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1、侯英岢侯英岢工程材料与机械制造基础工程材料与机械制造基础浙江农林大学浙江农林大学 工程学院工程学院1自我介绍自我介绍l姓名姓名: 侯英岢侯英岢l办公地点办公地点: 学学9201-3lE-mail： lQQ: 49346476l手机：手机： 135881081862认识大家3必须与大家交流和沟通的几个问题必须与大家交流和沟通的几个问题: :纪律纪律考试考试要求: 关手机 不要在下面开小会 有问题举手平时表现: 30%期末考试: 70%随机点名随机点名答疑安排答疑安排4主要内容主要内容l一、材料的发展及种类一、材料的发展及种类l二、课程的性质和任务二、课程的性质和任务l三、材料的性能三、材料的性能
2、5一、材料发展及种类一、材料发展及种类 1 1、材料的发展、材料的发展 2 2、材料的种类、材料的种类哥哥哥哥伦伦伦伦比比比比亚亚亚亚号号号号航航航航天天天天飞飞飞飞机机机机材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。6材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活所必须的物质基础。所必须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀“ “神舟神舟神舟神舟” ”四号飞船成功返四号飞船成功返四号飞船成功返四号飞船成功返回回回回国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机1、材料的发展、材料的发展7石器石器铁器铁器 象形尊象形尊( (西周西周) )l石器时代石器时代l青铜器时代青铜
3、器时代l铁器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。8材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。的标志。 材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图9没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航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。空工业和宇航工业。 在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片飞机发动机叶片波音客机波音客机10没有低消耗的光导纤维，也就没
4、有现代的光纤通讯。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，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。称作现代文明的三大支柱之一。 11l18631863年，光学显微镜首次应用年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。观组织联系起来。灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织光学显微镜光学显微镜Pb-Sn共晶组织共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。人类对材料的认识是逐步深入的。1219121912年发现了年发现了
5、年发现了年发现了X-X-射线对晶体的作用并在随后被用于射线对晶体的作用并在随后被用于射线对晶体的作用并在随后被用于射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。从最初的假想到科学的现实。从最初的假想到科学的现实。从最初的假想到科学的现实。 Si表面的重构图象表面的重构图象X-射线衍射仪射线衍射仪131932年发明了电子年发明了电子显微镜，把人们带显微镜，把人们带到了微观世界的更到了微观世界的更深层次（深层次（1
6、0-7m） 透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下14材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图152、工程材料的分类、工程材料的分类l工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。要要求力学性能的结构材料。l按组成与结合键分：按组成与结合键分： l 1、金属材料、金属材料l 2、高分子材料、高分子材料l 3、陶瓷材料、陶瓷材料l 4、复合材料、复合材料16金属材料金属材料l以以金属键金属键结合为主结合为主 l良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽属光泽 l用
7、量最大、应用最用量最大、应用最广泛广泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 17铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的个用材的60%以上。以上。 带材带材异形材异形材板材板材管材管材18金属材料制品金属材料制品19陶瓷材料陶瓷材料l以共价键和离子键以共价键和离子键为主为主l熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 l分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷种陶瓷和金
8、属陶瓷三类三类 20传统陶瓷传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料( (如黏土、石如黏土、石英、长石等英、长石等) )为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。 陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机21高分子材料高分子材料 l以以分子键分子键和共价键和共价键为主为主l塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好，密度小密度小 l包括塑料、橡胶及包括
9、塑料、橡胶及合成纤维等合成纤维等 分分子子键键共共价价键键22高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。中被广泛应用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯23复合材料复合材料 l包括：包括：l金属基复合材料金属基复合材料l陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料l高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。
10、玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料24l现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的化物粒子弥散强化的镍镍基合金复合材料基合金复合材料。很多。很多高级游艇、赛艇及高级游艇、赛艇及体育体育器械器械等是由碳纤维复合等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度高等优点。高等优点。 航空发动机航空发动机25随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高刚度、高韧性、耐高
11、温、求越来越苛刻，结构材料向高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。 国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机26新的功能材料在不断地涌现，成为目前关注新的功能材料在不断地涌现，成为目前关注的焦点。的焦点。27机械工业是材料应用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。 28l随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。 l在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。及材料加工方面的问题。 l要求机
12、械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力排加工工艺路线的能力。 铸造一级涡轮盘铸造一级涡轮盘29二、课程的性质和任务l课程性质：课程性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课是机械类和近机类各专业的技术基础课l课程任务：课程任务： 了解工程材料的一般知识；了解工程材料的一般知识； 建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系：间的关系：30工艺工艺- -组织组织- -性能之间关系的例子性能之间关系的例子S
13、teel with 0.4%C 31三、材料的性能l使用性能：使用性能：材料在使用过程材料在使用过程中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括力学力学性能、物理性能性能、物理性能和和化学性能。化学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程材料在加工过程中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括铸造、铸造、锻压、焊接、热处理锻压、焊接、热处理和和切削切削性能等性能等。神舟一号飞船32l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为为变形变形。l外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。l外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能
14、恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 五万吨五万吨水压机水压机33低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉拉伸伸试试验验机机应力应力 = P/S0应变应变 = (l-l0)/l0341、弹性和刚度、弹性和刚度l弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时的应力。的应力。l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模量量E E。 e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷高而
15、逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 352、强度与塑性、强度与塑性l强度：强度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s：材料发生微量材料发生微量塑性变形时的应力值。塑性变形时的应力值。 名义屈服强度名义屈服强度 0.2：残余变残余变形量为形量为0.2%时的应力值。时的应力值。 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所材料断裂前所承受的最大应力值。承受的最大
16、应力值。s0.236塑性：塑性：塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为：指标为：指标为： 伸长率：伸长率：断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象373、硬度、硬度l材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形的能力。的能力。l布氏硬度布氏硬度HBHB布布氏氏硬硬度度计计38 l压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适适用用于于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。l压压
17、头头为为硬硬质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值, 符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保保持时间。持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf（9.807kN）载载荷荷作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕39l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，
18、数据稳定。l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。还硬的材料。l适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁40洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计l洛氏硬度用符号洛
19、氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常常用用的的标尺为标尺为A、B、C。 41l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如如有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点
20、：操作简便，操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕42维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕43l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。l根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬维氏硬度试验度试验 、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微
21、维氏硬度试验显微维氏硬度试验。l维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点。 小小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计444、冲击韧度、冲击韧度l是指材料抵抗冲击载荷是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。作用而不破坏的能力。l指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过过冲击实验冲击实验测得测得)。455、断裂韧度、断裂韧度油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关材料中存在缺陷有关 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北北极极星星导导弹弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式
22、46l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。指标。断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。裂纹失稳扩展的能力。 C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界为临界裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为 47四、疲劳四、疲劳l材料在低于材料在低于 s的的重复交变应力作用下发生断裂的现象。重复交变应力作用下发生断裂的现象。l材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为力称为疲劳极限疲劳极限。用。用 -1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图48疲劳断口疲劳断口通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面提高表面光洁度光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片疲劳辉纹（扫描电镜照片）49材料的其他性能l磨损磨损l高低温性能高低温性能l化学性能化学性能50
