第1章緒論、工程材料的主要性能

1、工程材料工程材料 機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 緒緒 論論機(jī)械制造的基本過(guò)程機(jī)械制造的基本過(guò)程工程材料分類及應(yīng)用工程材料分類及應(yīng)用本課程主要內(nèi)容本課程主要內(nèi)容學(xué)習(xí)本課程要求學(xué)習(xí)本課程要求參考書(shū)目參考書(shū)目二、工程材料分類及應(yīng)用二、工程材料分類及應(yīng)用金屬材料金屬材料 黑色金屬：鋼、鐵 有色金屬：除鋼鐵以外的其它金 屬及合金。非金屬材料非金屬材料 高分子材料：塑料、橡膠 陶瓷材料：碳化硅、氮化硅復(fù)合材料復(fù)合材料：玻璃鋼陶瓷刀具：可在冰陶瓷刀具：可在冰凍條件下切削肉類凍條件下切削肉類和其他食品，切削和其他食品，切削水果不變色，切洋水果不變色，切洋蔥不刺眼蔥不刺眼 塑料齒輪重量輕、噪聲低、塑料齒輪重量輕、噪

2、聲低、成本低、自潤(rùn)滑成本低、自潤(rùn)滑信息科學(xué)能源科學(xué)材料科學(xué) 舊石器時(shí)代- 新石器時(shí)代 -青銅器時(shí)代 -鐵器時(shí)代-人工合成材料時(shí)代現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱材料的發(fā)展與歷史時(shí)代的劃分航空航天航空航天 人類第一架飛機(jī)人類第一架飛機(jī) 1903 萊特兄弟萊特兄弟 16公里公里/小時(shí)小時(shí) 螺旋槳飛機(jī)螺旋槳飛機(jī) 300公里公里/小時(shí)小時(shí) 鋁合金鋁合金 民航噴氣式飛機(jī)民航噴氣式飛機(jī) 5001000公里公里/小時(shí)小時(shí) 高溫合金高溫合金 我國(guó)主力噴氣戰(zhàn)斗機(jī)殲八我國(guó)主力噴氣戰(zhàn)斗機(jī)殲八 2700公里公里/小時(shí)小時(shí)人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星 鈦合金：鈦合金：密度小密度小耐高溫耐高溫耐腐蝕耐腐蝕通信技術(shù)通信技術(shù)

3、 現(xiàn)有太平洋海底光纜示意圖現(xiàn)有太平洋海底光纜示意圖金屬材料獲得廣泛的應(yīng)用的原因金屬材料獲得廣泛的應(yīng)用的原因 優(yōu)良的機(jī)械性能優(yōu)良的機(jī)械性能 優(yōu)良的物理性能優(yōu)良的物理性能 優(yōu)良的工藝性能優(yōu)良的工藝性能 三、本課程主要內(nèi)容三、本課程主要內(nèi)容工程材料的主要性能工程材料的主要性能金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶鋼的熱處理鋼的熱處理 常用金屬材料常用金屬材料機(jī)械零件選材及工藝路線分析機(jī)械零件選材及工藝路線分析 四、學(xué)習(xí)本課程要求四、學(xué)習(xí)本課程要求 上課認(rèn)真聽(tīng)講、做筆記；上課認(rèn)真聽(tīng)講、做筆記； 積極參加討論、回答問(wèn)題；積極參加討論、回答問(wèn)題；

4、獨(dú)立完成作業(yè)，不要互相抄襲；獨(dú)立完成作業(yè)，不要互相抄襲； 認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)，不缺勤。認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)，不缺勤。成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)作業(yè)成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)作業(yè)10% 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)20% 期末期末70%第第1章章 材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能v內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能 成分結(jié)構(gòu)（組織）性能v加工工藝與性能加工工藝與性能 切削加工 鍛造 鑄造 焊接 v使用行為與性能使用行為與性能 橡膠暴露在空氣中逐漸硬化 金屬在周期性載荷作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞 普通鋼鉆頭不能象高速鋼鉆頭那樣飛快切削 工程材料的主要性能工程材料的主要性能u力學(xué)性能力學(xué)性能u物理性能物理性能u化學(xué)性能化學(xué)性能u工藝性能工藝性能1.1 靜力學(xué)性能靜力學(xué)性能材料

