第1章-工程材料力學(xué)性能

版權(quán)所有,1997(c)DaleCarnegie&Associates,Inc.工程材料工程材料的分類金屬非金屬復(fù)合材料碳鋼合金鋼鋁合金銅合金鈦合金鋼鐵有色金屬塑料橡膠陶瓷聚合物聚合物基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料前言

工程材料是構(gòu)成機械的物質(zhì)基礎(chǔ)。機械的性能取決于其使用的材料，機械的進步依賴于材料的進步。目前，用于機械制造的材料有上千種，常用的也有上百種，并且還有許多新的材料不斷地被創(chuàng)造出來。要想在眾多材料中作出正確的選擇。既能保證使用性能、便于加工，經(jīng)濟性又好。只有了解這些材料，認(rèn)識這些材料。碳鋼碳鋼又稱碳素鋼，其主要合金元素為碳，含量在0.1～1.3%之間。由于原料和冶煉工藝的限制，實際使用的鋼中都含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素。碳鋼分類碳鋼常用的分類方法有三種：1.按碳含量進行分類可分為低碳鋼(＜0.25%C)、中碳鋼(0.25-0.55%C)、高碳鋼(＞0.55%C)。2.按其用途進行分類可分為結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼兩大類，前者用來制造各種金屬構(gòu)件和機械零件，后者用來制造各種刀具、模具和量具。3.按其質(zhì)量等級分類可分為普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼。合金鋼鐵、碳和合金元素是合金鋼的基本組元。或者說：合金鋼是加入合金元素的鋼。合金鋼的強度高，塑韌性優(yōu)于碳鋼，抗腐蝕性和抗氧化性也好。合金鋼分類1.按合金元素的含量分低合金鋼合金元素總含量＜5%中合金鋼合金元素總含量5-10%高合金鋼合金元素總含量＞10%2.按主要用途分合金結(jié)構(gòu)鋼:滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼合金工具鋼:刃具鋼、模具鋼、量具鋼特殊性能鋼:不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼有色金屬材料除鋼、鑄鐵之外的金屬叫有色金屬。工程中常用的有色金屬有鋁、銅、鎂、鈦金屬及其合金等。有色金屬材料（一）鋁合金比重小，比強度高。在空氣中的抗蝕性好。容易加工。用以制造飛行器各種承力構(gòu)件，如蒙皮、壁板、槳葉、活塞及火箭上的液體燃料箱翼梁、螺旋槳葉、起落架等。也常用于汽車、摩托車、家用電器、建筑等。有色金屬材料（二）銅合金機械性能好摩擦系數(shù)小在空氣環(huán)境下具有良好的抗蝕性。容易加工。用途:制造滑動軸承、耐水蝕零件、導(dǎo)熱零件等。有色金屬材料（三）鈦合金比強度高?？刮g性好。耐高低溫。難加工。價格昂貴。鈦合金航空航天中，應(yīng)用廣泛。用于制造工作溫度不超過400℃的各種飛機結(jié)構(gòu)和發(fā)動機零部件。如發(fā)動機壓氣機盤、葉片，蒙皮等。液體燃料火箭的儲氫罐也是鈦合金制造的，其工作溫度為-253℃。許多民用領(lǐng)域如氯堿化工業(yè)及海水用泵、閥、管道、換熱器、冷凝器等，也廣泛采用鈦合金，并取得了良好的經(jīng)濟效益。鑄鐵鑄鐵是含碳量在2.11%以上，并含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。常見鑄鐵有灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵和球墨鑄鐵?；铱阼T鐵應(yīng)用較多，其的抗拉強度比鋼低得多，但是鑄鐵中有石墨，能有效地吸收震動能量。因石墨有潤滑作用，使鑄鐵有良好的耐磨性和減磨性。鑄鐵價格便宜，好加工。非金屬材料（一）塑料-

塑料是由聚合物為基礎(chǔ)添加各種助劑而成的混合體系，塑料由組成樹脂：樹脂是塑料的主要成份，它聯(lián)系和粘結(jié)其它組分，對塑料的性能起決定性作用。填充劑：彌補或改善樹脂的性能不足，另外可以顯著地降低成本。增塑劑:增加材料塑性。固化劑：使線型高分子交聯(lián)成體型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定劑：用來抵抗老化延長塑料壽命物質(zhì)。其它諸如發(fā)泡劑，抗靜電劑，染料，潤滑劑等等.非金屬材料（二）橡膠橡膠也是以有機高分子化合物為基礎(chǔ)的材料，它具有高彈性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺少的彈性材料、密封材料和減震材料。橡膠組成(1)生膠：未經(jīng)硫化的橡膠叫生膠，是橡膠主要成份，對橡膠性能起決定作用，但單純生膠高溫發(fā)粘，低溫性脆，常加入各種助劑并經(jīng)硫化制成工業(yè)用橡膠。(2)硫化劑：提高橡膠的彈性和強度，常用的是硫磺。(3)軟化劑：增加橡膠塑性、降低硬度。(4)補強劑：提高橡膠強度，耐磨性。目前效果最好的補強劑是碳黑。此外還有填充劑、防老化劑、著色劑等。橡膠分類

