西安交大工程材料

教学基本要求(1)了解机械零构件的常见失效方式及其对性能指标的要求。(2)掌握碳钢、铸铁、合金钢、有色金属的成分、组织、热处理、性能特点及用途的基本知识。(3)初步掌握陶瓷材料、高分子材料、复合材料的成分、组织、性能特点及常用材料的种类和用途。(4)基本掌握根据零构件的服役条件、失效方式和性能要求选择材料及制造工艺的思路。(5)初步了解新材料、新工艺的基本概况及发展趋势。教学内容及要求绪论工程材料在机械设计及制造工程中的作用，工程材料的分类本课程的目的及任务，课程的基本内容，学习要求等。第一章--机械零件和器件的失效分析掌握：常温静载下的过量变形；静载和冲击载荷下的断裂；交变载荷下的疲劳断裂；磨损失效；腐蚀失效；高温下的蠕变变形和断裂失效。第二章--碳钢1.掌握：纯铁的组织和性能；铁碳合金中的相和组织组成物；Fe-Fe3C相图；钢中常存杂质元素对钢性能的影响；压力加工对钢组织和性能的影响；碳钢的分类、牌号及用途。2.了解：钢锭的组织及缺陷。第三章--钢的热处理1.掌握：钢在加热时的转变；奥氏体等温转变图；钢的普通热处理；钢的表面热处理。2.了解：奥氏体连续转变图。3.自学：钢的特种热处理。第四章--合金钢1.掌握：合金元素在钢中的作用；合金钢的分类及编号；低合金高强度钢；合金渗碳钢；合金调质钢；合金刃具钢；合金模具钢.2.了解：合金弹簧钢；滚动轴承钢；量具钢；不锈钢；耐热钢；低温钢；高耐磨钢。3.自学：超高强度合金钢；新型合金工具钢。第五章--铸铁1.掌握：合金元素在钢中的作用；合金钢的分类及编号；低合金高强度钢；合金渗碳钢；合金调质钢；合金刃具钢；合金模具钢.2.了解：合金弹簧钢；滚动轴承钢；量具钢；不锈钢；耐热钢；低温钢；高耐磨钢。3.自学：超高强度合金钢；新型合金工具钢。第六章--有色金属及其合金1.掌握：铝及铝合金；滑动轴承合金。2.了解：铜及铜合金；钛及钛合金。3.自学：镁及镁合金。第七章--高分子材料1.掌握：高分子材料的结构及性能特点。2.了解：常用高分子材料。第八章--陶瓷材料1.掌握：陶瓷材料的结构及性能特点。2.了解：常用工程结构陶瓷材料。3.自学：金属陶瓷。第九章--复合材料1.掌握：复合材料的结构及性能特点。2.了解：增强材料及其增强机制；常用复合材料第十章--功能材料自学：电功能材料、磁功能材料、热功能材料、光功能材料及其它功能材料的性能特点、功能原理、种类及用途。第十一章--材料改性新技术自学：材料表面改性新技术、快速凝固新技术、纳米技术的基本原理及工程应用。第十二章--零件的选材及工艺路线1.掌握：刚度和弹性指标、硬度和强度指标、塑性和冲击韧性指标在选材中的意义；依据材料的使用性能、工艺性能、及经济性选材的原则；典型零件（齿轮、轴、汽轮机叶片）的选材及工艺路线。2.了解：断裂韧度在选材中的意义。3.自学：零件实物性能试验的重要性；材料强度、塑性与韧性的合理配合。第十三章--工程材料在典型和生物医学上的应用根据授课专业不同从汽车、机床、热能设备、仪器仪表、石油化工设备、航空航天、生物医学等行业选择讲解。第一章机械零件的失效分析一、基本要求本章主要介绍了机械零件在常温静载下的过量变形、在静载和冲击载荷下的断裂、在交变载荷下的疲劳断裂、零件的磨损失效和腐蚀失效以及在高温下的蠕变变形和断裂失效。要求学生掌握全部内容。二、重点内容1零件的过量变形以及性能指标,如屈服强度、抗拉强度、伸长率、硬度等。2零件在静载和冲击载荷下的断裂及性能指标，如冲击韧性、断裂韧性等。3零件在交变载荷下的疲劳断裂、疲劳抗力指标及影响因素。4零件的磨损和腐蚀失效以及防止措施。5零件在高温下的蠕变变形和断裂失效。三、难点断裂韧性及衡量指标，影响断裂的因素。四、基本知识点第一节零件在常温静载下的过量变形1、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为变形:材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化。弹性变形:外力去除后可恢复变形。塑性变形:外力去除后不可恢复。低碳钢，正火、退火、调质态的中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料都具有图1-1所示的应力-应变行为。即在拉伸应力的作用下的变形过程分为四个阶段：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形。图1-1低碳钢拉伸时的应力-应变曲线示意图图1-2三种类型材料的应力-应变曲线示意图1-纯金属2-脆性材料3-高弹性材料2、静载试验材料性能指标刚度：零构件在受力时抵抗弹性变形的能力。