工程材料第一章绪论

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1、工程材料学,蔡启舟 Tel: 027-8754387613507199947 Email: 2008.02,2,第一章 绪论,工程材料的分类与发展 本课程的学习目的及主要内容 工程材料的基本性能,3,材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。,第一节 工程材料的分类与发展,材料是人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基础,是人类活动不可缺少的东西。 材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质反映了人类社会的文明水平。 现代一个国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、信息的发展。,4,材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学

2、家根据人类所使用的材料来划分时代,材料的发展与人类社会简图,5,材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。,没有半导体材料的工业化生产， 就不可能有目前的计算机技术,龙芯,6,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,7,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。,8,TITANIC,9,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,10,“挑战者号”航天飞机失事,导致这次惨祸的直接原因是航天飞机右侧固体火箭助推器的密封装置失效，致使

3、燃气外泄，喷出火舌，引起推进剂贮箱的爆炸。进一步分析还发现，密封装置的失效除了设计上的缺陷外，发射时气温过低也是一个直接的诱因，使合成橡胶失去弹性，丧失密封作用。,1986.01.28,11,前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约 2/3 大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术需要先进材料的支持.,前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭,12,中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献

4、。,早在公元前6000 5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。,13,4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。,司母戊鼎 传世珍藏十大国宝之一河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造 高133厘米 重875kg 饰纹优美,14,越王勾践剑,春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓 长55.7厘米 剑锷锋芒犀利 锋能割断头发,15,黄石铜矿遗址 春秋晚期 矿井深达50m 炼铜炉渣多达40万吨 实属罕见,16,明朝永乐大钟全高6.75m，钟口外径3.3m，钟唇厚18.5cm，重46.5t。化学成

5、分：Cu80.54%, Sn16.4%, Pb1.12%钟体铸满经文，共约227000余字。大钟至今完好，声音幽雅悦耳，距钟1520km都能听见，是世界上罕见的古钟之一。,永乐大钟,17,我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前,我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高成就.,18,沧州大铁狮,高5m多，长近6m，重19.3t,19,新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由1949年的15.8万吨上升到现在的4.8亿吨(2007年)。,20,原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都

6、说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。,21,中国的航天事业-“神舟”号飞船,神舟六号,22,材料的分类,工程材料：主要利用其力学性能制作结构件。,结构材料 工具材料 建筑材料,按材料用途(性能),功能材料：功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。,半导体材料 磁性材料 激光材料 热电材料 光电材料 声电材料 等等,23,按材料的化学成分金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料,24,(1)金属材料,金属材料包括金属和以金属为基的合金。 工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，皆为金属晶体材料。 工业上把金属和其合金分为两大部分 黑色金

7、属(铁基合金)： 铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金) 有色金属(非铁合金)：黑色金属以外的所有金属及其合金。,25,金属原子间以金属键结合，由于金属键无方向性，因而金属材料具有良好的延展性、导热性、导电性并具有金属光泽等特点，此外，金属材料资源丰富，生产工艺成熟，工艺性能好，价格便宜，因此按使用重量来说， 在工程材料中仍占主导地位，而 且预计在相当长的历史时期内， 金属材料的主导地位是不会改变 的。,26,(2) 高分子材料,高分子材料是指以高分子化合物为主要组分的材料，每一个高分子化合物又是由一种或几种简单的低分子化合物聚合而成的，故高分子化合物也称高分子聚合物(简称高聚物)。 高分子内

8、部的原子间存在着很强的共价键，而高分子与高分子之间的结合是分子键。具有重量轻、耐腐蚀、绝缘性良好、易于加工成型等特点。其体积用量已超过金属材料。,27,热塑性PE管,28,(3) 陶瓷材料,陶瓷材料主要是指由一种或多种金属元素与非金属元素的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物及硅酸盐等所组成的无机非金属多晶材料。 陶瓷材料大多数是由离子键和共价键的混合键。,29,Al2O3陶瓷密封环,陶瓷发动机,30,(4) 复合材料,复合材料由2种或2种以上的物理、化学性质不同的物质，经一定方法得到的一种新的多相固体材料。,31,材料科学与工程这个科学名称是上世纪50年代末60年代初提出来的。 美国材料科学与工程

9、调查委员会的定义为：“材料科学与工程是关于材料成分与制备工艺，组织结构，材料性能和使用性能这四个要素以及它们之间相互关系的有关知识的开发和应用的科学”,材料科学与工程定义,本课程的学习目的及主要内容,32,材料科学与工程这个学科应属于应用基础范畴，它以凝聚态物理和物理化学、晶体学为理论基础，结合冶金、机械、化工等科学知识，去探讨材料的成分、工艺、组织结构、性能及使用性能之间的内在规律，并联系一个器件或构件的使用功能要求，力求用经济合理的办法制备出一个有效的器件或构件.因此，材料科学与工程是现代机械工程、电子技术和高技术工业发展的基础。,33,课程内容,材料科学是研究各种材料的成分、制备加工工艺