橡膠種類繁多，若以原料來區(qū)分，有天然橡膠與合成橡膠，按合成橡膠性能及用途又可分為通用橡膠及特種橡膠。非金屬材料（三）陶瓷用純度較高的人工合成原料制造的，能滿足高溫、高強、功能性等要求的特種陶瓷。常見的有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，而特種陶瓷除燒結(jié)體外還包括單晶(晶須)、纖維、薄膜及超細(xì)粉體等。復(fù)合材料由兩種或更多材料經(jīng)人工復(fù)合而成的，性能優(yōu)于單一材料的合成材料。如玻璃鋼。復(fù)合材料中主要起增強作用的叫強化相；主要起粘接作用的叫基體。按基體分：聚合物基、金屬基、陶瓷基按強化相分：顆粒增強、纖維增強、層疊復(fù)合材料牌號牌號是代表材料的符號，牌號可表明材料的種類、成分、性能等。各類材料的編號方法是不同的。鋼鐵材料的編號方法有色金屬的編號方法其他材料的編號方法鋼鐵材料的編號方法（一）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四個部分組成。例：Q235A·F其中Q表示屈服點“屈”字漢語拼音第一個字母；235表示鋼材厚度≤16mm時的屈服點值不小于235MPa；A表示質(zhì)量等級A、B、C、D四級中的A級，F(xiàn)表示沸騰鋼。除此以外b表示半鎮(zhèn)靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。鋼鐵材料的編號方法（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號以平均碳含量的萬分?jǐn)?shù)，用兩位數(shù)字表示。例如平均碳含量為0.45%的鋼，其牌號表示為45。高級優(yōu)質(zhì)鋼則在其后加一個“A”字。如45A。鋼鐵材料的編號方法（三）碳素工具鋼的牌號是以其平均含碳量的千分之幾表示，并在數(shù)字之前冠以“T”字。例如：T10鋼表示平均含碳量為1.0%的碳素工具鋼。如為高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在數(shù)字之后再加一個“A”字，如T10A。鋼鐵材料的編號方法（四）合金鋼編號方法用漢字或化學(xué)元素符號代表合金元素。碳含量與合金元素含量用數(shù)字表示。對于結(jié)構(gòu)鋼，碳含量以萬分一為單位，用兩位數(shù)字表示；對于工具鋼和不銹鋼，碳含量以千分之一為單位，用一位數(shù)字表示。合金元素以百分之一為單位，當(dāng)含量小于1.5%時，一般不標(biāo)出含量。例如：牌號為30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高級優(yōu)質(zhì)鋼。有色金屬的編號方法（一）變形鋁合金：1.防銹鋁合金LF：LF12.硬鋁合金LY：LY113.超硬鋁合金LC：LC94.鍛造鋁合金LD：LD5-鑄造鋁合金：ZALSi12 -含硅12%的鑄造鋁合金。 代號：ZL102有色金屬的編號方法（二）銅合金：1.紫銅（純銅）T1，T2，2.黃銅：銅鋅合金。H623.青銅：其他銅合金。QSn10-1。識別下列材料牌號牌號 類別 成分12Cr2Ni4A 3Cr2W8V 40CrNiMo

W18Cr4V

45 T8,T12 合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼識別下列材料牌號牌號 類別 1Cr18Ni9TiLY12LC4LF11ZLSi12不銹鋼 硬鋁 超硬鋁 防銹鋁 鑄鋁 第一章工程材料的性能材料的性能中最主要的是力學(xué)性能，包括：強度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞強度、斷裂韌性等等。1.1強度與塑性強度MPa(MN/m2)

在外力作用下材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。試件用被測材料制成，有圓形、板形兩種：loLDdoaoloLbo(a)園試樣(b)板材試樣材料拉伸

specimen2.1材料拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變

OA:彈性變形elasticdeformationABC:屈服yield

CDE:塑性變形plasticdeformation

E:斷裂fracture

拉伸曲線﹡彈性變形階段

0-p-e﹡彈塑性變形階段（屈服-強化-縮頸）e-ss-s’s’-bb-k﹡斷裂koσs應(yīng)力MPabkss’pe應(yīng)變e=DL/Lσb屈服強化縮頸彈性變形斷裂應(yīng)力、應(yīng)變應(yīng)力：試樣單位面積上所承受的平均力σσ=F/A。F--力，A。--試樣的面積應(yīng)變：試樣單位長度的伸長量e=DL/LDL–試樣的伸長，L-試樣的原長材料承受載荷的限度是多大？不允許斷裂（特殊情況除外）允許塑性變形么？允許彈性變形么？材料承受載荷的限度是設(shè)計時的依據(jù)，規(guī)定為強度指標(biāo)。1.抗拉強度(σb)抗拉強度：指材料所能承受的最大應(yīng)力。σb=Fb/A0Fb