等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。强度：材料抵抗变形或者断裂的能力，屈服强度、抗拉强度、断裂强度。弹性指标：弹性比功。塑性指标：伸长率、断面收缩率。硬度:布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、维氏硬度(HV)3过量变形失效过量弹性变形抗力指标：弹性模量E或者切变模量G。过量塑性变形抗力指标：比列极限、弹性极限或者屈服强度。第二节零件在静载和冲击载荷下的断裂1、基本概念断裂：材料在应力作用下分为两个或两个以上部分的现象。韧性断裂：断裂前发生明显宏观塑性变形。脆性断裂：断裂前不发生塑性变形，断裂后其断口齐平，由无数发亮的小平面组成。2、冲击韧性及衡量指标冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。冲击试验与衡量指标：冲击吸收功Ak或冲击韧度ak。工程材料的冲击吸收功通常是在室温测得，若降低试验温度，在低温下不同温度进行冲击试验（称之为低温冲击试验或系列冲击试验），可以得到冲击吸收功Ak随温度的变化曲线，如图1-3所示。图1-3三种钢的冲击韧性随温度变化曲线示意图TK为韧脆转变温度：Ak-T曲线上冲击吸收功急剧变化的温度。当试验温度低于TK时，冲击吸收功明显降低，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性。3、断裂韧性及衡量指标断裂韧度KIC：是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力,单位：MPa·m1/2或者MN·m-3/2断裂判据:KIKIC构件安全KIKIC构件发生脆性断裂KI＝KIC构件发生低应力脆性断裂的临界条件4、影响脆性断裂的因素决定材料断裂类型的主要因素有：加载方式、材料本质、温度、加载速度、应力集中及零件尺寸。加载方式不同，断裂方式不同；一般降低温度和增加加载速度都会引起材料催化；应力集中改变了应力状态，σmax↑，τmax↓,α↓；单向拉伸α＝0.5，而缺口拉伸试样α0.5，易引起脆断，因此，应力集中会引起材料脆化；薄板处于平面应力状态，α较大，厚板处于平面应变状态，α较小，易产生脆断。第三节零件在交变载荷下的疲劳断裂1、基本概念交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象称为疲劳断裂。图1-4几种常见的交变应力2、疲劳断口的特点疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。疲劳断裂特征：1)断裂应力低2)无明显宏观塑变3)断口清楚显示裂纹形成、扩展和断裂阶段图1-5疲劳曲线示意图3、疲劳抗力指标无裂纹构件的疲劳抗力指标：疲劳极限、过载持久值、疲劳缺口敏感度。带裂纹构件的疲劳抗力指标：疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth和裂纹扩展速率DA/DN。4、影响疲劳抗力的因素载荷类型：拉压、扭转与旋转弯曲等；材料本质：不同材料有不同的疲劳曲线，σr、q、da/dN、KIC及Kth不同；零件表面状态：零件的表面缺陷（如裂纹、刀痕等）对其强度影响不大，但疲劳极限有显著影响；工作温度：T↑σs↓σr↓，ΔKth↓，da/dN↑；腐蚀介质:在腐蚀介质作用下，σr↓，ΔKth↓，da/dN↑。第四节零件的磨损失效1、磨损的基本概念磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸变化和物质耗损的现象叫做磨损。2、磨损的过程和机理粘着磨损：1）定义：又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦副的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。2）过程：3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。4）防止措施：合理选材，摩擦副配对材料选用硬度差较大的材料；提高表面硬度；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。磨粒磨损：1）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。