第1章工程材料力學(xué)性能

版權(quán)所有,1997(c)DaleCarnegie&Associates,Inc.工程材料前言

工程材料是構(gòu)成機(jī)械的物質(zhì)基礎(chǔ)。機(jī)械的性能取決于其使用的材料，機(jī)械的進(jìn)步依賴(lài)于材料的進(jìn)步。目前，用于機(jī)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(lái)。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(jì)性又好。只有了解這些材料，認(rèn)識(shí)這些材料。工程材料的分類(lèi)金屬非金屬?gòu)?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)合材料碳鋼碳鋼又稱(chēng)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(shí)際使用的鋼中都含有硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)元素。碳鋼分類(lèi)碳鋼常用的分類(lèi)方法有三種：1.按碳含量進(jìn)行分類(lèi)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(jìn)行分類(lèi)可分為結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼兩大類(lèi)，前者用來(lái)制造各種金屬構(gòu)件和機(jī)械零件，后者用來(lái)制造各種刀具、模具和量具。3.按其質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)可分為普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和高級(jí)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?；蛘哒f(shuō)：合金鋼是加入合金元素的鋼。合金鋼的強(qiáng)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(lèi)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(qiáng)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(chē)、摩托車(chē)、家用電器、建筑等。有色金屬材料（二）銅合金機(jī)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(dòng)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(qiáng)度高。抗蝕性好。耐高低溫。難加工。價(jià)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(guò)400℃的各種飛機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。如發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)、葉片，蒙皮等。液體燃料火箭的儲(chǔ)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(jì)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(jiàn)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(qiáng)度比鋼低得多，但是鑄鐵中有石墨，能有效地吸收震動(dòng)能量。因石墨有潤(rùn)滑作用，使鑄鐵有良好的耐磨性和減磨性。鑄鐵價(jià)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(shù)脂：樹(shù)脂是塑料的主要成份，它聯(lián)系和粘結(jié)其它組分，對(duì)塑料的性能起決定性作用。填充劑：彌補(bǔ)或改善樹(shù)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(lái)抵抗老化延長(zhǎng)塑料壽命物質(zhì)。其它諸如發(fā)泡劑，抗靜電劑，染料，潤(rùn)滑劑等等.非金屬材料（二）橡膠橡膠也是以有機(jī)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(duì)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(qiáng)度，常用的是硫磺。(3)軟化劑：增加橡膠塑性、降低硬度。(4)補(bǔ)強(qiáng)劑：提高橡膠強(qiáng)度，耐磨性。目前效果最好的補(bǔ)強(qiáng)劑是碳黑。此外還有填充劑、防老化劑、著色劑等。橡膠分類(lèi)

橡膠種類(lèi)繁多，若以原料來(lái)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(qiáng)、功能性等要求的特種陶瓷。常見(jiàn)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(qiáng)作用的叫強(qiáng)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(qiáng)化相分：顆粒增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)、層疊復(fù)合材料牌號(hào)牌號(hào)是代表材料的符號(hào)，牌號(hào)可表明材料的種類(lèi)、成分、性能等。各類(lèi)材料的編號(hào)方法是不同的。鋼鐵材料的編號(hào)方法有色金屬的編號(hào)方法其他材料的編號(hào)方法鋼鐵材料的編號(hào)方法（一）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)等四個(gè)部分組成。例：Q235A·F其中Q表示屈服點(diǎn)“屈”字漢語(yǔ)拼音第一個(gè)字母；235表示鋼材厚度≤16mm時(shí)的屈服點(diǎn)值不小于235MPa；A表示質(zhì)量等級(jí)A、B、C、D四級(jí)中的A級(jí)，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(hào)方法（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)以平均碳含量的萬(wàn)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(hào)表示為45。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼則在其后加一個(gè)“A”字。如45A。鋼鐵材料的編號(hào)方法（三）碳素工具鋼的牌號(hào)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(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則在數(shù)字之后再加一個(gè)“A”字，如T10A。鋼鐵材料的編號(hào)方法（四）合金鋼編號(hào)方法用漢字或化學(xué)元素符號(hào)代表合金元素。碳含量與合金元素含量用數(shù)字表示。對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼，碳含量以萬(wàn)分一為單位，用兩位數(shù)字表示；對(duì)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(shí)，一般不標(biāo)出含量。例如：牌號(hào)為30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。識(shí)別下列材料牌號(hào)牌號(hào) 類(lèi)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(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等等。1.1強(qiáng)度與塑性強(qiáng)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(cè)材料制成，有圓形、板形兩種形狀，有大小不同的一系列尺寸：如圓形試樣d0:5、10、…loLDdoaoloLbo(a)園試樣(b)板材試樣應(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(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量e=DL/LDL–試樣的伸長(zhǎng)，L-試樣的原長(zhǎng)材料拉伸

