工程材料学教材

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1、工程材料学,第1章 序 论,第1节 概述,一、工程材料 什么是工程材料？印象中工程材料是哪类材料？,是否联想到：建筑工程、桥梁、企业建设所用到的材料？,实际上工程材料的含义远非如此，凡与工程有关的材料均谓之工程材料。 如机器零件（轴承、弹簧等部件）、工模具、量具、工业加热炉内的构 件、飞机发动机涡轮叶片、高分子材料中的粘结剂、防宇宙射线的宇航服 （芳香族聚酰胺纤维）、镍氢电池中的储氢合金 工程材料按其性能特点分为结构材料和功能材料两大类。结构材料以 力学性能为主,兼有一定的物理、化学性能。功能材料以特殊的物理、化 学性能为主,如那些要求有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。 总之，工程材料包

2、括了与工农业、国防尖端技术等各行各业有关的所 有材料。按照其基本成分分类见图11。,二、新材料发展趋势 1继续重视高性能的新型金属材料 指具有高强度、高韧性、耐高温、耐低温、抗腐蚀、抗辐射等性能的材料。这种材料与发展空间技术、核能、海洋开发等工业有着极其密切的关系。新材料是依靠新技术和新工艺发展的。例如，合金成分的物理冶金设计，微量元素的加入与控制，特殊组织结构的控制等，可大幅度提高材料的性能。面向21世纪，金属材料仍占主导地位。 2结构材料趋向于复合化 尽管金属材料采用了一系列强韧化措施及发展了非金属材料，如高分子材料和陶瓷材料,但由于单一材料存在难以克服的某些缺点，如脆性、弹性模量低、比强

3、度不足等。所以把不同的材料进行复合以得到优于原组分性能的新材料，就成为结构材料发展的一个重要趋势。如玻璃树脂基的第一代复合材料，碳纤维增强树脂基的第二代复合材料，第三代复合材料则是正在发展的金属基、陶瓷基及碳基复合材料。复合材料在航空、航天工业和汽车工业中获得了广泛的应用，在化工设备和其它方面也有较多的应用。,3低维材料正在扩大应用 包括零维(超微粒)、一维(纤维)和二维薄膜材料，可用于作结构材料和功能材料。 通过化学反应、气相沉积等方法，可制出亚微米级和纳米级(1-100mm)的金属或陶瓷粉末。有很大的比表面积和比表面能，熔点低，扩散速度快，烧结温度下降，强度高而塑性好，具有良好的综合性能。

4、某些超微粒功能材料，可成为高效吸波材料。 一维材料最突出的是光导纤维，可用于作通信工程材料。纤维结构材料是复合材料中的主要增强组分，它决定了复合材料的关键性能；纤维中的晶须，其强度和刚度可接近理论强度值；碳纤维、有机高分子纤维和陶瓷纤维均有广阔的应用前景。 二维的薄膜材料发展迅速，金刚石薄膜和有机高分子薄膜十分诱人，高温超导薄膜也尤为突出。金刚石薄膜可用于高速电子计算机的微芯片；高分子分离膜已在水处理、化工生产、高纯物质制备等方面获得了应用；高温超导薄膜将开辟超导技术的新领域。,4非晶(亚稳态)材料日益受到重视 70年代通过快冷技术(106s)而获得非晶态或亚稳态合金材料。由于骤冷，金属中的合

5、金元素偏析程度降低，没有晶界，从而可提高合金化程度，而不致产生脆性相。非晶态合金具有高强度、耐腐蚀等特点，某些非晶态铁基合金具有很好的磁学性能，用作变压器比硅钢片的铁损低23。 在工程应用中，通过激光束表面处理可在工件表面获得非晶态，具有高耐磨性和耐蚀性。另外，非晶态的硅太阳能电池，光电转换率可达15，有很大进一步实用化研究价值。 5功能材料迅速发展 功能材料是当代新技术中能源技术、空间技术、信息技术和计算机技术的物质基础。功能材料是90年代材料研究与生产中最活跃的领域。例如，由于超大容量信息通信网络和超高计算机的发展，对集成电路的要求越来越高，促进集成度逐年增加。从材料看，除了硅半导体外，化

