工程材料的分類與性能課件

機械制造基礎(chǔ)機械制造基礎(chǔ)任務(wù)1工程材料的分類與性能教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)要求能力要求1.材料的強度、塑形2.材料的硬度、韌性、疲勞強度3.材料的物理、化學(xué)性能1.掌握材料硬度的測量方法及表示方法2.理解工程材料的強度、塑形、韌性及疲勞強度3.了解材料的物理化學(xué)性能的應(yīng)用初步具有工程材料硬度測試的能力項目一材料學(xué)任務(wù)1工程材料的分類與性能教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)要求能力要求1課前案例分析承載減震傳載、防裂箱體底座齒輪傳動軸課前案例分析承載減震傳載、防裂箱體底座齒輪傳動軸軸、齒輪、箱體應(yīng)具備何種性能才能滿足使用要求這些性能用什么指標衡量怎樣衡量課前思考軸、齒輪、箱體應(yīng)具備何種性這些性能用什么指標衡量怎樣衡量課前

工程材料金屬材料復(fù)合材料陶瓷和高分子材料金屬材料性能使用性能工藝性能力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能鑄、鍛、焊及切削加工性能工程材料金屬材料復(fù)合材料陶瓷和高分子材料金屬材料性能使用性1.1金屬材料的力學(xué)性能定義:

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。

指標:

彈性、剛度、強度、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度和疲勞強度等。1.1金屬材料的力學(xué)性能定義:強度

材料在外力作用，抵抗塑性變形和斷裂的能力。工程上常用的金屬材料的強度指標有屈服強度(σs)和抗拉強度(σb)等；

金屬材料的強度是通過拉伸實驗測定出來的一、拉伸實驗與拉伸曲線1.拉伸試樣GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有：圓形、矩形、異型及全截面．常用標準圓截面試樣。長試樣：L0=10d0;短試樣：L0=5d0強度材料在外力作用，抵抗塑性變形和斷裂的能力。金屬材料2.拉伸過程（錄像）2.拉伸過程（錄像）拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗機拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗機op段：比例彈性變形階段；pe段：非比例彈性變形階段；平臺或鋸齒（s段）：屈服階段；sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。b點：形成了“縮頸”。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點斷裂。斷裂總伸長為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測得的伸長)，彈性伸長gf。

Δl

bΔl

uΔl

Fbbk

Fsso

g

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Fep

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Fop段：比例彈性變形階段；ΔlbΔluΔlFbbk屈服點與屈服強度Fs當(dāng)載荷增大到Fs時，拉伸曲線呈直線狀，即試樣所承受的載荷幾乎不變，但產(chǎn)生了較為明顯的塑形變形，材料的這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象屈服強度是指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑形變形的應(yīng)力，用σs表示。σs=

FsA0（MPa)Fs——試樣產(chǎn)生塑形變形時的載荷，即拉伸曲線中s點所對應(yīng)的外力（N）A0——試樣的原始橫截面積（mm2）s屈服強度是指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑形變形的應(yīng)力，用σs表示。屈服點與屈服強度Fs當(dāng)載荷增大到Fs時，拉伸曲線呈直線狀，即抗拉強度σbσsσeFb抗拉強度是指金屬材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力，又稱強度極限，常用σb表示。σb=

FbA0（MPa)Fs——試樣被拉斷前所承受的最大外力，即拉伸曲線中b點所對應(yīng)的外力（N）sbA0——試樣的原始橫截面積（mm2）屈服強度和抗拉強度，在選擇金屬材料和機械設(shè)計時有重要意義，金屬材料必須在小于其σs的條件下工作，否則會引起零件的塑形變形；金屬材料也不能在超過其σb的條件工作，否則會導(dǎo)致零件的毀壞?？估瓘姸圈襜σsσeFb抗拉強度是指金屬材料斷裂前所承受的最塑形：材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑形變形而不被破壞的能力。1.斷后伸長率斷后伸長率是指試樣拉斷后，標距的伸長量與原標距長度的百分比，用符號δ表示。ψ=S1-S0S0

L0—試樣的原始標距（mm）L1—試樣拉斷后的標距（mm）2.斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號ψ表示。δ=L1-L0L0