specimen2.1材料拉伸時(shí)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(qiáng)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(qiáng)化頸縮彈性變形斷裂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(jì)時(shí)的依據(jù)，規(guī)定為強(qiáng)度指標(biāo)。1.抗拉強(qiáng)度(σb)抗拉強(qiáng)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(qiáng)度屈服強(qiáng)度：指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力。σs=Fs/A0Fs

－屈服時(shí)的載荷A0

－試樣原始截面積 條件屈服強(qiáng)度(σ0.2)

殘余應(yīng)變量為0.2％時(shí)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(diǎn)。﹡彈塑性變形階段去除外力，應(yīng)變不會(huì)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(qiáng)化頸縮彈性變形斷裂塑性變形σ’s加工硬化經(jīng)過(guò)塑性變形的金屬再次拉伸時(shí)，將產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力高于原來(lái)的屈服強(qiáng)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(qiáng)化頸縮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(zhǎng)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(hào)鋼材出廠時(shí),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(gòu)進(jìn)一批15號(hào)鋼材,用它制成d0=10mm,L0=50mm拉伸試樣,作拉伸試驗(yàn)的結(jié)果是:Fb=33844N,Fs=20699N、d1=6mm,L1=65mm。試計(jì)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(cè)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(jì)

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)=———

PF布氏硬度測(cè)量壓坑面積大，受材料不均勻度影響小，故測(cè)量誤差小，硬度值準(zhǔn)確、真實(shí)。但當(dāng)材料太硬時(shí)(布氏硬度值大于650)，球形壓頭可能產(chǎn)生變形，不宜采用布氏硬度。另外，由于布氏硬度壓坑較大，也不宜用來(lái)檢測(cè)成品、小件、薄件的硬度。2.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(jì)算深度值 △h=h3-h1。

HR=———

01230123h1h3h2K=0.2壓頭被測(cè)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(cè)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)鋼等洛氏硬度法測(cè)量簡(jiǎn)便迅速，可直接讀數(shù)，表面壓坑小，多用于較薄材料或成品檢測(cè)。但由于壓坑過(guò)小，測(cè)量誤差稍大，常采用不同部位多點(diǎn)測(cè)量，取其平均值。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(jí)(49,98,196,294,490,980N)。ddP136

PF維氏硬度不隨載荷變化，即不同載荷下的維氏硬度可以相互比較。在一般情況下，選用30kg載荷。測(cè)定表面薄層時(shí)，可用小載荷。維氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，測(cè)量的硬度范圍寬（可高達(dá)1300HV），應(yīng)用廣泛，特別是用于測(cè)定工件表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度。硬度指標(biāo)在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)條件中，硬度是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于工具、模具和有耐磨性要求的零件，硬度是直接的使用性能指標(biāo)，如高速鋼車(chē)刀要求硬度>HRC62、熱鍛模要求硬度HRC35～47。另外硬度與強(qiáng)度之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系，硬度測(cè)量迅速簡(jiǎn)便，又不破壞成品零件，常用零件的硬度估算強(qiáng)度，如對(duì)于低碳鋼，也可采用硬度與強(qiáng)度換算表。1.3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。許多機(jī)械零件（如飛機(jī)起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸、汽車(chē)變速齒輪等）在工作中受到?jīng)_擊載荷的作用，能引起材料斷裂。因此，對(duì)此類(lèi)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不但要考慮前述的靜態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)，還要考慮韌性等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)。沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊韌性 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(jì)計(jì)算金屬材料的ak值不能直接用于零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，但對(duì)承受沖擊載荷的零件，應(yīng)當(dāng)有一定的ak值要求，以保證零件使用的安全性。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸ak＝80－100Ｊ/cm2；一般零件則要求ak＝30－50Ｊ/cm2便可滿足要求。1.4疲勞斷裂和疲勞強(qiáng)度疲勞斷裂機(jī)械零件在交變載荷作用下，其工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度，甚至小于屈服強(qiáng)度時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。交變載荷是指只有應(yīng)力數(shù)值變化，沒(méi)有方向變化的重復(fù)應(yīng)力和既有應(yīng)力數(shù)值變化，又有方向變化的交變應(yīng)力。機(jī)床主軸、齒輪、彈簧、聯(lián)桿等作旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件就是在上述應(yīng)力作用下工作。疲勞源裂紋擴(kuò)展最終破斷區(qū)疲勞機(jī)理缺陷處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應(yīng)力循環(huán)不斷擴(kuò)展，直至突然斷裂。由于疲勞斷裂是突然發(fā)生的，常常會(huì)引起嚴(yán)重事故。疲勞試驗(yàn)