10、与性能之间关系的科学 。 工程材料以金属材料为主要对象，扩展其他工程材料，介绍材料组织和性能的变化规律和研究方法 。 常用工程材料的类型、特点和使用事项。,34,了解和学会现有材料的使用方法 研究开辟现有材料的新工艺、新用途 研究和创建新材料,学习目的,35,本课程使用的教材：周凤云主编：工程材料及应用(第二版)华中科技大学出版社，2002 推荐参考书目：1. 朱张校 主编：工程材料 ，清华大学出版社, 20012. 崔忠圻 主编：金属学及热处理，机械工业出版社,36,2.1 力学性能,材料的力学性能，是指材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。,(a)

11、拉伸 （b）压缩 （c）弯曲 （d）剪切 （e)扭转 载荷的形式,第三节 工程材料的基本性能,37,(1) 拉伸性能,试验过程中记录拉伸载荷(P)或应力()和试样的位移量(L)或应变(),38,39,弹性与刚度,e弹性极限，为不产生永久变形的最大应力。,E弹性模量：材料在弹性范围内，其应力与应变的比值(E= /)称为弹性模量(杨氏模量)，单位为MPa。E标志材料的抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度指标。,40,s屈服强度，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。 b强度极限(抗拉强度)，表示金属受

12、拉时所能承受的最大应力。, 强度,41, 塑性,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。,42,(2) 硬度,硬度是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗局部塑性变形的能力。 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、莫氏硬度,43,布氏硬度(J. B. Brinell,1900),淬火钢球，HBS: 450 硬质合金球，HBW: 450650,布氏硬度的测试是用一直径的淬火钢球或硬质合金球，

13、在规定的载荷P的作用下压入被测试的表面，停留一定的时间，卸除载荷，测量被测试试样表面上所形成的压痕直径d,150HBS10/1000/30 D:10mm, P:1000kgf, t:30s, 布氏硬度为150 500HBW5/750 D:5mm, P:750kgf, t:1015s 布氏硬度为500,44,洛氏硬度(S. P. Rockwell & H. M. Rockwell, 1919),用一定形状的硬质压头以一定大小的载荷压入试样表面，根据压坑的深度来计算硬度值。,45,维氏硬度(R. L. Smith & G. E. Sandland, 1925),用一个相对面夹角为1360的金刚石正

14、四锥体压头，在规定载荷P作用下压入被测试材料表面保持一定时间后卸载，然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，计算压痕的表面积S：,46, 肖氏硬度,肖氏硬度将顶端为金刚石的冲头从固定高度h1自由下落到试样表面，测量其回弹高度h2，以此来反映被测材料的硬度值(HS)。,47,5.莫氏硬度,莫氏硬度是一种划痕硬度，主要用于陶瓷和矿物材料的硬度测量。,48,材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定，测得试样冲击吸收功，用符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0 , 即得到材料的冲击韧度 ak。,k= Ak /S0,(3) 冲击韧性,49,夏比试样U型缺

15、口试样(梅氏试样),夏比试样V型缺口试样(夏氏试样),50,(4) 断裂韧性,材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。,断裂韧性指标为KIC，有专门的测定方法。工程应用要求：,Y裂纹形状系数， a裂纹长度的一半。,51,零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下，而发生的断裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂是损伤的积累过程，包括疲劳裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三各阶段。应力大小和循环次数有关。,(5)疲劳强度,52,高周疲劳对称应力作用趋于水平线的最大应力为-1 ,作为永久可用的疲劳强度极限。实际大多以107次未断裂的应力来测定。,低周疲劳又称条件疲劳极限，参照零件工作周期可能作用的次数下能承受的应力

16、极限值。（可以有效发挥材料的作用）,53,主要概念 工程材料，结构材料，功能材料，陶瓷材料、高分子 材料、复合材料 材料的组织、结构、使用性能、工艺性能、 内容要求 工程材料的分类。工程材料的性能，掌握机械工程中常用力学性能指标的意义及单位 （s，0.2，b, ，HBS, HRC, HV, ak, KIC, -1）。,第一章学习的要求：,54,思考与练习 1-5,说明以下符号的意义和单位： 弹性极限(e)： 表示材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。单位：MPa (N/mm2)。 屈服点(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。单位：MPa (N/mm2) 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。单位：MPa (N/mm2),