工程材料课件

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原来的那份见http://www.rclbbs.com/viewthread.php?tid=7229这份在我本本上，现在本本不在我这，等我拿到后在传给大家。
现在传的这份是另一份，没有那份好，大家也就将就下吧



1.1 强度与塑性
1.1.1 强度及刚度
1.1.2 塑性                                                                                                  
1.2 硬度      
1.2.1 布氏硬度(HB)      
1.2.2 洛氏硬度(HR)
1.2.3 维氏硬度(HV)
1.4 疲劳断裂和疲劳强度
1.5 高温力学性能
1.5.1 蠕变强度
1.5.2 持久强度
1.6 断裂韧性
1.6 断裂韧性
1.6.3断裂韧性
1.6.4 断裂K判据
1.6 材料的物理及化学性能
1.6.3 高分子材料的物理、化学性能
1.6.4陶瓷的物理和化学性能
1.热膨胀性能
2.导热性
3.热稳定性
4.化学稳定性
5.导电性
作业： 3
思考：

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金属与非金属材料

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相图
热处理原理
表面热处理

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常用工程金属材料
非金属材料

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材料结构与变形（2）非金属
1. 高聚物的聚合度和分子量
分子结构式：[-CH2?CH2?]n单体：参加反应的低分子化合物(CH2=CH2)链节：在大分子链中重复出现的单元(-CH2?CH2?)聚合度：链节的重复数n。分子量：M=n?m（n聚合度、m链节分子量）
        由于高聚物的分子量大、结构特殊，所以与低分子化合物相比有很多独到之处：
2.分子量对性能的影响
        超高相对分子质量聚乙烯。具有非常优异的抗冲击性能，可以用作高强度的机械零件。        但是由于这种聚合物的熔融粘度非常大，因此，必须用专门的设备，在很高的压力下才能加工成型。
        如果我们要加工纤维、薄膜或其他形状复杂的薄壁产品，我们就应选择相对分子质量小一点原料，这样熔融粘度会低一点，就比较容易加工。        如果要制备塑料管材，应选择相对分子质量高一点的原料，这样做成的管材强度会较高。
        为了衡量一个聚合物相对分子质量的均匀程度常常用质量分布来表示。曲线A: 质量窄分布，曲线B: 质量宽分布
3. 高分子材料的命名：◆由材料发明者或使用者直接提出的专用        商品名：如尼龙、有机玻璃(聚甲基丙        烯酸甲酯)◆学术名称：在单体名称前加“聚”字，如        聚乙烯，聚丙烯，        在单体名称后加“树脂”或“橡胶”二字，                例如酚醛树脂，丁苯橡胶等，◆英文字母缩写代号：目前，在商界和工        业界大多采用，便于世界各地的交流。                如ABS、PS、PVC、PP等。
它们热行为及成型工艺特点不一样，分                热塑性、热固性
表2-1 不同链结构聚乙烯的性能
2.3.3高分子的聚集态结构        物质是由无数分子组成的，这些分子聚在一起，会有不同的排列形式。分子堆砌在一起的结构就称为聚集态结构
1.????? 高分子的结晶态        结晶度：高分子结晶部分的质量分数或体积分数。                                    透明性        非晶聚合物大都是透明的，如有机玻璃、聚苯乙烯和聚氯乙烯等都是透明度很好的塑料。        结晶聚合物有的透光好有的透光差，取决于晶粒的尺寸。如果晶粒的直径同可见光的波长相似，高聚物就不大透明，如聚乙烯。反之，如晶粒的尺寸大于可见光的波长（如聚丙烯）或小于可见光的波长（如涤纶），则结晶高聚物仍有很好的透明性。
结晶度对聚合物的力学性能影响：                 聚合物的结晶度越高，它的力学性能就越好。        结晶度低，材料的性质就比较柔软，强度较低。

