机械制造基础_材料解读.ppt
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1、第一章 工程材料,材料是现代文明的三大支柱(材料、能源和信息)之一,是发展国民经济特别是机械工业的重要物质基础;是生产活动的基本投入。材料的利用标志着人类生活的进展,历史上有“石器时代 ”、“青铜器时代”和“铁器时代”。 当前,材料总数有50万余种之多,而且新材料每年以5%左右的速度递增。 材料的质量、品种和数量已成为衡量一个国家科技、经济水平和国防力量的重要标志之一。,1,1.1 概 述,以汽车工业为例:一辆轿车,需用800多种材料,动画1是轿,动画1 轿车车身部分的材料,2,车车身部分所采用的材料。,工程材料按其化学组成可分为:金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料。 工程材料按其使用性
2、能可分为:结构材料和功能材料两种。 (1)结构材料。主要强调强度、硬度、塑性、韧性等力学性能,用来制造机器零件和工程构件的材料。 (2)功能材料。是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理化效应新材料。用于对信息和能量的感受、计测、传导、显示、发射转换和变换的目的,是现代技术发展的物质基础。,工程材料的划分,3,人类早在6000年以前就掌握了金属冶炼。公元前4000年,古埃及人便掌握了炼铜技术。我国青铜冶炼始于公元前2000年(夏代早期)。古埃及在5000年以前,就用含镍7.5%的陨石铁做成铁球。我国春秋战国时期,已经大量使用铁器。 铸铁的发展经历了5000年的漫长岁月,只是到了蒸汽机
3、的发明以后,由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用,才走上工业生产的道路。15世纪到18世纪,从高炉炼钢到电弧炉炼钢,奠定了近代钢铁工业的基础。,1.1.1 金属材料的发展,4,19世纪后半叶,欧洲社会生产力和科学技术的进步,推动了钢铁工业的大步发展,扩大了钢铁生产规模,提高了产品质量。 从1949年到2004年,全世界的钢产量由1.58亿吨增加到10.56亿吨。而我国2004年钢产量达到2.725亿吨,居全球钢产量首位。 在钢铁材料发展的同时,有色金属也得到发展。人类自1866年发明电解铝生产工艺以来,铝已成为用量仅次于钢铁的金属。1910年纯钛的制取,满足了航空工业发展的需求。,钢铁材料的发展
4、,5,1.1.2 非金属材料及复合材料的发展,非金属材料如陶瓷、橡胶等的发展历史也十分悠久。进入到20世纪后,更是取得了重大的进展。人工合成高分子材料从20世纪20年代至今,发展最快、产量之大、应用之广可与钢铁材料相比。20世纪60年代到70年代,有机合成材料生产量每年以14%的速度增长,而金属材料年生产增长率仅4%。1986年世界高分子材料年产量为9840万吨,其中5850万吨为塑料,合成橡胶为540万吨,合成纤维1140万吨。20世纪90年代,塑料产量已逾亿吨。2002年我国塑料产量达到2200万吨,出口;量达到1228万吨。,6,陶瓷材料近几十年的发展也十分引人注目。,陶瓷材料在冶金、建
5、筑、化工和尖端技术领域已成为耐高温、耐腐蚀的结构材料和多种功能材料的主要用材。 随着航空、航天、电子、通信、机械、化工、能源等工业的发展,对材料的性能提出了越来越高的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求,复合材料的研究和应用引起了人们的重视。玻璃纤维树脂复合材料、碳纤维树脂复合材料等已在航空航天工业和交通运输、石油化工等工业中广泛应用。,7,随着社会的发展和科学技术的进步,新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用,都把人类改造自然的能力提高到一个新的水平。,1.1.3 新材料的发展趋势,动画2 材料比强度的进展,工程材料目前正朝高比强度(单位密度的强度)、高比模量
6、(单位密度的模量)、耐高温、耐腐蚀的方向发展。动画2为材料比强度(强度与密度之比)随时间的进展,由图可知当代先进材料强度比早期材料增长50倍。,8,新材料主要在以下几方面获得发展:,9,(1)先进复合材料。由基体材料(高分子材料、金属或陶瓷)和增强材料(纤维、晶须、颗粒)复合而成的具有优异性能的新型材料。 (2)光电子信息材料。包括量子材料、生物光电子材料、非线性光电子材料等。 (3)低维材料。指超微粒子(零维)、纤维(一维)和薄膜(二维)材料,这是近年来发展最快的材料领域。 (4)新型金属材料。如镍基高温合金、非晶态合金、微晶合金、Al-Li合金金属间化合物等。 (5)纳米材料。又称超微细材
