工程材料的分类与性能

第一章工程材料的分类及性能神舟一号飞船1.1工程材料的分类1.2工程材料的力学性能1.3工程材料的的其他性能第一节工程材料的分类工程材料是用于机械工程、建筑工程、航空航天等领域的材料。按应用领域分：机械工程材料、建筑材料、生物材料、信息材料、航空航天材料等按性能特点分：1、结构材料：以力学性能为主，兼有一定的理化性能2、功能材料：以特殊的物理、化学性能为主按化学组成分：1、金属材料2、高分子材料3、无机非金属材料4、复合材料1、金属材料以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛黑色金属有色金属—轻金属,重金属,贵金属,稀有金属铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。带材异形材板材管材金属材料制品2、无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷材料以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷发动机3、高分子材料以分子键和共价键为主塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小包括塑料、橡胶及合成纤维等分子键共价键高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。烯丙酰氯-苯乙烯机械零件在使用过程中，要受到诸如拉伸、压缩、扭转、剪切、摩擦、冲击以及温度和化学介质等作用，并且还要传递力和能。因此，作为构成机械零件的金属材料，应具备良好的力学性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效，同时还要有良好的工艺性能。第二节工程材料的力学性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。神舟一号飞船力学性能——材料受载荷(外力)作用时表现出的性能，如，强度、塑性、硬度、韧性等。外力（载荷）的形式及类型：静载荷、动载荷、交变载荷静载时材料的力学性能拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）硬度（布氏硬度、洛氏硬度）动载时材料的力学性能冲击韧性（αK）疲劳强度断裂韧性材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。拉伸试验原始试样拉伸后试样拉伸试验：即静拉伸力对试样轴向拉伸,测量力和相应的伸长,一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。拉伸曲线：拉伸曲线材料在拉伸的过程中经历四个阶段：弹性、屈服、强化、颈缩，存在三个特征点：比例极限、屈服点、强度极限一、弹性和刚度弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。）（MPatgE弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。应力=F/S0应变=(l-l0)/l0二、强度与塑性强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服点s：材料发生屈服时对应的应力值。规定残余伸长应力0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。用于铸铁等无明显屈服现象的材料。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。0.2比强度σb/ρ强度与密度之比塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：伸长率：%100001lll%100010FFF断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象说明：①用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。②直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0时，伸长率用表示；当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然5③时，无颈缩，为脆性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征三、硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度HB)(2102.022dDDDPHB布氏硬度计压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HB钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。HR测量原理图符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计常用硬度的比较压头载荷kgf硬度范围HBS钢球≤3000≤450HBW硬质合金球≤3000450～650HRA金刚石圆锥6020～88HRB钢球10020～100HRC金刚石圆锥15020～70HRD金刚石圆锥10040～77布氏硬度洛氏硬度HV金刚石棱锥5～1201300维氏硬度应用有色合金，退正火调质钢淬火、调质钢碳化物、硬质合金有色合金，退正火钢淬火、调质钢薄钢板、表面硬化工件各种硬度工件硬度换算公式HB和HVHB≤400时，HB≈HVHB＞400时，HBHVHR和HB、HV:钢材硬度换算σb≈3.4HB（HB=125~175）σb≈3.6HB（HB＞175）HRC≈2HRA-104（HRC=20~60）HB≈10HRC（HRC=20~60）HB≈2HRB钢材强度、硬度换算四、冲击韧度是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板五、疲劳极限材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：107次非铁合金：108次疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）六、断裂韧度油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹裂纹扩展的基本形式应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。aYKI2/1)(ccaCCICaYK23/mMN断裂韧度：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为第三节工程材料的其他性能物理性能——密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。一些金属的物理性能及机械性能元素符号AlCuMgNiFeTiPbSn密度，kg/m3×1032.708.941.748.97.864.5111.347.3熔点，℃6601083650145515391660327232相对电导率，%60953423163714导热系数，W/(m·℃)2.093.851.460.590.840.17——元素符号AlCuMgNiFeTiPbSn抗拉强度σb，MPa80～110200～240200400～500250～330250～3001820伸长率δ，%32～4045～5011.535～4025～5550～704540断面收缩率ψ，%70～9065～7512.560～7070～8576～889090布氏硬度HB204036806510045化学性能耐腐蚀性常温下材料抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀的能力。C钢、铸铁的耐蚀性较差Ti合金、不锈钢、Al、Cu合金的耐蚀性较好。抗氧化性（热稳定性）材料在加热时抵抗氧化作用的能力。Cr、Si等可提高钢的抗氧化性。工艺性能——材料适应加工的能力铸造性能：流动性、收缩性、偏析锻造性能：塑性、变形抗力锻造冷冲焊接性能：碳当量切削性能：表面粗糙度、刀具寿命热处理性能：淬透性切削加工小结重点要求材料的力学性能:强度、塑性、硬度、韧性等。一般要求工程材料的分类材料的其他性能：理化、工艺性能