工程材料学ppt课件.ppt
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1、工程材料学工程材料学第第1 1章章 序序 论论第第1 1节节 概述概述一、工程材料一、工程材料 什么是工程材料?印象中工程材料是哪类材料?什么是工程材料?印象中工程材料是哪类材料?是否联想到:建筑工程、桥梁、企业建设所用到的材料?是否联想到:建筑工程、桥梁、企业建设所用到的材料?实际上工程材料的含义远非如此,实际上工程材料的含义远非如此,凡与凡与工程工程有关的材料均谓之有关的材料均谓之工程材料工程材料。如机器零件(轴承、弹簧等部件)、工模具、量具、工业加热炉内的构如机器零件(轴承、弹簧等部件)、工模具、量具、工业加热炉内的构件、飞机发动机涡轮叶片、高分子材料中的粘结剂、防宇宙射线的宇航服件、飞
2、机发动机涡轮叶片、高分子材料中的粘结剂、防宇宙射线的宇航服(芳香族聚酰胺纤维)、镍氢电池中的储氢合金(芳香族聚酰胺纤维)、镍氢电池中的储氢合金 工程材料按其性能特点分为结构材料和功能材料两大类。工程材料按其性能特点分为结构材料和功能材料两大类。结构材料结构材料以以力学性能为主力学性能为主,兼有一定的物理、化学性能。兼有一定的物理、化学性能。功能材料功能材料以特殊的物理、化以特殊的物理、化学性能为主学性能为主,如那些要求有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。如那些要求有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。总之,工程材料包括了与工农业、国防尖端技术等各行各业有关的所总之,工程材料包括了与工农业
3、、国防尖端技术等各行各业有关的所有材料。按照其基本成分分类见图有材料。按照其基本成分分类见图1 11 1。二、新材料发展趋势二、新材料发展趋势1 1继续重视高性能的新型金属材料继续重视高性能的新型金属材料 指指具具有有高高强强度度、高高韧韧性性、耐耐高高温温、耐耐低低温温、抗抗腐腐蚀蚀、抗抗辐辐射射等等性性能能的的材材料料。这这种种材材料料与与发发展展空空间间技技术术、核核能能、海海洋洋开开发发等等工工业业有有着着极极其其密密切切的的关关系系。新新材材料料是是依依靠靠新新技技术术和和新新工工艺艺发发展展的的。例例如如,合合金金成成分分的的物物理理冶冶金金设设计计,微微量量元元素素的的加加入入与
4、与控控制制,特特殊殊组组织织结结构构的的控控制制等等,可大幅度提高材料的性能。面向可大幅度提高材料的性能。面向2121世纪,金属材料仍占主导地位。世纪,金属材料仍占主导地位。2 2结构材料趋向于复合化结构材料趋向于复合化 尽管金属材料采用了一系列强韧化措施及发展了非金属材料,如尽管金属材料采用了一系列强韧化措施及发展了非金属材料,如高分子材料和陶瓷材料高分子材料和陶瓷材料,但由于单一材料存在难以克服的某些缺点,但由于单一材料存在难以克服的某些缺点,如脆性、弹性模量低、比强度不足等。所以把不同的材料进行复合以如脆性、弹性模量低、比强度不足等。所以把不同的材料进行复合以得到优于原组分性能的新材料,
5、就成为结构材料发展的一个重要趋势。得到优于原组分性能的新材料,就成为结构材料发展的一个重要趋势。如玻璃树脂基的第一代复合材料,碳纤维增强树脂基的第二代复合材如玻璃树脂基的第一代复合材料,碳纤维增强树脂基的第二代复合材料,第三代复合材料则是正在发展的金属基、陶瓷基及碳基复合材料。料,第三代复合材料则是正在发展的金属基、陶瓷基及碳基复合材料。复合材料在航空、航天工业和汽车工业中获得了广泛的应用,在化工复合材料在航空、航天工业和汽车工业中获得了广泛的应用,在化工设备和其它方面也有较多的应用。设备和其它方面也有较多的应用。3低维材料正在扩大应用低维材料正在扩大应用包包括括零零维维(超超微微粒粒)、一一