7、料,指至少在一维方向上受纳米尺度(0.1100nm)调制的各种固体超细材料。,1.2 金属材料简介 1.2.1金属材料的种类,传统金属材料是能源、通信、交通运输、建筑、家用电器等行业中最基本的构成物质。 金属材料是工程材料中广泛应用的大类。金属材料可分为黑色金属和有色金属两类。除了黑色金属以外的其他金属材料统称为有色金属,如铜、铝及其合金、轴承合金、硬质合金等。 常用的黑色金属材料分为碳钢和铸铁两大类。,10,1.碳 钢,碳钢按质量分可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢等。 按化学成分分可分为: (1)低碳钢(wC0.25%)。 (2)中碳钢(wC0.25%0.6%)。 (3)高碳
8、钢(wC0.6%)。 (4)合金钢(低合金钢、中合金钢、高合金钢)等。 按用途分可分为结构钢(工程结构钢、机器零件用钢等)、工具钢(制造刃具、模具、量具等)、特殊性能钢(如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等)。,11,2.铸 铁,铸铁可分为一般工程应用铸铁和特殊性能铸铁。 在一般工程应用铸铁中,碳主要以石墨存在。按照石墨形貌的不同,这类铸铁又可分为灰口铸铁(碳以粗片状石墨形式出现)、可锻铸铁(碳以团絮状石墨形式出现)、球墨铸铁(碳以球状石墨形式出现)和蠕墨铸铁(碳以蠕虫状石墨形式出现)。 特殊性能铸铁既有含石墨的和不含石墨的(白口铸铁铁碳合金中的碳以Fe3C形式出现)。这类铸铁的合金元素含量较高(
9、wMe3%),可应用于高温、有腐蚀或磨料磨损的工况条件。(如耐磨铸铁代号KmTB、冷硬铸铁代号LT、耐热铸铁代号RT、耐蚀铸铁代号ST等。),12,表1 常用的黑色金属材料,13,续表,14,续表,15,1.2.2 金属材料的性能,固体材料主要性能,力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能,力学性能即材料在外力作用下表现出来的性能,包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷,常见的各种载荷如动画3所示。,16,动画3 常见的各种外载荷,17,1. 强 度,18,强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前单位面积上所能承受的最大应力即应力 ,以低碳钢拉伸试验为例: = F /
10、 S0 (单位:N/m2 ) 式中:F作用力(N); S0试样原始截面积(m2 )。 强度包括弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。 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屈服强度和抗拉强度。, :应力 :应变 P :比例极限 e :弹性极限 s :屈服极限 b :强度极限 E :材料弹性模量 (E =/ ),1)强度指标,材料的强度、塑性指标可以通过实验测定。动画4为低碳钢的应力应变图。,19,动画4 低碳钢的应力应变图,(1)弹性变形,即当产生变形的外力撤除后,变形随即消失。 (2)弹性模量E 指引起单位弹性变形所需要的应力。工程
11、上把弹性模量E称为材料的刚度,表示材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量E主要取决于材料的化学成分,而合金化、热处理、冷热加工对它的影响很小。弹性模量随温度的升高而逐渐降低。,2)弹性和弹性模量,20,大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象,按GB228-87要求,取规定非比例伸长与原标距长度比为0.2%时的应力,,3)条件屈服强度,21,为F0.2,它与面积之比,记为p0.2,作为屈服强度指标,称为条件屈服强度,也可用0.2表示(见动画5)。,动画5 条件屈服强度,载荷超过弹性极限后,若卸载,试样的变形不能全部消失,将保留一部分残余变形。产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性的大小用伸长率和
12、断面收缩率表示。,2. 塑 性,金属材料因具有一定的塑性才能进行各种变形加工,并使零件在使用中偶然过载时,产生一定的塑性变形,而不致于突然断裂,提高零件使用的可靠性。,22,3. 硬 度,硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。 硬度试验方法:以压入法最为普遍,它是表示材料抵抗更硬物体压入其内的能力。 常见的硬度表示方法有布氏 硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。,(1)布氏硬度。压痕单位面积上的试验力。测量如视频1和动画6所示。 布氏硬度表示方法示例: 120HBS10/1000/30; 450HBW5/1500。,教学视频1 布氏硬度的测量(点击画面启动视频),23,动画7 洛氏硬度测量,(2)洛
