金屬材料與熱處理

關(guān)于金屬材料與熱處理第1頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

★材料按物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同分：

金屬材料、非金屬材料（有機(jī)高分子材料和陶瓷料)、復(fù)合材料★材料按用途不同分：

機(jī)械工程材料、土木工程材料、電工材料、電子材料

★材料按功能不同分：

結(jié)構(gòu)材料、功能材料、磁性材料等第2頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三材料分類復(fù)合材料金屬材料陶瓷材料高分子材料第3頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三材料發(fā)展概括▲石器時(shí)代銅器時(shí)代：司母戊鼎（公元前11—16世紀(jì)）1130×780×1100戰(zhàn)國編鐘（前475—221年）65個(gè)總重2500Kg天然石，獸骨，樹枝泥巴（日曬→原始陶器；火燒→瓷器用具）鐵器時(shí)代滄州大獅（公元953年）重50T,長5.3m,寬3m人工復(fù)合材料塑料、橡膠、陶瓷、鈦合金、碳纖維、納米等陶器時(shí)代第4頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三滄州鐵獅鑄造于公

元953年。鐵獅子通高5.78米，身長6.5米，體寬3.17米，重約40噸第5頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三本課程的性質(zhì)和目的是機(jī)械類專業(yè)必修的一門專業(yè)技術(shù)2、目的：a獲得有關(guān)金屬熱處理、金屬材料的基本知識。

b熟悉常見金屬材料的牌號、性能特點(diǎn)及應(yīng)用；了解它們之間成分、組織、性能、熱處理的關(guān)系。c具有選擇零件材料的能力，確定加工工藝路線的能力。d為后續(xù)課程和從事技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。1、性質(zhì)：本課學(xué)習(xí)方法是：預(yù)習(xí)、筆記、復(fù)習(xí)、討論問題本教材的重點(diǎn)：常見的材料牌號及應(yīng)用，鋼的熱處理基礎(chǔ)課。第6頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第一章金屬的性能金屬材料的性能〈使用性能—力學(xué)、物理、化學(xué)力學(xué)性能：受外力作用下所表現(xiàn)出的性能。不能說：機(jī)械性能判據(jù)如：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等第一節(jié)金屬的力學(xué)性能工藝性能—鑄造、鍛壓、焊接、切削加工一、基本概念1、彈性：指物體在外力作用下改變基本形狀和尺寸，當(dāng)外力卸除后物體又恢復(fù)到其原始形狀和尺寸的特性。研究力學(xué)性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù)第7頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三2、內(nèi)力：金屬受到外力時(shí)為保其不變形，在材料內(nèi)部作用者與外力相對抗的力稱為內(nèi)力。3、應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力。4、應(yīng)變：指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對變化；通常以百分比（%）表示5、載荷：金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。按作用性質(zhì)分：靜載荷：指大小不變或變化過程緩慢的載荷。。第8頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三沖擊載荷：在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。循環(huán)載荷：指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷第9頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三按作用形式不同分：第10頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三6、變形：材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。分為彈性變形與塑性變形外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。第11頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三一、強(qiáng)度概念：強(qiáng)度是指金屬抵抗永久變形（塑性變形）和斷裂

的能力。通過拉伸試驗(yàn)測得大小。強(qiáng)度的大小通常用應(yīng)力來表示。=F/S-----應(yīng)力Pa1Pa=1N/m21MPa=106Pa

按載荷的作用方式不同，強(qiáng)度可分為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、和抗扭強(qiáng)度。注意：一般多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬強(qiáng)度高低的指標(biāo)。第12頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三拉伸實(shí)驗(yàn)

（金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性都是通過拉伸試驗(yàn)測定）（GB/T228-2002）第13頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1.拉伸試樣2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線第14頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1.拉伸試樣（GB6397-86）長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0第15頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第16頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三萬能材料試驗(yàn)機(jī)

a)WE系列液壓式b)WDW系列電子式第17頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第18頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第19頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三2.力－伸長曲線彈性變形階段屈服階段頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。強(qiáng)化階段