5、在靜外力作用下所表現(xiàn)出的各種性能。材料在靜外力作用下所表現(xiàn)出的各種性能。q強(qiáng)度強(qiáng)度q硬度硬度q塑性塑性q疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度q沖擊韌性沖擊韌性q斷裂韌性斷裂韌性 拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)電子拉伸試驗(yàn)機(jī)GB/T288-1987 應(yīng)變 =L/L0GB/T288-2002見(jiàn)附錄1低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線應(yīng)力=F/S0N/mm2(MPa)一、彈性與剛度一、彈性與剛度 彈性變形彈性變形（不超過(guò)（不超過(guò)0.5%1%）彈性極限彈性極限e材料不產(chǎn)生塑性變形材料不產(chǎn)生塑性變形所能承受的最大應(yīng)力。所能承受的最大應(yīng)力。（精密彈性元件、炮筒）（精密彈性元件、炮筒）彈性模量彈性模量 E= / 衡量材料抵抗彈性衡量材料抵抗彈性變

6、形的能力。表示材變形的能力。表示材料的料的剛度剛度。機(jī)器零件或構(gòu)件剛度：機(jī)器零件或構(gòu)件剛度：EA二、強(qiáng)度二、強(qiáng)度在外力作用下，材在外力作用下，材料抵抗料抵抗變形變形和和破壞破壞的能力。的能力。屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)s 材料開(kāi)材料開(kāi)始產(chǎn)生明顯塑性變始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。形時(shí)的最低應(yīng)力值。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度0.2 試樣標(biāo)距長(zhǎng)度產(chǎn)生試樣標(biāo)距長(zhǎng)度產(chǎn)生0.2%塑性塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。變形時(shí)的應(yīng)力值?？估瓘?qiáng)度抗拉強(qiáng)度b材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。（力值。（Rm） 三、塑性三、塑性材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。破壞的能力。伸長(zhǎng)率

7、伸長(zhǎng)率 試樣在拉斷后的相對(duì)伸長(zhǎng)量。試樣在拉斷后的相對(duì)伸長(zhǎng)量。（A）=（L1-L0）/L0 100%L0試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；L1試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度。試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度。斷面收縮率斷面收縮率 試樣被拉斷后橫截面積的相試樣被拉斷后橫截面積的相對(duì)收縮量。（對(duì)收縮量。（Z）=（A0-A1）/A0 100%A0試樣原始橫截面積；試樣原始橫截面積；A1試樣拉斷處的橫截面積。試樣拉斷處的橫截面積。塑性的意義：塑性的意義：1.零件在使用過(guò)程中偶然過(guò)零件在使用過(guò)程中偶然過(guò)載時(shí)，因發(fā)生塑性變形而載時(shí)，因發(fā)生塑性變形而不至于突然斷裂；不至于突然斷裂；2.碰撞時(shí)吸收能量；碰撞時(shí)吸收能量；3.塑性成形

8、。塑性成形。四、硬度四、硬度材料抵抗外加載荷壓入表面的能力。材料抵抗外加載荷壓入表面的能力。（1）布氏硬度（）布氏硬度（HBW）壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：低碳鋼：低碳鋼： b0.36HBW高碳鋼：高碳鋼：b0.34HBW灰鑄鐵：灰鑄鐵：b0.10HBW試驗(yàn)規(guī)范。試驗(yàn)規(guī)范。表示方法：表示方法：120HBW 120HBW10/1000/30表示直徑為表示直徑為10mm的的硬質(zhì)合金球在硬質(zhì)合金球在1000kgf（9.807kN）載荷）載荷作用下保持作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為測(cè)得的布氏硬度值為120 壓痕較大，只適用于毛坯檢驗(yàn)，不適合壓痕較大，只適用于毛坯檢驗(yàn)，不適合

