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1、工程材料是以用于工程结构和机械零件及元器件的材料为研究对象，阐述材料的成分、组织、加工工艺和性能之间关系的学科。,绪论,课后作业,1. 列举中华民族对材料发展作出的重大贡献。 2. 说出有关新材料、新工艺的实际事例。,第一章 工程材料的分类及性能,第一节 机械制造与材料：结构性能加工工艺 第二节 材料的分类 第三节 材料的性能,应用科学家和工程师都必须完全了解他们所用材料的性能和行为特征。 思考：汽车制造中要使用哪些材料？钢铁、玻璃、塑料、橡胶等。 而仅仅对钢材一项而言，就有2000多种不同种类和型号的品种。面对如此之多材料种类，要制造一个特定的零件，应根据什么原则来选择材料呢？,引言,第一节
2、 机械制造与材料： 结构性能加工工艺,一、内部结构与性能1. 支配各种材料性能的基本原则：材料的性能来源于该材料的成分和内部结构。2. 材料的内部结构：原子种类、原子与原子之间的组合方式和排列方式、显微结构等。,二、加工工艺与性能对材料进行加工时，不只是材料的形状发生了改变，材料的性能也随之改变了。性能改变是因为材料在形变时，它的内部结构发生了变化。,三、使用行为与性能在材料的使用过程中是否会发生其内部结构的变化，将会对材料的性能产生不同的影响。,总 结,在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而且还要考虑那些使材料内部结构发生变化，进而使材料性能发生变化的加工工艺以及使用行为。,第二节 材料的分
3、类,本课程主要研究：用于机械结构和机械零件的机械工程材料 。,机械工程材料,金属材料,高分子材料,陶瓷材料,复合材料,黑色金属,有色金属,铸铁,碳钢,合金钢,铝合金,铜合金,其它有色金属,塑料,橡胶,合成纤维,传统陶瓷,特种陶瓷,金属基复合材料,高分子基复合材料,陶瓷基复合材料,一、金属材料 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。最简单的金属材料是纯金属。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： （1）黑色金属 铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)； （2）有色金属 黑色金属以外的所有金属及其合金。,二、高分子材
4、料 高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。它具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类：塑料、合成纤维、橡胶。,三、陶瓷材料 陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的化合物。陶瓷具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点 ；缺点是脆性较大。,四、复合材料 由两种或两种以上不同材料的组合而成，其性能优于其组成材料。,钛基复合材料,橡塑复合材料,第三节 材料的性能,使用性能：材料在使用条件下所表现出来的性能，包括力学、物理和化学性能。 工艺性能：制造工艺过程中，
5、材料适应加工的能力。,一、力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。 描述材料变形行为的指标是应力 和应变 。单位面积上的作用力单位长度的变形,l0试样的原始标距长度；l试样受力变形后的标距长度。,F所加载荷（N）； A0试样的原始截面积（mm2）；,MPa,弹性模量（杨氏模量）E：标志材料抵抗弹性变形的能力，用于表示材料的刚度。它的大小主要取决于材料本性。,（MPa）,受力杆件,常见力的形式：,铆钉联接,方向盘,火车轮轴,总 结,常见力的形式,一、力学性能材料力学性能是指材料在受力时的行为。 描述材料变形行为的指标是应力和应变。 描述材料力学性能的主要指标是强度、塑
6、性和 韧性等。,1.强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力，是使材料破坏的应力大小的量度。材料的强度用拉伸试验测定。,圆形拉伸试样,拉伸机示意图,b,s,e,e,O,s,z,b,oe：弹性变形阶段 es：塑性变形阶段 （屈服阶段） sb：强化阶段 bz：缩颈阶段 z：断裂,低碳钢应力-应变曲线,e,e,O,低碳钢应力-应变曲线,oe：弹性变形阶段,试样的应力与应变成正比。卸去载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。,e：弹性极限,s,e,e,O,s,低碳钢应力-应变曲线,es：塑性变形阶段 （屈服阶段）,应力与应变间不再成正比，出现屈服齿。卸去载荷，试样的变形只能部分恢复，保留一部分残余变形。载荷不增
7、加时，试样的变形量仍自动增大。,s,e,e,O,s,低碳钢应力-应变曲线,es：塑性变形阶段 （屈服阶段）,s：屈服强度（屈服点）,对于无明显屈服的塑性材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限。,0.2：名义屈服强度,b,s,O,s,b,低碳钢应力-应变曲线,sb：强化阶段,b：抗拉强度,表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。,试样发生明显而均匀的塑性变形。,b,O,Z,b,低碳钢应力-应变曲线,bz：缩颈阶段,z：条件断裂强度,表示材料对塑性的极限抗力。,试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈，应力下降，最后断裂。,z,b,s,e,e,O,s,z,b,oe：弹性变形阶段 es：塑性变形