13、氏硬度。以主试验力下产生的塑性变形压痕深度来度量。 压头常用金刚石圆锥或钢球,如动画7,视频2所示。,24,动画6 布氏硬度测量,68HRA; 84HRB; 60HRC。 HRA测定硬质合金、表面淬火层。 HRB测定有色金属、退火钢、正火钢。 HRC测定淬火钢、调质钢。,洛氏硬度表示方法示例:,教学视频2 洛氏硬度测量,25,动画8是维氏硬度测定方法的示意。维氏硬度可采用统一的硬度指标,可以测量很软到很硬的材料的硬度,但测量麻烦。 维氏硬度表示方法示例: 600HV30/20。,(3)维氏硬度。以压痕单位面积上的试验力来度量。,26,动画8 维氏硬度测定,4. 冲击韧度,将带有缺口的标准冲击试
14、样,安放在冲击试验机的支座上,把重量为G的摆锤从一定高度H 落下,将试样冲断,之后摆锤仍继续摆动升至高度h,设 : AkG(Hh)。 冲击韧度值: k=Ak / S (J/cm2)。,式中S 为试样缺口处的截面积(cm2)。,27,动画9 冲击试验,冲击韧度是评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标,通常采用一次摆锤冲击弯曲试验进行测定,如动画9所示。,5. 疲劳强度,许多机械零件如弹簧、轴、齿轮等,在工作时承受交变载荷,即交变应力低于屈服强度,但在若干次循环后还会发生断裂。图1为轴的疲劳试验示意。,图1 轴的疲劳试验,28,实验证明,金属材料能承受的交变应力与断裂前应力循环次数 N 有如动画10
15、所示的规律。由图可知,当低于某一值时,曲线与横坐标平行,表示材料可经无限次循环而不断裂,这一应力称疲劳强度或疲劳极限。 用1表示光滑试样对称弯曲疲劳强度。一般钢的循环次数为107,有色金属为108。,疲劳强度(续),29,动画10 疲劳强度曲线,(1)应力水平低,往往远低于屈服极限S。 (2)断裂前无明显形变。 2)疲劳极限r 对称弯曲循环疲劳极限用-1表示。 (1)疲劳曲线(N)有明显的水平线段,则水平线段对应的应力为-1。 (2)疲劳曲线没有明显的水平线段,则在规定的疲劳寿命内不存在疲劳破坏所对应的最大应力。,1)疲劳破坏的主要特点,30,6.断裂韧度,在生产实践中,一些大型、重型或高强度
16、材料零件或构件的突然断裂事故,如大型铁桥、万吨轮船、飞机机翼突然断裂和高压容器爆炸等。这种在材料所承受的应力低于许用应力的情况下,发生的无明显塑性变形的脆性断裂,称为低应力脆断。 研究表明,低应力脆断总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的。这种裂纹可能是气孔、缩松、夹杂物等冶金缺陷,也可能是在加工和使用过程中形成,因而是难以避免的。材料在外力作用下,其中裂纹长度达到某一临界尺寸时,会发生失稳扩展,导致构件断裂。断裂韧度便是指材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗低应力脆断的能力。,31,如动画11所示,材料中存在一条长度为2a的裂纹,在与裂纹方向垂直的外加拉应力的作用下,裂纹尖端附近的应力分布不再均匀,产生严重
17、的应力集中,形成裂纹尖端应力集中场。,动画11 低应力脆断示意图,32,7. 高温下的力学性能,材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。 许多机械零件在高温下工作,所以在室温下测定的性能指标不能代表其在高温下的性能。 一般来说,随着温度的升高,弹性模量E、屈服极限S、硬度等值都将降低,而塑性将会增加,除此之外,还会发生蠕变现象。 蠕变是指金属在高温长时间应力作用下,即使所加应力小于该温度下的屈服强度,也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂。有机高分子材料,即使在室温下也会发生蠕变现象。,33,在9.11恐怖事件中,美国纽约世界贸易中心大楼完全倒塌(见视频3)。恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部,
18、为何会造成整栋大楼完全倒塌?大楼为何会垂直塌落而不是倾倒?这里可能部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题。,教学视频3 世界贸易中心大楼倒塌,纽约世贸大楼曾是世界第一高楼,它高411m,单个塔楼的重量约5104t。撞击大楼的波音757飞机起飞重量104t,波音767飞机起飞重量156t 。它们的飞行速度大约是每小时1000km。从速度比这小得多的汽车相撞事故,可以想象大型客机撞击大楼的冲击力有多么的巨大。,世贸大楼倒塌,34,案例,教学视频4 倒塌原因分析,这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35t燃油,波音767飞机可载51t燃油,由于是从美国东部飞往西部的远程航班,所以飞机上的油箱估计装满了