9、成品。成品。（2）洛氏硬度）洛氏硬度HR試驗(yàn)規(guī)范。試驗(yàn)規(guī)范。表示方法：表示方法：60HRC洛氏硬度操作迅速、簡(jiǎn)便，壓痕小可在工件洛氏硬度操作迅速、簡(jiǎn)便，壓痕小可在工件表面進(jìn)行試驗(yàn)，可測(cè)各種金屬。表面進(jìn)行試驗(yàn)，可測(cè)各種金屬。壓痕較小，代表性差。由于材料成分偏析，壓痕較小，代表性差。由于材料成分偏析，組織不均勻，使硬度值分散性大，應(yīng)在不同組織不均勻，使硬度值分散性大，應(yīng)在不同部位測(cè)量多次取平均值。部位測(cè)量多次取平均值。（3）維氏硬度）維氏硬度(HV)采用相對(duì)面夾角為采用相對(duì)面夾角為136o金剛石正四棱錐壓頭，金剛石正四棱錐壓頭，以規(guī)定的試驗(yàn)力以規(guī)定的試驗(yàn)力F壓入材料的表面，保持規(guī)壓入材料的表面，保

10、持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用正四棱錐壓痕單位定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用正四棱錐壓痕單位表面積上所受的平均壓力表示硬度值。表面積上所受的平均壓力表示硬度值。 載荷小，壓入深度淺，適于測(cè)試零件載荷小，壓入深度淺，適于測(cè)試零件表面淬硬層及化學(xué)熱處理的表面層。表面淬硬層及化學(xué)熱處理的表面層。連續(xù)一致的標(biāo)尺，可測(cè)定從極軟到極連續(xù)一致的標(biāo)尺，可測(cè)定從極軟到極硬的各種金屬材料。硬的各種金屬材料。測(cè)定較麻煩，工作效率不如洛氏硬度測(cè)定較麻煩，工作效率不如洛氏硬度高。高?？蓽y(cè)量硬度為可測(cè)量硬度為101000HV范圍的材料。范圍的材料。 由于各種硬度試驗(yàn)的條件不同，因此相互間沒(méi)有由于各種硬度試驗(yàn)的條件不同，因此相互間沒(méi)有

11、理論的換算關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的粗略換算關(guān)系理論的換算關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的粗略換算關(guān)系如下：如下：硬度在硬度在200600HBS（W） HRC 1/10HBS硬度小于硬度小于450HBS HBS HV 各種硬度間換算以及硬度與強(qiáng)度之間的換算各種硬度間換算以及硬度與強(qiáng)度之間的換算可查表。可查表。五、疲勞強(qiáng)度五、疲勞強(qiáng)度交變應(yīng)力交變應(yīng)力應(yīng)力的大小、方向隨時(shí)間變化。應(yīng)力的大小、方向隨時(shí)間變化。疲勞疲勞承受交變應(yīng)力的零件在工作過(guò)程中，承受交變應(yīng)力的零件在工作過(guò)程中，往往在工作應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生往往在工作應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂疲勞斷裂。特征：

12、無(wú)征兆突然斷裂，造成嚴(yán)重事故。特征：無(wú)征兆突然斷裂，造成嚴(yán)重事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在損壞的機(jī)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在損壞的機(jī)器零件中，器零件中，80%是由是由金屬疲勞造成的！金屬疲勞造成的?。?）疲勞實(shí)驗(yàn)v 變動(dòng)載荷變動(dòng)載荷：載荷時(shí)間對(duì)稱交變應(yīng)力脈動(dòng)交變應(yīng)力無(wú)規(guī)則交變應(yīng)力主軸類汽缸蓋螺釘農(nóng)用掛車車輪v一組試樣：一組試樣：疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)試樣的表面質(zhì)量很敏感，曲線上每一點(diǎn)最好取疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)試樣的表面質(zhì)量很敏感，曲線上每一點(diǎn)最好取幾個(gè)試樣平均值。幾個(gè)試樣平均值。v疲勞曲線107N02-1N最大應(yīng)力max循環(huán)周次N（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）1一般鋼鐵材料 2有色金屬、高強(qiáng)度鋼等。鋼鐵 N0 =107 次， 有色金屬 N0 =108 次。對(duì)于實(shí)