S0—試樣的原始橫截面積（mm2）S1—試樣拉斷后的橫截面積（mm2）塑性指標不直接用于計算，但任何零件都需要一定塑性。防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。δ<2~5% 屬脆性材科δ≈5~10% 屬韌性材料δ>10% 屬塑性材料塑形：材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑形變形而不被破壞的能力。1.斷硬度硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑形變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)。材料的硬度越高，則耐磨性越好，故將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV硬度硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑形變形、壓痕或劃痕的能1.布氏硬度(1)試驗原理用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的實驗力P壓入試樣表面，保持規(guī)定的實驗時間后卸載實驗力，在試樣表面留下球形壓痕，布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示。用淬火鋼球做壓頭時，布氏硬度符號用HBS表示；用硬質(zhì)合金球做壓頭時，布氏硬度用符號HBW表示。式中：HBS(HBW)

——淬火鋼球（硬質(zhì)合金球）試驗的布氏硬度值Ｆ——試驗力（N）；d——壓痕平均直徑（mm）；Ｄ——淬火鋼球（硬質(zhì)合金球）直徑（mm）。布氏硬度的單位為N/mm2，但習(xí)慣上只寫明硬度值而不標出單位（試驗錄像）1.布氏硬度(1)試驗原理用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金（2）硬度表示方法及應(yīng)用符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。淬火鋼球用于測定HBS<450的金屬材料，如灰鑄鐵、有色金屬以及退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材。硬質(zhì)合金鋼球用于測定HBW<650的金屬材料。布氏硬度試驗常用來測定原材料、半成品及性能不均勻材料（如鑄鐵）的硬度。布氏硬度值與抗拉強度之間有近似的正比關(guān)系：σb=K·HBS(或HBW）（低碳鋼K=0.36，合金調(diào)質(zhì)鋼K=0.325；灰鑄鐵K=0.1）（2）硬度表示方法及應(yīng)用符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度2.洛氏硬度（1）實驗原理用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值。HR=c-h0.002獲得的洛氏硬度HR為無量綱數(shù)值，試驗時由試驗機指示器上直接讀出。（試驗錄像）洛氏硬度計2.洛氏硬度（1）實驗原理用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直（2）洛氏硬度試驗規(guī)范標度符號壓頭總載荷kg表盤上刻度顏色有效范圍應(yīng)用舉例HRA金剛石圓錐60黑色70~85碳化物、硬質(zhì)合金、表面硬化工件HRB1.588mm鋼球100紅色25~100軟鋼、退火鋼、銅合金等HRC金剛石圓錐150黑色20~67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等(3)洛氏硬度的特點操作簡單、效率高，數(shù)值可直接從指示器上讀出。壓痕小，可直接測量成品或較薄工件的硬度。HRC和HRA采用金剛石壓頭，可測量高硬度薄層和深層材料。中等硬度情況下，10HRC≈1HBS。（2）洛氏硬度試驗規(guī)范標度符號壓頭總載荷kg表盤上刻度顏色有韌性材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。韌性的重用指標為沖擊韌度。沖擊韌度通常采用擺錘沖擊試驗機測定。（試驗錄像）韌性材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。韌性的重用指標為沖擊韌試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌度ak

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。A—試樣缺口處的橫截面積（cm2）試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:A疲勞極限零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時承受的應(yīng)力低于材料的屈服點或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力，在經(jīng)受一定的應(yīng)力循環(huán)后也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。當(dāng)應(yīng)力下降到某值后，疲勞曲線成為水平線，這表示該材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂，這個應(yīng)力值稱為疲勞極限或疲勞強度。即：疲勞強度（σ-1）是指金屬材料在無數(shù)次循環(huán)載荷作用下不至于引起斷裂的最大應(yīng)力。-1Nn21N1N2NnNc鋼材N=107有色金屬N=108σ-1=(0.45～0.55)σb疲勞極限零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時承受的應(yīng)力低于材料的1.2金屬材料的物理和化學(xué)性能1.物理性能材料固有的一些屬性稱為物理性能密度單位體積的質(zhì)量kg/m3。輕金屬＜5×103kg/m3重金屬＞5×103kg/m3熔點金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。易熔金屬＜700℃難熔金屬＞700℃導(dǎo)電性傳動電流的能力。Ag＞Cu＞Al導(dǎo)熱性傳動熱量的能力。Ag＞Cu＞Al1.2金屬材料的物理和化學(xué)性能1.物理性能材料固有的2.化學(xué)性能金屬與周圍介質(zhì)接觸時，抵抗發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的性能。

