机械工程材料的分类和性能思维导图

这是一篇关于机械工程材料的分类和性能的思维导图，机械工程材料涉及面很广，按属性可分为金属材料和非金属材料两大类。 金属材料包括黑色金属和有色金属。 有色金属用量虽只占金属材料的5%，但因具有良好的导热性、导电性，以及优异的化学稳定性和高的比强度等，而在机械工程中占有重要的地位。

机械工程材料的分类和性能

• 第一节 机械工程材料的分类
  • 材料的化学组成
    • 金属材料
      • 黑色金属
        • 钢
        • 铸铁
      • 有色金属（除钢铁之外的金属材料）
        • 轻金属
        • 重金属
        • 贵金属
        • 稀有金属
        • 放射性金属
        • 按照不同特性分类
    • 高分子材料
      • 天然高分子材料
        • 蛋白
        • 淀粉
        • 纤维素
      • 人工合成高分子材料
        • 合成塑料
        • 合成橡胶
        • 合成纤维
        • 塑料
        • 橡胶
        • 纤维
        • 粘合剂
        • 涂料
        • 按照性能与用途分类
    • 无机非金属材料
      • 主要原料：硅酸盐矿物，又称为硅酸盐材料，因不具备金属性质，亦称为无机非金属材料。
        • 水泥
        • 玻璃
        • 耐火材料
        • 陶瓷
    • 复合材料
      • 由于多数金属材料不耐腐蚀、无机非金属材料脆性大、高分子材料不耐高温，人们把上述两种或两种以上的不同材料组合起来，取长补短、相得益彰，构成了复合材料。故复合材料由基体材料和增强材料复合而成。
        • 基础材料
          • 金属
          • 塑料
          • 陶瓷
        • 增强材料
          • 各种纤维
          • 无机化合物颗粒
  • 材料的使用性能
    • 结构材料
      • 是以强度、刚度、塑性、韧性、硬度、疲劳强度、耐磨度等力学性能为性能指标，用来制造承受载荷、传递动力的零件和构建的材料。
    • 功能材料
      • 是以声、光、电、磁、热等物理性能为性能指标，用来制造具有特殊性能的元件，如大规模集成电路材料、信息记录材料、光学材料、充电材料、激光材料、超导材料、传感器材料、储氢材料等。
• 第三节 机械工程材料的其他性能
  • 材料的物理性能
    • 密度
      • 单位体积材料的质量称为材料的密度，材料的抗拉强度与密度的比值称为比强度
    • 熔点
      • 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点
    • 导热性
      • 材料的导热性常用热导率表示
    • 导电性
      • 材料的导电性与材料的电阻密切相关，常用电导率表示
    • 热膨胀性
      • 金属材料随温度变化而膨胀或收缩的特性称为热膨胀性
    • 磁性
      • 抗磁性材料
        • 能抗拒或削弱外磁场对材料的磁化作用的材料
      • 顺磁性材料
        • 在外磁场中只能微弱地被磁化的材料
      • 铁磁性材料
        • 在外磁场中能强烈地被磁化的材料
  • 材料的化学性能
    • 耐腐蚀性
      • 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性
    • 抗氧化性
      • 材料抵抗高温氧化的能力称为抗氧化性
  • 材料的工艺性能
    • 铸造性能
      • 指浇注时，液体金属充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力
    • 锻造性能
      • 指金属易于锻压成型、不形成裂纹的能力
    • 焊接性能
      • 指材料易于被焊接到一起并获得优质焊缝的能力
    • 切削加工性能
      • 指材料容易被加工成形并得到精确的形状和高质量表面粗糙度的能力
    • 热处理性能
      • 常用的热处理方法有退火、正火、淬火、回火以及表面热处理等
• 第二节 机械工程材料的力学性能
  • 弹性与刚度
    • 在弹性范围内，应力与应变的比值称为弹性模量。在工程上，E称为材料的刚度，是材料的重要力学性能指标之一，它表征材料受力时对弹性形变的抗力。 金属材料弹性模量的大小主要取决于基体金属的本性，除随温度升高而逐渐降低外，难以通过其他强化材料的方法使之改变。 工件的刚度除取决于材料的弹性模量外，还与工件的形状和尺寸有关，可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高刚度。
  • 强度
    • 屈服强度
      • 材料在外力作用下发生塑性变形的最小应力称为屈服强度。 应力超过B点后，材料将发生塑性形变形。在BC段，应力不增加而应变仍在增大，这种现象称为屈服。B点所对应的应力就是屈服强度。
    • 抗拉强度
      • 抗拉强度反映材料产生最大均匀变形的抗力。CD段为均匀塑性变形阶段，在这一阶段，应力随应变增加而增加，即产生应变强化。超过D点后，试样开始发生全局塑性变形，即出现颈缩，随着应变增加，应力明显下降，并迅速在E点断裂。D点所对应的应力即为材料断裂前所承受的最大应力，称为抗拉强度。
  • 塑性
    • 指材料在外力作用下破坏前可承受最大塑性变形的能力。 材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量称为材料的韧性，具体地说，就是拉伸曲线与横坐标所包围的面积。 材料的伸长率和断面收缩率越大，则表示材料的塑性越好。其中，断面收缩率能更可靠地反映材料的塑性。 金属经塑性变形后，不仅改变了外观和尺寸，内部组织和结构也发生变化，且通过塑性变形所伴随的硬化过程还使材料硬度获得提高。
      • 断后伸长率是指拉断后试样标距的伸长与原始标距之比的百分数
      • 断面收缩率是指断后试样横截面积最大缩减量与原始断面横截面积之比的百分数
      • 常用的塑性指标
  • 硬度
    • 硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力，是表征材料性能的一个参量。
      • 布氏硬度法
        • 是第一个被广泛应用于工程学及冶金学的标准化硬度试验。
        • 压头主要是淬火钢球，用来测定灰铸铁、有色金属以及经退火、正火和调质处理的钢材等的硬度，不能用作测试太硬的材料。
        • 硬度值以HBS表示
        • 表示方法：”数字+硬度符号+数字/数字/数字“
      • 洛氏硬度法
        • 优点：操作简便、压痕小、适用范围广，缺点是测量结果分散度大。
        • 其使用的压头主要是金刚石圆锥体或钢球，硬度值是压入深度（h）的倒数
        • 表示方法：符号HR前面的数字表示硬度值，HR后面的字母表示为不用洛氏硬度的标尺。
        • 不宜用来测定硬而脆的薄层零件
      • 维氏硬度法
        • 使用的压头是夹角为136°的金刚石正四棱锥体，测量出压痕的对角线d后，查表或算出方锥压痕表面积除载荷P的值即为硬度，并用HV表示。
        • 尤其适用于极薄工件及表面薄硬层的硬度测量
        • 结果精确可靠，但测量过程较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度高
  • 冲击韧度
    • 许多零部件和工具在服役时需要受到冲击载荷的作用，冲击载荷就是在很短时间内以很大的速度作用于工件上的载荷。 材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性，以在冲击力作用下材料破坏时单位面积所吸收的能量表示。 材料的韧性随温度的降低而降低，由韧性断裂向脆性断裂转变称为韧脆转变。
  • 疲劳
    • 所谓交变载荷，是指大小或方向随时间而变化的载荷。在这种载荷的作用下，材料常常在远低于其屈服强度的应力下发生断裂，这种现象称为疲劳。 疲劳破坏是脆性破坏，它的一个重要特点是具有突发性，因而更具灾难性。
    • 材料承受的交变应力σ与断裂时应力循环次数N之间的关系可用疲劳曲线来描述。随着σ下降，N值增加，材料经过无数次应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。
  • 断裂韧度
    • 断裂力学认为，材料中存在缺陷是绝对的，常见的缺陷是裂纹。在应力作用下，这些裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，便会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧度。
• 材料在外力作用下发生的形状和尺寸变化称为变形，外力去除后能够恢复的变形称为弹性形变，外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形