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?1.?高分子运动的特点 (1)整链运动  高分子链作为一个整体也能作质量中心的移动。这种移动是通过链的诸链段协同移动来实现的。
Tg玻璃化温度。Tf粘流温度。
a.?玻璃态：        在比较低的温度下（相对于其它两态），高分子链的链段运动与整体运动均被“冻结”，整个高聚物表现出玻璃似的固态，性质刚硬，具有较好的机械性能。        玻璃态时的变形是键长与键角的微小弹变。        室温下处于玻璃态的高聚物叫塑料。
b. 高弹态：        当高聚物温度高于玻璃化温度，T＞Tg时，链段的热运动得以进行，受外力作用时，分子链通过链段运动调整构象，使原来蜷曲链沿受力方向伸展，结果宏观表现为产生很大的变形。整个分子链质量中心没有移动，各分子之间相互位置依然）。当去除外力后，通过链段的运动，分子链段又回复至蜷曲状态，宏观变形消失。        室温下处于高弹态的高分子材料叫橡胶。
c. 粘流态：        温度高于粘流温度Tf时，大分子链的热运动的整链为运动单位；高聚物成为粘态熔体。熔体流动，产生不可逆永久变形，熔体的流动变形是由于大分子链的质量中心移动的结果。        粘流态是高聚物成型加工成制品的工艺状态。
(2)体型高聚物        体型高聚物的交联键限制了整链的运动，没有粘流态。①当交联密度较小时，        低温时，处于玻璃态；        较高温时，由于网链(两交联点间的链长)较长，在外力作用下，网链仍能通过单键内旋转改变其构象，因而有高弹态。②交联密度较大时，        网链长度减小，链段运动受到更多限制，高弹区小或消失。
2.4.1.复合材料的定义        根据国际标准化组织（ISO）为复合材料所下的定义，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。
        复合材料即可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征，它可以根据需要进行设计，从而最合理地达到使用要求的性能。        由于复合材料各组分之间“取长补短”、“协同作用”，极大地弥补了单一材料的缺点，产生单一材料所不具有的新性能。
②短纤维复合材料：        短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料；
④编织复合材料：        以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成的复合材料。

（2）按增强纤维种类分类玻璃纤维复合材料；碳纤维复合材料；有机纤维复合材料；金属纤维复合材料（如钨丝、不锈钢丝等）；陶瓷纤维复合材料（如氧化铝纤维、碳化硅纤维等）        此外，如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料（Hybrid composite materials）。混杂复合材料可以看成是两种或多种单一纤维复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。
（3）按基体材料分类聚合物基复合材料：         以有机聚合物（主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶）为基体制成的复合材料；?金属基复合材料：        以金属为基体制成的复合材料，如铝基复合材料、钛基复合材料等；?无机非金属基复合材料：        以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体制成的复合材料。
（4）按材料作用分类结构复合材料：用于制造受力构件的复合材料；功能复合材料：具有各种特殊性能的复合材料（如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等）。
（l）可综合发挥各种组成材料的优点，使一种材料具有多种性能，具有天然材料所没有的性能。例如，玻璃纤维增强环氧基复合材料，既具有类似钢材的强度，又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。
（2）可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造。例如，针对方向性材料强度的设计，针对某种介质耐腐蚀性能的设计等。
（3）可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序。例如，可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。性能的可设计性是复合材料的最大特点。       
        影响复合材料性能的因素很多，主要取决于增强材料的性能、含量及分布状况，基体材料的性能、含量，以及它们之间的界面结合情况，作为产品还与成型工艺和结构设计有关。因此，不论对哪一类复合材料，就是同一类复合材料的性能也不是一个定值。

1、氧化物陶瓷        主要有Al2O3，MgO,SiO2，ZrO2，莫来石（化学式为3A1203·2SIO2）等，熔点：2000℃以上。结构：除晶相外，还含有少量气相（气孔），性能：微晶强度较高，粗晶时对强度不利，        氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低，但在1000℃以下降低较小。
1、氧化物陶瓷        这类陶瓷基复合材料应避免在高应力和高温环境下使用。        这是由于A1203和ZrO2的抗热震性较差，SiO2在高温下容易发生蠕变和相变。虽然莫来石具有较好的抗蠕变性能和较低的热膨胀系数，但使用温度也不宜超过1200℃。
2、非氧化物陶瓷        不含氧的氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特点：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆性也很强。
2、非氧化物陶瓷                碳化物和硼化物的抗热氧化温度约900－1000℃，氮化物略低些，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所以抗热氧化温度达1300－1700℃。氮化硼具有类似石墨的六方结构，在高温（1360℃）和高压作用下可转变成立方结构的β一氮化硼，耐热温度高达2000℃，硬度极高，可作为金刚石的代用品。