2）过程：3）防止措施：提高表面硬度（从选材与材料表面处理方面）；减少磨粒数量（从工作状况方面）。接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）：1）定义：零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。三种主要形式：麻点剥落、浅层剥落、硬化层剥落3）主要防止措施：提高材料硬度；提高材料纯度；提高零件心部和表面强度；减小表面粗糙度。第五节零件的腐蚀失效1、腐蚀的定义和分类腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引起的表面损伤现象。分类：化学腐蚀和电化学腐蚀。2、腐蚀过程及防止化学腐蚀过程（以高温氧化腐蚀为主）：高温氧化过程：1）金属失去电子成为金属离子2）氧原子吸收电子成为氧离子3）金属离子和氧离子结合为金属氧化物基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。提高钢抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，与氧结合形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。电化学腐蚀：条件：金属间存在电极电位差，并且相互接触并处于相互联通的电介质溶液中形成微电池。过程：阳极：失去电子，M®Mn++ne(被腐蚀）阴极：发生析氢反应或者吸氧反应特点：速度快、选择性图1-6不同金属的电极电位常见局部腐蚀：电偶腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀（不锈钢）。应力腐蚀：定义：零（构件）在拉应力和特定介质联合作用下产生的低应力脆断现象。特点：拉应力小；介质腐蚀性弱；易忽视3、零件防止腐蚀的措施对于化学腐蚀：选择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料等，零件表面涂层。对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂。对于应力腐蚀：减小拉应力；去应力退火；选择KIscc高的材料；改善介质条件。第六节零件在高温下的蠕变变形和断裂失效1、材料在高温下的力学行为1）材料的强度随温度的升高而降低。2）高温下材料的强度随时间的延长而降低。3）高温下材料的变形量随时间的延长而增加。蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。图1-7典型的蠕变曲线2、评价材料高温力学性能指标蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标称为蠕变极限。表示方法：在规定温度下使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值；给定温度下，在规定时间内使试样产生一定蠕变总变形量δ的应力值持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。用给定温度和规定时间内试样发生断裂时的应力表示。3、高温下零件的失效和防止高温下零件的失效形式：过量塑性变形（蠕变变形）、断裂、磨损、氧化腐蚀等。防止措施：正确选材（选熔点高、组织稳定的材料）；表面镀硬铬、热喷涂铝和陶瓷等第二章碳钢一、基本要求本章主要介绍了纯铁的组织和性能、Fe-Fe3C图的分析和应用、压力加工对钢的组织和性能的影响等内容。通过本章的学习，要求学生能够掌握晶体结构与晶体缺陷的基本概念、铁碳合金的结晶过程分析与压力加工对钢的组织和性能的影等知识。二、重点内容1纯铁的结晶过程、纯铁的晶体结构、纯铁的同素异构转变。2铁和碳的相互作用、铁碳合金中的相和组织组成物。3二元相图的杠杆定律、Fe-Fe3C相图分析及应用。4压力加工对钢的组织和性能的影响。三、难点应用杠杆定律计算碳钢在室温下的组织组成物和相组成物的质量分数。四、基本知识点第一节纯铁的组织和性能1、过冷现象和过冷度纯铁结晶时，实际开始结晶温度与理论结晶温度之间的温度差△T（＝－）,称为过冷度。过冷度是一切物质结晶的必要条件，液体冷速越快，过冷度越大,液体与固体间的自由能差△F（＝FL－Fs）越大,物质结晶的驱动力越大。图2-1纯铁的冷却曲线（部分）图2-2液体和固体自由能随温度的变化2、纯铁的结晶过程在液体中形成的稳定微