19、燃油。在起飞后这些飞机很快改变航线撞击纽约世界贸易中心大楼,机上燃油消耗很少,几乎将它的满满一油箱的优质航空煤油都撒到了大楼里,并燃起了熊熊大火。,但据幸存者描述,飞机的撞击使大楼虽然晃动了近1m,但整幢大楼无论是内部还是外部并没有严重塌落,这是大量楼内工作人员得以逃生的关键(见视频4)。,35,长时间猛烈的大火烧软了飞机所撞击的那几个楼层的钢材,数千吨到上万吨重的上部楼层自然就会落下来,像一个巨大的铁锤,砸向下面的楼层,对下面的楼层结构的冲击力远远大于其原先静止时重力,下面的楼层结构自然难以承受,于是一层层垂直地垮塌下来。 北京时间9月11日晚20点45分另一架撞击世贸大楼北部塔楼接近顶部的
20、位置。因其所载燃油较少,加上撞击位置较高,上层压力较小,所以直到北京时间9月11日晚22点28分,即大火燃烧了1小时43分后,世贸大楼北部塔楼才倒塌。 北京时间9月11日晚21点03分撞击世贸大楼的南部塔楼。因其所载燃油量大,加上撞击位置较低,上层压力很大,所以北京时间9月11日晚22点05分,大火燃烧了1小时02分后,南部塔楼反而率先倒塌。,撞击世贸大楼的受力分析,36,1.3 晶体的结构,1.3.1晶体与非晶体 固体可分为晶体和非晶体两类。 晶体中原子按一定规则排列。最普通的非晶体是玻璃,它的原子排列较不规则。非晶体的结构比晶体结构更难确定。 1.晶体的空间点阵和晶系 如果把所有具有相同环
21、境的原子或原子群作为一个质点,则晶体结构可以抽象为这些质点在空间上的、周期性规则排列的空间点阵。,37,2.晶格、晶胞和晶格常数,动画12 晶体中原子排列示意图,在空间点阵中取一单位体积(通常为平行六面体)作为点阵的最小组成单元,称为晶胞。晶胞的大小和形状以晶胞的棱边长a、b、c 和棱边之间的夹角、来表示(见动画12)。,38,根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角,晶体学将所有晶体分为7个晶系,14种空间点阵。称作布喇菲空间点阵,如图2所示。 常见的三种晶格类型: 体心立方晶格; 面心立方晶格; 密排六方晶格。,3.常见的晶格类型,39,图2 布喇菲空间点阵,(1)体心立
22、方晶格结构(见动画13)。,40,动画13 体心立方晶胞,(2)面心立方晶格结构(见动画14) 。,41,动画14 面心立方晶胞,(3)密排六方晶格结构(见动画15)。,42,动画15 密排六方晶胞,1. 多晶体与亚结构 结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”,如图3所示。单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同,这种现象称为“各向异性”。 实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体,每个小晶体内部晶格位向一致,而各小晶体之间晶格位向不同。小晶体称为“晶粒”,晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”,如图4所示,多晶体呈现各向同性。,1.3
23、.2 实际金属的晶体结构,图3 单晶体,图4 多晶体,43,由于结晶条件或加工等方面的影响,使原子的排列规则受到破坏,存在偏离理想结构的区域,称为晶格缺陷。 晶格缺陷对金属的许多性能有极重要的影响,与晶体的凝固、固态相变、扩散等过程都有重大关系,特别是对塑性变形、强度和断裂等起着决定性的作用。 晶格缺陷可分为三类: 点缺陷; 线缺陷; 面缺陷。,2. 晶格缺陷,44,1)点缺陷,点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小的缺陷,如“间隙原子”、“置换原子”和“空位”(见动画16)。间隙原子是在晶格的间隙中存在多余原子;置换原子是指结点上的原子被异类原子所置换;晶格空位是在正常的晶格结点上出现空位
24、。,45,动画16 点缺陷示意图,线缺陷是指在一个方向上尺寸较大,而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷,呈线状分布,其具体形式是各种类型的位错,如动画17所示。较简单的一种是“刃型位错”,好像沿着某个晶面插入一列原子但又未插到底,如同刀刃切入一样。多出的一,列原子位于晶体的上部称为“正刃型位错”,用符号“”表示;位于晶体的下部称为“负刃型位错”, 用符号“”表示。,2)线缺陷,动画17 刃型位错结构示意图,46,面缺陷主要指金属中的晶界和亚晶界(见图5)。 (1)晶界:指晶粒之间形成的交界面。 (2)亚晶界:指亚晶粒之间形成的交界面。亚晶粒是由被称为镶嵌块的小晶粒组成的。,3)面缺陷,晶界、亚晶界
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