材料学概论-非金属材料.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第九章 非金属材料,第一节,高分子材料,第二节,陶瓷材料,第三节,复合材料,指金属以外的其它材料,。机械工程主要使用的非金属材料有,高分子材料、陶瓷材料以及复合材料,。,复合材料船体,第一节 高分子材料,一、基本概念,以,高分子化合物,为主要组分的材料,有机高分子化合物,无机高分子化合物,天然,蚕丝、羊毛、纤维素、天然橡胶等,人工,把低分子化合物聚合成高分子化合物,加成聚合反应（加聚反应）,缩合聚合反应（缩聚反应）,二、高聚物的基本性能及特点,重量轻,绝缘好,减摩、耐磨性,耐热差,耐腐蚀,1,、物理性能,高弹性,滞弹性,实际强度低,开裂现象,老化,2,、力学性能,三、工程高分子材料,塑料,合成橡胶,合成纤维,高分子材料,1,、塑料,以树脂为基础,，再加入用来改善性能的,各种添加剂,，如,填充剂、增塑剂、稳定剂、固化剂、着色剂、润滑剂,等,通用塑料,工程塑料,塑料成形工艺,聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚酸塑料和氨基塑料,力学性能好，高温下长期使用。如,ABS,、聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯,挤压成形,吹塑成形,注射成形,2,、合成橡胶,橡胶在室温有高弹性能，在温度范围,处于高弹态，即较小力产生较大变形，外力去除，回复原状。良好伸缩性、储能能力、耐磨、隔声、绝缘等，用于,弹性材料、密封材料和传动材料,。,合成橡胶由石油、天然气、煤等制成单体，再由单体制成聚合反应而成。,天然来自橡胶树,3,、合成纤维,以石油、煤、天然气为原料制成合成纤维,，性能见,P225,表,10-3.,有强度密度耐磨、蚀好，人造纤维用自然界加工而成如人造丝、棉、黏胶纤维、硝化纤维、醋酸纤维。,第二节 陶瓷材料,一、陶瓷材料的概述,1,、概念,传统,指,以粘土为主要原料与其它天然矿物原料,经,粉碎,混炼,成形,煅烧,等过程制成的各种制品,现代,包括,各种硅酸盐材料,和制品在内的,无机非金属材料,的通称,2,、分类,原料的制备,坯料的成型,制品的烧成或烧结,传统,烧成,T,为,1250,1450,特种,烧结,T,为熔点的,2/3,4/5,3,、生产,粘土,石英,长石,可塑成型,注浆成型,压制成型,二、陶瓷的组织与结构,陶瓷,由,固相和气孔两部分构成,的非均质体,1,、陶瓷的组织,P239,图,10-18,、,19,传统,由,粘土、石英、长石,组成体系,各种形状和大小的,气孔与晶相、玻璃相,三者在陶瓷制品中空间的相互关系（数量及分布结合）构成陶瓷的组织结构,低温阶段（,20,300,）,分解及氧化阶段（,20,300,）,高温阶段（,950,烧成温度,）,冷却阶段（烧成温度室温）,析出长大针状英来石,液相在,750,550,固态玻璃,残留石英由高温向低温转变,残余水分排除,结构水排除,有机、碳素和无机氧化,碳酸盐、硫化物分解,低温晶型转变成高温晶型,烧成式冷却坯体变化,氧化分解继续进行,共溶体等液相相继,各组成相续溶解,成粒状或片状一次英来石,形成针状英来石长大,发生烧结过程、体积收缩,2,、晶体相,晶相种类,、发育和存在状态、,晶体取向、形态,等决定陶瓷主要用途和特点。,主晶体相,为陶瓷中数中晶体中数量最多，且作用最大的晶体,日用陶瓷中的,主晶体相为英来石,陶瓷中的,晶体相,主要有,硅酸盐,、,氧化物,和,非氧化物,三种,(1),硅酸盐,构成,硅酸盐晶体结构,的基本单元是,SiO,4,硅氧四面体。图,10-20,、,P239,Si/O=0.29,（半径之比）共价键,(2),氧化物,以,离子键,结合，也有部分,共价键,陶瓷中最重要的氧化物类型：,AO,、,AO,2,、,A,2,O,3,、,ABO,3,、,AB,2,O,4,（,A,、,B,表示阳离子）,结构的共同特点：,氧离子（一般比阳离子大）进行紧密排列，,金属阳离子,位于一定间隙中，即四面体和八面体间隙中,P241,岛状,组群状,链状,层状,架状,石英,SiO,2,钠长石,NaAlSi,3,O,8,镁橄榄石,Mg,2,SiO,4,硅钙石,Ca,3,Si,2,O,7,蓝维石,BaTiSi,3,O,9,绿宝石,Be,3,Al,2,Si,6,O,18,硅氧四面体连接方式,透辉石,CaMgSi,2,O,6,透闪石,Ca,2,Mg,5,Si,14,O,11,2,(OH),2,镁橄榄石,Mg,2,SiO,4,(3),非氧化物,指不含氧的,金属碳化物、氮化物、硼化物，碳化物,主要由,强大共价键,结合，也有部分,金属键和离子键,碳化物,氮化物,硼化物和硅化物,B,、,Si,原子间具有较强的共价结合,P243,间隙相,C,溶入,TiC,复杂碳化物,Fe,3,C,氮化物,BN,六方晶格,Si3N4 