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1、第四章 材料的特征及常用工程材料,主讲人：张晓晨 时 间：2012.4.11,材料的结构与结构层次,材料最基本的原则关系图,实际材料结构的含义是比较丰富的，不单指原子等微观粒子的排列情况。但是从材料学的角度（以金属为例），从宏观到微观，按着研究的尺寸可分为四个层次宏观组织结构、显微组织结构、原子（分子）排列结构和原子中的电子结构以及原子间的相互作用等。,材料的结构是指材料的组成单元（原子或分子）之间相互吸引和排斥达到平衡时的空间排布，是成分的具体存在形式或状态。 作为一名材料的工作者必须把材料的内部结构包括原子的本质、原子间的相互作用、排列及运动方式和组织结构等认识透彻、切实地洞悉着他们，才能
2、抓住材料研究的本质，从而掌握材料的性能，并在此基础上开发出新的材料。,材料的结构：,材料的结构层次：,对于材料内部结构的认识水平：,用肉眼或放大镜所能观察到的粗大晶粒或相的集合状态，其尺度量级为10-3mlm,也称亚微观结构是晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构100nm0.1mm,也称材料的微观结构,45号钢断口的宏观组织,45号钢的显微组织,45号钢中金属原子及电子的排列方式,单质碳的三种主要存在形式：金刚石、石墨、C60分子。,含碳量低于0.2%的钢称为低碳钢，如一般的钢板、钢筋。低碳钢的塑性很好，可以冲压成形或其他加工成形，所以可以方便地通过用钢板冲压制成从日用的洗脸盆到汽车的覆盖件
3、等各种类型的成形件。 低碳钢高塑性的来源就是其显微组织基本上是由一种称为铁素体的相 (其强度低、塑性高且较软)所构成的。而高碳钢 (碳的质量分数c 0.6%1.2%)由于含有较多珠光体 (甚至马氏体)组织，能达到高强度、高硬度，所以可用于制造弹簧和加工工具 (如挫刀、锯条等)。,化学组成即成分对性能的影响：,同样材料的高碳钢，不同的状态其性能会截然不同。退火状态 (为一般供货时状态)时比较软，其洛氏硬度为15HRC，而淬火状态(800左右加热后水冷)却变得非常硬，洛氏硬度可达62HRC以上，前者很容易被加工，而后者可以作为切削工具使用。原因在于它们的组织结构明显不同，前者为球粒状珠光体，而后者
4、为很硬的马氏体。,工艺对性能的影响:,同是40Cr钢退火与淬火处理硬度相差一倍以上，金相组织截然不同,退火,淬火,钢材在高温下强度会明显下降 (如常温下抗拉强度为420MPa的20号低碳钢，在450时的短时强度为330MPa)，而低温下会变脆、韧性下降。这是由于材料在高温下原子活动性大大加强并且会发生蠕变等现象，导致材料软化；而在低温下原子活动性大大削弱，即位错变得难以运动的缘故。,外界 (使用)环境的影响:,北海油田“海宝”号海洋钻井平台的浮船，1965年12月27号，在3度时发生了镜架倒塌和下沉。调查发现事故是由于浮船的连接杆的早低温下发生脆性断裂引起的，一根或几根发生脆断后，就会产生动载
5、，从而导致了整个结构的倒塌。,材料的结构和结构层次可概括成以下几句话： 材料是有结构的； 结构是分层次的： 材料的结构决定材料的性能； 材料的结构层次是可以改变的（通过组成、制备加工、外界影响等）， 最终所要达到的目标是性能。,宏观组织结构 显微组织结构 原子（分子）排列结构 原子中的电子结构 原子间的相互作用,微观组织结构,工程材料的性能,性能是材料与工程实际联系起来的纽带：,各领域对材料提出了不同的性能要求： 机械行业：主要为力学性能； 石油化工：力学性能，耐腐蚀，耐热性能； 航天领域：比强度，比刚度，高温强度等。,从工程意义上说，材料和材料工程的核心就是材料的性能以及如何达到所希望的性能
