緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能

工程材料學(xué)

學(xué)時(shí)/學(xué)分：32/2屬必修考試科目：考試成績(jī)占70%，平時(shí)成績(jī)占30%。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能緒論

一、材料技術(shù)的發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步材料是人類生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是日常生活中不可分割的一個(gè)組成部分。自從地球上有了人類至今，材料的利用和發(fā)展構(gòu)成了人類文明發(fā)展史的里程碑：

人類最早使用的工具是石頭（石器時(shí)代）；原始社會(huì)末期開(kāi)始用火燒制陶器，由此發(fā)展為以后的瓷器（中國(guó)古代文化的象征），

隨后發(fā)展起來(lái)的青銅冶煉技術(shù)把人類帶入青銅器時(shí)代；青銅器過(guò)渡到鐵器（時(shí)代）生產(chǎn)工具大發(fā)展—人類進(jìn)入農(nóng)業(yè)社會(huì)。18世紀(jì)世界工業(yè)迅速發(fā)展（鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展），造就了工業(yè)社會(huì)文明。1863年光學(xué)顯微鏡問(wèn)世，使人們開(kāi)始步入材料的微觀世界。1912年X射線衍射技術(shù)和1932年電子顯微分析技術(shù)及后來(lái)出現(xiàn)的各種先進(jìn)的顯微分析技術(shù)，把人們帶到了微觀世界的更深層次。人們開(kāi)始了對(duì)晶體微觀結(jié)構(gòu)的研究，大大推動(dòng)了材料學(xué)的研究與發(fā)展。新材料更是層出不窮，出現(xiàn)了“高分子材料時(shí)代”、“半導(dǎo)體材料時(shí)代”、“先進(jìn)陶瓷材料時(shí)代”、“復(fù)合材料時(shí)代”、“人工合成材料時(shí)代”和即將進(jìn)入的“納米材料時(shí)代”。

材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，促成了機(jī)械制造業(yè)的騰飛。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能二、課程的重要地位與作用進(jìn)入21世紀(jì)，能源、信息和新材料已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代文明的三大支柱．而新材料又是最重要的基礎(chǔ)。歷史證明，每一次重大新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)．往往都依賴于新材料的發(fā)展。材料的種類、數(shù)量和質(zhì)量已是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平以及社會(huì)文明的重要標(biāo)志之一。我國(guó)把新材料的研究開(kāi)發(fā)放在了優(yōu)先發(fā)展的地位。工程材料學(xué)是機(jī)械制造過(guò)程的重要部分。工程材料學(xué)是一門(mén)主干技術(shù)基礎(chǔ)課。在于使學(xué)生建立生產(chǎn)過(guò)程的基本知識(shí)，了解新材料，掌握現(xiàn)代制造工藝和方法，培養(yǎng)工程素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能三、基本要求

1、建立工程材料學(xué)的基本概念，培養(yǎng)良好的工程意識(shí)。2、掌握必要的材料科學(xué)的理論基礎(chǔ)。3、熟悉各類常用工程材料，包括金屬材料、高聚物材料、陶瓷材料等的成分、結(jié)構(gòu)、性能應(yīng)用特點(diǎn)及牌號(hào)表示方法；掌握強(qiáng)化金屬材料的基本途徑；了解新型材料的發(fā)展及應(yīng)用。4、掌握選擇零件材料及成形工藝的基本原則和方法步驟，了解失效分析方法及其應(yīng)用，了解表面處理技術(shù)的應(yīng)用；具有初步做到合理選擇材料、正確選擇加工方法及安排工藝路線的能力。5、了解與本課程有關(guān)的新材料、新技術(shù)、新工藝。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能第一章機(jī)械工程材料的分類與性能

工程材料是指工程上使用的材料，其種類繁多，有許多不同的分類方法：若按材料的化學(xué)成分、結(jié)合鍵的特點(diǎn)分，可分為金屬材料、高聚物材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和復(fù)合材料四大類。按性能特點(diǎn)和用途分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料：結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性能為主要使用性能，用于制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件的材料；功能材料是以物理、化學(xué)性能或生物功能等為主要使用性能，用于制造具有特殊功能的元器件的材料。

