工程材料 第1章-金屬材料的力學性能

金屬工藝學

緒論一、材料和材料科學二、材料的分類三、工程材料的應用和發(fā)展四、材料的成形簡介一、材料和材料科學1、材料哥倫比亞號航天飛機材料是指人類用以制造各種有用器件的物質(zhì)。材料是人類生產(chǎn)和生活所必須的物質(zhì)基礎。手錘銼刀“神舟”四號飛船成功返回國產(chǎn)渦噴-7渦輪噴氣發(fā)動機石器鐵器

象形尊(西周)石器時代青銅器時代鐵器時代材料是人類進化的里程碑。由于材料的重要性，歷史學家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時代。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進步的標志。

材料的發(fā)展與人類社會簡圖龍芯聯(lián)想計算機沒有半導體材料的工業(yè)化生產(chǎn)，就不可能有目前的計算機技術。

沒有高溫高強度的結(jié)構(gòu)材料，就不可能有今天的航空工業(yè)和宇航工業(yè)。

飛機發(fā)動機葉片波音客機在航天飛機表面裝陶瓷防護瓦片沒有低消耗的光導纖維，也就沒有現(xiàn)代的光纖通訊。

二十世紀七十年代，人們把材料與能源和信息并列，稱作現(xiàn)代文明的三大支柱之一。

二、工程材料的分類工程材料是用于制造工程結(jié)構(gòu)和機械零件并主要要求力學性能的結(jié)構(gòu)材料。按組成與結(jié)合鍵分：

1、金屬材料

2、高分子材料

3、陶瓷材料

4、復合材料金屬材料以金屬鍵結(jié)合為主良好的導電性、導熱性、延展性和金屬光澤用量最大、應用最廣泛黑色金屬有色金屬—輕金屬,重金屬,貴金屬,稀有金屬

鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達10億噸，在機械產(chǎn)品中的用量已占整個用材的60%以上。

帶材異形材板材管材金屬材料制品第一章金屬材料的力學性能機械零件或其他結(jié)構(gòu)件在使用過程中會受到各種外力的作用。金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的性能稱為力學性能，它是保證零件和構(gòu)件正常工作應具備的主要性能。金屬材料的力學性能主要包括強度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。神舟一號飛船1.金屬材料承受的載荷金屬材料在加工和使用過程中所受到的外力稱為載荷。按外力的作用性質(zhì)，載荷常分為如下三種。(1)靜載荷大小不變或變化很慢的載荷。(2)沖擊載荷在短時間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。(3)交變載荷大小、方向或大小和方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。2.內(nèi)力與內(nèi)應力

材料受外力作用時，為保持自身形狀尺寸不變，在材料內(nèi)部作用著與外力相對抗的力，稱為內(nèi)力。內(nèi)力的大小與外力相等，方向則與外力相反，并與外力保持平衡。單位面積上的內(nèi)力稱為應力。金屬材料受拉伸載荷或壓縮載荷時，其橫截面積上的應力可按下式計算:式中，σ—應力，單位MPa;F—外力，單位N;S—橫截面積，單位mm2。材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去除后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去除后不能恢復的變形稱為塑性變形。

五萬噸水壓機強度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強度

s：材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。

抗拉強度

b：材料斷裂前所承受的最大應力值。第一節(jié)強度和塑性單位是Mpa。彈性變形階段屈服階段強化階段頸縮階段低碳鋼的應力-應變曲線拉伸試樣拉伸試驗機應力

=P/F0應變

=(l-l0)/l0塑性：塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性

變形而不斷裂的能力。

斷后伸長率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第二節(jié)硬度

材料抵抗其他更硬物質(zhì)壓入其表面的能力，是表面局部變形的能力。1、布氏硬度HB布氏硬度計

壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。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的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,

鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的

b與HB之間的經(jīng)驗關系：對于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：

b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或

b(MPa)≈0.6(HB-40)HB

b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵2、洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。

符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕3、維氏硬度維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法—維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計第三節(jié)沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標為沖擊韌性值Ak(通過沖擊實驗測得)。韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板

（右圖）的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板

第四節(jié)疲勞強度

疲勞：材料在低于

s的重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。用

-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應力示意圖疲勞