常用工程材料知识

常用工程材料知识讲座东南大学材料科学与工程学院吴申庆第一讲:我们为什么要学习工程材料?材料是用于制造有用物件的物质。我们每天都在和各种工程材料打交道;我们的产品是由各种工程材料制成的,产品的品质质量往往与材料密切相关;只有熟悉材料的品种,性能,特点,才能够制造出合格的高质量的产品,提高经济效益,合理降低成本,同时保证安全高效率的生产.历史证明材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑.例如“石器时代”、“铜器时代”、“铁器时代”等,都是以特征性的材料作为时代的标志.公元前476年我国的青铜礼器6000年前的石器工具古埃及的陶器取水罐越王勾践剑不锈之谜1965年，在湖北省荆州市望山楚墓群中，出土了一把锋利无比的宝剑。专家通过剑身八个鸟篆铭文解读，证明此剑就是传说中的越王勾践剑。让人惊奇的是，青铜宝剑穿越了两千多年的历史长河，但剑身丝毫不见锈斑。秦始皇陵出土的铜车马应用了多种材料和令人惊叹的工艺技术在近代，钢铁材料的发展对于工业革命进程起了决定性的作用；半导体材料的发展把人类带入了信息时代。当今，人们把材料、信息、能源作为现代文明的三大支柱。新材料技术成为三大高新技术之一.根据材料的组成结构，可分成金属材料、无机非金属材料、高分子材料三大类；根据材料的性能特征，可分成结构材料和功能材料。2008年我国粗钢产量50091.5万吨，同比增长2.4％，钢材产量58488.1万吨，同比增长3.4％，中国钢产量占世界粗钢总产量的近38％，连续12年保持世界第一，并且遥遥领先于其他国家。中国钢铁产量比排名2-8位的日本、美国、俄罗斯、印度、韩国、德国、乌克兰等七个国家的总和还多！预计到２０１０年中国钢材需求量将达５．２亿吨，大部分钢材品种的生产能力能够满足国内市场需求。中国钢材消费进入平稳增长期，２００７年国产钢材市场占有率达到９５．８％，说明大部分产品已经能够满足国民经济和社会发展需要，结束了长期以来钢材严重短缺的局面。中国每年消耗全世界1/3左右的的钢材。是名副其实的钢铁大户.钢材是国家建设和实现四化必不可少的重要物资，应用广泛、品种繁多。不同的零件,制品,使用的钢材品种不同.不同品种的钢材价格上差异很大.学习掌握常用工程材料知识，了解各种材料的性能可以帮助我们正确地选择材料、加工材料、使用材料，为企业国家创造经济效益有着非常重要的作用。我们需要学习哪些知识呢？工程材料的种类金属材料的分类及应用金属材料的性能金属材料的加工工艺钢材的热处理常识常用钢材和型材第二讲:工程材料的种类材料是人类生产和生活的物质基础。材料的种类很多。工程材料顾名思义就是应用于各类工程的材料。如机械工程，化工工程，信息工程，环境工程，生物医学工程等等。生物医学工程材料我国制造的世界第一个钻井储油平台正在通过江阴长江大桥工程材料中用于机械制造的各种材料，称为机械工程材料。用来制作机械工程结构、机械零部件和各类工具，模具。工程材料高分子材料陶瓷材料金属材料工程材料可分为三大类高分子材料是由碳C，氢H，氧O等元素组成相对分子量较高的聚合物构成的材料。我们接触的很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。一般称在生活中大量采用的，已经形成工业化生产规模的高分子为通用高分子材料，称具有特殊用途与功能的为功能高分子。它们具有跟低分子化合物不同的许多宝贵性能。例如、弹性高、可塑性强、耐腐蚀、电绝缘性强、气密性好等，使高分子材料具有非常广泛的用途。高分子材料的性能特点：1.质量轻:密度0.9-2.3g/cm32.良好的电绝缘性:电阻率1016~1020Ωcm,介电损耗极低-----优良的绝缘材料3.隔热性:热导性只是金属的1/100至1/1000;4.抗腐蚀性:可抵御酸,硷,盐以至王水的腐蚀5.透光性:与玻璃媲美6.装饰性:可添加色料或镀色，多彩美观7.原料来源广泛,加工成型方便,成本低.缺点是：不耐高温，易老化，强度低一种列车用新型塑料内饰板材陶瓷材料是由碳C，硅Si，氮N，氧O按一定的结合键结合成固定结构的材料.具有高强度、高硬度、低密度、低膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀、隔热、化学稳定性好等优良特性，已成为广泛应用于航天航空、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域的新型工程材料。