6、维维(纤纤维维)和和二二维维薄薄膜膜材材料料,可可用用于于作作结结构构材材料料和和功功能材料。能材料。通通过过化化学学反反应应、气气相相沉沉积积等等方方法法,可可制制出出亚亚微微米米级级和和纳纳米米级级(1-100mm)的的金金属属或或陶陶瓷瓷粉粉末末。有有很很大大的的比比表表面面积积和和比比表表面面能能,熔熔点点低低,扩扩散散速速度度快快,烧烧结结温温度度下下降降,强强度度高高而而塑塑性性好好,具具有有良良好好的的综综合合性性能能。某某些些超超微微粒粒功功能能材料,可成为高效吸波材料。材料,可成为高效吸波材料。一一维维材材料料最最突突出出的的是是光光导导纤纤维维,可可用用于于作作通通信信工工
7、程程材材料料。纤纤维维结结构构材材料料是是复复合合材材料料中中的的主主要要增增强强组组分分,它它决决定定了了复复合合材材料料的的关关键键性性能能;纤纤维维中中的的晶晶须须,其其强强度度和和刚刚度度可可接接近近理理论论强强度度值值;碳碳纤纤维维、有有机机高高分分子子纤纤维维和和陶陶瓷瓷纤纤维维均均有广阔的应用前景。有广阔的应用前景。二二维维的的薄薄膜膜材材料料发发展展迅迅速速,金金刚刚石石薄薄膜膜和和有有机机高高分分子子薄薄膜膜十十分分诱诱人人,高高温温超超导导薄薄膜膜也也尤尤为为突突出出。金金刚刚石石薄薄膜膜可可用用于于高高速速电电子子计计算算机机的的微微芯芯片片;高高分分子子分分离离膜膜已已
8、在在水水处处理理、化化工工生生产产、高高纯纯物物质质制制备备等等方方面面获获得得了了应应用用;高高温温超超导薄膜将开辟超导技术的新领域。导薄膜将开辟超导技术的新领域。4非晶非晶(亚稳态亚稳态)材料日益受到重视材料日益受到重视70年年代代通通过过快快冷冷技技术术(106s)而而获获得得非非晶晶态态或或亚亚稳稳态态合合金金材材料料。由由于于骤骤冷冷,金金属属中中的的合合金金元元素素偏偏析析程程度度降降低低,没没有有晶晶界界,从从而而可可提提高高合合金金化化程程度度,而而不不致致产产生生脆脆性性相相。非非晶晶态态合合金金具具有有高高强强度度、耐耐腐腐蚀蚀等等特特点点,某某些些非非晶晶态态铁铁基基合合
9、金金具具有有很很好好的的磁磁学学性性能能,用用作作变变压压器器比比硅硅钢钢片片的的铁铁损损低低23。在在工工程程应应用用中中,通通过过激激光光束束表表面面处处理理可可在在工工件件表表面面获获得得非非晶晶态态,具具有有高高耐耐磨磨性性和和耐耐蚀蚀性性。另另外外,非非晶晶态态的的硅硅太太阳阳能能电电池池,光光电电转转换换率率可可达达15,有很大进一步实用化研究价值。有很大进一步实用化研究价值。5功能材料迅速发展功能材料迅速发展 功功能能材材料料是是当当代代新新技技术术中中能能源源技技术术、空空间间技技术术、信信息息技技术术和和计计算算机机技技术术的的物物质质基基础础。功功能能材材料料是是90年年代
10、代材材料料研研究究与与生生产产中中最最活活跃跃的的领领域域。例例如如,由由于于超超大大容容量量信信息息通通信信网网络络和和超超高高计计算算机机的的发发展展,对对集集成成电电路路的的要要求求越越来来越越高高,促促进进集集成成度度逐逐年年增增加加。从从材材料料看看,除除了了硅硅半半导导体体外外,化化合合物物半半导导体体受受到到越越来来越越多多的的重重视视。又又如如有有关关磁磁记记录录和和磁磁光光记记录录材材料料、高高温温超超导导材材料料、光光电电转转换换材材料料等等都都将将有有进进一一步步的的发发展展。近近年年来来功功能能梯梯度度材材料料发发展展很很快快,其其性性能能是是原原来来的的均均质质材材料