13、際機(jī)件， N0 根據(jù)工作條件和使用壽命確定。例：火車軸N0 =5107 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸N0 =12107 氣輪機(jī)葉片N0 =2510101（2）疲勞原因）疲勞原因 表面是產(chǎn)生疲勞源部位表面是產(chǎn)生疲勞源部位（表面應(yīng)力集中、刀痕、（表面應(yīng)力集中、刀痕、劃傷等）。劃傷等）。擴(kuò)展時(shí)而停頓、時(shí)而向前擴(kuò)展時(shí)而停頓、時(shí)而向前發(fā)展，出現(xiàn)疲勞裂紋發(fā)展，出現(xiàn)疲勞裂紋貝殼紋。貝殼紋。剩余部分面積減小，應(yīng)力剩余部分面積減小，應(yīng)力增大，當(dāng)增大，當(dāng)b時(shí)，突然時(shí)，突然斷裂。斷裂。（3）預(yù)防措施）預(yù)防措施設(shè)計(jì)時(shí)表面圓滑過(guò)渡，減少應(yīng)力集中。設(shè)計(jì)時(shí)表面圓滑過(guò)渡，減少應(yīng)力集中。表面預(yù)制壓應(yīng)力（噴丸、表面淬火、化表面預(yù)制壓應(yīng)力（噴丸

14、、表面淬火、化學(xué)熱處理等）學(xué)熱處理等）六、韌性六、韌性材料斷裂時(shí)所需能量的度量。材料斷裂時(shí)所需能量的度量。（1）沖擊韌度）沖擊韌度k沖擊韌性沖擊韌性在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力，通常用沖擊吸擊力的作用而不被破壞的能力，通常用沖擊吸收功收功Ak和沖擊韌度指標(biāo)和沖擊韌度指標(biāo)k來(lái)度量。來(lái)度量。一次沖擊彎曲試驗(yàn) 指標(biāo)指標(biāo)沖擊吸收功沖擊吸收功 Ak (J)沖斷標(biāo)準(zhǔn)試樣所消耗的功。沖斷標(biāo)準(zhǔn)試樣所消耗的功。 Ak=Gg(h-h1) 其中其中 G-擺錘質(zhì)量擺錘質(zhì)量 g-重力加速度重力加速度沖擊韌度沖擊韌度ak（J/cm2)試樣單位截面積所消耗的試樣單位截面

15、積所消耗的 沖擊吸收功。沖擊吸收功。ak= Ak/S 其中其中 S-試樣缺口處的截面積試樣缺口處的截面積 沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用o 評(píng)定材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品評(píng)定材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量。質(zhì)量。o 評(píng)定材料的低溫變脆傾向。評(píng)定材料的低溫變脆傾向。o 此試驗(yàn)有很多局限性。此試驗(yàn)有很多局限性。工程中的斷裂事故工程中的斷裂事故 2007年年11月月2日美國(guó)日美國(guó)F15 空中解體；空中解體；第一章第一章 緒論緒論（2）斷裂韌度斷裂韌度K1c斷裂韌性斷裂韌性材料抵抗裂紋擴(kuò)張的能力。材料抵抗裂紋擴(kuò)張的能力。 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 K1=Y 其中其中 K1應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，單位

16、為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，單位為Nm-3/2; Y與裂紋形狀、加載方式及試樣幾何尺與裂紋形狀、加載方式及試樣幾何尺 寸有關(guān)的系數(shù)；寸有關(guān)的系數(shù)； 外加應(yīng)力，單位為外加應(yīng)力，單位為MPa a裂紋的半長(zhǎng)，單位為裂紋的半長(zhǎng)，單位為mm。 as ss s2aAxy2b斷裂韌度應(yīng)用：斷裂韌度應(yīng)用：用無(wú)損探傷方法測(cè)出零件中最大裂紋長(zhǎng)度，用無(wú)損探傷方法測(cè)出零件中最大裂紋長(zhǎng)度，就可以算出使零件失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界載荷，就可以算出使零件失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界載荷，既零件能承受的最大載荷。既零件能承受的最大載荷。測(cè)得零件的工作應(yīng)力，就可以確定材料在測(cè)得零件的工作應(yīng)力，就可以確定材料在加工過(guò)程中允許存在的最大裂紋長(zhǎng)度。加工過(guò)程中允許存在的最大裂紋長(zhǎng)度。1-2 物理性能物理性能 密度密度 單位體積材料的質(zhì)量。單位體積材料的質(zhì)量。 熔點(diǎn)熔點(diǎn) 材料的熔化溫度。材料的熔化溫度。 熱膨脹性熱膨脹性線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)：溫度每變化溫度每變化1時(shí)引起的材時(shí)引起的材料長(zhǎng)度上的相對(duì)伸長(zhǎng)量。料長(zhǎng)度上的相對(duì)伸長(zhǎng)量。 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 磁性磁性材料在磁場(chǎng)中的