传统陶瓷是以无机非金属天然矿物或化工产品为原料，经原料处理、成形、干燥、烧成等工序制成的产品。然而现代科学技术发展对材料的性能提出了更加苛刻的要求，单组分材料难以满足需要.上世纪80年代，随着陶瓷材料增强增韧理论的发展，促使了陶瓷基复合材料的诞生，更好的满足了科学发展的需要.由于陶瓷材料同时具有高脆性、低断裂韧性及材料弹性极限与强度非常接近等特点，因此陶瓷材料的加工难度很大，加工方法稍有不当便会引起工件表面层组织的破坏，很难实现高精度、高效率、高可靠性的加工，从而限制了陶瓷材料应用范围的进一步扩展。氧化锆增韧氧化铝陶瓷（简称复合陶瓷，ZTA），是四方氧化锆多晶(TZP)材料、部分稳定氧化锆(PSZ)或氧化锆弥散增韧的氧化铝陶瓷(ZTC)，质白、耐腐蚀、化学稳定性好。在应力诱导下发生马氏体相变而吸收应变能，成为在陶瓷材料中力学性能最好的材料。氧化铝硬度大、氧化锆韧性好的特点，经两种材料复合后形成了高强度、高韧性的优能复合体，使其用途更加广泛。在常温下具有最高的抗折强度和段裂韧性，因而氧化锆增韧陶瓷具有出色的耐磨性能。现代一些陶瓷产品金属材料：由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。金属有光泽、易传热、易导电及延展性。金属材料性能优越，强度高，易于切削加工，是机械工程中应用最广泛，最重要的材料。北京.国家体育馆“鸟巢”是北京２００８年奥运会新建的重要比赛场馆之一，该馆设计容纳１８０００名观众。其中，钢屋架南北长１４４米，东西宽１１４米，整个工程由１４榀桁架组成，总用钢量达２８００吨，钢屋架形状呈扇形波浪曲线，是目前国内空间跨度最大的双向张弦钢屋架结构体系。大量采用了焊接结构.南京长江二桥南汊桥是“双塔三跨式”公路钢索斜拉桥,位于长江主流上,主跨628m,主桥长1238m,最大通航水位24m,桥面高35m,总宽38m,南、北主塔高195.550m(从塔柱底面到塔冠),塔柱成倒“Y”塔型,全部为钢结构.杭州湾大桥亚洲最大火车站即将落户南京在新疆达坂城“百里风区”长约80公里、宽约20公里的戈壁滩上，200台风力发电机成方阵迎风而立。新疆风力资源占全国陆上风能资源总量的37%，可装机容量总计为8000万千瓦以上，风能开发前景广阔.江苏沿海也具有丰富的风力资源,发展前景广阔.市场很大智能特性的钢结构桥梁---------铸钢和焊接结构是关键第一个三峡水轮机叶轮从加拿大进口（重430吨；960万美元）复习题：1.工程材料可分为哪三大类？什么是机械工程材料？2.什么是金属材料？金属材料有什么特点？第三讲．金属材料的分类及应用一.金属材料的分类方法很多.１.按组成的成分分为纯金属和合金。纯金属也就是简单金属：指由一种金属元素组成的物质。目前已知纯金属约有八十多种，但工业上采用的很少。合金也就是复杂金属：指由一种金属元素为主的与另外一种或几种金属元素或非金属元素组合成的金属物质。它的种类甚多，如工业上常用的生铁和钢就是铁碳合金，黄铜就是铜锌合金。由于合金的各项性能一般较优于纯金属，因此在工业上合金的应用比纯金属广泛。２.按实用分为黑色金属：指铁和铁的合金，如生铁、铁合金、铸铁和钢；有色金属：又称为非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、铝、锌、锡、镍、铅、钛、镁以及铜合金、铝合金、镍合金、钛合金、镁合金和轴承合金等等。此外，在工业上还采用铬、锰、钼、钨、钒、钴等，作为改善金属性能用的合金元素，其中钨、钴多用于生产刀具用的硬质合金。所有上述有色金属，都称为工业用金属，以区别于贵金属（铂、金、银等）与稀有金属（包括放射性的铀、镭等）。又密度大于4.5g/cm3的有色金属称为重金属,如铜、镍、铅、锌、锡等金属及其合金。铊铱钢分为碳素钢（简称碳钢）和合金钢两大类。碳钢是指含碳量小于2.11%并含有少量硅Si、锰Mn、硫S、磷P杂质的铁碳合金。工业用碳钢的含碳量一般为0.05%～1.35%。为了提高钢的力学性能、工艺性能或某些特殊性能（如耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等），冶炼中有目的地加入一些合金元素（如锰Mn、硅Si、铬Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等），这种钢称为合金钢。