材料性能是指材料在外界因素作用下表現(xiàn)出來(lái)的行為。在選擇材料時(shí)，必須考慮材料的相關(guān)性能，使之與所要求的性能相符合。材料的性能一般分為使用性能和工藝性能兩大類：使用性能是指材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能，包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能是指材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)的性能，包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削加工性能等。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能1．金屬材料

金屬材料是用量最大、用途最廣的機(jī)械工程材料。它包含兩大類型；黑色金屬和有色金屬。

(1)黑色金屬黑色金屬是指鐵和以鐵為基的合金，即鋼鐵材料，它占金屬材料總量的95％以上。由于鋼鐵材料力學(xué)性能優(yōu)良和低廉的價(jià)格，所以在工程材料中一直占據(jù)著不可替代的主導(dǎo)地位。有一組數(shù)據(jù)可以說(shuō)明這一點(diǎn)。新中國(guó)的鋼產(chǎn)量從1949年的15.8萬(wàn)噸起步，產(chǎn)量每增加5千萬(wàn)噸/年上一個(gè)臺(tái)階：第一次用了37年，第二次用了10年，第三次用了5年，第四次僅用了2年（2003年產(chǎn)量達(dá)到2.2億噸，04年達(dá)到2.7億噸）。五次1年--05年達(dá)3.5億噸。07年4.89億噸。

2012年中國(guó)粗鋼產(chǎn)量已超過(guò)7億噸！

目前中國(guó)鋼鐵總產(chǎn)量相當(dāng)于世界前十大產(chǎn)鋼國(guó)的總產(chǎn)量之和！粗鋼產(chǎn)量分別是美國(guó)和日本的5倍！(2)有色金屬除鐵基合金之外的所有金屬及其合金材料。它可分為輕金屬(如鋁、鎂、鈦)，重金屬(如鉛、錫)，貴金屬(如金、銀、鎳、鉑)和稀有金屬（鎢、鉬、鋰、鈮、鎵、銦）等，其中以鋁、銅及其合金用途最廣。第一節(jié)工程材料的分類01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能

2

高分子材料

高分子材料又稱聚合物材料，主要成分為碳和氫。按其用途和使用狀態(tài)又分為橡膠、塑料、合成纖維和膠粘劑等幾大類型。3無(wú)機(jī)非金屬材料主要指水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等。4復(fù)合材料是把兩種或兩種以上的不同性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而構(gòu)成的。它不僅保留了組成材料各自的優(yōu)點(diǎn)，而且具有單一材料所沒(méi)有的優(yōu)異性能。復(fù)合材料通常分為三大類：樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能

2.工藝性能材料的主要性能是指:1.使用性能（1）力學(xué)性能（2）物理性能（3）化學(xué)性能——加工成形的性能材料的主要性能01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能第二節(jié)機(jī)械工程材料的力學(xué)性能

材料在力的作用下所表現(xiàn)出的特性即為材料的力學(xué)性能。通常把力的作用稱為載荷或負(fù)荷。材料的力學(xué)性能包括強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、疲勞特性、耐磨性等。材料在外力作用下發(fā)生的形狀和尺寸變化稱為變形，外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形，外力去除后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。材料的力學(xué)性能不僅取決于材料本身的化學(xué)成分，而且還和材料的微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料的力學(xué)性能是衡量工程材料性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，也是機(jī)械設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用材料的主要依據(jù)。材料的力學(xué)性能可以從設(shè)計(jì)手冊(cè)中查到，也可以用力學(xué)性能試驗(yàn)方法獲得。了解材料力學(xué)性能的測(cè)試條件、實(shí)驗(yàn)方法和性能指標(biāo)的意義將有助于了解工程材料的本性。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線

