工程材料的基本知识

第四章工程材料的基本知識§4-1工程材料的種類及性能§4-2常用金屬材料§4-4金屬材料的熱處理§4-5材料成型技術簡介§4-3非金屬材料§4-1工程材料的種類及性能1.常用工程材料的種類1)金屬材料:包括黑色金屬（鋼鐵）和有色金屬材料2)工程陶瓷:由金屬和非金屬元素的化合物所構成的各種無機非金屬材料3)有機高分子材料：工程中常見的有塑料、橡膠和膠黏劑4)複合材料：將上述兩種或多種單一材料人工合成在一起的材料§4-1工程材料的種類及性能2.工程材料的主要性能(1)工程材料的力學性能2）塑性3）硬度4）衝擊韌性5）疲勞强度6）耐磨性1）强度(2)工程材料的物理、化學及加工性能1）力學性能-强度强度是指在外力作用下材料抵抗變形與斷裂的能力000L/)L(L應變應力APE彈性模數y降伏極限)2(e彈性極限)1(u抗拉強度)3(2）力學性能-塑性材料在外力作用下產生塑性變形而不斷裂的能力%100001LLL伸長率3）力學性能-硬度硬度是衡量材料軟硬程度的指標。硬度越高，表示材料抵抗局部塑性變形的能力越大，材料的耐磨性也較好。勃式硬度用HB表示洛式硬度用HRB(較軟金屬)或HRC(較硬金屬)表示RockwellHardnessTest(洛式)4）力學性能-衝擊韌性材料在衝擊負荷作用下抵抗斷裂的一種能力，用標準試樣受衝擊器作用所吸收的能量表示。5）力學性能-疲度強度材料在無數次重複“交變應力”作用下，而不引起斷裂的最大應力值。Fatiguetest6）力學性能-耐磨性材料在一定工作條件下抵抗磨損的能力。用體積磨損量、質量磨損量和長度磨損量來評定。(2)工程材料的物理、化學及加工性能物理性能：指材料在重力、電磁場、熱力等物理因素作用下所表現出來的性能或屬性，包括材料的密度、熔点、導電性、磁性能、導熱性、熱膨脹性等化學性能：主要指材料的抗氧化性、耐蝕性和耐酸性等，反映了材料在常温或高温環境下抵抗各種化學作用的能力。材料加工性能：指材料對各種加工方式的適應性§4-2常用金屬材料1.碳鋼和合金鋼2.鑄鐵3.有色金屬材料碳鋼：各種金屬合金鋼：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼合金鋼灰鑄鐵球墨灰鑄鐵可鍛鑄鐵合金鑄鐵碳鋼低碳鋼：含碳量低於0.30%中碳鋼：含碳量在0.30%~0.50%高碳鋼：含碳量在0.50%~0.95%強度較差，但有較好的成型性中等強度、延展性及硬度具較耐磨耗特性，故適用於表面長久受到磨耗之工具，如農具。合金鋼鎳可改良材料的韌性、硬化能及抗腐蝕能力(硬化能愈大，代表鋼材在同一種淬火條件下能被硬化的深度愈深，但硬化能大並不代表能經由淬火而獲得更大的硬度。)鉻可增加硬化能、抗磨耗的能力、高溫強度，尤其高濃度的鉻可大大提高抗腐蝕的能力，所以是不銹鋼的重要成份。硫、磷、鉛可改良鋼的切削性灰鑄鐵生產過程簡單，抗壓强度高，耐磨性、消振性好，抗拉强度稍低，韌性差，常應用於引擎汽缸體、機械底座、支架等。球墨灰鑄鐵強度、軔性與塑性都較灰鑄鐵佳，可應用於製造曲柄軸、連桿等為可熱處理的鑄鐵，具中高強度與好的切削性，可應用於製造曲柄軸、連桿等。可鍛鑄鐵有色金屬材料鋁及其合金：質量輕、比强度和比剛度高、導電導熱性好、耐腐蝕，因而廣泛用於飛機製造業，成為航空等工業的主要材料。銅及其合金：黄銅是以鋅作為主要合金元素的銅合金青銅以錫為主添加元素，有高的耐磨性、耐腐蝕性，好的力學性能與鑄造性能，常用以製造耐磨、減摩擦及耐蝕零件，如齒輪、軸承等。無錫青銅比錫青銅具有更高的力學性能、耐磨性和耐蝕性，主要有：鋁青铜，錳青銅等。§4-3非金屬材料1.常用高分子材料2.陶瓷3.複合材料(1)塑料(2)橡膠(1)塑料•分類•以樹脂為主要成分的有機高分子固體材料•質量輕、比强度高，耐腐蝕性好，絕緣性能優異，減摩擦、耐磨及自潤滑性能突出，消音吸振性强，易成型加工，以及其它特殊性能。按樹脂受熱後性質：熱塑性塑料、熱固性塑料按塑料使用範圍：通用塑料、工程塑料和特種塑料1.常用高分子材料(2)橡膠•分類•以生膠為基礎加入適量的填加劑組成的高分子彈性體•天然橡膠：從天然植物中採集到的一種聚乙戊二烯為主要成分的高聚物，用來製造輪胎，也可製作膠帶、膠管及各種橡膠製品，如刹車皮合成橡膠：基本性能和用途與天然橡膠相似，可用於某些特殊場合，如耐高温、低温的矽橡膠，耐油的聚硫橡膠和丁腈橡膠，特别耐腐蝕的氟橡膠等。