材料学概论-非金属材料

第九章非金属材料第一节高分子材料第二节陶瓷材料第三节复合材料指金属以外的其它材料。机械工程主要使用的非金属材料有高分子材料、陶瓷材料以及复合材料。复合材料船体第一节高分子材料•一、基本概念•以高分子化合物为主要组分的材料有机高分子化合物无机高分子化合物天然—蚕丝、羊毛、纤维素、天然橡胶等人工—把低分子化合物聚合成高分子化合物加成聚合反应（加聚反应）缩合聚合反应（缩聚反应）•二、高聚物的基本性能及特点重量轻绝缘好减摩、耐磨性耐热差耐腐蚀1、物理性能高弹性滞弹性实际强度低开裂现象老化2、力学性能•三、工程高分子材料塑料合成橡胶合成纤维高分子材料•1、塑料•以树脂为基础，再加入用来改善性能的各种添加剂，如填充剂、增塑剂、稳定剂、固化剂、着色剂、润滑剂等①通用塑料②工程塑料③塑料成形工艺聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚酸塑料和氨基塑料力学性能好，高温下长期使用。如ABS、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯挤压成形吹塑成形注射成形•2、合成橡胶•橡胶在室温有高弹性能，在温度范围↑↑处于高弹态，即较小力产生较大变形，外力去除，回复原状。良好伸缩性、储能能力、耐磨、隔声、绝缘等，用于弹性材料、密封材料和传动材料。合成橡胶由石油、天然气、煤等制成单体，再由单体制成聚合反应而成。天然来自橡胶树•3、合成纤维•以石油、煤、天然气为原料制成合成纤维，性能见P225表10-3.有强度↑密度↓耐磨、蚀好，人造纤维用自然界加工而成如人造丝、棉、黏胶纤维、硝化纤维、醋酸纤维。第二节陶瓷材料•一、陶瓷材料的概述•1、概念•传统——指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经粉碎—混炼—成形——煅烧等过程制成的各种制品•现代——包括各种硅酸盐材料和制品在内的无机非金属材料的通称•2、分类原料的制备坯料的成型制品的烧成或烧结传统—烧成T为1250～1450℃特种—烧结T为熔点的2/3～4/5•3、生产粘土石英长石可塑成型注浆成型压制成型•二、陶瓷的组织与结构•陶瓷—由固相和气孔两部分构成的非均质体•1、陶瓷的组织P239图10-18、19•传统——由粘土、石英、长石组成体系各种形状和大小的气孔与晶相、玻璃相三者在陶瓷制品中空间的相互关系（数量及分布结合）构成陶瓷的组织结构低温阶段（20～300℃）分解及氧化阶段（20～300℃）高温阶段（950℃～烧成温度）冷却阶段（烧成温度～室温）析出长大针状英来石液相在750～550℃固态玻璃残留石英由高温向低温转变残余水分排除结构水排除有机、碳素和无机氧化碳酸盐、硫化物分解低温晶型转变成高温晶型烧成式冷却坯体变化氧化分解继续进行共溶体等液相相继各组成相续溶解成粒状或片状一次英来石形成针状英来石长大发生烧结过程、体积收缩•2、晶体相•晶相种类、发育和存在状态、晶体取向、形态等决定陶瓷主要用途和特点。•主晶体相—为陶瓷中数中晶体中数量最多，且作用最大的晶体•日用陶瓷中的主晶体相为英来石•陶瓷中的晶体相主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物三种•(1)硅酸盐•构成硅酸盐晶体结构的基本单元是[SiO4]硅氧四面体。图10-20、P239•Si/O=0.29（半径之比）共价键•(2)氧化物—以离子键结合，也有部分共价键•陶瓷中最重要的氧化物类型：AO、AO2、A2O3、ABO3、AB2O4（A、B表示阳离子）•结构的共同特点：氧离子（一般比阳离子大）进行紧密排列，金属阳离子位于一定间隙中，即四面体和八面体间隙中P241岛状组群状链状层状架状石英SiO2钠长石Na[AlSi3O8]镁橄榄石Mg2[SiO4]硅钙石Ca3[Si2O7]蓝维石BaTi[Si3O9]绿宝石Be3Al2[Si6O18]硅氧四面体连接方式透辉石CaMg[Si2O6]透闪石Ca2Mg5[Si14O11]2(OH)2镁橄榄石Mg2[SiO4]•(3)非氧化物•指不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物，碳化物•主要由强大共价键结合，也有部分金属键和离子键碳化物氮化物硼化物和硅化物B、Si原子间具有较强的共价结合P243间隙相—C溶入TiC复杂碳化物——Fe3C氮化物BN六方晶格Si3N4AlN六方晶格共价键和金属键的过渡相与石墨结构相似•3、玻璃相•陶瓷中含20～40%玻璃相•当玻璃由熔融态转变为无定形固态时，液态的无规则结构被冻结下来•玻态结构：硅氧四面体组成不规则的空间网.