工程材料与机械制造基础

1侯英岢工程材料与机械制造基础浙江农林大学工程学院2自我介绍姓名:侯英岢办公地点:学9201-3E-mail：[e-mail]QQ:49346476手机：135881081863认识大家4必须与大家交流和沟通的几个问题:纪律考试要求:关手机不要在下面开小会有问题举手平时表现:30%期末考试:70%随机点名答疑安排5主要内容一、材料的发展及种类二、课程的性质和任务三、材料的性能6一、材料发展及种类1、材料的发展2、材料的种类哥伦比亚号航天飞机材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。7材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”四号飞船成功返回国产涡喷-7涡轮喷气发动机1、材料的发展8石器铁器象形尊(西周)石器时代青铜器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。9材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展与人类社会简图10没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机11没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。121863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。灰铸铁的显微组织光学显微镜Pb-Sn共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。131912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。Si表面的重构图象X-射线衍射仪141932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）透射电子显微镜扫描电子显微镜光镜下电镜下15材料发展的历程示意图162、工程材料的分类工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。按组成与结合键分：1、金属材料2、高分子材料3、陶瓷材料4、复合材料17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18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19金属材料制品20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21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22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23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24复合材料包括：金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料25现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。航空发动机26随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。国产东风4D-0088内燃机车美国F-117隐身飞机27新的功能材料在不断地涌现，成为目前关注的焦点。28机械工业是材料应用的重要领域。29随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。铸造一级涡轮盘30二、课程的性质和任务课程性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课课程任务：⑴了解工程材料的一般知识；⑵建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系：31工艺-组织-性能之间关系的例子Steelwith0.4%C32三、材料的性能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33材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。五万吨水压机34低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/S0应变=(l-l0)/l0351、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e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。362、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。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。名义屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。s0.237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383、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39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40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41洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计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。42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43维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕44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454、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)。465、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47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断裂韧性：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48四、疲劳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。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图49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）50材料的其他性能磨损高低温性能化学性能