二．常用金属材料1．钢A．碳钢的分类碳钢的分类方法有多种，常见的有以下三种。（1）按钢的含碳量多少分类碳钢低碳钢含碳量0.25%中碳钢，含碳量为0.25%～0.60%高碳钢含碳量0.60%(一)碳钢（碳素钢）（2）按钢的质量（即按钢含有害元素硫S、磷P的多少）分为三类：碳钢普通碳素钢S≤0.055%P≤0.045%优质碳素钢S、P均≤0.040%高级碳素钢S≤0.030%P≤0.035%（3）按钢的用途分类分为两类：碳素结构钢，主要用于制造各种工程构件和机械零件；碳素工具钢，主要用于制造各种工具、量具和模具等。B。碳钢牌号的表示方法（1）碳素结构钢碳素结构钢的牌号由屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z）等四部分按顺序组成。其中质量等级按A、B、C、D顺序依次增高，F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，Z代表镇静钢等。如Q235-A·F表示屈服强度为235Mpa的A级沸腾碳素结构钢。（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。这两位数字代表钢中的平均含碳量的万分之几。例如45钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。08钢，表示平均含碳量为0.08%的优质碳素结构钢。（3）碳素工具钢碳素工具钢的牌号是用碳字汉语拼音字头T和数字表示。其数字表示钢的平均含碳量的千分之几。若为高级优质，则在数字后面加“A”。例如:*T12钢，表示平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。*T8钢，表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。*T12A，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢（4）Q235钢：是最常用的材质，属普板系列。过去的一种叫法为A3。Q代表的是这种材质的屈服强度，后面的235代表大小为235MPa，就是指这种材质的屈服值，在235MPa左右。Q235钢有四种等级，即Q235A，Q235B，Q235C，Q235D。其区别主要是冲击的温度有所不同。Q235A级，是不做冲击；Q235B级，是20度常温冲击；Q235C级，是0度冲击；Q235D级，是-20度冲击。在不同的冲击温度，冲击的数值也有所不同。Q235各个级别的化学成份，硫含量依次递减，A和B的磷含量相同，C的磷含量次之，D磷含量最少，具体成分为：Q235分A、B、C、D四级(GB700-88)Q235A级含C0.14~0.22%Mn0.30~0.65Si≤0.30S≤0.050P≤0.045Q235B级含C0.12~0.20%Mn0.30~0.670Si≤0.30S≤0.045P≤0.045Q235C级含C≤0.18%Mn0.35~0.80Si≤0.30S≤0.040P≤0.040Q235D级含C≤0.17%Mn0.35~0.80Si≤0.35S≤0.040P≤0.035就脱氧方法而言，可以采用F,b,z分别表示为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢。沸腾钢是脱氧不完全的钢，塑性和韧性较差。用这种材料制成的焊接结构，受动力载荷作用时接头容易出现裂缝。不宜在低温下工作，有时会产生硬化现象。相比之下，镇静钢质优而匀，塑性和韧性都好。（5）Q345钢：在板材里，属低合金系列（C0.2%)。此种材质为比较常用的钢材。Q345过去的一种叫法为：16Mn。这种钢材广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等。Q代表这种材质的屈服强度，后面的345，就是指屈服值在345MPa左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。Q345A