机械工程材料-课件-绪论

绪论材料科学与社会发展工程材料及其类别机械工程材料本课程的目的本课程的主要内容一、材料科学与社会发展1.材料与人类生活人类社会依据制造生产工具的材料来进行历史划分旧石器时代新石器时代青铜器时代铁器时代一、材料科学与社会发展旧石器时代（250万年前）人类在地球上出现之后，最早使用的工具是石头。一、材料科学与社会发展旧石器时代（250万年前）石头——石器一、材料科学与社会发展新石器时代（1万年前）原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成陶瓷。精美石器陶器—人类第一种合成材料一、材料科学与社会发展青铜器时代（4000年前）奴隶社会，青铜冶炼技术得到很大发展。我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平青铜（铜锡合金）人类发明的第一种合金一、材料科学与社会发展铁器时代（1400年前，春秋战国）生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会进步起了巨大的推动作用。汉代“先炼铁后炼钢”技术居世界领先地位。铁器物品铁制车轮一、材料科学与社会发展其他材料与陶瓷材料和金属材料发展的同时天然高分子材料棉、麻、丝绸材料功能材料磁铁—指南针新石器（制陶）—东汉（制磁）—唐（釉）—唐（顶峰）陶瓷的发展一、材料科学与社会发展2.材料科学发展与现代文明的联系18世纪世界工业迅速发展，对材料提出了更高要求。1863年光学显微镜，1912年X射线衍射技术和1932年电子显微镜等仪器出现金属学日趋完善，大大推动了金属材料的发展一、材料科学与社会发展2.材料科学发展与现代文明的联系现代社会文明的三大支柱：能源、信息和材料信息时代是建立在材料的基础上硅半导体→晶体管→集成电路→计算机磁性材料→信息贮存激光材料+光导纤维→信息传输→信息网络能源技术以材料为支撑再生能源、核能、燃料电池等信息时代一、材料科学与社会发展3.现代材料学现代材料学是以金属学、高分子材料、陶瓷材料为基础，研究所有固体材料的成分、组织和性能之间关系的的一门科学。现代社会对材料的要求：具有高性能或具有特殊性能的金属、非金属及复合材料。一、材料科学与社会发展信息社会的材料产业结构及材料发展趋势：从工业社会向信息社会过渡中产业结构从劳动密集型、资金密集型向技术密集型和知识密集型发展劳动对象的结构中金属材料比重下降、而无机非金属材料、有机合成材料的比重越来越大。一、材料科学与社会发展新材料新技术的应用的程度决定一个国家和地区的经济发展水平。硅片的发展及现状集成度越来越高直径越来越大国外：16英寸以上中国：6-8英寸为主流二、工程材料及其类别1.工程材料的含义：工程材料是以用于工程结构和机器零件及元器件的材料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。二、工程材料及其类别2.工程材料的类别：工程材料是以用于工程结构和机器零件及元器件的材料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。二、工程材料及其类别2.工程材料的类别：二、工程材料及其类别2.工程材料的性能：使用性能：材料在使用条件下具有的性能（力学性能、物理性能、化学性能及生物功能）工艺性能：材料在加工过程中下具有的性能（且削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能和热处理性能等）三、机械工程材料1.机械工程材料含义：机械工程材料顾名思义就机械工程中应用的材料问题，应该是跨越机械和材料两个学科，以机械工业的需求出发，推动材料科学技术的发展，同时材料科学的新进展又推动了机械工程技术的革新和发展。三、机械工程材料2.材料技术对机械工程发展的促进：四、课程的目的随着机械工业的发展，对于产品要求越来越高，无论是制造机床还是建造轮船、石油化工设备、都要求产品技术先进，质量高、寿命长、造价低。因此在产品设计和制造过程中，会遇到越来越多的材料和材料加工方面的问题。这就要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学和材料工程知识，具备准确的选择材料和加工方法，合理安排加工工艺路线。