第一章-材料的种类与性能课件.ppt
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- 第一章 材料 种类 性能 课件
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1、 工程材料及热加工工艺基础工程材料及热加工工艺基础机电工程学院机电工程学院周玉梅周玉梅第1章 材料的种类与性能n材料按化学组成(或基本组成)分类n根据材料的性能分类 n材料按服役的领域来分类 n材料按结晶状态分类n材料按尺寸分类 1.1 材料的种类1.金属材料2.无机非金属材料3.高分子材料(聚合物)4.复合材料材料按化学组成(或基本组成)分类Element Periodic Table元素周期表金属材料:金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料:可分为由一种金属元素构成的单质(纯金属);由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。无机非金属材料无机非金属材料是由硅酸盐、铝
2、酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和(或)氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多,用途各异,目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的(普通的)和新型的(先进的)无机非金属材料两大类。高分子材料(高聚物 Polymer)高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多,性能各异,其分类的方法多种多样。按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料;按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘
3、剂等。复合材料(Composite)复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料,主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料,它把改善性能的增强相材料固结成一体,并起传递应力的作用;增强相起承受应力(结构复合材料)和显示功能(功能复合材料)的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色,又通过复合效应使各组分的性能互相补充,获得原组分不具备的许多优良性能。金属基复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料MilitaryCommercialHelicoptersSpace复合材料的应用领域根据材料的性能分类结构材料 是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变
4、的优良力学性能(强度和韧性等),用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料,包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料(一般结构材料)以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。功能材料 是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能,被用于非结构目的的高技术材料。材料按服役的领域来分类电子信息材料:指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感(获取)材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。能源材料:
5、按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅等);节能材料包括非晶体金属磁性材料(用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金)和超导材料(Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料);储氢材料航空航天材料:主要包括新型金属材料(如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金)、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外,还包括一些功能材料,如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等生物材料:是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合,它能作用一个系统的整体或部分,在一定时期内治疗、增强或
6、替换机体的组织、器官或功能。医用金属及合金、陶瓷、高分子、复合材料电子信息材料The first solid state transistor(1947 at Bell Labs)Nd:YV04 laser crystalNd:YV04 laser crystalThe optical fiber cable in the foreground has the equivalent information-carrying capacity of the copper cable in the backgroundMagnetic materials能源材料Hydrogen tank of T
7、OYOTA FCHV-3,fuel cell hybrid vehicle,uses the alloy proposed by ETRI.Ni-H battery航天、航空材料555-seat twin-deck,four-aisle,Maximum take-off weight(includinga full load):(617 tons).fly a distance of over 10,000 milesRolls-RoyceTrent900 Engine生物材料Development of an artificial finger joint from HKUCustom in
8、plants,Innova,US材料按结晶状态分类单晶材料 是由一个比较完整的晶粒构成的材料,如单晶是由一个比较完整的晶粒构成的材料,如单晶纤维、单晶硅;纤维、单晶硅;多晶材料 是由许多晶粒组成的材料,其性能与晶粒大小、是由许多晶粒组成的材料,其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。晶界的性质有密切的关系。非晶态材料 是由原子或分子排列无明显规律的固体材料,是由原子或分子排列无明显规律的固体材料,如玻璃、高分子材料。如玻璃、高分子材料。Single crystal silicondiamond材料按材料的尺寸分类1.1.零维材料即超微粒子零维材料即超微粒子。通过。通过Sol-gelSol-g
9、el法、多相沉积或激光等方法、多相沉积或激光等方法,可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末,大小法,可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末,大小1 1100nm100nm的超的超微粒比表面积大(可作为高效催化剂)、比表面能高、熔点低、微粒比表面积大(可作为高效催化剂)、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象(可以成为高效微波续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象(可以成为高效微波吸收材料)。吸收材料)。2 2.一维材料即纤维材料一维材料即纤维材料。如光导纤维由于其信息传输