2.陶瓷•分類•用各種粉狀原料做成一定形狀後，在高温窯爐中燒製而成的一種無機非金屬固體材料•具有硬度高、抗壓强度大、耐高温、不怕氧化和腐蝕、隔熱絕緣性能好等特性普通陶瓷：廣泛用於建築、日用、衛生、化工、紡織、高低壓電器等行業的結構件和用品特種陶瓷：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷3.複合材料•纖維增强複合材料․複合材料至少由兩大類組成：基體相和增强相1）複合材料的組成及性能特點2）常用複合材料․具有高比强度和比剛度、高的抗疲勞性、高的斷裂韌性、强的減震能力、高温性能好、抗潛變能力强、以及優良的減摩性和耐蝕性等特點，它還有良好的加工性能。•骨架複合材料•層疊增强複合材料•顆粒增强複合材料§4-4金屬材料的熱處理1.鋼的整體熱處理2.鋼的表面熱處理退火正常化1.鋼的整體熱處理•將鋼件加熱到適當温度，保温一定時間，随後緩慢冷卻以獲得接近平衡狀態組織的熱處理過程。•目的是使組織與成份均匀化、或是消除殘留應力、或是消除内應力、或是消除鋼中的氫。•鋼件加熱到某一温度以上，保温適當時間後，在空氣中冷卻的熱處理過程。•目的改善鋼的組織和性能，可作為最終熱處理而直接使用。淬火回火•將鋼件加熱到某一温度以上，保温一段時間，然後以大於臨界冷卻速度冷卻，以獲得麻田散鐵組織的熱處理過程•回火就是把已經淬火的鋼件重新加熱到某一温度，適當保温後，冷卻到室温的熱處理過程。•目的使材料的硬度與強度增加，但材料也會變的較脆。•目的可改良鋼的抗拉強度與降伏強度，並增加材料的延性。表面淬火化學熱處理•通過快速加熱，使鋼件在預定厚度達到相變化，然後再立即淬火。•目的是使表層獲得高硬度、高耐磨性的麻田散組織，而心部仍保持原來的塑性和韌性都較好的退火、正常化組織。․鋼件置於特定的介質中加熱和保温，使介質中的活性原子滲入鋼件表層，造成表層的化學成份和組織改變，而達到材料表面性能變化之目的。․滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲鉻、滲鋁等2.鋼的表面熱處理§4-5材料成型技術簡介1.鑄造2.塑性加工3.焊接4.非金屬材料成型簡介1.鑄造砂型鑄造：將金屬或合金液澆注到砂型内，冷卻凝固後獲得鑄件，此應用最為廣泛。熔模鑄造：鑄件精度與表面品質佳、可獲得形狀複雜鑄件，適合各種難加工合金的成型。金屬型鑄造：將金屬液澆注到金屬鑄型中獲得鑄件的方法，鑄件組織緻密、力學性能高，尺寸精度和表面品質好，工作環境改善；但鑄型成本高。壓力鑄造：生產率高，便於自動化；鑄件尺寸和表面精度高，能生產較複雜的薄壁件；鑄件品質好。砂型鑄造2.塑性加工․利用金屬的塑性，使其在外力作用下成形的一種加工方法。․主要有：自由鍛、模鍛、板料沖壓、軋製、擠壓、拉拔自由鍛：利用自由鍛設備的上下砧塊或一些簡單的通用工具，直接使坯料變形而獲得所需的幾何形狀的鍛件。模鍛：利用模具使坯料變形而獲得比自由鍛品質更高的鍛件板料沖壓：利用安裝在壓力機上的沖模對板料加壓，使其產生分離或變形，以獲得零件的一種加工方法；主要有沖裁、彎曲、拉伸。模鍛模具沖裁彎曲拉伸經由加熱或加壓，使金屬原子結合與產生擴散作用，使分離金屬材料牢固地連接在一起。3.焊接熔化焊：利用熱源，將被焊金屬結合處局部加熱到熔化狀態，並與熔化的焊條金屬混合，冷卻時凝固結晶，使之焊合在一起。壓力焊：利用加壓力（或同時加熱），使金屬產生塑性變形，使原子間相互結合，組成新的晶粒，而達到焊接的目的。按焊接過程主要分為：鉛焊：由鉛料與被焊金屬表面間的相互擴散和溶解作用而形成焊接接頭。與熔化焊的區别是被焊金屬不熔化，只是作為填充金屬的鉛料熔化。(1)工程塑料成型主要有：射出成型、擠出成型、壓製成型、吹塑成型、澆注成型、壓延成型(2)橡膠成型․用生膠和各種配合劑經煉膠機混煉成煉膠，再加入能保持製品形狀和提高强度的各種骨架材料，放入一定形狀的模具中，以獲得所需形狀和性能的橡膠製品。4.非金屬材料成型簡介․成型方法主要有壓製成型、壓鑄成型、射出成型、擠出成型•陶瓷製品的生產過程主要包括配料、成型、燒結三個階段(3)陶瓷成型•按成型方法主要有壓製制成型、注漿成型、可塑成型(4)複合材料成型•樹脂基複合材料成型•陶瓷基複合材料成型•金屬基複合材料成型射出成型示意圖擠出成型示意圖本章結束