第20頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

(a)試樣(b)伸長(c)產(chǎn)生縮頸(d)斷裂第21頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第22頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

第23頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三應(yīng)力

=P/F0應(yīng)變

=(l-l0)/l0第24頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三三、強(qiáng)度

——金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力

工程上常用的金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)：屈服點(diǎn)（σs）或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力（σr）抗拉強(qiáng)度(σb)第25頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三屈服點(diǎn)（σs）:指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力規(guī)定殘余伸長率為0.2%時(shí)的應(yīng)力材料屈服時(shí)的拉力（N）屈服點(diǎn)（屈服極限）原標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）：屈服強(qiáng)度很重要，大多數(shù)零件不允許有塑性變形規(guī)定殘余伸長應(yīng)力:對有明顯屈服現(xiàn)象的材料對無明顯屈服現(xiàn)象的材料第26頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三抗拉強(qiáng)度:材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值拉伸過程中最大的拉力（N）若零件在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過量塑性變形，應(yīng)以材料的σs或σ0.2進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)生破壞，則以材料的σb來設(shè)計(jì)計(jì)算。因此σs和σb是機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。很重要，表示零件破壞前能抗的最大應(yīng)力值第27頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三強(qiáng)度的意義強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強(qiáng)度在200～1000MPa之間。強(qiáng)度越高，表明材料在工作時(shí)越可以承受較高的載荷。當(dāng)載荷一定時(shí)，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，稱之為材料的強(qiáng)化。第28頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三二、塑性

——在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力常用的塑性判據(jù)：拉伸時(shí)的斷后伸長率和斷面收縮率第29頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1、斷后伸長率由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率δ數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如:δ10——試樣L0=10d0δ5——試樣L0=5d0試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）試樣原始標(biāo)距（mm）第30頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三2、斷面收縮率試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）試樣原始截面積（mm2）δ和ψ是用來判斷材料在斷裂前所能產(chǎn)生的最大塑性變形量大小。一般認(rèn)為ψ＞5％的材料為塑性材料，如低碳鋼；ψ＜5％的為脆性材料，如灰鑄鐵

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第31頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三塑性對材料的意義:1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件;2.提高安全性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬一超載，也會(huì)由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂

第32頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三強(qiáng)度與塑性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強(qiáng)度。正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細(xì)化金屬材料的顯微組織，可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑性。第33頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三超塑性通常情況下金屬的伸長率不超過90%，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達(dá)1000%～2000%，個(gè)別的可達(dá)6000%，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動(dòng)應(yīng)力，極大的活性及擴(kuò)散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)域被中應(yīng)用。第34頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

GB/T228-2002新標(biāo)準(zhǔn)

GB/T228-1987舊標(biāo)準(zhǔn)名稱符號名稱符號屈服強(qiáng)度①－屈服點(diǎn)σs上屈服強(qiáng)度ReH上屈服點(diǎn)σsU下屈服強(qiáng)度ReL下屈服點(diǎn)σsL規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度Rr規(guī)定殘余延伸應(yīng)力σr抗拉強(qiáng)度Rm抗拉強(qiáng)度σb斷后伸長率A或A11.3斷后伸長率δ5或δ10斷面收縮率Z斷面收縮率ψ第35頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三三、硬度硬度：硬度試驗(yàn)方法:壓入法

它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量。(表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能指標(biāo)。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）維氏硬度（HV）第36頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三材料抵抗表面局部塑性變形的能力。第37頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三一、布氏硬度1、測定原理布氏硬度計(jì)

第38頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第39頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