耐腐蝕性能金屬材料在常溫下抵抗周圍介質(zhì)侵蝕的能力。

抗氧化性金屬材料在高溫下，抵抗產(chǎn)生氧化皮的能力

2.化學(xué)性能金屬與周圍介質(zhì)接觸時，抵抗發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)思考題1.某室溫下使用的一緊固螺栓在工作時發(fā)現(xiàn)緊固力下降，試分析材料的何種性能指標沒有達到要求？提出主要的可能解決措施。2.對自行車座位彈簧進行設(shè)計和選材，應(yīng)涉及到材料的哪些主要性能指標？3.實際生產(chǎn)中，為什么零件設(shè)計圖上一般是提出硬度技術(shù)要求而不是強度或塑性值？思考題1.某室溫下使用的一緊固螺栓在工作時發(fā)現(xiàn)緊固力下降，試低碳鋼拉伸實驗AddYourTitle返回低碳鋼拉伸實驗AddYourTitle返回布氏硬度返回布氏硬度返回洛氏硬度試驗返回洛氏硬度試驗返回維氏硬度試驗返回維氏硬度試驗返回沖擊試驗返回沖擊試驗返回

機械制造基礎(chǔ)機械制造基礎(chǔ)任務(wù)1工程材料的分類與性能教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)要求能力要求1.材料的強度、塑形2.材料的硬度、韌性、疲勞強度3.材料的物理、化學(xué)性能1.掌握材料硬度的測量方法及表示方法2.理解工程材料的強度、塑形、韌性及疲勞強度3.了解材料的物理化學(xué)性能的應(yīng)用初步具有工程材料硬度測試的能力項目一材料學(xué)任務(wù)1工程材料的分類與性能教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)要求能力要求1課前案例分析承載減震傳載、防裂箱體底座齒輪傳動軸課前案例分析承載減震傳載、防裂箱體底座齒輪傳動軸軸、齒輪、箱體應(yīng)具備何種性能才能滿足使用要求這些性能用什么指標衡量怎樣衡量課前思考軸、齒輪、箱體應(yīng)具備何種性這些性能用什么指標衡量怎樣衡量課前

工程材料金屬材料復(fù)合材料陶瓷和高分子材料金屬材料性能使用性能工藝性能力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能鑄、鍛、焊及切削加工性能工程材料金屬材料復(fù)合材料陶瓷和高分子材料金屬材料性能使用性1.1金屬材料的力學(xué)性能定義:

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。

指標:

彈性、剛度、強度、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度和疲勞強度等。1.1金屬材料的力學(xué)性能定義:強度

材料在外力作用，抵抗塑性變形和斷裂的能力。工程上常用的金屬材料的強度指標有屈服強度(σs)和抗拉強度(σb)等；

金屬材料的強度是通過拉伸實驗測定出來的一、拉伸實驗與拉伸曲線1.拉伸試樣GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有：圓形、矩形、異型及全截面．常用標準圓截面試樣。長試樣：L0=10d0;短試樣：L0=5d0強度材料在外力作用，抵抗塑性變形和斷裂的能力。金屬材料2.拉伸過程（錄像）2.拉伸過程（錄像）拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗機拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗機op段：比例彈性變形階段；pe段：非比例彈性變形階段；平臺或鋸齒（s段）：屈服階段；sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。b點：形成了“縮頸”。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點斷裂。斷裂總伸長為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測得的伸長)，彈性伸長gf。

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Fop段：比例彈性變形階段；ΔlbΔluΔlFbbk屈服點與屈服強度Fs當(dāng)載荷增大到Fs時，拉伸曲線呈直線狀，即試樣所承受的載荷幾乎不變，但產(chǎn)生了較為明顯的塑形變形，材料的這種現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象屈服強度是指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑形變形的應(yīng)力，用σs表示。σs=

FsA0（MPa)Fs——試樣產(chǎn)生塑形變形時的載荷，即拉伸曲線中s點所對應(yīng)的外力（N）A0——試樣的原始橫截面積（mm2）s屈服強度是指在外力作用下開始產(chǎn)生明顯塑形變形的應(yīng)力，用σs表示。屈服點與屈服強度Fs當(dāng)載荷增大到Fs時，拉伸曲線呈直線狀，即抗拉強度σbσsσeFb抗拉強度是指金屬材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力，又稱強度極限，常用σb表示。σb=