11、料和和一一般般复复合合材材料料所所不不具具备备的的,梯梯度度功能材料将有巨大的应用潜力。功能材料将有巨大的应用潜力。一般复合材料中分散相是均匀分布的,但在有些情况下,常常希望同一般复合材料中分散相是均匀分布的,但在有些情况下,常常希望同一件材料两侧具有不同的功能,又希望两侧结合得完美,从而不至于在苛一件材料两侧具有不同的功能,又希望两侧结合得完美,从而不至于在苛刻条件下因性能不匹配而发生破坏。刻条件下因性能不匹配而发生破坏。航天飞机推进系统中超音速燃烧冲压式发动机,燃烧气体温度超过航天飞机推进系统中超音速燃烧冲压式发动机,燃烧气体温度超过2000;燃烧室壁另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用
12、,温度为;燃烧室壁另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用,温度为200。一般材料显然满足不了这一要求。于是,人们想到将金属和陶瓷。一般材料显然满足不了这一要求。于是,人们想到将金属和陶瓷联合起来使用,用陶瓷去对付高温,用金属来对付低温。联合起来使用,用陶瓷去对付高温,用金属来对付低温。但是,用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时,由于二者的界面热力学但是,用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时,由于二者的界面热力学特性匹配不好,在极大的热应力下还是会遭到破坏。特性匹配不好,在极大的热应力下还是会遭到破坏。在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化,使两种在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组
13、成和微细结构的变化,使两种材料之间不出现界面,从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较材料之间不出现界面,从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能。好的新功能。又如又如W-Cu热沉材料。热沉材料。6特殊条件下应用的材料特殊条件下应用的材料在在低低温温、高高压压、高高真真空空、高高温温以以及及辐辐射射条条件件下下,材材料料的的结结构构和和组组织织将将会会转转变变,并并由由此此引引起起性性能能变变化化。研研究究这这些些变变化化规规律律,将将有有利利于于改改善善材材料料性性能能和和开开发发新新材材料料。例例如如,在在高高压压下下的的结结构构材材料料,由由于于原原子子间间距距离离缩缩
14、短短,材材料料将将由由绝绝缘缘体体转转变变为为导导电电体体,NbNb3 3SnSn、NbNb3 3CeCe和和NbNb3 3SiSi等等超超导导体体均均在在高高压压下下合合成成。现现正正在在开开展展高高压压力力及及冲冲击击波波对对材材料料性性能能影影响响的的试试验验研研究究,理理论论上上预预测测氢氢在在几几千千万万大大气气压压下下将将转转变变为为金金属属态态,它它在在室室温温时时就就具具有有超超导导性性,它它的的实实现现还还有有待待于于高高压压条条件件的的创创建建。另另外外,对对太太空空、深海洋等工程技术所用的材料也将继续深入研究。深海洋等工程技术所用的材料也将继续深入研究。7材料的设计及选用
15、计算机化材料的设计及选用计算机化由由于于电电子子计计算算机机及及应应用用技技术术的的高高度度发发展展,使使得得人人们们可可以以按按照照指指定定的的性性能能进进行行材材料料设设计计正正逐逐步步成成为为现现实实。通通过过电电子子计计算算机机的的应应用用以以及及量量子子力力学学、系系统统工工程程和和统统计计学学的的运运用用,可可以以在在微微观观与与宏宏观观相相结结合合的的基基础础上上进进行行材材料料设设计计和和选选用用,使使之之最最佳佳化化。目目前前已已建建立立起起计计算算机机化化的的各各种种材材料料性性能能数数据据库库和和计计算算机机辅辅助助选选材材系系统统,并并进进一一步步向向智智能能化化方方向