1、几乎没有塑性，完全是脆性断裂。
        2、陶瓷内部有大量气孔，在受压应力时，气孔不易导致裂纹的扩展，故抗压强度高，而抗拉强度低。较脆的铸铁其抗拉强度与抗压强度比值约为1/3-1/4，而陶瓷在1/10以下。
        3.陶瓷受力后有一定弹性变形，其弹性模量在103～104GPa数量级之间，多数陶瓷室温弹性模量高于金属。
        4.陶瓷的硬度远高于金属这是因为它具有比金属复杂得多的晶体结构，要使正负离子之间产生极小的位移都要消耗较大的能量。
        虽然陶瓷的许多性能优于金属，但它也存在致命的弱点，即脆性强，韧性差，很容易因存在裂纹、空隙、杂质等细微缺陷而破碎，引起不可预测的灾难性后果，因而大大限制了陶瓷作为承载结构材料的应用。

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材料        改性方法
3.1 金属热处理
常用热处理工艺：        普通热处理：退火、正火、淬火和回火。        表面热处理：                表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等           （渗碳、渗氮和碳氮共渗又叫化学热处理）。
二元合金相图:表示二元合金系中不同成分的合金，在温度极缓慢变化条件下，在各种不同温度下的相组成和相变化的图。
铜、镍熔点液相线；固相线。液相区，用L表示；固相区，用? 表示；两相区，用(L+? )                表示
       具有共晶转变的相图叫共晶相图。如Pb-Sb合金相图。                                     L? (?+β)
线：AEB：液相线ACEDB：固相线       （CD被称作共晶线）CF：?固溶体的固溶线DG：β固溶体的固溶线

        二元合金状态图:表示二元合金系中不同成分的合金，在温度极缓慢变化条件下，在各种不同温度下的相组成和相变化的图。
1. 铁碳合金状态图结构
(1)铁素体F(? )碳溶于 ? －Fe中形成的固溶体，                        体心        立方，强度、硬度低, 塑性、                        韧性好。 (2)奥氏体A(γ) 碳溶于γ-Fe中形成的固溶体，                        面心立方，强度低, 塑性好。(3)渗碳体Fe3C(Cm)  金属化合物。成分固定,为                                6.69%C。性质硬而脆。是铁碳                                合金的强化相。
莱氏体：共晶 产物，1148℃进行，                 L → γ + Cm  （Ld）(2) 珠光体：共析 产物， 727℃进行，                 γ → ? +Cm     （P）
铁碳合金分类
2. Fe-Fe3C相图分析(点、线、区，组成相）
（共晶部分）
（共析部分）
（各组成相的组织形态）

例：亚共析钢的结晶过程含碳量为0.02%～0.77%。铁素体+珠光体组织。



（3）分析铁碳合金的组织        根据相图可以判断在温度缓慢变化条件下，任一成分的合金在某个温度时的组织是由哪些相组成的，各相的化学成分以及各相所占的比例。
铁碳合金室温组织比例图
①单相固溶体        固溶体的强度、硬度高于纯金属，固溶度越高，强度、硬度越高，塑性、韧性一般随固溶度增加而下降。
        碳钢机械性能
a. 铸造工艺性        有较好的流动性，产生分散缩孔(缩松)的倾向小。        共晶或近共晶合金

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材料        改性方法
3.1.2 钢的热处理原理 0. 钢在加热时的                组织转变
        钢的热处理工艺有两种冷却方式：等温冷却和连续冷却。
◆转变开始线◆转变终了线◆马氏体开始转变线Ms◆马氏体转变终了线Mf◆孕育期：奥氏体转变之前所经历的时间（处在孕育期内的奥氏体叫过冷奥氏体）。
(a)高温转变产物（A1～550℃）等温转变的产物，珠光体型组织。珠光体：（727℃～650℃）索氏体： （650℃～600℃）                又叫细珠光体屈氏体： （600℃～550℃）                    又叫极细珠光体
奥氏体等温转变产物的性能(1)珠光体型组织        珠光体的强度、硬度较低，塑性、韧性较好。随着转变温度降低，珠光体片层变细，强度、硬度提高。