FbA0（MPa)Fs——試樣被拉斷前所承受的最大外力，即拉伸曲線中b點所對應(yīng)的外力（N）sbA0——試樣的原始橫截面積（mm2）屈服強度和抗拉強度，在選擇金屬材料和機械設(shè)計時有重要意義，金屬材料必須在小于其σs的條件下工作，否則會引起零件的塑形變形；金屬材料也不能在超過其σb的條件工作，否則會導(dǎo)致零件的毀壞。抗拉強度σbσsσeFb抗拉強度是指金屬材料斷裂前所承受的最塑形：材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑形變形而不被破壞的能力。1.斷后伸長率斷后伸長率是指試樣拉斷后，標距的伸長量與原標距長度的百分比，用符號δ表示。ψ=S1-S0S0

L0—試樣的原始標距（mm）L1—試樣拉斷后的標距（mm）2.斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號ψ表示。δ=L1-L0L0

S0—試樣的原始橫截面積（mm2）S1—試樣拉斷后的橫截面積（mm2）塑性指標不直接用于計算，但任何零件都需要一定塑性。防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰值。δ<2~5% 屬脆性材科δ≈5~10% 屬韌性材料δ>10% 屬塑性材料塑形：材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑形變形而不被破壞的能力。1.斷硬度硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑形變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)。材料的硬度越高，則耐磨性越好，故將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV硬度硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑形變形、壓痕或劃痕的能1.布氏硬度(1)試驗原理用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的實驗力P壓入試樣表面，保持規(guī)定的實驗時間后卸載實驗力，在試樣表面留下球形壓痕，布氏硬度值用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力來表示。用淬火鋼球做壓頭時，布氏硬度符號用HBS表示；用硬質(zhì)合金球做壓頭時，布氏硬度用符號HBW表示。式中：HBS(HBW)

——淬火鋼球（硬質(zhì)合金球）試驗的布氏硬度值Ｆ——試驗力（N）；d——壓痕平均直徑（mm）；Ｄ——淬火鋼球（硬質(zhì)合金球）直徑（mm）。布氏硬度的單位為N/mm2，但習(xí)慣上只寫明硬度值而不標出單位（試驗錄像）1.布氏硬度(1)試驗原理用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金（2）硬度表示方法及應(yīng)用符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。淬火鋼球用于測定HBS<450的金屬材料，如灰鑄鐵、有色金屬以及退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材。硬質(zhì)合金鋼球用于測定HBW<650的金屬材料。布氏硬度試驗常用來測定原材料、半成品及性能不均勻材料（如鑄鐵）的硬度。布氏硬度值與抗拉強度之間有近似的正比關(guān)系：σb=K·HBS(或HBW）（低碳鋼K=0.36，合金調(diào)質(zhì)鋼K=0.325；灰鑄鐵K=0.1）（2）硬度表示方法及應(yīng)用符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度2.洛氏硬度（1）實驗原理用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值。HR=c-h0.002獲得的洛氏硬度HR為無量綱數(shù)值，試驗時由試驗機指示器上直接讀出。（試驗錄像）洛氏硬度計2.洛氏硬度（1）實驗原理用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直（2）洛氏硬度試驗規(guī)范標度符號壓頭總載荷kg表盤上刻度顏色有效范圍應(yīng)用舉例HRA金剛石圓錐60黑色70~85碳化物、硬質(zhì)合金、表面硬化工件HRB1.588mm鋼球100紅色25~100軟鋼、退火鋼、銅合金等HRC金剛石圓錐150黑色20~67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等(3)洛氏硬度的特點操作簡單、效率高，數(shù)值可直接從指示器上讀出。壓痕小，可直接測量成品或較薄工件的硬度。HRC和HRA采用金剛石壓頭，可測量高硬度薄層和深層材料。中等硬度情況下，10HRC≈1HBS。（2）洛氏硬度試驗規(guī)范標度符號壓頭總載荷kg表盤上刻度顏色有韌性材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。韌性的重用指標為沖擊韌度。沖擊韌度通常采用擺錘沖擊試驗機測定。（試驗錄像）韌性材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。韌性的重用指標為沖擊韌試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:

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沖擊韌度ak

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。A—試樣缺口處的橫截面積（cm2）試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為: