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第1章工程零构件对材料性能的要求1.1负荷概述1.2工程设计与加工工艺所需要的材料性能1.3工程材料类型及主要特征退出1.1负荷概述（load）负荷→零件→可能产生各种损伤→（严重时）失效1.1.1力学负荷（mechanicalload）•加载形式：拉伸与压缩、剪切、扭转、弯曲、以及组合加载(如车床主轴)。•效应：变形→严重时破坏（断裂等）。交变负荷：周期性变化，如齿轮冲击负荷：瞬时加载，如锤击静负荷动负荷•负荷性质图1-1图1-3图1-4图1-21.1.2热负荷(thermalload)•温度因素（temperatureeffects）：高温、低温、热冲击。⑴T↑，材料强度↓。普通钢材从室温上升到600℃,强度下降一半之多。⑵T0.3Tm，很小应力下的缓慢变形（蠕变creep）。⑶急热急冷产生的热应力（thermalstress）。⑷低温下的材料脆化（embrittlement）。1.1.3环境介质的作用（environmentaleffect）产生物理、化学作用；磨损作用等。①腐蚀（corrosion）：化学腐蚀、电化学腐蚀和物理溶解（详细情况和选材见第12章）。②摩擦磨损（frictionandwear）：接触零件间相对运动时发生，引起功和能消耗、噪声等。磨损是零件表面材料的逐渐失去，常见类型有粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损和麻点磨损（接触疲劳）。（详细叙述和选材见第10章）。③老化作用（degradation）：各种环境因素作用下材料性能的逐渐退化、变坏，最终丧失使用价值的现象。例轮胎龟裂、发粘，塑料变硬变脆。老化的环境因素：温度、日光、电、辐射、应力、化学介质等。1.2工程设计与加工工艺所需要的材料性能零件（如齿轮、螺钉）→部件（如变速器ִ、齿轮箱）→机器（如机床）。1.2.1整机性能→零部件性能→材料性能的关系（materialproperty）•在合理设计制造基础上，机器的性能主要由其零部件尤其关键件的强度及其它相关性能所决定。•机械零件的强度很大程度上由材料的强度及其它力学性能所决定。例1：机床（参考教材P3）例2：柴油机（参考教材P3）1.2.2工程材料力学性能（mechanicalproperty）(1)拉伸试验和应力—应变曲线（tensiontestandstress–straincurve）弹性变形——塑性变形——断裂(2)弹性和刚度（elasticityandstiffness）σe弹性极限σ∝εσ＝E·εE＝σ/εE称为材料的刚度弹性模量的比较：陶瓷＞金属＞＞高分子材料。•工程应用：要求低E（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫子。要求高E（保持固有形状能力强），如主轴，钻杆。要求比刚度（E/ρ）大（轻而不易变形），如航空航天碳纤维复合材料＞Ti合金＞Al合金＞＞钢铁图1-5图1-7图1-6(3)强度和塑性（strengthandplasticity）强度——材料抵抗变形和断裂的能力。塑性——材料产生塑性变形的能力。•屈服强度σs（σ0.2）=Ps/F（MPa）,是零件最重要的设计指标。•抗拉强度σb=Pb/F，也是重要的设计指标，数据易得。•比强度σs/ρ及σb/ρ，单位质量的强度：水泥0.8，木材12.5，钢5.2，铝11.1，Ti13.3，碳纤维160.9。•延伸率δ=（l1－l0）/l0×100%。•断面收缩率ψ=（F0－F1）/F0×100%。塑性不能直接作为设计指标，但可作为参考指标。•课堂讨论：塑性指标的作用。•粘弹性（自学，高分子材料明显）。(4)硬度（hardness）材料的软硬程度，用压痕深度或面积表征。①压痕深或面积大，材料软；反之硬。②测量方便，一般属无损检测。③硬度与强度、塑性存在一定的关系。硬度是零件设计时的主要力性技术要求。④零件中、高硬度要求时，用洛氏硬度30～70HRC标注公差3～5HRC。零件中、低硬度要求时，用布氏硬度100～450HBS标注公差30～50HBS。如60～63HRC,235～265HBS等，另1HRC≈10HBS,如400HBS≈40HRC。图1-8图1-9(5)冲击韧性（impacttoughness）材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，常用缺口试样冲断所吸收的功。冲击功高，韧性材料如钢筋；冲击功低，脆性材料如玻璃、陶瓷、铸铁。部分材料室温韧性好、低温变脆—存在延性—脆性转折。(6)疲劳极限（fatiguelimit）周期变动应力下的材料强度。σσb一次寿命σσ-1有限寿命σσ-1“永”不破坏，无限寿命。σ-1=(0.45～0.55)σb图1-10图1-11图1-121.2.3工程材料的理化性能（自学）1.2.4工程材料的工艺性能（processingproperty）材料加工成形的难易程度，不同材料很不一样。所以加工方法各不相同。图1-15图1-14图1-13图1-16图1-17图1-18图1-19•金属：铸造工艺性(充型能力、收缩大小、偏析倾向等),灰铸铁、青铜好。可锻性(变形能力、变形难易等),低碳钢、有色金属好。可焊性(易施焊且不易产生缺陷等),钢铁材料中低碳钢好。切削加工性(断屑、粗糙度、刀具磨损等),灰铸铁好。热处理工艺性(接受淬火、变形开裂倾向等),合金钢好。•塑料：多注射（塑）成形，易成形，易加工（包括后续加工）。•陶瓷：多粉末烧结成形，难以切削加工。1.3工程材料类型及主要特征1.3.1分类（type）⑴按使用功能分类：•结构材料（structuralmaterial）：实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。•功能材料（functionalmaterial）：利用其理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等）。⑵按成分分类——三大类或四大类材料（加复合材料）。图1-201.3.2大类材料的特征（characteristics）•金属材料（metals）优点：兼有良好力性(较高强度、刚度、塑性、韧性)及某些理化性能(良好导电、导热性等)和较好的工艺性，价格便宜或适中。大量用作结构材料，部分用作功能材料。缺点：资源有限；特高温及特殊介质中不能胜任。•陶瓷材料（ceramics无机非金属材料，金属与非金属的化合物如Al2O3、SiC）优点：优良理、化性能(耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等)及极好的耐高温性能，且原料来源广泛。主要用在特殊场合(特殊陶瓷)及日常(传统陶瓷)。缺点：性脆、难加工，可靠性差。•高分子材料（高聚物，polymer）优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量轻，加工性好，原料丰富。缺点：力性尤其强度低；不耐高温（≤300℃）；易老化易燃。•复合材料（composites两种或多种材料复合而成）优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要进行人为设计、制造。缺点：目前性能高的价贵。作业：教材P91，2，3，4，8。本章结束返回图1-1受力杆件返回图1-2铆钉联接返回图1-3方向盘返回图1-4火车轮轴返回图1-5拉伸机示意图返回图1-6低碳钢应力应变曲线示意图返回图1-7低碳钢的应力-应变图返回图1-8布氏硬度实验示意图返回图1-9维氏硬度实验示意图返回图1-10夏氏冲击试验示意图返回图1-11不同材料冲击韧性与温度关系曲线示意图返回图1-12疲劳曲线示意图返回图1-13典型铸造工艺示意图A返回图1-14典型铸造工艺示意图B返回图1-15典型焊接工艺示意图A返回图1-16典型焊接工艺示意图B返回图1-17典型焊接工艺示意图C返回图1-18典型塑性加工工艺示意图返回图1-19轧制与铸造的金属棒材组织差异示意图返回图1-20材料的分类返回