AlN,六方晶格,共价键和金属键的过渡相,与石墨结构相似,3,、玻璃相,陶瓷中含,20,40%,玻璃相,当,玻璃由熔融态转变为无定形固态,时，液态的无规则结构被冻结下来,玻态结构：硅氧四面体组成不规则的空间网,.,形成,骨架,将,晶体相,粘连起来，,填充晶体相之间的空隙,.,致密,降低烧成温度，加快烧结过程,阻止晶体转变，抑制晶体长大,获得一定程度的玻璃特性,.,如透光性等,4,、气孔,由原材料中的气孔和成型后颗粒间的气孔构成,三、陶瓷的性能,具有强化学键，,b,HB,抗蚀,高温性能,具有,绝缘、导体、半导体,和,超导体,特性,光学、磁学、电学、力学,开口气孔,一端封闭，另一端与外界相通,闭口气孔,封闭在制品中不与外界相通,贯通气孔,贯通制品的两面,1,、力学性能,弹性,E,气孔率,E,硬度,离子半径,离子电价,配位数,结合力,HB,脆性断裂和强度,抗压,b=10,抗拉,b,塑性,滑移系位错运动的切应力,塑性开始温度为,0.5T,m,（,T,m,熔点绝对温度）,2,、力学性能,3,、光学性能,4,、电学性能,5,、磁学性能,磁性陶瓷,铁氧体,热膨胀,比金属低得多,导热性,比金属低得多,热稳定性,高温透镜材料,建筑瓷砖、艺术砖,导电性能,介电性能,四、常用陶瓷,1,、传统陶瓷,粘土,长石,石英组成,日用瓷,良好的白度、光泽度、透光度、热稳定性和机械强度,普通工艺陶瓷,火石器（陶器与瓷器之间的陶瓷）及精陶,2,、特种陶瓷,氧化物陶瓷,T,m,2000.,单相多晶结构,.,如,Al,2,O,3,、,ZrO,2,非氧化物陶瓷,HB,耐磨性,脆性,抗氧化,900,1000,如,硅化物、硼化物,碳化物,加热元件、砂轮、磨料和耐火材料,氮化物,六方和六方晶系,.,介电体、耐火润滑剂,3,、金属陶瓷,用粉末冶金生产的金属,同陶瓷组成的非均质复合材料,工艺,制粉、成形和烧结,金属相,Ti,、,Cr,、,Ni,、,Co,和它们的合金,非金属相,氧化物、碳化物、硼化物氮化物等,五、陶瓷材料应用举例,P253,254,氧化铝,Al,2,O,3,+SiO,2,-Al,2,O,3,刚玉,氮化硅,Si,3,N,4,第三节 复合材料,一、概念,由两种以上,在物理和化学上不同的物质,组合起来而得到一种,多相固体材料,.,1,、分类,基体 起粘结副作用,增强体 起提高强度、韧性的作用,细粒,连续纤维、层叠复合材料、骨架、涂层,2,、复合的方法,熔体抽丝法,如,将玻璃熔成液体、以极快速度抽丝,热分解法,人造、,天然纤维,预氧化,中碳化,石墨化制得纤维,气相沉积法,将,BCl,3,与,H,2,温合高温、,B,沉积在极细的,W,丝上制得,拔丝法,金属细丝,纤维的制取,手糊成形法,压制成形法,缠绕成形法,喷射成形法,纤维与树脂复合,熔融金属法,.,浸透法,等离子喷涂法,热挤热轧法,扩散结合法,无机纤维与金属复合,二、增强机制及复合原则,1,、增强机制,细粒相作用：,阻碍基体中位错运动或分子链运动,.,当细粒相,d0.1,m,造成邻进应力集中或本身破裂,纤维具有强结合键的物质或硬质材料,纤维处在基体中，彼此隔离，表面得到保护，不易受到损伤,有裂纹的纤维断裂，但,a,k,基体能阻止裂纹扩展,纤维受力断裂，断口不在一个平面,在不均匀的三向应力状态下，即使是脆性组成，也表现出明显塑性,纤维,2,、复合原则,纤维是材料的主要承载体组成，故具有最高的强度、刚度,基体起粘结纤维的作用,纤维与基体间应有高但适当的结合强度,纤维须有合理的含量、尺寸和分布,纤维和基体的热膨胀性能应有较好的协调与配合,对纤维有润湿作用,有一定韧性、塑性，对裂纹其控制,能保护纤维表面，不引起裂纹、不损伤表面,3,、界面复合,它们的界面是一个多层结构的过渡区，一般包括五层,.,P258,图,10-31,增强材料与基体有很好的浸润，两者会形成较好的界面结合，界面强度则较大,.,当,浸润不良，界面上会产生空隙,，以而形成应力集中，,导致界面开裂。