16、向发发展展,从从而提高了工程技术的用材水平。而提高了工程技术的用材水平。三、工程材料三、工程材料学学不仅学习各种材料的分类、基本特性、制备方法、用途,而且学习材料不仅学习各种材料的分类、基本特性、制备方法、用途,而且学习材料性能与组成、组织结构、制备工艺之间的内在联系、作用机理。性能与组成、组织结构、制备工艺之间的内在联系、作用机理。以典型的工程材料为例以典型的工程材料为例,学习材料(重点是金属材料)所表现出的宏观,学习材料(重点是金属材料)所表现出的宏观性能的内在本质,为提高材料性能、开发新材料、材料选择、使用打基础。性能的内在本质,为提高材料性能、开发新材料、材料选择、使用打基础。第第2节
17、节工程材料失效分析工程材料失效分析一、概念与意义一、概念与意义 失效失效:工程上所使用的工件在使用过程中失去所规定的功能。:工程上所使用的工件在使用过程中失去所规定的功能。有些场合使用的零件失效不会造成很大的损失(弹簧)。但有些场有些场合使用的零件失效不会造成很大的损失(弹簧)。但有些场合失效会造成巨大的经济损失,甚至危及生命安全,如锅炉材料,特别合失效会造成巨大的经济损失,甚至危及生命安全,如锅炉材料,特别是航空航天、核工业、大型工程等。是航空航天、核工业、大型工程等。所以必须分析失效原因,提出预防措施,这就发展了新学科所以必须分析失效原因,提出预防措施,这就发展了新学科失失效分析学。效分析
18、学。为什么本课程学习材料失效?为什么本课程学习材料失效?二、失效原因二、失效原因失效原因并不是简单的设计、计算问题。如轧机支架:失效原因并不是简单的设计、计算问题。如轧机支架:除剪切力、拉应力外,还有疲劳,过渡角等因素。除剪切力、拉应力外,还有疲劳,过渡角等因素。再者,还与使用环境等很多因素有关,可概括为四个方面:再者,还与使用环境等很多因素有关,可概括为四个方面:(一)(一)设计设计 应从强度计算、结构形式、选材、使用条件和环境的影响等多个应从强度计算、结构形式、选材、使用条件和环境的影响等多个 方面方面周密考虑周密考虑安全使用寿命问题。安全使用寿命问题。设设计计中中的的错错误误主主要要表表
19、现现为为:设设计计中中的的过过载载荷荷、外外形形上上的的应应力力集集中中、焊接或装配不当,没有考虑使用条件和环境的影响等。焊接或装配不当,没有考虑使用条件和环境的影响等。工工件件外外形形设设计计不不合合理理或或结结构构上上存存在在问问题题,将将引引起起应应力力集集中中。如如尖尖角角、过渡角太小、凹槽和缺口布置或设计不当等。过渡角太小、凹槽和缺口布置或设计不当等。在在未未经经周周密密的的计计算算,或或构构件件形形状状复复杂杂,及及很很难难进进行行应应力力计计算算时时就就从从事事设设计计,也也将将引引起起工工件件早早期期失失效效。例例如如汽汽轮轮机机叶叶片片,由由于于设设计计不不当当,经经常常发生
20、共振损坏。发生共振损坏。德德国国阿阿连连兹兹技技术术中中心心(AZT)(AZT)曾曾对对12001200次次蒸蒸汽汽轮轮机机电电站站失失效效原原因因进进行行统统计计分分析析,其其中中设设计计及及结结构构引引起起的的事事故故占占17175 5,这这说说明明了了设设计计与与失失效效之之间的密切关系。间的密切关系。(二)选材(二)选材 1.1.选材不当选材不当 主要原因,如主要原因,如80.12.180.12.1加拿大某地储油罐炸裂,引起大火,损失加拿大某地储油罐炸裂,引起大火,损失850850万美万美元。失效分析表明,是由于选用锰碳比很低的元。失效分析表明,是由于选用锰碳比很低的ASTMA283A
