单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,第四章：工程材料的性能与常用工程材料,Properties of Engineering Materials and Its types,第一节：,工程设计制造对材料的性能要求,第二节：,工程材料的类型,第三节：,常用工程材料的特征,第四节：,工程领域选材及用材情况,第一节：工程设计制造对材料的性能要求,一、材料与工程实际联系的纽带是性能,,各领域对材料提出了不同的性能要求：,,,机械行业,：主要为力学性能；,,,石油化工,：力学性能，耐腐蚀，耐热性能；,,航天领域,：比强度，比刚度,,,高温强度等从工程意义上说，,材料和材料工程的核心,就是材料的性能以及如何达到所希望的性能性能,使用性能,工艺性能,,指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能力学性能,,物理性能,,化学性能,,强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳,熔点、密度以及电、磁、光和热,耐腐蚀和抗老化,性能,使用性能,工艺性能,,铸造,塑性加工,焊接,液,→,固；流动性,指材料的可加工性,。
热处理,粉末冶金,机械加工,塑性加工,模锻,回到主页,塑性加工,锤上模锻,回到主页,焊接,电弧焊,回到主页,埋弧焊,焊接,电弧焊,回到主页,埋弧焊,焊接,电弧焊,回到主页,CO,2,气体保护焊,表面热处理,感应加热表面淬火,刀具的几何形状及刀具材料,金属切削加工基础,,n,f,切削部分,夹持部分,刀具的组成：,切削部分,夹持部分,内圆加工,.,钻孔,刀具的几何形状及刀具材料,,金属切削加工,,硬质合金刀块,二、材料性能的几点属性,,材料的性能是各种负荷作用的响应,,,力学负荷,(,加力、力矩、能量,),→,力学性能；,,,物理（负荷）过程,→物理性能；,,,化学（介质）作用,→化学性能材料性能的条件性,,材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为，即材料的性能具有条件性例如：含,30%Zn,的黄铜其,σ,b,=,320MPa,（室温,﹑,空气,﹑,拉伸负荷及工业标准的拉伸速度和计算方法,),某材料高温力学性能,=100MPa,，则表示此材料在,500℃,温度下，,10,万小时后伸长为,1%,的蠕变极限为,100MPa,材料性能指标的多样性及评价,,任何一种材料都具有一定数值的各种性能指标，如强度、塑性、导电性、耐蚀性等等。
不同场合所要求的,(,最佳,),性能不同，如：,,成型加工,→,软些好；,,,作为工具,→,尽可能的硬 ；,,欲破碎,→,脆些好；,,做输电线,→,小电阻,(,超导电最好,),；,,,绝缘材料,→,高电阻……,,,三、材料的主要性能要求：,（如,图,4--1,）,,军用产品（核潜艇、航天飞机、导弹等）,：安全，可靠性为第一位，且不惜工本，所用材料定型，不轻易变动民用产品：,多将经济成本放在首位，用满足一定寿命期限的最低成本材料例,1,：飞机机翼和机身的主框架用高强铝合金,,,7075(Al-Zn-Cu-Mg),例,2,：飞机起落架用超高强度钢（,300M,）例,3,：家电、轻工、日用品，强度要求不高且多为不规则,,形状，多用塑料注塑，压塑等成型；,,航天飞机增压舱形状复杂，要求比强度高，不能用,,塑料，而用有色金属超塑性加工成型第二节：工程材料的类型,一：分类,:,,,按存在状态：,单晶体，多晶体和非晶体材料按尺寸：,一维,(,纤维,,,晶须,),、二维,(,薄膜,),和三维,(,块体,),材料等按用途：,建筑材料、机械工程材料、航空航天材料、核材料、信息材料、电子材料、能源材料、生物材料、医用材料等。