,三、性能特点,1,、比强度和比刚度高（,/,E/,）,2,、抗疲劳性能好,3,、减震能力强,4,、高温性能好,5,、断裂安全性高,四、常用复合材料,1,、,玻璃纤维复合材料,热塑,玻璃钢,热固性玻璃钢,碳纤维树脂,碳纤维,碳,碳纤维金属,碳纤维陶瓷,2,、碳纤维复合材料,硼纤维树脂,硼纤维金属,3,、硼纤维复合材料,金属纤维金属,W,、,Mo,丝，基体,Ni,、,Ti,等合金,硼纤维金属,W,、,Mo,纤维与氧化铝、氧化锆,4,、金属纤维复合材料,第十章工程材料的选用,教学目标,10.1,概述,10.2,材料选用的原则和方法,10.3,典型零件选材和工艺路线简介,本章小结,10.1,概述,(1),机械零件设计应包括,零件结构设计,、,材料选择,和,工艺设计,三个方面。三者相互影响，必须协调考虑。只重视零件的结构设计，而忽视材料的选择，往往是造成零件在使用过程中不正常失效的重要原因之一。因此，只有正确选择工程材料，才能保证零件的设计要求。,1.,失效概念,:,指零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的功能。,7.1,概述,(2),失效形式有以下三大类：,1,、断裂失效,主要失效形式,（,1,）延性断裂,（,2,）脆性断裂,（,3,）疲劳断裂,（,4,）蠕变断裂,2,、过量变形,在外力作用下零件发生整体或局部的过量弹性变形、塑性变形或蠕变导变形致整个机器或设备无法正常工作，或者能正常工作但保证不了产品质量的现象，称之为过量变形。,3,、表面损伤,（,1,）磨损失效；（,2,）接触疲劳失效；（,3,）腐蚀失效,零件失效与很多因素有关。设计、材料、加工工艺和安装等,7.2,材料选用的原则和方法,一、使用性能原则,使用性能,:,是指材料能保证零件正常工作所必须具备的性能。,包括,:,力学性能,、物理性能和化学性能,首要任务是正确地分析零件的工作条件和主要的失效形式，准确地判断零件所要求的主要力学性能指标。,其次考虑特殊要求和使用环境,7.2,材料选用的原则和方法,常见材料的基本力学性能,(1),钢的力学性能,7.2,材料选用的原则和方法,(2),铸铁：,机械性能与石墨形态有关，一般,抗拉强度较低，塑性较差,。但承压、耐磨、几乎不具有缺口敏感性。,(3),铜和铝合金：,良好的抗腐蚀性，良好的塑性和一定的强度,。铝合金具有较高的比强度。,(4),工程塑料：,良好的抗腐蚀性，绝缘性，强度、韧性较好，但,工作温度低，老化现象不可避免,。,7.2,材料选用的原则和方法,二、工艺性能原则,工艺性能,是指材料适应某种加工的能力，或加工成零部件的难易程度。,工艺,是指将原材料经过一系列的加工变为零件或机器的过程。,工程塑料：,具有良好的工艺性能。,铜和铝合金：,具有良好的工艺性能。,铸铁：,具有优良的,铸造,性能和切削加工性能，不能,锻造，,可焊性很差。,钢：具有良好的锻压性能，特别是低碳钢还有良好的焊接性能。钢的铸造性能较差,。合金钢有较好的热处理性能。,7.2,材料选用的原则和方法,二、工艺性能原则,7.2,材料选用的原则和方法,三、经济性原则,1.,材料的价格,应该尽量低,7.2,材料选用的原则和方法,三、经济性原则,7.2,材料选用的原则和方法,三、经济性原则,2.,零件的总成本,应该尽量低,7.2,材料选用的原则和方法,三、经济性原则,3.,资源的考虑,材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。,注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。,对某,工厂来说，所选材料种类、规格，应尽量少而集中，以便于采购和管理。,总结,:,在首先保证材料满足使用性能的前提下，再考虑使材料的工艺性能尽可能良好和材料的经济性尽量合理。,7.3,典型零件选材和工艺路线简介,一、齿轮类零件的选材与工艺路线,1.,齿轮的工作条件,(1),由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；,(2),换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；,(3),齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。,2.,齿轮的失效形式,疲劳断裂,(,主要从根部发生,),齿面磨损,由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小,一、齿轮类零件的选材与工艺路线,(2),2.,齿轮的失效形式,齿面接触疲劳破坏,过载断裂,(,冲击载荷过大造成的断齿,),3.,齿轮材料的性能要求,(1),高的弯曲疲劳强度；,(2),高的接触疲劳强度和耐磨性；,(3),较高的强度和冲击韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。