工程材料的种类和力学性能

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1、第1章 工程材料的种类和力 学性能工程材料（） 1.1、材料的种类 1.2、材料的性能工程材料的种类和力学性能工程材料的种类和力学性能1.11.1、材料的种类、材料的种类工 程 材 料金属材料高分子材料无机非金属材料：水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷复合材料：树脂基、金属基、陶瓷基功能材料：力学功能、物理功能、化学功能、生物功能、智能功能、功 能转换钢铁材料非铁金属钢：碳钢、合金钢、特殊性能钢铸铁：白口铸铁、灰口铸铁、特殊性能铸铁等铜及铜合金：纯铜、黄铜、青铜、白铜铝及铝合金：纯铝、形变铝合金、铸造铝合金其他：轴承合金、镁合金、钛合金、镍合金等纤维：天然、合成 橡胶：通用、特种塑料：通用、工程、特种

2、、胶黏剂黑色金属有色金属1. 1.金属材料金属材料金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物。合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关。在103种元素中，除He,Ne,Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的

3、导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。2. 2. 高分子材料（高聚物）高分子材料（高聚物） 高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。 橡胶的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用下，也能产生很大的形变（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状。其弹性模量小，约105104Pa。常用的橡胶有天然橡胶（异戊橡胶）、丁苯橡胶、顺丁橡胶（聚丁二烯）、乙丙橡胶和硅橡胶等。纤维的

4、弹性模量较大，约1091010Pa。受力时，形变不超过百分之二十。纤维大分子沿轴向作规则排列，其长径比较大，在较广的温度范围（-50150）内，机械性能变化不大。常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。 塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107108Pa。温度稍高些，受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。根据塑料受热时行为的不同，分为热塑性和热固性塑料两类。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类；后者在受热时可塑化和软化，并通过化学反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚醛塑料和脲

5、醛塑料就属此类。 胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。有时把聚合后未加工成型的高聚物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。烯丙酰氯-苯乙烯3. 3. 无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将

6、其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传统的无机非金属材料。先进（或新型）无机非金属材料先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。根据陶瓷坯体

7、结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之一：陶瓷之一：陶瓷普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。陶瓷制品陶瓷发动机传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之二：玻璃

8、之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。 特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃、非氧化物玻璃（以及光学纤维等。根据用途不同，特种玻璃分为防辐

9、射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之三：水泥之三：水泥水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。 通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰

10、硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。 专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。 特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之四：耐火材料之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580的无机非金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料

11、制造的。 4. 4. 复合材料复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。 复合材料的种类繁多，下面根据复合材料的三要素来分类。按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复

12、合材料；依据复合材料的性能可分为结构复合材料和功能复合材料。玻璃纤维增强高分子复玻璃纤维增强高分子复 合材料合材料航空发动机1.21.2、材料的性能、材料的性能 工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能：指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能。包括力学性能、物理性能、化学性能。工艺性能：指材料的可加工性 。包括可锻性、铸造性能、焊接性、热处理性能及切削加工性能等。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 常见的工程载荷：作用在机件上的外力载荷性质静载荷动载荷FFFFF = F （MPa）= F /S外力 内力应力外力作用下材料的变形

13、外力作用下材料的变形-两种基本变形1. 弹性变形材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。F2.塑性变形:材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。强度是指金属材料抵抗塑性变形（永久 变形）和断裂的能力。抵抗塑性变形和断裂 的能力越大，则强度越高。1.2.11.2.1静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能1.强度按外力作用的方式不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常 用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。材料的强度、塑性指标是通过拉伸实验测定的。应力 =F/S0 (N /m2) ； F 作用力，(N) S0试样

14、原始截面 积(m2)。剪应力F/SO材料单位面积上的内力称为应力（Pa）， 以表示。应变(%) L试样标距部分伸长量，(mm)；L0 试样标距部分长度(mm)。=L/L0 剪应变 剪模量 G且有 弹性变形 弹性变形：当产生变形的外力撤除后，变形 随即消失。 塑性变形：外力撤除后，不可恢复的变形。 弹性模量EE =/=tan-曲线中的直线部分有：=E金属在弹性变形阶段（比例极限内）。其应力和应变存在线性关系为：单向拉伸或压缩 =E 剪切或扭转 =G 式中和分别是线应变和切应变，E 和 G 分别是材料的正弹性模量和切弹性模量。弹性模量表征材料的刚度（抵抗弹变的能力）。 这两个公式就是弹性变形的虎克

15、定律。值取决 于各种材料的本性。 比例极限p与弹性极限ep在-曲线上开始偏离直线时的应力。e由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。表征材料对微塑性变形的抗力有些零件,比如枪炮管在工作时不允许 产生微量的塑性变形，设计时要根据弹 性极限选材。 屈服现象与屈服强度 屈服现象：在试验外力不增加或上下波动的情况下，试件应变明显增加的现象。不同材 料或在不同试验条件下得到的-曲线类型如 图所示。 屈服强度（屈服极限）a)如屈服时-有齿状曲折线段，则下屈服点对应的应力确定为屈服强度s。b) 若屈服时-曲线上有平坦水平线段，则该水平线所对应的应力为s；表征材料对明显塑性变形的 抗力大多数机械零件都不允许产生

16、明 显塑性变形，设计时用屈服强度 作为依据。c) 若无明显水平线段，则取产生规定微量塑性变形所对应的应力作为条件屈服强度；根据需要，微量塑性变形可取0.05%、0.1%、0.2%等,对应的条件屈服强度分别记作0.05、0.1、0.2等。 条件屈服强度0.2 （脆性材料屈服极限）根据GB228-87要求，对没有明显屈服现象的材料，规定取非比例伸长与原标距长度之比为0.2%时的应力，作为屈服强度指标。称为条件屈服强度，用0.2 表示。抗拉强度（抗拉极限）b 指拉伸过程试件所能承受的最大应力。在拉伸过程中，当载荷继续增加到b点时，试件横截面出现局部变细的颈缩现象。这时的应力称为抗拉强度（抗拉极限）b 。2.塑性伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始 长度的百分比，用符号表示。即： 1)、伸长率 2)