形成骨架①将晶体相粘连起来，填充晶体相之间的空隙.致密↑②降低烧成温度，加快烧结过程③阻止晶体转变，抑制晶体长大④获得一定程度的玻璃特性.如透光性等•4、气孔•由原材料中的气孔和成型后颗粒间的气孔构成•三、陶瓷的性能•具有强化学键，σb↑HB↑抗蚀↑高温性能↑•具有绝缘、导体、半导体和超导体特性—光学、磁学、电学、力学①开口气孔——一端封闭，另一端与外界相通②闭口气孔——封闭在制品中不与外界相通③贯通气孔——贯通制品的两面•1、力学性能①弹性E↑——气孔率↑E↓②硬度离子半径↓离子电价↑配位数↓结合力↑HB↑③脆性断裂和强度抗压σb=10抗拉σb④塑性滑移系↓位错运动的切应力↑塑性开始温度为0.5Tm（Tm熔点绝对温度）•2、力学性能3、光学性能•4、电学性能•5、磁学性能磁性陶瓷—铁氧体①热膨胀比金属低得多②导热性比金属低得多③热稳定性①高温透镜材料②建筑瓷砖、艺术砖①导电性能②介电性能•四、常用陶瓷•1、传统陶瓷•粘土——长石——石英组成①日用瓷—良好的白度、光泽度、透光度、热稳定性和机械强度②普通工艺陶瓷—火石器（陶器与瓷器之间的陶瓷）及精陶•2、特种陶瓷①氧化物陶瓷——Tm2000℃.单相多晶结构.如Al2O3、ZrO2②非氧化物陶瓷——HB↑耐磨性↑脆性↑抗氧化900～1000℃如硅化物、硼化物碳化物——加热元件、砂轮、磨料和耐火材料氮化物——六方和六方晶系.介电体、耐火润滑剂•3、金属陶瓷•用粉末冶金生产的金属同陶瓷组成的非均质复合材料•工艺—制粉、成形和烧结•金属相—Ti、Cr、Ni、Co和它们的合金•非金属相—氧化物、碳化物、硼化物氮化物等•五、陶瓷材料应用举例P253～254①氧化铝Al2O3+SiO2α-Al2O3刚玉②氮化硅Si3N4第三节复合材料•一、概念•由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到一种多相固体材料.•1、分类基体起粘结副作用增强体起提高强度、韧性的作用细粒连续纤维、层叠复合材料、骨架、涂层•2、复合的方法熔体抽丝法—如将玻璃熔成液体、以极快速度抽丝热分解法—人造、天然纤维—预氧化—中碳化—石墨化制得纤维气相沉积法—将BCl3与H2温合高温、B沉积在极细的W丝上制得拔丝法—金属细丝纤维的制取手糊成形法压制成形法缠绕成形法喷射成形法纤维与树脂复合熔融金属法.浸透法等离子喷涂法热挤热轧法扩散结合法无机纤维与金属复合•二、增强机制及复合原则•1、增强机制•细粒相作用：阻碍基体中位错运动或分子链运动.当细粒相d0.01μm时位错易绕过，d0.1μm造成邻进应力集中或本身破裂①纤维具有强结合键的物质或硬质材料②纤维处在基体中，彼此隔离，表面得到保护，不易受到损伤③σ↑有裂纹的纤维断裂，但δ↑ak↑基体能阻止裂纹扩展④纤维受力断裂，断口不在一个平面⑤在不均匀的三向应力状态下，即使是脆性组成，也表现出明显塑性纤维•2、复合原则①纤维是材料的主要承载体组成，故具有最高的强度、刚度②基体起粘结纤维的作用③纤维与基体间应有高但适当的结合强度④纤维须有合理的含量、尺寸和分布⑤纤维和基体的热膨胀性能应有较好的协调与配合①对纤维有润湿作用②有一定韧性、塑性，对裂纹其控制③能保护纤维表面，不引起裂纹、不损伤表面•3、界面复合•它们的界面是一个多层结构的过渡区，一般包括五层.•P258图10-31增强材料与基体有很好的浸润，两者会形成较好的界面结合，界面强度则较大.当浸润不良，界面上会产生空隙，以而形成应力集中，导致界面开裂。•三、性能特点•1、比强度和比刚度高（σ/ρ,E/ρ）•2、抗疲劳性能好•3、减震能力强•4、高温性能好•5、断裂安全性高•四、常用复合材料•1、玻璃纤维复合材料①热塑玻璃钢②热固性玻璃钢①碳纤维树脂②碳纤维碳③碳纤维金属④碳纤维陶瓷•2、碳纤维复合材料①硼纤维树脂②硼纤维金属•3、硼纤维复合材料①金属纤维金属——W、Mo丝，基体Ni、Ti等合金②硼纤维金属——W、Mo纤维与氧化铝、氧化锆•4、金属纤维复合材料第十章工程材料的选用教学目标10.1概述10.2材料选用的原则和方法10.3典型零件选材和工艺路线简介本章小结10.1概述(1)机械零件设计应包括零件结构设计、材料选择和工艺设计三个方面。三者相互影响，必须协调考虑。只重视零件的结构设计，而忽视材料的选择，往往是造成零件在使用过程中不正常失效的重要原因之一。因此，只有正确选择工程材料，才能保证零件的设计要求。1.失效概念:指零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的功能。7.1概述(2)失效形式有以下三大类：1、断裂失效主要失效形式（1）延性断裂,（2）脆性断裂,（3）疲劳断裂,（4）蠕变断裂2、过量变形在外力作用下零件发生整体或局部的过量弹性变形、塑性变形或蠕变导变形致整个机器或设备无法正常工作，或者能正常工作但保证不了产品质量的现象，称之为过量变形。3、表面损伤（1）磨损失效；（2）接触疲劳失效；（3）腐蚀失效零件失效与很多因素有关。设计、材料、加工工艺和安装等7.2材料选用的原则和方法一、使用性能原则使用性能:是指材料能保证零件正常工作所必须具备的性能。包括:力学性能、物理性能和化学性能首要任务是正确地分析零件的工作条件和主要的失效形式，准确地判断零件所要求的主要力学性能指标。其次考虑特殊要求和使用环境7.2材料选用的原则和方法常见材料的基本力学性能(1)钢的力学性能7.2材料选用的原则和方法(2)铸铁：机械性能与石墨形态有关，一般抗拉强度较低，塑性较差。但承压、耐磨、几乎不具有缺口敏感性。(3)铜和铝合金：良好的抗腐蚀性，良好的塑性和一定的强度。铝合金具有较高的比强度。(4)工程塑料：良好的抗腐蚀性，绝缘性，强度、韧性较好，但工作温度低，老化现象不可避免。7.2材料选用的原则和方法二、工艺性能原则工艺性能是指材料适应某种加工的能力，或加工成零部件的难易程度。工艺是指将原材料经过一系列的加工变为零件或机器的过程。工程塑料：具有良好的工艺性能。铜和铝合金：具有良好的工艺性能。铸铁：具有优良的铸造性能和切削加工性能，不能锻造，可焊性很差。钢：具有良好的锻压性能，特别是低碳钢还有良好的焊接性能。钢的铸造性能较差。合金钢有较好的热处理性能。7.2材料选用的原则和方法二、工艺性能原则7.2材料选用的原则和方法三、经济性原则1.材料的价格应该尽量低7.2材料选用的原则和方法三、经济性原则7.2材料选用的原则和方法三、经济性原则2.零件的总成本应该尽量低7.2材料选用的原则和方法三、经济性原则3.资源的考虑材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。对某—工厂来说，所选材料种类、规格，应尽量少而集中，以便于采购和管理。总结:在首先保证材料满足使用性能的前提下，再考虑使材料的工艺性能尽可能良好和材料的经济性尽量合理。7.3典型零件选材和工艺路线简介一、齿轮类零件的选材与工艺路线1.齿轮的工作条件(1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；(2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；(3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。2.齿轮的失效形式疲劳断裂(主要从根部发生)齿面磨损由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小一、齿轮类零件的选材与工艺路线(2)2.齿轮的失效形式齿面接触疲劳破坏过载断裂(冲击载荷过大造成的断齿)3.齿轮材料的性能要求(1)高的弯曲疲劳强度；(2)高的接触疲劳强度和耐磨性；(3)较高的强度和冲击韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。一、齿轮类零件的选材与工艺路线(2)4.齿轮类零件的选材性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越