,一、齿轮类零件的选材与工艺路线,(2),4.,齿轮类零件的选材,性能主要是,疲劳强度,，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。从以上两方面考虑，,选用低、中碳钢或其合金钢,。它们经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。,对耐磨性要求较高，而冲击韧性要求一般的硬齿面,(HRC40),的齿轮，如车床、钻床、铣床等机床的变速箱齿轮，通常采用,45,、,40Cr,、,42SiMn,等钢，经调质后表面高频淬火，再回火。,对齿面硬度要求不高的软齿面,(HBS350),齿轮，这类齿轮一般用于低速、低载荷下工作，如车床溜板箱的齿轮、车床挂轮架齿轮等，通常采用,45,、,40Cr,、,42SiMn,、,35SiMn,等，经调质或正火处理后使用。,工艺路线：,下料锻造正火粗加工调质精加工,高频淬火低温回火,精磨,(1),调质钢,一、齿轮类零件的选材与工艺路线,(2),4.,齿轮类零件的选材,对于高速、重载、冲击较大的硬齿面,(RHC50),齿轮，如,汽车变速箱齿轮、汽车驱动桥齿轮,等，常用,20CrMnTi,、,20CrMnMo,、,20CrMo,等钢，经渗碳,-,淬火,-,低温回火后得到表面硬而耐磨，心部强韧耐冲击的组织。,(2),渗碳钢,工艺路线：,下料锻造正火粗加工,渗碳预冷淬火低温回火,喷丸精磨,(3),工程塑料,对一些受力不大或无润滑条件下工作的齿轮，如,仪表齿轮、无声齿轮等，可选用工程塑料,(,如尼龙、聚碳酸酯等,),来制造。,二、轴类零件的选材与工艺路线,1.,轴类零件的工作条件,(1),工作时主要,受交变弯曲和扭转应力的复合作用,；,(2),轴与轴上零件有相对运动,相互间存在摩擦和磨损；,(3),轴在高速运转过程中会产生振动,使轴承受冲击载荷；,(4),多数轴会承受一定的过载载荷。,2.,轴类零件的失效方式,转轴弯曲疲劳断裂,齿轮轴扭断,轴颈在轴承中磨损,二、轴类零件的选材与工艺路线,3.,轴类零件的性能要求,(1),良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性,以防过载断裂、冲击断裂；,(2),高疲劳强度,对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂；,(3),足够淬透性,热处理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨损失效；,(4),良好切削加工性能,价格便宜。,4.,根据轴的不同受力情况进行分类选材,承受交变拉应力和动载荷的轴类零件，如船用推进器轴、锻锤锤杆等，应选用淬透性高的调质钢，如,30CrMnSi,、,40MnVB,、,40CrMnMo,等。,主要承受弯曲和扭转应力的轴类零件，如变速箱传动轴、发动机曲轴、机床主轴等。这类轴在整个截面上所受的应力分布不均匀，表面应力较大，心部应力较小。这类轴不需选用淬透性很高的钢种。可选用,45,钢或合金调质钢。如汽车半轴常采用,40Cr,、,45Mn2,等钢。,高精度、高速传动的轴类零件如镗床主轴，则常选用氮化钢,38CrMoAlA,等，并进行调质及氮化处理。,对中、低速内燃机曲轴以及连杆、凸轮轴，还可采用球墨铸铁，不仅满足了力学性能要求而且制造工艺简单，成本低。,二、轴类零件的选材与工艺路线,例,:C620,机床主轴选材与加工工艺路线,该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。,选用,45,钢制造，工艺路线为：,下料锻造正火粗加工调质精车高频表面淬火低温回火精磨,。,正火的目的是为了得到合适的硬度，便于加工，同时改善锻造组织，为调质处理作好准备。调质是为了使主轴得到较好的综合机械性能。对轴颈、内锥孔、外锥面进行表面淬火、低温回火、是为了提高硬度，增加耐磨性，延长主轴的使用寿命。,例题：,某齿轮要求具有良好的综合机械性能，表面硬度,50,55HRC,，用,45,钢制造。加工工艺路线为：下料锻造热处理机械粗加工热处理机械精加工热处理精磨。试说明工艺路线中各个热处理工序的名称、目的。,2.,已知一轴尺寸为,30,200mm,，要求摩擦部分表面硬度为,50,55HRC,，先用,30,钢制作，经高频表面淬火（水冷）和低温回火，使用过程中发现摩擦部分严重磨损，试分析失效原因，如何解决？,