6、。,性能,使用性能,工艺性能,指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能。,力学性能,物理性能,化学性能,强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳,熔点、密度以及电、磁、光和热,耐腐蚀和抗老化,指材料的可加工性,性能,使用性能,工艺性能,铸造,塑性加工,焊接,热处理,粉末冶金,机械加工,1. 工程材料的力学性能,材料的力学性能，即是指材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括静态力学性能、动态力学性能、高低温力学性能等。,静态载荷形式,静态力学性能-强度的概念,材料的强度指的是材料抵抗塑性变形或断裂的能力，材料的强度用拉伸试验测定。,静态力学性能-强度指标,弹性极限（e） 表示材料保持弹性变形
7、, 不产生永久变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。 屈服极限（s） 表示金属开始发生明显塑性变形的抗力, 铸铁等材料没有明显的屈服现象, 则用条件屈服点（0.2 ）来表示: 产生0.2%残余应变时的应力值。 强度极限（抗拉强度b ） 表示金属受拉时所能承受的最大应力。,静态力学性能-塑性概念及指标,断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。 伸长率（） 在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。 断面收缩率（） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。,静态力学性能-硬度概念及指标,材料抵抗另一硬物体压
8、入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。 布氏硬度(HB) 洛氏硬度(HRA、HRB、HRC) 维氏硬度(HV),HB=,用一定直径D的淬火钢球，在规定的载荷F作用下，压入实验金属的表面，经规定保持时间后卸除载荷，并测量试样表面的压痕直径，根据所选择的F与D及测得的压痕直径d的数值，计算出布氏硬度值。,HRK,洛氏硬度实验是用金刚石压锥或钢球作压头，在10kgf初载荷和60、100或150kgf力总载荷（即初载荷与主载荷）下，先后作用压入试样，总载荷作用后，以卸除主载荷而保留初载荷时的压入深度与在初载荷作用下压入深度之差来表示硬度，深度差愈大，则硬度愈低。,维氏硬度测量原理、压痕及
9、硬度计,将一个相对夹角为136的金刚石正四棱锥体，以选定的试验力F压入金属材料表面，经规定保持时间后，卸除试验力，试验力除以压痕表面积所得的商即维氏硬度值,维氏硬度用符号HV表示，维氏硬度的计算式为：,（当试验力的单位是牛顿时）,静态力学性能-硬度指标小结,硬度符号可以采用“特征分析法”进行记忆。如布氏硬度HBS和HBW，“H”的含义为“Hardness”（硬度）的首字母，“B”为布氏， “S”和“W”指的是测试时所使用的压头不同，“S”为钢球，“Steel”“S”，“W”为硬质合金球，硬质合金中主要的成分为“WC”，“WC”“W”。,动态力学性能-冲击性能,动态力学性能-疲劳强度,在交变应力
10、(也称循环应力)作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的疲劳。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用-1 表示。,动态力学性能-断裂韧性,桥 梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。究其原因是构件或零件内部存在着裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下失稳而扩展，导致机件破断。裂纹尖端附近各点应力大小取决于其应力强度因子K1。 当应力增大到某一值时，使裂纹扩展引起脆断，此临界值称为断裂韧性 K1c ，用来表
11、示材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力，K1c可通过试验测定。,高温力学性能,材料的蠕变是指材料在较高的温度下，外力低于其屈服极限时，产生的随时间的延长而产生塑性变形乃至断裂的现象。金属材料及陶瓷一般在约为0.3-0.5熔点，就会发生蠕变。 常用的蠕变性能指标有蠕变极限（也称蠕变强度）和持久强度。 蠕变极限是以给定温度下和规定时间内，使试样产生一定蠕变伸长量的应力作为蠕变极限； 持久强度是表征材料在高温载荷长期作用下抵抗断裂的能力，是试样在给定温度经规定时间发生断裂的应力。,低温力学性能,低温冷脆是指材料在较低温度下，会发生脆性增大的现象，显然发生冷脆的温度越低，材料的低温性能就越好。,铁素体一珠光