6、合物半导体受到越来越多的重视。又如有关磁记录和磁光记录材料、高温超导材料、光电转换材料等都将有进一步的发展。近年来功能梯度材料发展很快，其性能是原来的均质材料和一般复合材料所不具备的，梯度功能材料将有巨大的应用潜力。,一般复合材料中分散相是均匀分布的，但在有些情况下，常常希望同 一件材料两侧具有不同的功能，又希望两侧结合得完美，从而不至于在苛 刻条件下因性能不匹配而发生破坏。 航天飞机推进系统中超音速燃烧冲压式发动机，燃烧气体温度超过 2000；燃烧室壁另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，温度为 200。一般材料显然满足不了这一要求。于是，人们想到将金属和陶瓷 联合起来使用，用陶瓷去对付高

7、温，用金属来对付低温。 但是，用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热力学 特性匹配不好，在极大的热应力下还是会遭到破坏。 在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种 材料之间不出现界面，从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较 好的新功能。 又如W-Cu热沉材料。,6特殊条件下应用的材料 在低温、高压、高真空、高温以及辐射条件下，材料的结构和组织将会转变，并由此引起性能变化。研究这些变化规律，将有利于改善材料性能和开发新材料。例如，在高压下的结构材料，由于原子间距离缩短，材料将由绝缘体转变为导电体，Nb3Sn、Nb3Ce和Nb3Si等超导体均在高压下合成。

8、现正在开展高压力及冲击波对材料性能影响的试验研究，理论上预测氢在几千万大气压下将转变为金属态，它在室温时就具有超导性，它的实现还有待于高压条件的创建。另外，对太空、深海洋等工程技术所用的材料也将继续深入研究。 7材料的设计及选用计算机化 由于电子计算机及应用技术的高度发展，使得人们可以按照指定的性能进行材料设计正逐步成为现实。通过电子计算机的应用以及量子力学、系统工程和统计学的运用，可以在微观与宏观相结合的基础上进行材料设计和选用，使之最佳化。目前已建立起计算机化的各种材料性能数据库和计算机辅助选材系统，并进一步向智能化方向发展,从而提高了工程技术的用材水平。,三、工程材料学,不仅学习各种材料

9、的分类、基本特性、制备方法、用途，而且学习材料 性能与组成、组织结构、制备工艺之间的内在联系、作用机理。 以典型的工程材料为例，学习材料（重点是金属材料）所表现出的宏观 性能的内在本质，为提高材料性能、开发新材料、材料选择、使用打基础。,第2节 工程材料失效分析,一、概念与意义 失效：工程上所使用的工件在使用过程中失去所规定的功能。 有些场合使用的零件失效不会造成很大的损失（弹簧）。但有些场 合失效会造成巨大的经济损失，甚至危及生命安全，如锅炉材料，特别 是航空航天、核工业、大型工程等。 所以必须分析失效原因，提出预防措施，这就发展了新学科失 效分析学。 为什么本课程学习材料失效？,二、失效原

10、因 失效原因并不是简单的设计、计算问题。如轧机支架： 除剪切力、拉应力外，还有疲劳，过渡角等因素。 再者，还与使用环境等很多因素有关，可概括为四个方面：,（一） 设计 应从强度计算、结构形式、选材、使用条件和环境的影响等多个 方面周密考虑安全使用寿命问题。 设计中的错误主要表现为：设计中的过载荷、外形上的应力集中、焊接或装配不当，没有考虑使用条件和环境的影响等。 工件外形设计不合理或结构上存在问题，将引起应力集中。如尖角、过渡角太小、凹槽和缺口布置或设计不当等。 在未经周密的计算，或构件形状复杂，及很难进行应力计算时就从事设计，也将引起工件早期失效。例如汽轮机叶片，由于设计不当，经常发生共振损

11、坏。 德国阿连兹技术中心(AZT)曾对1200次蒸汽轮机电站失效原因进行统计分析，其中设计及结构引起的事故占175，这说明了设计与失效之间的密切关系。,（二）选材 1.选材不当 主要原因，如80.12.1加拿大某地储油罐炸裂，引起大火，损失850万美元。失效分析表明，是由于选用锰碳比很低的ASTMA283钢，在低温使用，导致储油罐壳发生脆性断裂。 2.材质低劣 材料的生产经冶炼、铸造、锻造、轧制等阶段，这些过程中造成的缺陷往往会导致早期失效。 (1)冶炼：冶炼工艺较差，会使钢中有较多的氧、氢、氮，并形成非金属夹杂物，不仅使材料变脆，甚至还会成为疲劳源。 (2)铸造：铸造工艺不当，可产生铸造缺陷