按物化性质：,耐磨材料、耐蚀材料、磁性材料、半导体材料、超导材料等,,,最常用、最有价值的分类：,,按其组成和性质：,金属材料、无机非金属材料（陶瓷）、高分子材料和复合材料（如,图,4--2,）按主要功能：,结构材料和功能材料按开发使用时间和先进性：,传统材料和新型材料（先进材料）二、结构材料和功能材料,,结构材料,：,利用其力学性能，制造以受力为主的构件如齿轮、轴、自行车链条、飞机起落架和房梁等有时也要求某些理化性能（第二位，如光泽、热导率、抗腐蚀、抗氧化等）结构材料量大面广，是机械制造，工程建筑，交通运输，能源利用物质基础，结构材料大都属于传统材料现今，新型陶瓷结构材料、高性能高分子材料、复合材,,料正受到高度重视功能材料,：,利用其独特的物理性质（热、光、电、声、磁等），化学性质（溶蚀性、耐腐蚀性、抗渗入性、抗氧化性，催化性能、离子交换性能以及吸收、吸附等性能 ）和生物功能等它在电子、红外、激光、能源、通信等许多新技术发展中起重要作用常用于电子器件、光敏元件、绝缘材料等如制作磁盘、集成电路、光纤以及各类传感器、能量转换器等是今日高科技的基础结构材料和功能材料的划分是相对的，铜既是结构材料（如做涡轮阀门），又是功能材料（导线等）。
三、传统材料和新型材料,,传统材料,：,指在工业中早已批量生产，成熟应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等是建筑业，汽车业等支柱产业的基础（又称基础材料）需求量大，生产规模大，价格低但资源负担大，环境污染严重新型材料（先进材料）,：指正在发展、具有优异性能和应用前景的材料主要用于高科技产品，在商业化或研制之中，具有保密性，如高性能金属材料，特种陶瓷，先进复合材料，金刚石薄膜及生物功能材料等其投资强度高、更新规模快、风险性大、知识和技术密集程度高，成功后回报率高、不以规模取胜（量少利大）传统材料和新型材料的关系：,,传统材料,＋新技术,→,具有更优良性能,→,成为,新材料,,先进材料,＋解密后,→,商业化并大量生产应用,→,,成为,传统材料,从传统角度看，传统材料更为重要，尤其是民用工程第三节：常用工程材料的特征,一、金属材料的特征：,,优良的力学性能：,在具有较高强度的同时，有很好的,,塑性、韧性→广泛用于工程结构材料高强度、高模量、高结合能,：导致具有较高的熔点、,,刚,度及强 度（其结合键为金属键）某,些理化性能,：导电，导热，减摩（如青铜），耐蚀,,（如,不,锈钢，铝，铜合金）性能范围广泛：,从轻金属到重金属，从碱金属、贵金属,,,到过渡金属，其密度、弹性摸量、强度以及抗氧化能力等可在数倍～数百倍范围内变动（故很大选择余地）。
优良的加工性能：,具有好的塑性成型性，铸造性，切削,,加工和电加工性可热处理及表面改性：,大幅度（成倍）改变其性能价格一般比较便宜，易获得,缺点：,,地球资源有限（如铜，仅几十年开采年限）；,,特高温度,(>1050℃ ),及某些特殊介质中不能胜任工程应用广泛：,,机械制造：钢铁,95%,、有色金属,4.5%,、塑料,0.5%,；,,汽车业,(1985,年福特公司,),：钢铁,72%,、铝合金,5.3%,、塑料,,,8.5%,二、无机非金属材料的特性：,,主要由氧化物、碳化物、氮化物以及硅酸盐等物质组,,成的材料，由传统硅酸盐材料演变而来，其,典型代表,,即陶瓷材料,主要由,离子键,或,离子,—,共价键,组成，,具有高键强，高键,,能故具有高化学稳定性，耐高温，耐腐蚀,极高的弹性模量,,,比金属高数倍,属脆性材料，抗压不抗拉硬度高，高温下仍保持高硬度值熔点高,,,高温强度好,作高温材料,,,如陶瓷发动机,,,坩埚等,.,,导电性能变化范围大,：可作为绝缘材料、半导体材料,,以及其他功能材料缺点：,极脆，加工性差，可靠性差工程应用,：,,一般日常用途（传统陶瓷）；,,某些特殊用途（现今陶瓷，如压电材料、磁性材料和生,,物陶瓷，如人造器官）。
三、高分子材料的特征：,,高分子材料是有许多小分子单体经聚合反应（以共价键,,结合）而形成它具有一系列不同的特点：,,密度小：,聚丙烯,910kg/m,3,,,泡沫塑料仅,10kg/m,3,,,对产品,,轻量化有利强度低，但比强度高（,甚至高于钢铁），某些工程塑料,,能代替部分金属制造机器零部件低的弹性模量，较高的弹性,(100%,～,1000%,,金属,0.1%).,,优良的电（绝缘）性能,，作为优良的绝缘材料优良的减摩、耐磨和自润滑性能优良的耐腐蚀性能,（耐酸、碱及某些化学药品），甚至胜,,过一般的不锈钢优良的透光性和隔热、隔音性,.,如有机玻璃、聚苯乙烯,,的透光率,>90%,，是很好的轻型建筑材料可加工性好,，可用各种方法成形与后加工，单件成本低,,廉缺点：,,绝对强度、刚度水平低，不耐热,(<300℃ );,可燃、易老化工程应用：,,一般结构材料（日用品、轻工品等），耐蚀材料，胶粘材料等四、复合材料的特征：,,由两种以上不同性质的材料复合而成,如混凝,,土，胶合板，玻璃钢具有组成它的单一材料所不具备的性能,美国,,先进战斗机中碳纤维复合材料占,40%--50%,，,,垂直起飞,(,包括直升机,),机占,65%,。