布氏硬度試驗(yàn)原理圖第40頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三2、計(jì)算公式HBS：淬火鋼球作壓頭；適用于＜450HBSHBW：硬質(zhì)合金作壓頭；適用于＜650HBW第41頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表1-1選擇材料種類布氏硬度范圍HBS（HBW）試樣厚度/mm0.102球的直徑/mm試驗(yàn)力F/KN（kgf)試驗(yàn)力保持時(shí)間/s鋼、鑄鐵140-4506～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非鐵金屬>1306～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～35>62.510.02.452(250)60表1-1布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范第42頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三3、表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值壓頭直徑（mm）試驗(yàn)力保持時(shí)間（s）500HBW5/750例：表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗(yàn)力作用下保持10~15s測得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗(yàn)力作用下保持30s測得的布氏硬度值為120習(xí)慣上布氏硬度值不標(biāo)出試驗(yàn)規(guī)范，如170HBS。第43頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三4、適用范圍

常用于測小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能測淬火鋼件的硬度。優(yōu)點(diǎn)：測值重復(fù)性強(qiáng)、測量結(jié)果準(zhǔn)確缺點(diǎn)：壓痕大，不適合成品檢驗(yàn)第44頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三二、洛氏硬度測定原理第45頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第46頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第47頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三硬度符號壓頭類型總實(shí)驗(yàn)力F/N硬度值有效范圍應(yīng)用范圍HRA金剛石圓錐體58870～85適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬硬層或滲碳層HRB直徑為1.588mm鋼球98025～100適用于測量非鐵金屬,退火、正火鋼等HRC金剛石圓錐體147020～67適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表1-2選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種表1-2常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍2、符號第48頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。4、適用范圍優(yōu)點(diǎn)：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測。第49頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三三、維氏硬度1、測定原理用一定的試驗(yàn)力F，將頂角為1360的金剛石四棱錐壓入金屬表面，保持一定時(shí)間后卸去試驗(yàn)力，然后測出壓痕對角線長度d1、d2（mm），并求出壓痕對角線的平均值d。

第50頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第51頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三2、計(jì)算公式3、表示方法硬度值+HV+試驗(yàn)力/保持時(shí)間如：640HV30/204、適用范圍適用于測量零件薄的表面硬化層的硬度。第52頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三四、沖擊韌性

強(qiáng)度、硬度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn)。

材料在工作時(shí)還經(jīng)常受到動(dòng)載荷的作用，沖擊載荷就是常見的一種。在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料除具有足夠的靜載荷作用下得力學(xué)性能指標(biāo)外，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。第53頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時(shí)間短、加載速率高、應(yīng)力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。

材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。第54頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1、沖擊試驗(yàn)沖擊試樣沖擊試驗(yàn)原理一次擺錘沖擊試驗(yàn)沖擊韌性的表示方法第55頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第56頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三如不能制備標(biāo)準(zhǔn)試佯，可采用寬度7.5mm或5mm等小尺寸試祥,試樣的其他尺寸及公差與相應(yīng)缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，缺口應(yīng)開在試樣的窄面上。其中5mm×10mm×55mm試樣常用于薄板材料的檢驗(yàn)。焊接接頭沖擊試樣的形狀和尺寸與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，但其缺口軸線應(yīng)當(dāng)垂直焊縫表面。第57頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

原理沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測定，試驗(yàn)時(shí)將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗(yàn)機(jī)架的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢能mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷，并向另一方向升高至H2，這時(shí)擺錘的勢能為mgH2。所以，擺錘用于沖斷試樣的能量

AK=mg（H1-H2），即為沖擊功（焦耳/J）。第58頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第59頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第60頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

2.材料沖擊韌性的表示方法國標(biāo)GB/T229－1994沖擊功吸收功：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標(biāo)是沖擊功吸收功，也就是材料在斷裂前所吸收的能量。根據(jù)試樣缺口的不同，沖擊吸收功用AKV和AKU表示，單位為焦耳，數(shù)值可從試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上讀出。第61頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三2.材料沖擊韌性的表示方法國標(biāo)GB/T229－2007沖擊吸收能量：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標(biāo)是沖擊吸收能量;K＝mg（H1-H2）第62頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三2.材料沖擊韌性的表示方法按照國標(biāo)GB/T229－2007，U型缺口試樣和V型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和KV，并用下標(biāo)數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如KU2