四、课程的目的机械制造与材料：结构—性能—加工工艺内部结构与性能：材料的性能来源于该材料的内部结构，这是对工程师和学者最具有重要价值的一个原则。加工工艺与性能：材料必须进行加工，以满足工程师对所设计产品的要求，目的是要了解结构变化的本质，以便于制定适当的工艺流程。使用行为：在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而且要考虑使那些材料内部结构发生变化，从而导致材料性能发生变化的使用条件。四、课程的目的课程的目的：获得有关工程结构和机器零件常用的金属材料，非金属材料的基本理论知识和性能特点，并初步具备根据零件工作条件和失效方式，合理选材与使用材料，正确制定零件的冷、热加工工艺路线的能力。了解材料的性能与设计的关系了解各种材料的基本特性和应用范围四、课程的目的五、课程的主要内容1.机械零件的失效形式；2.金属材料的基本知识、热处理基本原理、常用金属材料的性能特点及应用；3.非金属材料（高分子材料、陶瓷材料、复合材料）和功能材料的基本知识和性能特点及引用；4.材料改性新技术；5.机械零（构）件设计、选材的基本方法及工程材料在典型机械上的应用。主要参考文献第一章机械零件（或器件）的失效分析第一章机械零件（或器件）的失效分析失效的基本概念1.零件（构件）的功能：（1）在一定的载荷、介质、温度作用下保持一定几何形状和尺寸；（2）实现规定的机械运动；（3）传递力和能量。2.失效的定义和形式：定义：零件失去设计所要求的效能即为失效。应用前、应用中、突发第一章机械零件（或器件）的失效分析学习失效的目的机械设计者→→为了防止零件失效↓↓设计正确选材恰当工艺合理工作条件-对材料的性能要求→→正确选材→→制定工艺路线→→确定失效的抗力指标第一章机械零件（或器件）的失效分析失效的例子第一章机械零件（或器件）的失效分析失效的例子第一章机械零件（或器件）的失效分析失效的例子断裂的大桥第一章机械零件（或器件）的失效分析失效的原因结构设计多方面因素材料选择加工制造装配调整使用与保养第一章机械零件（或器件）的失效分析失效的本质1.失效的本质：外界载荷、温度、介质等损害作用超过了材料抵抗损害的能力。2.常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损和腐蚀第一章机械零件（或器件）的失效分析本章主要内容过量变形断裂疲劳断裂磨损失效腐蚀失效蠕变变形和断裂失效第一节零件在常温静载下的过量变形变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化第一章机械零件（或器件）的失效分析外力去除变形恢复？弹性变形：变形能够恢复塑性变形：变形不能够恢复第一节零件在常温静载下的过量变形一.工程材料在静拉伸时的应力-应变行为第一章机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力-应变行为由APANll曲线lPPPl第一节零件在常温静载下的过量变形一.工程材料在静拉伸时的应力-应变行为第一章机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力-应变行为低碳钢拉伸试验第一节零件在常温静载下的过量变形一.工程材料在静拉伸时的应力-应变行为第一章机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力-应变行为低碳钢拉伸试验第一节零件在常温静载下的过量变形一.工程材料在静拉伸时的应力-应变行为第一章机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力-应变行为低碳钢拉伸时应力-应变曲线第一节零件在常温静载下的过量变形一.工程材料在静拉伸时的应力-应变行为第一章机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力-应变行为oa段比例极限Pab段弹性极限e（一）四个阶段1、弹性阶段abOpesabccdefgdf1bcc’应力不增加，变形不断增加称为屈服，该段的最低应力称为屈服应力，在材料屈服后若卸载出现不能恢复的变形成为塑性变形。s2、屈服阶段cc’第一节零件在常温静载下的过量变形一.