《工业产品设计与表达—机械产品开发概论 教学课件 ppt 作者 蒋亚南 第七章 材料概论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业产品设计与表达—机械产品开发概论 教学课件 ppt 作者 蒋亚南 第七章 材料概论（73页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 材料概论,7.1 金属材料 7.2 非金属材料 7.3 纳米材料 7.4 新型材料 7.5选材的一般原则和步骤,工程材料是构成产品的物质基础。产品的性能取决于其使用的材料.用于工业产品制造的材料有上千种,要想在众多材料中作出正确的选择。既能保证使用性能、便于加工，经济性又好。只有了解这些材料，认识这些材料。,工程材料的分类,7.1 金属材料,常用工程材料可分为金属材料和非金属材料两大类。其中，金属材料应用最广，非金属材料以其独特的性能也日益显示出广阔的应用前景。金属材料包括黑色金属（钢、铸铁）和有色金属，前者应用最多。,7.1.1钢 钢的品种多，性能好，是最常用的工程材料。根据化学成分
2、的不同，钢可分为碳素钢和合金钢。碳素钢的生产批量大，价格低，供应充足。碳素钢的性能主要取决于碳的质量分数。碳的质量分数越高，钢的强度越高，塑性越低。,1.碳素钢,碳钢常用的分类方法有三种： 1）按碳含量进行分类 可分为低碳钢(0.25%C)、中碳钢(0.25- 0.55%C)、高碳钢(0.55%C)。 2） 按其用途进行分类 可分为结构钢和工具钢两大类，前者用来制造各种金属构件和机械零件，后者用来制造各种刀具、模具和量具。 3） 按其质量等级分类 可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。,“鸟巢” 形容：那是一个用树枝般的钢网把一个可容10万人的体育场编织成的一个温馨鸟巢！用来孕育与呵护
3、生命的“巢”，寄托着人类对未来的希望。,“鸟巢”方案： 由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司与中国建筑设计研究院组成的联合体设计完成 鸟巢钢Q460“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，灰色矿质般的钢网以透明的膜材料覆盖。 钢板厚度达到110毫米， 400吨。 科技攻关：从2004年9月开始，河南舞阳特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关，前后3次试制终于获得成功。如今，Q460钢材已经开始批量生产。2008年，自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材，撑起了“鸟巢”的铁骨钢筋。,2.合金钢 为了改善钢的性能，根据不同要求加入一种或几种合金元素而形成的钢称为合金钢。不同的合金元素，使钢获得
4、不同的性能。如铬能提高硬度、高温强度和耐腐蚀性；镍能提高强度而不降低韧性；锰能提高强度、韧度和耐磨性；硅可提高弹性极限和耐磨性，但降低韧性。应当指出：合金钢的性能不仅与化学成分有关，在很大程度上还取决于适当的热处理。合金钢价格较贵。 合金结构铜牌号的表示方法是用两位数字表示含碳量的万分数，并在其后加注所含各主要合金元素的符号及其质量分数。,3.铸钢 铸钢主要用于制造承受重载荷的大型零件或形状复杂、力学性能要求较高的零件。如承受重载荷的大型齿轮、联轴器等。铸钢包括碳素铸钢和合金铸钢。铸钢的力学性能与锻钢基本接近，但其减振性、铸造性均不及铸铁。铸铜牌号的表示方法是在符号“ZG”后加注两组数字，如
5、ZG310570，表示屈服点为310MPa，抗拉强度为 570MPa。,7.1.2铸铁,铸铁是脆性材料，其抗拉强度、塑性、韧性均较差，不能进行辗压和锻造。铸铁的减振性和耐磨性较好，成本较低。由于它具有良好的液态流动性，因此常用于铸造各种形状复杂的零件。常用铸铁有灰铸铁和球墨铸铁。,1.灰铸铁 灰铸铁是应用最广的一种铸铁，碳以片状石墨存在于铁的基体中，因此其断口呈灰色。灰铸铁的抗压强度高于抗拉强度，切削性能好，但不宜承受冲击载荷。常用于制造受压状态下工作的零件，如机器底座、机架等。灰铸铁牌号的表示方法是在符号“HT”后加注一组表示抗拉强度的数字，如HT200，其抗拉强度为200MPa。 2.球墨