，其單位是焦耳（J）。沖擊吸收能量的大小直接由試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出。第63頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三沖擊吸收能量的值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。沖擊吸收能量K或沖擊韌性值K越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料。第64頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三【小資料】GB/T229－2007與GB/T229－1994相比，在金屬?zèng)_擊韌性的名稱和符號等方面有較大變化，為方便讀者學(xué)習(xí)，將關(guān)于金屬材料沖擊韌性的新、舊標(biāo)準(zhǔn)名稱和符號對照列于下表中。第65頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三新標(biāo)準(zhǔn)GB/T229－2007舊標(biāo)準(zhǔn)GB/T229－1994名稱符號名稱符號沖擊吸收能量K沖擊吸收功AKU型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KU2U型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKUU型缺口試樣在8mm錘刃下的沖擊吸收能量KU8V型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV2V型缺口沖擊吸收功(2mm錘刃)AKVV型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量KV8轉(zhuǎn)變溫度Tt韌脆轉(zhuǎn)變溫度TC第66頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三缺口沖擊試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是測量迅速簡便用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。用來評定材料的冷脆傾向（測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。設(shè)計(jì)時(shí)要求機(jī)件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。3.沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用第67頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三3.沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用缺口沖擊試驗(yàn)由于其本身反映一次或少數(shù)次大能量沖擊破斷抗力，因此對某些特殊服役條件下的零件，如彈殼、裝甲板、石油射孔槍等，有一定的參考價(jià)值。通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)測定的沖擊吸收吸收能量K是一個(gè)由強(qiáng)度和塑性共同決定的綜合性力學(xué)性能指標(biāo)，不能直接用于零件和構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，但它是一個(gè)重要參考，所以將材料的沖擊韌性列為金屬材料的常規(guī)力學(xué)性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被稱為金屬材料常規(guī)力學(xué)性能的五大指標(biāo)。第68頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

低溫脆性第69頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三低溫脆性——隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。冷脆：材料因溫度降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。對壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。

第70頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第71頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。第72頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三沖擊韌性與溫度有密切的關(guān)系，溫度降低，沖擊韌性隨之降低。當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí)材料的韌性急劇下降，材料將由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度（Tt

）。轉(zhuǎn)變溫度（Tt

）越低，表明材料的低溫韌性越好，對于在寒冷地區(qū)使用的材料要十分重要。第73頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三金屬材料的成分對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響很大，一般的碳素鋼，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度（Tt

）大約為-20℃，某些合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（Tt

）可達(dá)-40℃以下。第74頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)第75頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1912年4月號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。20世紀(jì)80年代后，材料科學(xué)家通過對打撈上來的泰坦尼克號船板進(jìn)行研究，回答了80年的未解之謎。由于Titanic號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，當(dāng)船在冰水中撞擊冰山時(shí)，脆性船板使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號，沖擊試樣是典型的脆性斷口，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。第76頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三4.提高沖擊韌性的途徑?jīng)_擊韌性是一個(gè)對材料組織結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感的量，所以提高材料的沖擊韌性的途徑有：

改變材料的成分，如加入釩、鈦、鋁、氮等元素，通過細(xì)化晶粒來提高其韌性，尤其是低溫韌性；

提高材料的冶金質(zhì)量，減少偏析、夾渣、氣泡等缺陷；第77頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三五、疲勞強(qiáng)度第78頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

人工作久了就會(huì)感到疲勞，難道金屬工作久了也會(huì)疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復(fù)嗎？金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。第79頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1998年6月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。事故的原因已經(jīng)查清，是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪“內(nèi)部疲勞斷裂”引起的。首先是一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導(dǎo)致車輪脫軌，進(jìn)而造成車廂橫擺，此時(shí)列車正好過橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動(dòng)下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導(dǎo)致了這場近50年來德國最慘重的鐵路事故。第80頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第81頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1.變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力1.變動(dòng)載荷——引起疲勞破壞的外力，指載荷大小、甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷，其在單位面積上的平均值即為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力)和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種。金屬疲勞產(chǎn)生的原因第82頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三a)應(yīng)力大小變化b)c）應(yīng)力大小和方向都變化d)應(yīng)力大小和方向無規(guī)則變化第83頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1.平均應(yīng)力2.應(yīng)力幅tσ一個(gè)應(yīng)力循環(huán)第84頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

2.疲勞斷裂零件在循環(huán)應(yīng)力作用下,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn)生斷裂的過程,稱為疲勞斷裂.

