工程材料及热处理

工程材料及热处理授课教师：李静绪论WhatisMaterialsClassificationofMaterialsWhatisMaterialsScienceWhatisMaterialsEngineeringImportanceofMaterialsonProgressofhumanHistoryandModernScienceandTechnologyObjectiveandMethodsofLearningthisCourse我们的周围到处都是材料我们的衣食住行的必备条件人类一切生活和生产活动的物质基础先于人类存在，并且与人类的出现和进化有着密切的联系一、什么是材料？具体地说，材料是用来制造各种产品的物质，这些物质用来生产和构成功能更多、更强大的产品。金属、陶瓷、玻璃、半导体、超导体、塑料、橡胶、纤维、砂子、石块，还有许多复合材料都属于材料的范畴。矿物燃料、空气和水，是否是材料？1.材料的定义Material：材料科学（工科）物质科学（理科）材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。Webster编者“NewInternationalDictionary（1971年）”中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维等）迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。2.原料与材料•原料（RawMaterials）•由原料到材料。•原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化学变化。•材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转变过程不发生化学变化。3.材料与物质材料与物质(MaterialsandMatter)材料可由一种或多种物质组成。同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异、类型不同的材料。4.类别类别classifications材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。金属材料化学组成分类无机非金属材料components有机高分子材料功能材料作用分类Function结构(工程)材料金属材料(1)黑色金属材料钢Steel化学成分——碳素钢、合金钢品质——普通、优质、高级优质钢金相组织或组织结构——珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体用途——建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能铸铁(2)有色金属五大类轻金属（4.5g/cm3）铝、镁、纳、钙重金属(4.58/cm3)铜、镍、铅、锌贵金属金、银、铂、铑类金属（半）硅、硒、绅、硼稀有金属钛、锂、钨、钼、镭常用的稀有金属材料有：Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni……(3)基本特性PrincipalPropertiesa.金属键，常规法生产的为晶体结构；b.常温下固体熔点较高；c.金属光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热、导电性好；g.空气中易氧化。(4)用途Applicationa.结构材料:如机床,建筑机械设备、工程交通工具；b.导体材料，电线芯（铜）c.工具无机非金属材料Inorganicnonmetals(1)分类（按成分，化学结构和用途分四大类）混凝土（水泥）玻璃Glass硅及耐火材料Silicon陶瓷（器）Ceramics传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧制而成。(SilicateCeramics)特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）(2)基本特性以陶瓷为例，有较大差别a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温抗氧化d.导热、导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨；g.成型方式为粉末制坏、烧制成型(3)用途建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。工程陶瓷工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）绝缘瓷瓶。功能陶瓷：磁性、导电。高分子材料Polymers,Macromolecules(1)分类按主链结构Backbonechain碳链–C–C–C–杂链–C–N–C=O；–C–O–C–元素Si、P、B按使用性质塑料Plastics橡胶Rubber天然、合成纤维Fiber天然、合成粘合剂Adhesive涂料Coating(2)基本性质a.共价键，部分范氏键b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态、粘流态d.比重小e.绝缘性好f.优越的化学稳定性g.成型方法多(3)用途结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件建筑材料：贴面板、地贴包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料涂装：涂料粘合剂：粘合剂日用：织物（衣服）胶鞋运输：轮胎，传送带复合材料Composites定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的新的性能的材料(1)分类按性能：结构复合材料功能复合材料按增强剂形状及增强机理：粒子增强纤维增强按复合方式分类基体Matrix增强体Reinforcement金属金属、无机非金属无机非金属金属、无机非金属高分子(塑料、橡胶)金属、无机非金属、高分子(纤维)(2)基本性质a.抗疲劳性能良好；b.结构件减震性好；c.比强度和比量高；d.耐烧能性和耐高温性能好e.具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能(3)用途无机--高分子:玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)——汽车,游艇，碳纤维增强塑料——飞机机翼、高尔夫球棍、撑杆跳杆金属—陶瓷:飞机螺旋桨叶综合金属韧性，陶瓷耐高温性高分子-高分子:橡胶增韧塑料抗冲ABS树脂减震材料其它类型•BiomaterialsBiomaterialsareemployedincomponentsimplantedintothehumanbodyforreplacementofdiseasedordamagedbodyparts.AdvancedmaterialsMaterialsthatareutilizedinhigh-technology(orhigh-tech)applicationsaresometimestermedadvancedmaterials.lasers,integratedcircuits,magneticinformationstorage,liquidcrystaldisplays(LCDs),fiberoptics,andthermalprotectionsystemsfortheSpaceShuttleOrbiter.二、材料的重要作用ImportanceofMaterialsfortheDevelopmentofHumanHistoryandScience&Technology材料是人类社会发展的巨大推动力，制造生产工具的物质基础是材料。石器时代——陶器时代——青铜时代——铁期时代——复合材料自古以来，材料的发展水平就是人类社会文明程度的标志.材料的使用和发展，与生产力和科学技术的水平密切相关。举例1764年工业革命，第一部机器（手摇）1769年，水力纺纱机1782年，蒸汽机为动力的纺纱机，纺织业（动力）瓦特发动机、传动机、工作机——机器系列机器制造铁——冶炼业1945年电子管计算机，几间大屋半导体——集成电路——小型芯片、液晶、分子器件、计算机（PC）手提电脑，掌上电脑目前材料品种：几十万种（手册中）科学技术发展的三大支柱：80年代能源、材料、信息90年代信息技术、新材料、生物技术高速民航客机使用的复合材料，高比强、代替金属、重量轻耐摩擦、热氧稳定、力学性能生物降解材料（环境保护），计算机、液晶显示屏（低电压）信息社会要术各种各样光、电、磁、声材料各种材料相互替换、复合、共性、特性，纳米材料三、材料科学与工程的范畴和任务（1）学科建立EstablishmentofMaterialScienceandEngineering1960’s金属材料——金相学——金属学无机材料——无机化学——陶瓷学高分子材料——高分子化学——高分子物理(2)内容和任务ContentsandObjective材料科学：从理论上研究金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工工艺同材料性能及材料应用之间的相互关系。材料科学与工程：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学学科性质：是介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学（边缘学科）。研究内容科学性a.从化学角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系b.从物理角度，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各物性之间的关系c.材料的制备工艺技术性d.材料的性能表征e.材料的应用(3)材料工程MaterialsEngineering对于工程技术人员：如何选择特定应用环境下需要的材料，来满足使用要求，如何按实际要求设计新材料，须弄清以下三个关系使用性能Performance合成与制备过程SynthesisandProcessing组成与结构CompositionsandStructures性质Properties（工程）（化学）（物理学）（材质）——材料内部结构与性能（内部形态）——加工工艺与性能（使用环境，耐久性）——材料的性能与使用过程四、本课程的内容和学习方法绪论Introduction材料的定义、分类及基本内容第一章工程材料的力学性能材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳性和耐磨性等第二章工程材料的基础知识决定工程材料的性能的基本因素时他们内部的微观结构和组织状态，本章以金属材料为例，介绍与工程材料有关的微观组织结构的基础知识第三章金属的塑性变形与再结晶在塑性变形的过程中，金属组织和性能也发生了相应的变化，因此，研究金属塑性变形以及变形金属在加热过程中所发生的变化，对充分发挥金属材料的力学性能有重要的意义。第四章钢的热处理热处理时将金属或合金在固态下经过加热、保温和冷却等三个步骤，以改变其整体或表面的组织，从而获得所需性能的一种工艺。第五章金属材料第六章非金属材料和复合材料高分子材料、陶瓷材料和复合材料第七章常用机械工程材料的选用机械零件的设计包括零件结构设计、材料选择和工艺设计三个方面，选材或用材不当是造成零件失效的重要原因主要参考书魏广升，褚祥志.工程材料学.北京：中国劳动出版社，1996崔占全，机械工程材料.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000吴承建主编.金属材料学.北京：冶金工业出版社，1999第一章工程材料的力学性能材料在不同的外界条件下使用的，如在载荷、温度、介质、电场等作用下将表现出不同的行为，即材料的使用性能。使用性能主要包括：力学性能、物理性能和化学性能。力学性能是指材料在载荷(外力)作用下所表现出的行为。第一节材料的强度与塑性一、强度1.定义：强度是指材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力。通常强度是根据国家标准(GB6397-1986)的规定进行静拉伸试验测得的。2.拉伸应力-应变曲线特点1）弹性变O-A2）塑性变形B-D3）断裂点D=F/SF=(LF-L0)/L03.力学性能指标1）材料对弹性变形的抵抗能力-----------弹性模量E=应力/应变*弹性模量E反映了材料产生弹性变形的难易程度。（刚度）保证了材料不发生过量弹性变形。*弹性模量取决于材料本身。合金化、热处理及冷热变形影响不大。2）强度指标a屈服点强度s*0.2：残余变形量为0.2%时的应力值二、塑性塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。一般用伸长率(δ)或断面收缩率(Ψ)来反映材料塑性的好坏。δ=(L1-L0)/L0Ψ=(S0-S1)/S0意义：1.材料可通过局部塑性变形来削减应力峰，缓解应力集中，从而防止突然破坏。2.通过发生塑性变形和因此引起的形变强化，可提高抵抗过载的能力。3.如果零件失效前产生塑性变形，由于塑性变形可吸收大量能量，可使失效的破坏性降到最小。4.好的塑性有利于压力加工成型工艺。第二节材料的硬度定义：表示材料