文档介绍：《机械工程材料》授课讲义
绪论
一. 本课程的性质
《机械工程材料》课程是机械设计制造及自动化专业的一门必修课,是一门重要的技术基础课。计划讲课:26学时,实验:6学时,学分:2个。
大家知道不管是服装设计师,还是家用电器设计师,以及各种机械设备、汽车、船舶、飞机和军用装备设计师,在他们精心设计出自己的作品后,都需要选用恰当的材料来制造,从而保证制成的产品具有最佳形貌和性能。如果选材不当,将会使所设计制造出产品,不能发挥出最佳性能,并可能导致其使用寿命大大降低;或因选材不当,导致成本太高,失去其应有的市场竞争力。所以,从事机械设计与制造的各类工程技术人员,都必须对其经常使用的各类材料有一定的了解。
一、物理性能
1、比重
2、熔点
3、热膨胀性
4、导热性
5、导电性
6、磁性
二、化学性能
1、耐腐蚀性
2、抗氧化性
3、化学稳定性
三、机械性能
1、强度
2、弹性
3、塑性
4、硬度
5、韧性
6、疲劳
7、蠕变
四、工艺性能
1、铸造性
2、锻压性
3、焊接性
4、切削加工性
5、热处理工艺性
每一个应用科学家和工程师(机械的、土木工程的、电气的或其它方面的)都必不可少地要用到材料,不论产品是桥梁、计算机、宇宙飞船、心脏起博器、核反应堆、还是汽车的排气装置,工程师们都必须完全了解他们所用材料的性能和行为特征。以汽车为例,汽车制造中要使用各种各样的材料:钢铁、玻璃、塑料、橡胶等。而仅仅对钢材一项而言,就有2000多种不同种类和型号的品种。面对如此之多材料种类,要制造一个特定的零件,应根据什么原则来选择材料呢?
重庆大学精品课程-工程材料
图 汽车用材料
在进行材料选择时,设计师必须首先考虑强度、导电性或导热性,密度及其它性能。然后,再考虑材料的加工性能和使用行为(其中材料的可成型性、机械加工性、电稳定性、化学持久性及辐照行为是重要的)。以及成本和材料来源。例如生产变速齿轮用的钢必须是易机械加工的,但又要有足够的韧性以经受猛烈的冲击。生产车身连接件的金属必须是易成型的,但又要有抗冲击形变的能力。电线必须能经受过高或过低的温度,而半导体必须在长时期内保持稳定的安培/伏特特性。
许多设计的改进取决于新材料的发展。比如,几十年前,晶体管还不能用当时已有的材料制成,现在已经可以在很小的晶体上集成成千上万个晶体管了;又比如,激光技术的发展得益于晶体和玻璃材料的发展;燃气轮机的设计虽然已经大有改进,但仍然需要一种既便宜又能承受高温的材料来作为涡轮机的叶片。
一、内部结构与性能
要求工程师或科学家们对成千上万种已有材料都具有详细的知识,并始终能与新材料的发展保持并驾齐驱的状态显然是不可能的,他们必须牢牢地把握住支配各种材料性能的基本原则。这个原则就是材料的性能来源于该材料的内部结构,这是对工程师和科学家们最具有重要价值的一个原则。
材料的内部结构包括原子、原子在晶体中、分子中与邻近原子的结合方式以及显微结构。技术人员在生产和使用材料时必须了解这些结构,就好象机械工程师在设计齿轮箱时必须了解齿轮箱内齿轮的大小、齿数和排列一样。
二、加工工艺与性能
材料必须进行加工,以满足工程师对所设计产品的要求。最常见的加工方法是单纯改变材料的几何形状,例如机械加工或锻造。当然材料的性能对加工过程是十分重要的。特别硬的材料会打坏切削工具的刀刃,而象铅那样的软材料又会“粘住”锯条、砂轮及其它工具。同样,高强度材料尤其是脆性材料是不适合于塑性形变的。例如,制造汽车挡板的金属板如果不用最软的钢板,那必定是极大的浪费。
通常,在机械加工或塑性形变时,不只是包含材料形状的改变,而且也伴随着材料性能的改变。例如,一根金属丝当它通过模具拉拔时,它的直径减小了,同时本身也强化和变硬了。在一般作为导电体用的铜丝中是不希望这种硬化的;而在制造子午线轮胎中的钢丝时工程师们恰恰是利用这个过程来实现材料的强化。但是,不管愿望如何,只要制造过程中改变了材料的内部结构,那么它的性能也必定随之而改变。材料在形变时,它的内部结构发生了变化,因而其性能也跟着发生变化。
热加工工艺也同样影响材料的内部结构,它们包括退火,高温淬火及其它热处理。我们的目的是要了解结构变化的本质,以便于制定适当的工艺流程。
三、使用行为
在成品中的材料具有一整套满足设计要求的性能—强度、硬度、导电性、密度等等。倘若在使用过程中,材料的内部结构没有变化,那么它将永远保持这些性能。但是,如果遇到使材料内部结构发生变化的使用情况,材料的性能与行为也会发生相应的变化。这就解释了为什么当橡胶暴露在阳光和空气中时会逐渐地硬化;为什么铝不能用在超音速飞机中;为什么金属在周期性载荷的作用下会产生疲劳;为什么普通钢的钻头不能