疲勞斷裂由疲勞裂紋產(chǎn)生—擴(kuò)展—瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段組成。

第85頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三盡管疲勞失效的最終結(jié)果是部件的突然斷裂,但實(shí)際上它們是一個(gè)逐漸失效的過程，從開始出現(xiàn)裂紋到最后破斷需要經(jīng)過很長的時(shí)間。疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個(gè)區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)（裂紋源）、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。3.疲勞斷口第86頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三3.疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）第87頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三當(dāng)應(yīng)力低于某值時(shí)，材料經(jīng)受無限次循環(huán)應(yīng)力也不發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱為材料的疲勞極限，記作σR（R為應(yīng)力比），就是S-N曲線中的平臺(tái)位置對應(yīng)的應(yīng)力。通常，材料的疲勞極限是在對稱彎曲疲勞條件下（R＝－1）測定的，對稱彎曲疲勞極限記作σ-1。4.疲勞強(qiáng)度第88頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第89頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三若疲勞曲線上沒有水平部分，常以規(guī)定斷裂循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的應(yīng)力為條件疲勞極限。對一般低、中強(qiáng)度鋼：107周次對高強(qiáng)度鋼：108周次對鋁合金，不銹鋼：108周次對鈦合金：107周次第90頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三在工程中，有時(shí)根據(jù)零件壽命的要求，在規(guī)定的某一循環(huán)周次下，測出σmax，并稱之為疲勞強(qiáng)度，實(shí)際上就是條件疲勞極限。第91頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三5.提高疲勞極限的途徑(1)在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免尖角、缺口和截面突變。(2)提高零件表面加工質(zhì)量。(3)對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。第92頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第93頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三四、沖擊韌性在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn)第94頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak。第95頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1、試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)2、沖擊韌度ak

AK

ak=(J/cm2)Sk二、沖擊吸收功和沖擊韌度就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。沖擊吸收功Ak

作為材料韌性判據(jù)，與溫度、試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷有關(guān)。第96頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1.沖擊韌度對材料內(nèi)部缺陷反映很敏感能夠靈敏地顯示材料的宏觀缺陷和組織微小變化，因此在生產(chǎn)中可用來檢驗(yàn)材料的冶金質(zhì)量,熱加工質(zhì)量沖擊韌度對材料的意義:2.沖擊韌度隨溫度下降越來越低→冷脆現(xiàn)象在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明低溫沖擊性能越好

第97頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第四節(jié)疲勞強(qiáng)度交變應(yīng)力：是指大小和方向構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力。材料的疲勞：材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累計(jì)損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。在多次交變應(yīng)力作用，金屬會(huì)在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度σb，甚至小于屈服點(diǎn)σs。的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）

疲勞破壞的原因：應(yīng)力集中——微裂紋——擴(kuò)展——斷裂破壞。疲勞強(qiáng)度（σ-1）：金屬材料經(jīng)無窮多次（107）應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。第98頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三疲勞曲線：實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值σmax與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）N的曲線關(guān)系。第99頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第100頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第101頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第102頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第103頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第一章金屬材料的力學(xué)性能

本節(jié)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能主要內(nèi)容：金屬材料的力學(xué)性能,包括材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。本節(jié)難點(diǎn)：各性能指標(biāo)的物理意義和測定方法第104頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三材料分類復(fù)合材料金屬材料陶瓷材料高分子材料第105頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三材料的性能使用性能工藝性能物理性能化學(xué)性能

