和大小的一种特性，又称刚度。 （一）弹性极限e 指材料在弹性变形范围内所能承受的最大应力。 e = Fe /S0 （MPa） 式中， Fe是弹性变形范围内的最大拉应力（N）； S0是试样的原始横截面积（mm2）。e表示材料保持弹性变

10、形、不产生永久变形的最大应力。,弹性模量,（二）弹性模量E 是指材料承受外力时抵抗弹性变形的能力，也称之为刚度。 E = e / = tan（MPa） 式中，e 为弹性极限，为相对的变形量，tan为拉伸曲线的斜率。 E 值越大，材料在弹性变形范围内能够承受的外力越大。换句话说，钢度越大，则材料在一定应力下产生的弹性变形就小。,冲击韧度,冲击韧度 ak 是在冲击负荷作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。 ak = Ak/（Jcm2） 式中， Ak为冲击试样破坏是所消耗的冲击功，为冲击试样断口处的截面积。 根据试样缺口形式的不同，U型缺口试样测得的冲击韧度用aku表示，V型缺口测得的冲击韧度用akv表

11、示。,疲劳强度,疲劳强度N 是指材料承受无限次交变载荷作用而不发生断裂破坏的最大应力。 交变载荷是指载荷的大小和方向做周期性变化的载荷，无限次循环周期实际上是不可能进行无限次实验的。按我国国家标准，钢铁的循环基数是107 ，而有色金属材料的循环基数是108 。,材料的物理性能,材料的物理性能是指材料的固有属性，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性和色泽等。,密度、熔点、导热性、导电性,热膨胀性、磁性,材料的化学性能,材料的化学性能：指材料在常温或高温下抵抗各种介质的化学或电化学侵蚀的能力，是衡量材料性能优劣的主要质量指标。 材料的化学性能主要包括：耐蚀性、抗氧化性和耐候性等。,耐蚀性,

12、材料在常温下抵抗周围介质（如大气、燃气、水、酸、碱、盐等）腐蚀的能力称为耐蚀性。 金属材料在腐蚀性介质中常常会发生化学腐蚀或电化学腐蚀。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好；铝和铜也有较好的耐腐蚀性。因此，对金属制品的腐蚀防护十分重要。在设计中对于易腐蚀的零部件，一方面要采用耐蚀性好的不锈钢、铝合金等材料制造；另一方面，要采用适当的涂料进行涂覆，起到防腐蚀、填平锈斑的作用。,抗氧化性和耐候性,（一）抗氧化性是指材料在常温或高温时抵抗氧化作用的能力。抗氧化性是高温材料的一项重要性能指标。,（二）耐候性是指材料在各种气候条件下，保持其物理性能和化学性能不变的性质。如玻璃、陶瓷的耐候性好，塑料的耐候性差。,材料的工艺性,材料的工艺性：指材料适用各种工