12、；铸件中由于碳化物、氮化物和硫化物等沿晶界的析出，会引起铸件产生沿晶断裂。 (3)锻造或轧制：锻造工艺不当，会产生各种缺陷，如过热、过烧、锻造或轧制裂纹、流线分布不良及折叠等。,（三）加工 1冷加工 加工工艺不当。磨削深度过大或冷却不充分，使表面出现回火组织使表面硬度降低，甚至形成磨削裂纹；零件表面加工粗糙，造成应力集中。例如某厂购进一批DAL载重汽车，使用两年后，约有4的发动机曲轴发生断裂，经分析，是由于加工质量不符合规定而造成的早期失效。 2热处理 文献报告表明，工模具失效大部分是热处理不当造成的。例如，天津机车车辆厂用60Si2Mn钢生产的热成型弹簧，装车使用后不久就产生了断裂。分析认为

13、，是由于弹簧在热处理时加热温度过高引起淬火裂纹所致。 3焊接 焊接缺陷引起失效的例子也很多。如焊接时产生气孔、未焊透、焊接裂纹等均会造成工件在使用过程中早期失效。另外，焊接所引起的残余应力也会引起零件的早期失效。,（四）安装 据文献统计，在260起压力容器失效中，属于操作不当而造成的失效竟占746。又如前苏联切尔诺贝利核电站事故是由于电站工作人员粗暴违反反应堆装置的操作规程，导致了这场大灾难。 总之，工件失效的原因是复杂的，它是各种因素共同作用的结果。但每一失效事故，都有一个导致失效的主要原因。因此对各种服役条件下的工件失效，应作具体分析，找出失效方式和失效抗力指标。失效分析时应做到设计、材料

14、、工艺相结合；结构强度与材料强度相结合；宏观规律与微观机理相结合；规律性试验与生产实际相结合。,三、失效类型,(一)变形失效 弹性变形、塑性变形、蠕变变形。 (二)断裂失效 (1)塑性断裂失效：断裂前有一定塑料变形，一般是非灾难性的。 (2)脆性断裂失效： 突发性。 (3)疲劳断裂：最终断裂是瞬时的，因此危害性较大。工程上疲劳断裂约占失效总数的80以上。 (4)蠕变断裂失效：最终断裂是瞬时的。多属高温低应力沿晶蠕变断裂。 (三)腐蚀失效 与周围介质发生化学或电化学作用。其中应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳等是突发性失效，而点腐蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀和大部分均匀腐蚀失效不是突发性的。失效形式多，机理复杂

15、，占较大比率。 (四)磨损失效 后果一般不像断裂失效和腐蚀失效那么严重，然而近年来却发现一些来自磨损的灾难性事故。磨损失效主要有：粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳磨损、微动磨损、气蚀等几种失效形式,(一)冶金质量问题 微量杂质元素对金属材料性能影响很大。提高纯度，如钢铁中S、P (二)微合金化 钢、铜、铝。提高强韧性。 (三)控制轧制 细晶组织，尽量减少缺陷和内应力。 (四)强韧化工艺 如板条状位错型马氏体的应用、亚温淬火、超细晶粒处理、形变热处理和复合热处理、超高温淬火、碳化物的微细化处理、高碳钢和渗碳钢的短时加热淬火等。 (五)采用局部复合强化 采用局部复合强化，克服薄弱环节。例如中碳合金结构

16、钢淬火、低温回火后滚压；合金渗碳钢经C-N共渗淬火、低温回火后滚压，都可提高其疲劳极限。,四、提高失效抗力的方法（从材料角度）,3.热容经验定律评价,第3节 工程材料的选用原则,工程材料学的最终目的：,提高材料的使用性能、经济性，最终准确、合理地使用材料。 所以要了解工程材料选用选用原则、要求，在学习、研究中增强目的性。,一、使用性能,能够安全可靠工作所必备的性能,第3节 工程材料的选用原则,二、工艺性能,制备过程中各种工艺过程是否易实现,第4节 材料化学成分、组织结构与性能之间的关系,化学成分：FeAl、铁钢、AZ31-AZ91 组织结构：晶体结构、显微组织、精细结构 外部条件：温度、介质、应力状态等,铸造工艺，热处理，冷、加塑性工加工工艺等 纤维强化、颗粒强化，定向凝固等,基本要求： 掌握工程材料及其分类，了解新材料的发展趋势。 掌握材料化学成分、组织结构与性能之间的关系。,思考题： 1.思考影响金属材料力学性能的因素。 2.分析材料化学成分、组织结构与性能间的关系。,失效分析在适航与维修中的作用