工程材料在静拉伸时的应力-应变行为第一章机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力-应变行为（一）四个阶段3、强化阶段ceOpesabccdefgdf1b4、局部变形阶段ef材料恢复抵抗变形的能力称为强化强度极限b变形集中于某一局部范围颈缩断裂第一节零件在常温静载下的过量变形一.工程材料在静拉伸时的应力-应变行为第一章机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力-应变行为（一）四个阶段低碳钢在拉伸应力作用下的变形过程分为：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四个阶段。第一节零件在常温静载下的过量变形一.工程材料在静拉伸时的应力-应变行为第一章机械零件（或器件）的失效分析低碳钢拉伸曲线的4个阶段、3个特征点OB：弹性阶段（卸载可逆）PesbABCC’DEOA：比例极限PB：弹性极限eBC’：屈服阶段（出现塑性变形）（两者很接近）=E=EE=tanC：屈服极限s第一节零件在常温静载下的过量变形C’D:强化阶段D：强度极限bDE：缩颈阶段（局部收缩阶段）0pete:弹性应变，p:塑性应变（不可逆的残余应变）PesbABCC’DEO=E卸载曲线卸载后再加载曲线屈服极限提高：冷作硬化，在C’D段内卸载曲线为弹性直线E：断裂点第一节零件在常温静载下的过量变形一.工程材料在静拉伸时的应力-应变行为第一章机械零件（或器件）的失效分析2.其他类型材料的应力-应变行为弹性变形、塑性变形弹性变形非线性弹性变形1—纯金属（Al、Cu、Ag等）2—脆性材料（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢）3—高弹性材料（橡胶）第一节零件在常温静载下的过量变形第一章机械零件（或器件）的失效分析2.其他类型材料的应力-应变行为1234102030(%)0100200300400500600700800900(MPa)1、锰钢2、硬铝3、退火球墨铸铁4、低碳钢特点：d较大，为塑性材料。无明显屈服阶段。OA0.2%S2.0p无明显屈服阶段的，规定以塑性应变=0.2%所对应的应力作为名义屈服极限，记作p2.0p第一节零件在常温静载下的过量变形二.静载性能指标第一章机械零件（或器件）的失效分析1.刚度和强度指标2.弹性和塑性指标3.硬度指标第一节零件在常温静载下的过量变形二.静载性能指标第一章机械零件（或器件）的失效分析1.刚度和强度指标（1）刚度定义：刚度是指零（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。单向拉伸时：FAE即FEA纯剪切时：FAG即FGAEA（或GA）为零件的刚度，代表产生单位弹性变形所需载荷的大小。弹性模量E(或切变模量G)是表征材料刚度的性能指标(why)第一节零件在常温静载下的过量变形二.静载性能指标第一章机械零件（或器件）的失效分析1.刚度和强度指标（2）强度定义：强度是指材料抵抗变形或断裂的能力第一节零件在常温静载下的过量变形二.静载性能指标第一章机械零件（或器件）的失效分析1.刚度和强度指标（2）强度是材料应力和应变成正比的最大应力是材料不产生塑性变形的最大应力是材料开始产生塑性变形的应力是材料产生最大均匀塑性变形的应力是材料发生断裂的应力第一节零件在常温静载下的过量变形二.静载性能指标第一章机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标（1）弹性：指材料弹性变形的大小。弹性能为应力-应变曲线下面弹性变形部分所包围的面积。通常用弹性变形时的吸收能u来表示。材料的弹性极限σe越高、弹性模量E越低，弹性能越大，材料的弹性越好。弹性指标→弹性能第一节零件在常温静载下的过量变形二.静载性能指标第一章机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标（2）塑性：指材料断裂前发生塑性变形的能力。δ、ψ越大，材料的塑性越好。通常用断后伸长率δ和断面收缩率ψ来衡量。伸长率塑性指标→伸长率δ和断面收缩率ψ100100%LLLd010100%AAA断面收缩率第一节零件在常温静载下的过量变形二.静载性能指标第一章机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标国家标准规定《金属拉