贝氏体型组织性能
(c)低温转变产物（240～－50℃）         马氏体：碳在α-铁中的过饱和固溶体。
        高碳马氏体（针叶状）由于含有大量过饱和的碳，其晶格发生严重畸变，内应力高，位错移动困难。所以高碳马氏休的硬度很高，而塑性韧性极差。        低碳马氏体（板条状）的晶格畸变较小，内应力较小。所以硬度比高碳马氏体低。但其强度、塑性和韧性都较好。
几种连续冷却过程：(a)随炉冷却，珠光体。(b)空气中冷却，索氏体。(c)油冷,马氏体和屈氏体的              混合组织。(d)水冷，马氏体。 (e)(f)临界冷却速度             又称临界淬火速度


        钢的淬透性是指钢在淬火时能获得淬硬层深度的能力，它是钢材本身固有的属性。       
(2)淬透性对钢热处理后力学性能的影响
(3)淬透性的测定与表示方法        测定方法:按GB225—63规定，结构钢末端淬透性试验(端淬试验)法。
        根据GB225—63的规定，钢的淬透性值表示:        其中J表示端淬试验，d表示距淬火末端的距离，HRC为该处测得的硬度值。
        钢在某种淬火冷却介质中冷却后，心部能得到半马氏体组织的最大直径，用D。表示。        在同一冷却介质中钢的临界直径(D。)越大，则其淬透性越好。
        普通热处理：退火、正火、淬火和回火。        表面热处理：                表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等           （渗碳、渗氮和碳氮共渗又叫化学热处理）。
1. 退火        退火是将钢件加热到高于或低于钢的临界温度，保温一定时间，随后以极缓慢的速度冷却，(一般是切断热源随炉冷却到室温)，以获得接近Fe-Fe3C相图上的平衡组织的一种热处理工艺。退火的目的：        降低硬度，以利于切削加工。        细化晶粒，改善组织，提高机械性能。        消除内应力，为下一道淬火工序作好准备。        提高钢的塑性和韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。
        将钢件加热到Ac3以上30～50℃，保温后随炉缓慢冷却。目的：晶粒细化，便于切削加工，消除内应力适用范围：亚共析钢和共析钢。
(2)球化退火(不完全退火)
        将钢件加热，保温后即较快地冷却到稍低于Ar1的温度，再进行等温，当奥氏体，转变结束后，取出在空气中冷却。
(5)再结晶退火        将冷拉、冷轧、冷压等发生加工硬化的钢材，加热到再结晶温度以上(650～750℃)，保温后空冷。        通过再结晶使钢材的塑性恢复到冷变形以前的状况。
(6)扩散退火        将钢加热到高于Ac3以上，保温很长时间(约6～12小时)，然后随炉缓慢冷却。        扩散退火主要用来消除钢件的化学成份不均匀现象。
        ▲改善细化组织，消除网状渗碳体和亚共析钢中的针状铁素体。        ▲提高性能（正火索氏体具有一定的强度，又有较高的韧性。综合机械性能较好）。        ▲改善切削加工性（低碳钢）。        ▲低碳钢多采用正火来代替退火。

3. 淬火与回火
        亚共析钢，Ac3以上30～50℃，        共析钢和过共析钢，Ac1以上30～50℃。
(2). 回火       将淬火后的钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后取出空冷或油冷的热处理工艺过程称为回火。目的：稳定组织，            降低了淬火钢的脆性，提高韧性，            消除淬火内应力稳定零件尺寸和性能，
回火组织：回火马氏体。性        能：高硬度和耐磨性（这种回火主要        是为了降低钢中的残余应力和脆性）。主要用途：各种工具，滚珠轴承及渗碳件等，        HRC58～64 。

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这个课件做的不好，全部都做成主题了，大家将就吧