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第一章 工程材料及其力学性能
一、工程材料的分类
1、现代技术三大支柱:能源、信息、材料。
2、工程材料的划分:
金属材料
黑色金属
钢:碳钢、合金钢等
1、良好的塑性、导电性、导热性;
2、以金属建结合,是金属晶体。
铸铁:白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁
有色金属
铜、铝及其合金等
高分子材料
纤维
1、具有较强的耐腐蚀性能、很好的绝缘性;
2、按其分子链排列的有序与否,可分为结晶聚合物和无定形聚合物;
3、以分子键、共价键结合。
橡胶
塑料
无机非金属材料
水泥
1、熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化、弹性模量大,原料丰富;
2、以离子键、共价键结合。
玻璃
耐火材料
陶瓷
复合材料
树脂基
1、由两种或两种以上固体物质组成的材料,一般由基体材料和增强剂复合而成。
2、既保持所组成材料的各自特性,又具有组成后的新特性,且力学性能和功能可以进行设计、制造;
3、多种结合键组成。
金属基
陶瓷基
二、工程材料的主要力学性能
1、材料的力学性能:材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素联合作用下表现出来的行为,即材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。
2、单项静拉伸载荷下材料的力学性能:
(1)强度
弹性极限σe:试样由弹性变形过渡到弹-塑性变形时所承受的应力。
弹性模量E:弹性变形范围内的应力与应变的比值:E=σ/ε。(材料的刚度)
屈服极限σs:材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。(屈服强度)
σ0.2:试样产生0.2%塑性变形时的应力值。
抗拉强度σb:试样能承受的最大载荷初一原始截面积所得的应力。(抗拉强度、强度极限)
颈缩:颈缩处截面积急剧减小,试样所能承受的载荷迅速下降。
断裂强度σk:材料断裂时最大载荷所对应的强度。
(2)塑性
延伸率δ:试样拉伸断裂后的相对伸长值:δ=(l1-l0)/l0
δ10:l0=10d0 δ5:l0=5d0
断面收缩率:断裂后试样截面的相对收缩值:Ψ=(F0-FK)/F0
断面收缩率不受试样尺寸影响,能可靠地反应材料的塑性。
伸长率δ、断面收缩率Ψ越大,材料的塑性越好,在一定的强度要求前提下,零件的安全可靠性越高。
(3)硬度
压入法
静载试验法
布氏硬度HB
1、采用淬火钢球或硬质合金球,测量压痕面积;
2、淬火钢球用以测定硬度450的金属材料,其硬度值以HBS表示。布氏硬度在450~650之间的材料,压头用硬质合金球,其硬度值用HBW表示;
3、具有较高的测量精度。
洛氏硬度
1、采用小淬火钢球或圆锥角120°的金刚石圆锥体;
2、测量压痕深度;
3、优点:操作迅速、简便,可由表盘上直接读出硬度值;
缺点:精度较差,硬度值波动较大。
维氏硬度HV
优点:维氏硬度可测定从很软到很硬的各种材料,可测定较薄材料和各种表面渗层,且准确度高。
缺点:测试手续较繁。
显微硬度
测定金属组成相的硬度
动载试验法
肖氏硬度
锤击布氏硬度
划痕法
莫氏硬度
洛氏硬度:
洛氏硬度
压头
测量范围
应用
HRC
120°金刚锥
20-67HRC
淬火钢等硬零件
HRA
120°金刚锥
70HRA以上
零件表面硬化层、硬质合金等
HRB
1/16寸钢球
25-100HRB
软钢和铜合金
HRF
1/16寸钢球
25-100HRF
铝合金和镁合金等
(4)疲劳强度σ-1:表征材料经过无限多次应力循环而不断裂的最大应力。
(5)高温力学性能
蠕变强度:指材料在一定温度下一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。
持久强度:指材料在一定温度下一定时间内所能承受的最大断裂应力。
3、材料在冲击载荷作用下的力学性能
(1)冲击韧性:材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力:αk=Ak/F
(2)冷脆转变温度:反应温度对材料韧脆性的影响。随着温度降低,αk值降低,当温度降低至某一数值或一定温度范围时αk值急剧下降,材料由韧性转变为脆性状态,称为冷脆转变,相应温度为冷脆转变温度TK。
第二章 材料的微观结构
一、金属晶体结构
1、原子排列分为无序排列、短程有序、长程有序。
类型
概念
特点
短程有序
(非晶态结构)
原子排列规律性只局限在邻近区域原子(一般在分子范围内)的排列方式。
1、结构无序,物理性质表现为各向同性;;
2、无固定熔点;
3、导热性和热膨胀性均小;
4、塑性形变大;
5、组成的变化范围大。
长程有序
(晶体结构)
整个材料内部原子具有规律性的排列。
1、结构有序,物理性质表现为各向异性;
2、具有固定的熔点;
3、晶体的排列状态是由构成原子或分子的几何学形状和键的形式决定的;
4、一般当晶体的外形发生变化时,晶格类型并不改变。
非晶态材料的质点在三维空间呈无序或短程有序排列;大多数聚合物具有短程有序的原子排列;晶体呈长程有序排列。
2、晶体
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