8、阶段 （屈服阶段） sb：强化阶段 bz：缩颈阶段 z：断裂,低碳钢应力-应变曲线,2.塑性：材料在破坏前永久应变的数值，即产生永久变形的能力 。塑性指标也用拉伸试验测定。 （1） 伸长率 （2） 断面收缩率 一般，把5%的材料称为塑性材料，5%的材料称为脆性材料。,3.硬度:材料抵抗另一硬物压入其内的能力，即受压时抵抗局部变形（特别是塑性变形、压痕或划痕）的能力。,洛氏硬度 HR,维氏硬度 HV,布氏硬度 HB,常用硬度指标,（1） 布氏硬度（HB) 一定直径D的球体(淬火钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径，根据压痕面积，确定硬度大小。,（
9、1） 布氏硬度（HB) 布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受 的平均压力来表示。当用淬火钢球压头时，450，HBS。当用硬质合金球时，450600，HBW。,布氏硬度实验示意图,布氏硬度试验原理图,注意：FN；D、dmm。,（2） 洛氏硬度HR将金刚石压头(或钢球压头), 在先后施加两个载荷(预载荷F0和总载荷F )的作用下压入金属表面。总载荷F 为预载荷F0和主载荷F1之和。卸去主载荷F1后, 测量其残余压入深度h，用h与h0之差h，来计算硬度值大小。,洛氏硬度测量原理图,根据试验材料硬度的不同，分3种不同的标度来表示： HRA：采用60kg载荷和钻石锥压入器求得硬度用于硬度极高的材料(如
10、硬质合金等)。 HRB：采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得硬度用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：采用150kg载荷和钻石锥压入器求得硬度用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。,维氏硬度实验示意图,（3） 维氏硬度HV,4. 疲劳强度 疲劳：零件和制品，在大小和方向不断变化的交变载荷反复作用下，常在低于其屈服强度的应力下发生断裂。 疲劳强度-1 ：材料在规定次数的交变载荷作用下，不至于引起断裂的最大应力。,5. 韧性 材料在破坏时所吸收的能量的数值。1）冲击韧度ak2）断裂韧性KI,一、力学性能,强度 塑性 硬度 疲劳强度 韧性,力学性能,二、物理性能,密度 熔点 热
11、容 热膨胀性 导热性 磁性 导电性 介电常数,物理性能,1. 密度 ：单位体积物质的质量。轻金属：铝、镁、钛及它们的合金重金属：铁、铅、钨等 2. 熔点 ：材料的熔化温度。纯金属都有固定的熔点。 3. 热容 ：在没有体积变化时，温度变化1时材料热量的变化。,5103 kg/m3,4. 热膨胀性 ：材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性。 线膨胀系数：每变化1时，引起材料长度上相对膨胀量的大小。体膨胀系数：每变化1时，材料体积的变化和摄氏零度时体积的比值。,注意：各个参数的量纲。lm,5. 导热性 ：导热性通常用热导率来衡量。金属的导热性以银为最好, 铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热
12、处理时，必须考虑金属材料的导热性。导热性好的金属散热也好。 6. 导电性 ：传导电流的能力，用电阻率来衡量。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。,7. 磁性：材料在磁场中的性能。 软磁性材料 硬磁性材料 8. 介电常数：表示绝缘材料电性能的物理量。,三、化学性能,耐腐蚀性 高温抗氧化性 抗老化性 降解性,化学性能,Def: 制造工艺过程中，材料适应加工的能力。,四、工艺性能,铸造性 可锻性 焊接性 切削加工性,工艺性能,1.铸造性材料能充满比较复杂的铸型，并能获得优良铸件的能力。用流动性、收缩性和偏析来衡量。,典型铸造工艺示意图,2. 可锻性（锻造性）材料是否易于进行压力
13、加工的性能（也即材料用锻压加工方法成形的适应能力）。可锻性取决于的塑性和变形抗力。,锻造,冷冲,3.焊接性材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的能力。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。 铜合金、铝合金、灰口铸铁的焊接性能较差。,电弧焊,气焊,4.切削加工性材料是否易于切削加工的性能。一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。,5.热处理工艺性 钢的热处理工艺性主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好，碳钢的淬透性较差。铝合金的热处理要求较严。铜合金只有几种可以用热处理强化。,2.已知：黄铜的 2010-6-1，E=1.1105MPa。,（1）一根2m长的铜棒温度升高80 ，其伸长量是多少？ （2）要使该铜棒有同样的伸长量，需要作用多大应力？,课后作业,求解：,1. 描述低碳钢在进行拉伸试验时的应力应变曲线。,