力學(xué)性能

熱處理性能鑄造性能焊接性能鍛造性能切削加工性能

(指金屬材料在使用過程中表現(xiàn)出的性能)(指金屬材料在加工過程中表現(xiàn)出的性能)第106頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三金屬材料的力學(xué)性能

-----------是指金屬材料在受外力作用時(shí)所反映出來的性能。思考如果把鐵絲和鋼絲折彎有何區(qū)別?常用的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。研究力學(xué)性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù)第107頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)剛度、強(qiáng)度、塑性一、拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線拉伸試驗(yàn)機(jī)第108頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第109頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三OE段：彈性變形階段；平臺(tái)或鋸齒（ES段）：屈服階段；SB段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。B點(diǎn)：形成了“縮頸”。BK段：非均勻變形階段，承載下降，到K點(diǎn)斷裂。彈性變形——去除外力后試樣恢復(fù)原狀的變形塑性變形——在外力消失后留下來的這部分不可恢復(fù)的變形

1、變形過程第110頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線應(yīng)力σ：單位面積上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S0表示:

F σ=——(Mpa) S0應(yīng)變?chǔ)牛簡挝婚L度的伸長量。這里用試樣的伸長量除以試樣的原始標(biāo)距表示:

Δl

ε=——

l0應(yīng)力－應(yīng)變曲線（σ-ε曲線）形狀和拉伸曲線相同，單位不同思考怎樣比較不同材料抵抗外力能力的大?。康?11頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線比例極限（σp）例:彈簧秤彈性極限（σe）如:彈簧屈服極限（σs）抗拉極限(σb)第112頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三二、剛度

——是表征金屬材料抵抗彈性變形的能力σ＝Eε

式中的E為與材料有關(guān)的常數(shù)，稱為彈性模量，工程上常用E作為衡量材料剛度的指標(biāo)。E值越大，在一定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的彈性變形越小，則剛度越大彈性模量主要取決于金屬材料的種類，即金屬的本性（晶格類型、晶格常數(shù)等）。一般機(jī)械零件大都在彈性狀態(tài)下工作，對剛度有一定要求，如機(jī)床主軸、起重機(jī)臂等，在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過量的彈性變形。第113頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三三、強(qiáng)度

——金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力

工程上常用的金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)：屈服點(diǎn)（σs）或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力（σr）抗拉強(qiáng)度(σb)第114頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三屈服點(diǎn)（σs）:指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力規(guī)定殘余伸長率為0.2%時(shí)的應(yīng)力材料屈服時(shí)的拉力（N）屈服點(diǎn)（屈服極限）原標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）：屈服強(qiáng)度很重要，大多數(shù)零件不允許有塑性變形規(guī)定殘余伸長應(yīng)力:對有明顯屈服現(xiàn)象的材料對無明顯屈服現(xiàn)象的材料第115頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三抗拉強(qiáng)度:材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值拉伸過程中最大的拉力（N）若零件在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過量塑性變形，應(yīng)以材料的σs或σ0.2進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)生破壞，則以材料的σb來設(shè)計(jì)計(jì)算。因此σs和σb是機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。很重要，表示零件破壞前能抗的最大應(yīng)力值第116頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三四、塑性

——在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力常用的塑性判據(jù)：拉伸時(shí)的斷后伸長率和斷面收縮率第117頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三1、斷后伸長率由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率δ數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如:δ10——試樣L0=10d0δ5——試樣L0=5d0試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）試樣原始標(biāo)距（mm）第118頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三2、斷面收縮率試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）試樣原始截面積（mm2）δ和ψ是用來判斷材料在斷裂前所能產(chǎn)生的最大塑性變形量大小。一般認(rèn)為ψ＞5％的材料為塑性材料，如低碳鋼；ψ＜5％的為脆性材料，如灰鑄鐵

.

第119頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三塑性對材料的意義:1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件;2.提高安全性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬一超載，也會(huì)由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂

第120頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)沖擊韌性在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn)第121頁，講稿共129頁，2023年5月2日，星期三

把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度h，試