先进复合材料很昂贵五、工程材料的主要性能比较,,各大类型材料的主要性质,(,密度、弹性模量、强度等,),,,的比较（如,表,4--3,）：,,密度：,钢铁,>,陶瓷,>,铝,>,玻璃纤维增强复合材料,(GFRP)>,,,塑料耐热性,：陶瓷,>,钢铁,>,铝,>GFRP>,塑料拉伸强度：,钢铁,>GFRP>,铝,≈,陶瓷,>,玻璃,>,塑料,,比拉伸强度,：,GFRP>,铝,>,钢铁,>,塑料,>,玻璃,>,陶瓷韧性：,钢铁,>,铝,≈,GFRP,>,塑料,≈,陶瓷,>,玻璃,,导热率：,铝,>,钢铁,>,陶瓷,>,玻璃,>GFRP>,塑料,,线膨胀系数：,塑料,>,铝,≈,GFRP >,钢铁,>,玻璃,>,陶瓷,,导电率,：铝,>,钢铁,>,陶瓷,> GFRP >,玻璃,>,塑料,,,General Characters of Materials,Chapter3 Properties of Materials,33,化学性能 Chemical Performance,Chapter3 Properties of Materials,34,,溶蚀性,,耐腐蚀性,,抗渗透性,,抗氧化性,——,材料抵抗各种介质作用的能力,化学稳定性,,力学性能 Mechanical Property,Chapter3 Properties of Materials,35,——,材料抵受外力作用的能力,,,,低碳钢的应力,-,应变曲线,拉伸试样,拉伸试验机,应力,,,=,P,/,F,0,,应变,,,= (,l,-,l,0,)/,l,0,,,材料的一些力学性能特点：,很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性；,,多晶材料的强度高于单晶材料；,,这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。
通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的固溶体或合金的强度高于纯金属；,,杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高源于共价键的方向性,Chapter3 Properties of Materials,39,各种材料的硬度特征：,由共价键结合的材料如,金刚石,具有很高的硬度，这是因为,共价键的强度较高,；,,无机非金属材料有较高硬度,,离子键和共价键的强度均较高；,,当含有,价态较高,而,半径较小的离子,时，所形成的离子键强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度高分子材料硬度通常较低,,分子链之间主要以,范德华力,或,氢键,结合，键力较弱,Chapter3 Properties of Materials,40,材料的硬度（hardness),,——,材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度,布氏硬度,（Brinell hardness）,,,,洛氏硬度,（Rockwell hardness）,,维氏硬度,（Vickers hardness）,Chapter3 Properties of Materials,41,,材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标,,,,,,硬度,——,材料抵抗局部变形，特别是局部塑性变形、压痕或划痕的能力,,,,,,1,）布氏硬度,HB,,,2,）洛氏硬度,HRC,,,,Chapter3 Properties of Materials,43,硬度试验,,疲劳性能,,——,材料抵抗疲劳破坏的能力,疲劳（fatigue）：,材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
Chapter3 Properties of Materials,44,,热性能,Thermal Property,热容（heat capacity）,,热膨胀（thermal expansion）,,热传导（thermal conduction）,Chapter3 Properties of Materials,45,各种材料的导热率,金属材料有很高的热导率,,自由电子在热传导中担当主要角色；,,金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；,,晶格振动,,无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低热传导依赖于晶格振动（声子）的转播高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率随温度升高而增大半导体材料的热传导：,,电子与声子的共同贡献,,低温时，声子是热能传导的主要载体较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大高分子材料热导率很低,,热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差Chapter3 Properties of Materials,46,Chapter3 Properties of Materials,47,2.1.3.5 Electrical property,,导电性能,,,Electrical Conductivity,金属：,导体、半导体（半导体金属砷、碲等）,,陶瓷：,绝缘体、半导体,,高分子材料：,绝缘体、半导体、导体,,其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）,第四节：工程领域选材、用材情况,一、汽车,,支柱产业。
1885,年世界上第一辆汽车驶上街头，,1908,年,,美国人福特发明,T,型汽车，并实现了部件标准化和生产装,,配流水化作业汽车工业带动、促进相关工业,(,冶金，石油化工，机械，,,电子电器，轻工，纺织等,),和社会服务行业,(,交通运输，,,石油，保险，维修，商业等,),的发展，经济效益和社会,,效益巨大汽车由上万个零件组装而成汽车工业涉及十一大类材料：,钢铁、塑料、橡,,胶、涂料、有色金属合金、铸件、陶瓷和玻璃、,,金属基复合材料等仅美国每年消耗于汽车的用料约,6000,万吨美国福特汽车公司,(1985,年,),的数据为：钢铁,,,72%,，铝合金,5.3%,，塑料,8.5%,我国以中型卡车为例，钢材,64%,，铸铁,21%,，有,,色金属,1%,，非金属材料,14%,二、航空航天器材料,,特点：,要求高，大量用新材料，保证高可靠性用材广泛：铝合金、钢、钛合金；纤维增强金属基复合,,材料、高分子材料、高温结构陶瓷、特殊玻璃例,1,：,航天飞机在进入太空或返回大气层时，几分钟内从室温达到,1000℃,以上，采用陶瓷作为热绝缘材料,(,用,SiO2,纤维编织成,2,万多个陶瓷片，覆盖机体表面约,70%,的面积,).,例,2,：,玻璃－塑料复合透明件，适用于制造各种飞机的防弹玻璃和抗鸟撞击玻璃等。
三、机床用材,特点：,工作环境好，受力小且平稳；对精度和保,,持精度的寿命要求高用材,:,主要为铸铁,(70%),和碳钢,(20%),,合金钢和,,有色金属占,10%,，近年来工程塑料已经取代部分,,有色金属,(,某些齿轮、垫片、油管、罩壳等,),四、工程机械、矿山机械,,特点：工作条件比较恶劣，易过载、冲击，多以泥沙、,,矿石为对象，磨损严重、户外作业用材,(,日本中型推土机,),：钢材（锻、轧）占,66%,，铸钢,,件占,20%,，铸铁件占,12%,，有色金属,1.5%,，非金属材料,,占,0.5%,；用合金钢作关键件,(,挖掘机斗齿、链条、齿,,轮、履带板等,),五、仪器仪表：,,特点：外观美观，小巧，轻巧用材： 结构钢，有色金属，工程塑料等六、日常及办公用品,,特点：要求不高，美观实用，便宜用材：三大类材料均有；倾向：高分子材料替代各种金,,属和木质材料，如塑料文具，办公家具及其它用品图,4-2,材料的分类,Return,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,表,4-3,各种材料的主要物性,Return,。