10、量远比铜、。如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大,而且光纤有很强的保密性,所以发展很快。再铅的同轴电缆大,而且光纤有很强的保密性,所以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性,可以用来增强其比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性,可以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。3.二维材料即薄膜材料,二维材料即薄膜材料,如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响,可表现出不薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响,可表现出不同的电子迁移规
11、律,完成特定的电学、光学或电子学功能,如成同的电子迁移规律,完成特定的电学、光学或电子学功能,如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等,从而有可能作为光学薄膜为绝缘体、铁电体、导体或半导体等,从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件,用于用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件,用于显示或探测器,用于环保或表面改性的保护膜。显示或探测器,用于环保或表面改性的保护膜。4.4.三维材料即块状材料三维材料即块状材料。1.2 材料的力学性能材料的力学性能一、弹性与刚度一、弹性与刚度二、强度与塑性二、强度与塑性三、硬度三、硬度四、冲击韧度四、冲击韧度五、疲劳强度五、
12、疲劳强度六、断裂韧度六、断裂韧度材料在承受各种载荷时的行为材料在承受各种载荷时的行为(静载荷,动载荷,变载荷)(静载荷,动载荷,变载荷)各类材料的应力各类材料的应力-应变行为应变行为应力应力 =P/F0应变应变 =(l-l0)/l0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伸试验机拉伸试验机 p Proportional limit 比例极限比例极限 e Elastic limit 弹性极限弹性极限 s Yeild strength(limit)屈服强度屈服强度(极限)(极限)b Tensile strength 抗拉强度抗拉强度 k Breaking strength 断裂
13、强度断裂强度低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线一、弹性和刚度一、弹性和刚度材料的材料的E越大,刚度越大;越大,刚度越大;n弹性:弹性:指标为弹性极限指标为弹性极限 e e,即,即材料承材料承受最大弹性变形时的应力。受最大弹性变形时的应力。n刚度:刚度:材料受力时抵抗弹性变形的能材料受力时抵抗弹性变形的能力。力。指标为弹性模量指标为弹性模量E E。)(MPatgE 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、冷热加工、合金化等降低外,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
14、的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形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。状来提高零件的刚度。强度强度:材料在载荷作用下材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力抵抗永久变形和破坏的能力。当承受拉力时,主要是当承受拉力时,主要是屈服强度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度。二、强度与塑性二、强度与塑性屈服强度屈服强度 s s:材料发生微量塑性变:材料发生微量塑性变形时的应力值。即形时的应力值。即在拉伸试验过程在拉伸试验过程中,载荷不增加,试样仍能继续伸中,载荷不增加,试样仍能继续伸长时的应力。长时的应力。条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2:高碳钢等无屈服高
15、碳钢等无屈服点,国家标准规定以点,国家标准规定以残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的时的应力值作为它的条件屈服应力值作为它的条件屈服强度,以强度,以0.20.2来表示。来表示。抗拉强度抗拉强度bb:试样在断裂前所能承受的最大应力,表示材试样在断裂前所能承受的最大应力,表示材料抵抗断裂的能力。料抵抗断裂的能力。塑性断裂前材料发生不可逆永久变形的能力断裂前材料发生不可逆永久变形的能力断后延伸率 d (L-L0)/L0断面收缩率y (A0-A)/A0d 和y越高 材料的塑性越好指标指标拉伸试样的颈缩现拉伸试样的颈缩现象象说明:说明:用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真用断面缩率表示塑性比伸长率
16、更接近真实变形。实变形。直径直径d d0 0 相同时,相同时,l l0 0,d d。只有当。只有当l l0 0/d/d0 0 为常数时,塑性值才有可比性。为常数时,塑性值才有可比性。当当l l0 0=10d=10d0 0 时,伸长率用时,伸长率用d d 表示;表示;当当l l0 0=5d=5d0 0 时,伸长率用时,伸长率用d d5 5 表示。显然表示。显然d d5 5 d d d d y y 时,无颈缩,为脆性材料表征时,无颈缩,为脆性材料表征 d d y y 时,有颈缩,为塑性材料表征时,有颈缩,为塑性材料表征二、硬度n用一定载荷用一定载荷P,将直径为,将直径为D的球体(淬火钢球的球体(淬
17、火钢球或硬质合金球),压入被测材料的表面,保持或硬质合金球),压入被测材料的表面,保持一定时间后卸去载荷,测量被测试试表面上所一定时间后卸去载荷,测量被测试试表面上所形成的压痕直径形成的压痕直径d,由此计算压痕的球缺面积,由此计算压痕的球缺面积F,其单位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度其单位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度值值HB=P/F)(2102.022dDDDPHB 120HBS10/1000/30120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm10mm的钢球在的钢球在1000kgf1000kgf(9.807kN9.807kN)载荷作用下保载荷作用下保持持30s30s测得
18、的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120120。布氏硬度的优点:测量误差小,数据稳定。布氏硬度的优点:测量误差小,数据稳定。缺点:压痕大,不能用于太薄件、成品件及比压缺点:压痕大,不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属铸铁及有色金属的硬度。的硬度。材料的材料的 b b与与HBHB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 b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 对于高碳钢:对于高碳钢:b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HB 对于铸铁:对于铸铁:b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或
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