－試樣斷裂前承受的最大載荷。A0

－試樣原始截面積 oσsMPabkss’pe

e=Dl/LσboσsMPabkss’pe

e=Dl/Lσb2.屈服強度屈服強度：指材料產(chǎn)生屈服時的應(yīng)力。σs=Fs/A0Fs

－屈服時的載荷A0

－試樣原始截面積 條件屈服強度(σ0.2)

殘余應(yīng)變量為0.2％時的應(yīng)力值。σb0.2σ0.2卸載曲線﹡彈性變形階段去除外力，則應(yīng)變隨應(yīng)力下降沿著拉伸曲線回到原點。﹡彈塑性變形階段去除外力，應(yīng)變不會完全恢復(fù)，應(yīng)變沿與線彈性階段斜率相同的直線卸載。oσs應(yīng)力MPabkσb屈服強化縮頸彈性變形斷裂塑性變形σ’s加工硬化經(jīng)過塑性變形的金屬再次拉伸時，將產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力高于原來的屈服強度。這種現(xiàn)象叫做加工硬化或冷變形硬化。oσs應(yīng)力MPabkσb屈服強化縮頸彈性變形斷裂塑性變形σ’s3剛度與彈性模量★剛度是指零件或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。取決于材料的彈性模量與結(jié)構(gòu)形狀。ΔL=PL/AEo1

2★彈性模量

是指在比例極限(σp)范圍內(nèi)，材料所受的應(yīng)力與產(chǎn)生的應(yīng)變之比。

E=s/e材料1的彈性模量大于材料2。4.塑性在外力作用下材料產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。★伸長率(δ)L1-L0δ=———×100％

L0★斷面收縮率(Ψ)。

F0-F1y=———×100％ F0

lodol1d1＊δ、Ψ值越大，表示金屬的塑性越好。4.按GB699規(guī)定,15號鋼材出廠時,力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)不低于下列數(shù)值:σb=372MN/m2、σs=225MN/m2、δ=27%、=55%?，F(xiàn)購進一批15號鋼材,用它制成d0=10mm,L0=50mm拉伸試樣,作拉伸試驗的結(jié)果是:Pb=33844N,Ps=20699N、d1=6mm,L1=65mm。試計算這批鋼材的力學(xué)性能是否合格。x=1.2硬度

材料抵抗表面局部塑性變形及破壞的能力。常用硬度測定方法:硬物壓入法劃痕法工業(yè)常用壓入法。1.布氏硬度(HB)布氏硬度計

硬物：球形壓頭(D=10、5、2.5、2、1mm)載荷：PHBS:普通淬火鋼球硬度值在450以下HBW:硬質(zhì)合金球硬度值在450～650

HBS(HBW)=———

PF2.洛氏硬度(HR)載荷：▲初載荷98N并壓入深度h1▲主載荷(490N或882N或1372N)使壓入深度達(dá)h2

；▲卸除主載荷、保留初載荷， 壓入深度減小為h3。洛氏硬度的計算深度值 △h=h3-h1。

HR=———

01230123h1h3h2K=0.2壓頭被測材料硬物：頂角120°金鋼石圓錐(或Φ1.588mm淬火鋼球)K-△h0.002幾種常用洛氏硬度標(biāo)度壓頭主載荷測量范圍應(yīng)用材料HRA金剛石490N20～88表面硬化層、硬質(zhì)合金等HRB淬火鋼球882N20～100有色金屬，退火、正火鋼等HRC金剛石1372N20～70淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計3.維氏硬度(HV)壓頭：頂角為136°的金剛石正四棱錐體

HV=———載荷P：分為六級(49,98,196,294,490,980N)。ddP136

PF1.3沖擊韌性沖擊韌性是材料在沖擊力作用下抵抗斷裂的能力。脆性材料沖擊韌性值很低。面心立方晶格金屬低溫下會變脆。沖擊實驗5510855108

2403022橫梁式懸梁式試樣沖擊韌性 Ak=G(H-h)

ak=——J/cm2)（AK）：沖斷試樣所消耗的功(J)

（aK）：沖擊韌性(J/cm2)

AkF沖擊

h試樣擺錘

H注：金屬材料的ak不能直接應(yīng)用于零件的設(shè)計計算沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖impacttest1.4疲勞斷裂和疲勞強度疲勞斷裂機械零件在交變載荷作用下，其工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強度，甚至小于屈服強度時，在長時間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞強度 是指材料經(jīng)無限多次應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂時的最大應(yīng)力。它表征了材料抵抗疲勞斷裂的能力。疲勞源裂紋擴展最終破斷區(qū)疲勞機理缺陷處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應(yīng)力循環(huán)不斷擴展，直至突然斷裂。疲勞試驗

試樣負(fù)荷計數(shù)器電機軸承支座

疲勞曲線107