6、铸铁 球墨铸铁中的碳以球状石墨存在于铁的基体中，故其力学性能显著提高。除伸长率和韧性稍低外，其它力学性能基本与钢接近，同时兼有灰铸铁的优点，但是球墨铸铁的铸造工艺性能要求较高，品质不易控制。用球墨铸铁制造的曲轴、齿轮等，其成本低于锻钢件。球墨铸铁牌号的表示方法是在符号“QT”后加注两组数字，如QT40015，表示抗拉强度为400MPa，伸长率为15。,7.1.3钢的热处理方法 热处理是采用适当的方式对金属材料或工件（以下统称工件）进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。 热处理能显著提高钢的力学性能，满足零件使用要求和延长寿命；还可改善钢的加工性能，提高加工质量和劳动生产率，因此
7、热处理在机械制造中应用很广。如汽车、拖拉机中有70%的零件要进行热处理；各种刀具、量具、模具等几乎100%的零件要进行热处理。,实践证明：同一化学成分的钢在加热到一定状态后,若采用不同的冷却方法和冷却速度进行冷却,将得到形态不同的各种组织，从而获得不同的性能。 含C=0.45%的钢加热到840，以不同方法冷却后的力学性能：,热处理按目的与作用不同，分为以下三类： （1）整体热处理 指对工件整体进行穿透加热的热处理，主要包括退火、正火、淬火和回火等。 （2）表面热处理 指为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。生要包括火焰淬火、感应淬火等。 （3）化学热处理 指将工件置于适当的活
8、性介质中加热，保温、使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理。主要包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等。,1 退火 退火是把钢制零件加热到一定温度，保温一段时间后，使其随炉冷却到室温的处理过程。退火能使金属晶粒细化，组织均匀，可以消除零件的内应力，降低硬度，提高塑性，使零件便于加工。 2 正火 正火又称常化处理，其工艺过程与退火相似，不同之处是将零件置于空气中冷却。正火的作用与退火基本相同。但由于零件在空气中冷却速度较快，故可以提高钢的硬度与强度。 3 淬火 淬火是把零件加热到一定温度，保温一段时间后，将零件放入水（油或水基盐碱溶液）中急剧冷却的处理过程。淬火可以大大提高钢的硬
9、度和强度，但材料的韧性降低，同时产生很大的内应力，使零件有严重变形和开裂的危险。因此，淬火后必须及时进行回火处理。 4 回火 回火是将经过淬火的零件重新加热到一定温度（低于淬火温度），保温一段时间后，置于空气或油中冷却至室温的处理过程。回火不但可以消除零件淬火时产生的内应力，而且可以提高材料的综合力学性能，以满足零件的设计要求。,5表面淬火 表面淬火是以很快的速度将零件表层迅速加热到淬火温度（零件内部温度尚很低），然后迅速冷却的热处理过程。表面淬火可使零件的表层具有很高的硬度和耐磨性，而心部由于未被加热淬火，仍然保持材料原有的塑性和韧性。这种零件具有较高的抗冲击能力，因此，表面淬火广泛用于齿轮
10、、轴等零件。 6渗碳 渗碳是化学热处理的一种。化学热处理是使钢表面强化的重要手段。它是把零件置于含有某种化学元素的介质中进行加热、保温，使化学元素的活性原子向零件表层扩散，从而改变钢材表层的化学成分和组织，获得与芯部不同的表面性能。 根据扩散元素的不同，化学热处理分渗碳、渗氮和氰化等。其中，应用较多的是渗碳。渗碳零件常用的材料为低碳钢和低碳合金钢。零件经过渗碳后，表层碳的含量增加，再经淬火和回火后，使零件表面达到很高的硬度和耐磨性，而芯部又具有很好的塑性和韧性。渗碳常用于齿轮、凸轮、摩擦片等零件。,7.1.4有色金属,有色金属是指铁和铁基合金以外的金属。 与铁和铁基合金相比，有色金属的冶炼比较
11、复杂，成本高。但是，由于有色金属具有许多优良特性，因而已成为现代工业，特别是航空航天工业中不可缺少的材料。 工程中常用的有色金属有铝、铜、镁、钛金属及其合金等。,一、铝及其合金 比重小，比强度高。 在空气中的抗蚀性好。 容易加工。,用以制造飞行器各种承力构件，如蒙皮、壁板、桨叶、活塞及火箭上的液体燃料箱翼梁、螺旋桨叶、起落架等。也常用于汽车、摩托车、家用电器、建筑等。,二、铜合金 机械性能好 摩擦系数小 在空气环境下具有良好的抗蚀性。 容易加工。,滑动轴承、耐水蚀零件、导热零件。,三、粉末冶金材料,粉末冶金法是一种不用熔炼和铸造，而用压制、烧结金属粉末来制造零件的新工艺。用粉末冶金法不但可以制
12、成具有某些特性的制品，而且能节约材料，节省加工工时和减少机械加工设备，降低成本，因此粉末冶金法在国内外都得到了很快的发展。 粉末冶金用得最多、历史最长的是用来制造各种衬套和轴套，后来又逐渐发展到用粉末冶金法制造一些其它的机械零件，如齿轮、凸轮、含油轴承等等。 粉末冶金的另一个重要应用在于，可以制造一些具有特殊成分或具有特殊性能的制件。如硬质合金、难熔金属及其合金、金属陶瓷、无偏析高速钢、磁性材料、耐热材料、过滤器等，都可以用粉末冶金法制取。,7.2 非金属材料,非金属材料是指除金属材料以外的其他材料。在工业产品中使用的非金属材料主要有高分子材料、陶瓷材料以及复合材料三大类。,7.2.1高分子材
13、料,高分子科学是20世纪30年代才从有机化学中独立出来的一门科学，也是在近代获得最迅速发展的科学之一。它是以三大合成材料(塑料、合成橡胶及化学纤维)为主要研究对象，并已涉及生命科学，研究领域十分广阔，成为综合性强、多学科接壤的一门边缘学科。 天然高分子材料：淀粉、蛋白、纤维素等。 合成高分子材料：塑料、橡胶、纤维等。 酚醛塑料-1907年问世的第一个高分子材料。 常把塑料、合成橡胶、化学纤维称作高分子材料。,1.塑料 在日常生活与工农业生产中，人们每天都要接触到各种塑料制品，如饮水用的杯子，椅子、手提包、文具用品，购物用的包装袋，各种电器用品，如电视机、洗衣机、收录机、照相机、空调和抽风机等外
14、壳；厨房用的电冰箱、微波炉、洗碗机等绝热绝缘构件；建筑装饰用的塑料门窗；医院的一次性注射器；农业生产中用的地膜、水管、喷枪及洒水器；工业生产中使用的塑料开关、齿轮、轴承；各类轿车、飞机、轮船与火车上用的仪表、表盘；航天飞船中耐磨、绝热、隔音、防震部件等，很多都是塑料作成的。,在这些塑料材质物品中，有选通用塑料制成的，亦有选工程塑料制成的，还有选用特殊功能塑料作成的。据不完全统计，目前世界上大概已有300多种各类不同的高分子材料，而最常用的有40多种塑料。,(1)通用塑料 通用塑料(general plastics)是指生产量大、用途广、价格低廉，且成型加工工艺良好的一类塑料品种，它们约占塑料总
15、产量的80。 不宜用于承载要求较高的结构零件和较高温度下工作的耐热件。但是通用塑料品种繁多，它们各自拥有某些突出的优异性能，因而具有广泛用途。,通用塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两种，前者具有可塑性，且可逆，故制品生产过程甚为简便，当不需用时，亦可回收重新加热施压，变成所需的另类制品；后者具有可塑性但不可逆，故它是不能回收处理再利用的，即为不溶不熔物品。,通用塑料体积密度大约在0915gCm3，与金属相比，塑料仅是铝的l2、比钢轻34，均为大多数有色金属密度的1/51/8，这对于要求全面减轻自重的交通工具(如车辆、船舶和飞机等)及机械装备来说，有着特殊的意义。但由于塑料的透气性都不大好，故在
16、某些特定的场合下使用受到限制。,塑料与金属相比，其刚度和强度的绝对值都比较小。通用塑料中的热塑性塑料的长期使用温度一般在5090，而热固性塑料和工程塑料一样，可达100以上、200以下，个别的甚至超过200，如聚四氟乙烯塑料，长期使用温度为250。尽管如此，它比金属的耐热性却低得多，且易在光、热等作用下加速老化、翘曲和变形。塑料的电性能，一般比玻璃、陶瓷好。这是由于其介电常数较低，介质损耗较小，可减少电能的消耗，由于它的体积电阻及表面电阻也大，所以又是较为理想的绝缘材料，故广泛用于电子、电器和电讯等部门的各种塑料原件。,结论：通用塑料是一种质轻、耐腐蚀、绝缘性好的高分子聚合物材料，易成型为各种色泽鲜艳、外观精美的制品。强度不及金属表面、硬度不及玻璃和陶瓷，但经玻璃纤维增强与矿物填充后的塑料，其强度与表面硬度都会超过金属、玻璃、陶瓷和木材。主要缺点是耐热性差，使用温度不高、受热膨胀系数大、易变形、导热不好，燃点低，易老化等而限制了其更广泛地使用。石油化学工业的飞速发展，为通用塑料提供了丰富的原料资源，得到广泛应用，它正成为人