試樣負(fù)荷計(jì)數(shù)器電機(jī)軸承支座

疲勞曲線107σ力應(yīng)σ-1疲勞曲線材料所受的交變應(yīng)力σ與其斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線稱(chēng)為疲勞曲線，疲勞強(qiáng)度

是指材料經(jīng)無(wú)限多次應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂時(shí)的最大應(yīng)力。它表征了材料抵抗疲勞斷裂的能力。一般鋼鐵的循環(huán)基數(shù)N取107

次，有色金屬的循環(huán)基數(shù)N取108

次。材料承受對(duì)稱(chēng)循環(huán)交變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度用σ-1

表示。鋼材的σ-1

只有σb

的50％左右。如何防止疲勞斷裂采取改進(jìn)設(shè)計(jì)(避免尖角連接、降低表面粗糙度值等)和表面強(qiáng)化工藝(表面淬火、化學(xué)熱處理、噴丸、滾壓等)都可提高零件的疲勞強(qiáng)度。加強(qiáng)原材料和零件成品的內(nèi)部缺陷檢查也可減少或避免疲勞斷裂。1.5材料高溫性能很多零件長(zhǎng)期在高溫下工作。“高溫”是相對(duì)該金屬的熔點(diǎn)而言，常采用約比溫度，即T/Tm(T為試驗(yàn)或工作溫度，Tm為金屬熔點(diǎn)，均為絕對(duì)溫度)。當(dāng)約比溫度大于0.5時(shí)為高溫，反之為低溫。高溫材料的力學(xué)性能，不能使用常溫下短時(shí)拉伸的應(yīng)力—應(yīng)變曲線來(lái)評(píng)定，1、蠕變?nèi)渥兙褪墙饘俨牧祥L(zhǎng)時(shí)間的在一定溫度、一定應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于σ0.2，也會(huì)緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。這種變形最后導(dǎo)致的材料斷裂稱(chēng)為蠕變斷裂。蠕變曲線分為三個(gè)階段：蠕變起始階段（又稱(chēng)蠕變減速階段）。穩(wěn)態(tài)蠕變階段或最小蠕變速度階段。蠕變加速階段，直至d點(diǎn)材料斷裂。。aabcdo

變形e第2階段第3階段第1階段時(shí)間溫度壓力恒定圖1-10典型蠕變曲線蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度是指材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下抵抗塑性變形的能力。(1)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定變形量的蠕變強(qiáng)度，記為σδ/t

，（MPa）。例如

σ0.2/1000=60MPa,表示試樣在800℃，經(jīng)過(guò)1000小時(shí)，發(fā)生0.2%變形量的應(yīng)力為60MPa。這種蠕變強(qiáng)度一般用于需要提供總?cè)渥冏冃蔚臉?gòu)件設(shè)計(jì)。800T(2)穩(wěn)態(tài)蠕變速度達(dá)到規(guī)定值時(shí)的蠕變強(qiáng)度，記為σv

，（MPa）。

例如

σ1×10-5=60MPa,

表示試樣在600℃，穩(wěn)態(tài)蠕變速度為1×10-5％/h時(shí)的蠕變強(qiáng)度為60MPa。這種蠕變強(qiáng)度一般用于受蠕變變形控制的且工作時(shí)間較長(zhǎng)的構(gòu)件設(shè)計(jì)。600T1.5.2持久