21、STMA283钢,在低温使用,导钢,在低温使用,导致储油罐壳发生脆性断裂。致储油罐壳发生脆性断裂。2.2.材质低劣材质低劣 材料的生产经冶炼、铸造、锻造、轧制等阶段,这些过程中造成的缺陷材料的生产经冶炼、铸造、锻造、轧制等阶段,这些过程中造成的缺陷往往会导致早期失效。往往会导致早期失效。(1)(1)冶冶炼炼:冶冶炼炼工工艺艺较较差差,会会使使钢钢中中有有较较多多的的氧氧、氢氢、氮氮,并并形形成成非非金金属属夹杂物,不仅使材料变脆,甚至还会成为疲劳源。夹杂物,不仅使材料变脆,甚至还会成为疲劳源。(2)(2)铸铸造造:铸铸造造工工艺艺不不当当,可可产产生生铸铸造造缺缺陷陷;铸铸件件中中由由于于碳碳
22、化化物物、氮氮化化物物和硫化物等沿晶界的析出,会引起铸件产生沿晶断裂。和硫化物等沿晶界的析出,会引起铸件产生沿晶断裂。(3)(3)锻锻造造或或轧轧制制:锻锻造造工工艺艺不不当当,会会产产生生各各种种缺缺陷陷,如如过过热热、过过烧烧、锻锻造造或或轧制裂纹、流线分布不良及折叠等。轧制裂纹、流线分布不良及折叠等。(三(三)加工加工 1 1冷加工冷加工 加工工艺不当。磨削深度过大或冷却不充分,使表面出现回火组织加工工艺不当。磨削深度过大或冷却不充分,使表面出现回火组织使表面硬度降低,甚至形成磨削裂纹;零件表面加工粗糙,造成应力使表面硬度降低,甚至形成磨削裂纹;零件表面加工粗糙,造成应力集中。例如某厂购
23、进一批集中。例如某厂购进一批DALDAL载重汽车,使用两年后,约有载重汽车,使用两年后,约有4 4的发动的发动机曲轴发生断裂,经分析,是由于加工质量不符合规定而造成的早期机曲轴发生断裂,经分析,是由于加工质量不符合规定而造成的早期失效。失效。2 2热处理热处理 文献报告表明,工模具失效大部分是热处理不当造成的。例如,文献报告表明,工模具失效大部分是热处理不当造成的。例如,天津机车车辆厂用天津机车车辆厂用60Si2Mn60Si2Mn钢生产的热成型弹簧,装车使用后不久就钢生产的热成型弹簧,装车使用后不久就产生了断裂。分析认为,是由于弹簧在热处理时加热温度过高引起淬产生了断裂。分析认为,是由于弹簧在
24、热处理时加热温度过高引起淬火裂纹所致。火裂纹所致。3 3焊接焊接 焊接缺陷引起失效的例子也很多。如焊接时产生气孔、未焊透、焊焊接缺陷引起失效的例子也很多。如焊接时产生气孔、未焊透、焊接裂纹等均会造成工件在使用过程中早期失效。另外,焊接所引起的接裂纹等均会造成工件在使用过程中早期失效。另外,焊接所引起的残余应力也会引起零件的早期失效。残余应力也会引起零件的早期失效。(四(四)安装安装 据据文文献献统统计计,在在260260起起压压力力容容器器失失效效中中,属属于于操操作作不不当当而而造造成成的的失失效效竟竟占占74746 6。又又如如前前苏苏联联切切尔尔诺诺贝贝利利核核电电站站事事故故是是由由于
25、于电电站站工工作作人人员员粗粗暴暴违违反反应堆装置的操作规程,导致了这场大灾难。反反应堆装置的操作规程,导致了这场大灾难。总总之之,工工件件失失效效的的原原因因是是复复杂杂的的,它它是是各各种种因因素素共共同同作作用用的的结结果果。但但每每一一失失效效事事故故,都都有有一一个个导导致致失失效效的的主主要要原原因因。因因此此对对各各种种服服役役条条件件下下的的工工件件失失效效,应应作作具具体体分分析析,找找出出失失效效方方式式和和失失效效抗抗力力指指标标。失失效效分分析析时时应应做做到到设设计计、材材料料、工工艺艺相相结结合合;结结构构强强度度与与材材料料强强度度相相结结合合;宏宏观观规规律律与
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