第七章工程材料及热处理2-1李月强

精密机械设计李月强E-mail:[e-mail]:[e-mail]:494618第七章工程材料及热处理概述材料工具生产力人类社会的进步石器时代青铜器时代铁器时代工业时代在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。我们的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。早在新石器时代(公元前6000年～公元前5000年)，中华民族的先人们用粘土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。瓷器于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，13世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。我国从青秋战国时期(公元前770年～公元前221年)已开始大量使用铁器。黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)钢的热处理技术也达到了相当高的水平。西汉《史记·天官书》中有“水与火合为淬”一说，正确地说出了钢铁加热、水冷的淬火热处理工艺要点。《汉书·王褒传》中记载有“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”的制剑技术。明代科学家宋应星在《天工开物》一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺作了详细的论述。在材料领域中还应该提到的是丝绸。丝绸是一种天然高分子材料，它在我国有着悠久的历史，于十一世纪传到波斯、阿拉伯、埃及，并于1470年传到意大利的威尼斯，进入欧洲。历史充分说明，我们勤劳智慧的祖先，在材料的创造和使用上有着辉煌的成就，为人类文明、世界进步作出了巨大贡献。在当代，材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。从20世纪60年代到70年代，高分子材料每年以14％的速度增长，而金属材料的年增长率仅为4％。到70年代中期，全世界的高分子材料和钢的体积产量已经相等；除了用作结构材料代替钢铁外，目前正在研究和开发具有良好导电性能和耐高温的高分子材料。涤纶安全带尼龙齿轮陶瓷材料的发展同样十分引人注目，它除了具有许多特殊性能作为重要的功能材料(例如可作光导纤维、激光晶体等)以外，其脆性和抗热震性正在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材料。机器零件和工程结构已不再只使用金属材料制造了。耐磨陶瓷绝缘陶瓷复合材料的研究和应用引起了人们的重视。如玻璃纤维树脂复合材料(即玻璃钢)、碳纤维树脂复合材料已应用于宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身、螺旋桨等、发动机叶轮等；在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船艇等，在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。玻璃钢赛车壳体玻璃钢储液罐近年来超导材料、磁性材料、形状记忆材料、信息材料等各种功能材料有很大的发展。光缆磁浮列车（时速430公里）我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢—贝氏体钢；研制出零电阻温度为128.7K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体)；镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。镁铝合金叶轮镁铝合金手机壳材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展。分层实体快速成形减速机箱体原型熔融沉积快速成形叶轮原型歼7E战斗机碳纳米管材料的分类按材料的性质材料金属材料非金属材料黑色金属及其合金材料有色金属及其合金材料无机非金属材料有机高分子材料按材料的应用材料结构材料：以力学性能为主要使用性能并兼具一定物理、化学性能。功能材料：具有特异物理化学性质，如超导材料、激光材料、生物材料、形状记忆材料等。90%5%5%材料的使用比例钢铁材料有色金属材料其他材料一、金属材料的工程性能应力极限——强度指标弹性模量——弹性指标延展性——塑性指标冲击韧度——韧性指标弹性能和韧性能硬度预备知识1、应力APpm微面积上的平均应力AdAdPAPpAlim0m-m截面上K点的全应力应力是一点处内力的集度，通俗的说，应力是单位面积上的力。2、应变xudxduxuxlim0线段上的平均线应变x线应变线应变是单位长度的伸长量。1、应力极限（Stresslimit）——强度指标主要有：比例极限屈服极限强度极限疲劳极限psbr弹性阶段——Oa屈服阶段——ab强化阶段——bfc局部变形阶段——cd比例极限：应力与应变成正比的最大应力。无残余变形，弹性阶段。屈服极限：应力几乎不变而应变增加的最小应力。出现了显著塑性变形，屈服阶段。强度极限：断裂前的最大应力。标志材料失去承载能力，强化阶段。疲劳极限：N次应力循环后，材料不发生疲劳破坏的最大应力。冷作硬化：常温下经过塑性变形使材料强度提高，塑性降低的现象。2、弹性模量（Modulusofelasticity）——弹性指标反映了材料抵抗变形的能力，是衡量材料刚度的性能指标。数值上等于产生单位应变所需要的应力。在比例极限范围内：EG弹性模量剪切弹性模量GE单向应力状态下的虎克定律E=tgG=tg3、延展性（Ductility）——塑性指标衡量材料塑性性能的指标，包括伸长率和断面收缩率。（1）伸长率：（Elongationafterfracture）%1000LL0LL——标距内的伸长量（断裂后）——标距原长——塑性材料：结构钢、铝合金、青铜、低碳钢——脆性材料：铸铁、高碳工具钢、混凝土、石料%5%5（2）断面收缩率：（Reductionofareaafterfracture）%1000AA0AA——断裂处面积的缩小量——原面积4、冲击韧度（Impacttoughness）——韧性指标衡量材料承受冲击载荷的能力。韧性是材料破坏所需要的功。冲击韧度是材料缺口处单位面积上所消耗的冲击功。FAmkJFAkkk)/(2——试样击断时所消耗的冲击功——缺口处的截面积5、弹性能和韧性能（Resiliencyandductileenergy）弹性能：在弹性变形范围内，应变能以势能的形式储存在材料内部，撤去外力后势能全部释放，这种应变能称为弹性能。韧性能：材料在断裂前所能吸收的能量称为韧性能。6、硬度（Hardness）表明材料表面在一个小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。常采用压痕深度或压痕单位表面积所承受的载荷作为硬度值高低的指标。（1）布氏硬度（Brinellhardness）利用一个一定直径的硬钢球，在一定载荷下压入材料表面，保持数秒使其达到稳定状态，然后将载荷卸除。布氏硬度值（HB）由单位压痕表面积上所承受的载荷数表示。（2）维氏硬度（Vickershardness）与布氏硬度试验原理相同，只是用顶角为136度的金刚石棱锥体作为压印头。维氏硬度值（HV）由单位压痕表面积上所承受的载荷数表示。（3）洛氏硬度C（RockwellChardness）洛氏硬度测定法根据压印头的种类和载荷的大小可分为若干种，应用最广泛的是洛氏硬度C。洛氏硬度C值（HRC）以顶角为120度的金刚石圆锥作为压印头。先加98N的初载荷，再加1372N的主载荷，停留一定时间后将主载荷卸去，材料回弹一部分，以此时的压痕深度作为硬度值的计算依据。002.0100hHRC金属材料工程性能的影响因素：1、含碳量的影响：钢的含碳量越高，材料的强度和硬度越高，塑性降低。2、合金元素的影响：铬可以提高钢的硬度、耐磨性、冲击韧性和淬透性；锰可以提高钢的强度和淬透性；镍可以提高钢的强度、耐热性和耐蚀性；钨可以提高钢的硬度和韧性。3、温度的影响：高温下强度和硬度随温度升高而降低，塑性增高。4、热处理的影响：不同的热处理工艺会使钢的工程性能产生不同程度的变化。