12、体钢中碳含量对脆性的影响,注：*为淬火后硬度值。,几种常用材料的力学性能,2.工程材料的理化性能,材料的物理性能: 密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。 比强度、比刚度,材料的化学性能: 耐腐蚀性、抗氧化性等。,3.工程材料的工艺性能,工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能 ，即指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。,塑性加工,模锻,表面热处理,感应加热表面淬火,刀具的几何形状及刀具材料,金属切削加工基础,刀具的组成：,切削部分,夹持部分,内圆加工,钻孔,刀具的几何形状及刀具材料,金属切削加工,硬质合金刀块,常用的工程材料,一、金属材料的特征：,优良的力学
13、性能：在具有较高强度的同时，有很好的 塑性、韧性广泛用于工程结构材料。,高强度、高模量、高结合能：导致具有较高的熔点、 刚度及强 度（其结合键为金属键）。,某些理化性能：导电，导热，减摩（如青铜），耐蚀 （如不锈钢，铝，铜合金）。,性能范围广泛：从轻金属到重金属，从碱金属、贵金属,到过渡金属，其密度、弹性摸量、强度以及抗氧化能力等可在数倍数百倍范围内变动（故很大选择余地）。,优良的加工性能：具有好的塑性成型性，铸造性，切削 加工和电加工性。,可热处理及表面改性：大幅度（成倍）改变其性能。,价格一般比较便宜，易获得。,缺点：,地球资源有限（如铜，仅几十年开采年限）； 特高温度(1050 )及某些
14、特殊介质中不能胜任。,工程应用广泛： 机械制造：钢铁95%、有色金属4.5%、塑料0.5%； 汽车业(1985年福特公司)：钢铁72%、铝合金5.3%、塑料 8.5%。,二、无机非金属材料的特性：,主要由氧化物、碳化物、氮化物以及硅酸盐等物质组 成的材料，由传统硅酸盐材料演变而来，其典型代表 即陶瓷材料。,主要由离子键或离子共价键组成，具有高键强，高键 能。故具有高化学稳定性，耐高温，耐腐蚀。,极高的弹性模量,比金属高数倍。,属脆性材料，抗压不抗拉。,硬度高，高温下仍保持高硬度值。,熔点高,高温强度好。作高温材料,如陶瓷发动机,坩埚等.,导电性能变化范围大：可作为绝缘材料、半导体材料 以及其他
15、功能材料。,缺点：,极脆，加工性差，可靠性差。,工程应用： 一般日常用途（传统陶瓷）； 某些特殊用途（现今陶瓷，如压电材料、磁性材料和生 物陶瓷，如人造器官）。,三、高分子材料的特征：,高分子材料是有许多小分子单体经聚合反应（以共价键 结合）而形成。它具有一系列不同的特点：,密度小：聚丙烯910kg/m3,泡沫塑料仅10kg/m3,对产品 轻量化有利。,强度低，但比强度高（甚至高于钢铁），某些工程塑料 能代替部分金属制造机器零部件。,低的弹性模量，较高的弹性(100%1000%,金属0.1%).,优良的电（绝缘）性能，作为优良的绝缘材料。,优良的减摩、耐磨和自润滑性能。,优良的耐腐蚀性能（耐酸
16、、碱及某些化学药品），甚至胜 过一般的不锈钢。,优良的透光性和隔热、隔音性. 如有机玻璃、聚苯乙烯 的透光率90%，是很好的轻型建筑材料。,可加工性好，可用各种方法成形与后加工，单件成本低 廉。,缺点：,绝对强度、刚度水平低，不耐热(300 );可燃、易老化。,工程应用： 一般结构材料（日用品、轻工品等），耐蚀材料，胶粘材料等。,四、复合材料的特征：,由两种以上不同性质的材料复合而成。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。,性能特点：比重小、比强度和比模量大。其中以纤维增强材料应用最广、用量最大。,例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。,工程应