評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能的指標(biāo)是通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。拉伸試驗(yàn)可以在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，被測(cè)試的材料按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制成如圖1—1所示的光滑圓柱形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。試樣中間截面均勻的部分作為測(cè)量延伸量的基本長(zhǎng)度，稱為標(biāo)距L0。試樣的兩端放在拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)夾緊，然后緩慢而均勻地施加軸向拉力。隨著拉力的增加，試樣被拉長(zhǎng)，直至拉斷為止。圖1—1拉伸試樣示意圖a)拉伸前b)拉伸后01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)機(jī)01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能在拉伸過(guò)程中，拉伸試驗(yàn)機(jī)上的自動(dòng)記錄系統(tǒng)同時(shí)繪制出拉伸過(guò)程中的應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖，也稱為σ(sigma)-ε(epsilon)曲線。圖的縱坐標(biāo)為應(yīng)力σ(單位為Pa)，橫坐標(biāo)為應(yīng)變?chǔ)?％)，σ和ε的定義可表示如下：式中F—軸向拉力(N)；S—試樣的橫截面積(m2)。式中L0--試樣標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)；L1--試樣變形過(guò)程中和F對(duì)應(yīng)的總伸長(zhǎng)(mm)。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能圖l-2低碳鋼的σ-ε曲線圖

01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能σ-ε圖顯示了材料在單向拉應(yīng)力作用下，從開(kāi)始變形直至斷裂整個(gè)過(guò)程中的各種性質(zhì)，它一般可以分為三個(gè)階段：1．彈性變形階段(O-A)在這個(gè)階段，材料內(nèi)部的原子之間距離只發(fā)生彈性伸長(zhǎng)，所以應(yīng)力與應(yīng)變呈直線關(guān)系，遵從虎克定律，此時(shí)如果卸掉載荷，試樣就能恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。2．塑性變形階段(B-D)此時(shí)，σ與ε的關(guān)系偏離直線關(guān)系。在BC段，應(yīng)力幾乎不變，但應(yīng)變卻不斷增大。超過(guò)C點(diǎn)之后，因材料發(fā)生加工硬化，若要試樣繼續(xù)變形就必須加大載荷，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值(D點(diǎn))后，試樣的某一部分截面急劇縮小，產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。在塑性變形階段即使卸掉載荷，試樣也不能恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。3、斷裂(E點(diǎn))在E點(diǎn)以后，試樣的變形主要集中在縮頸部分，最終導(dǎo)致試樣在縮頸處發(fā)生斷裂。拉伸曲線所顯示出的材料本性主要是由于材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化引起的，所以不同的材料在拉伸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同形式的σ-ε曲線。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼不同材料的拉伸曲線01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義

根據(jù)σ-ε曲線可以計(jì)算出材料的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)。1．彈性模量E2．屈服點(diǎn)σS3．抗拉強(qiáng)度(強(qiáng)度極限)σb4.伸長(zhǎng)率δ5．?dāng)嗝媸湛s率ψ(psi)01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能1．彈性模量（剛度）E圖1-2中的直線段OA的斜率即為材料的彈性模量E：

式中

σ—應(yīng)力；

ε—應(yīng)變。

彈性模量E值表征材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度。金屬的彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的參數(shù)，其大小主要取決于金屬的本性，而與顯微組織無(wú)關(guān)。因此，熱處理、合金化、冷熱變形等對(duì)它的影響很小。要想提高金屬制品的剛度，只能更換金屬材料、改變金屬制品的結(jié)構(gòu)形式或增加截面面積。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能

2.強(qiáng)度

材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的強(qiáng)度。（1）屈服點(diǎn)和屈服強(qiáng)度σS在拉伸過(guò)程中，載荷不增加而應(yīng)變?nèi)栽谠龃蟮默F(xiàn)象稱為屈服。拉伸曲線上與此相對(duì)應(yīng)的B點(diǎn)稱屈服點(diǎn)，其應(yīng)力稱屈服應(yīng)力σS。對(duì)于在拉伸過(guò)程中屈服現(xiàn)象不明顯的材料，規(guī)定以殘余變形量為0.2％時(shí)的應(yīng)力值作為它的條件屈服強(qiáng)度，記為σ0.2。機(jī)械零部件或構(gòu)件在使用過(guò)程中一般不允許發(fā)生塑性變形，所以材料的屈服點(diǎn)是評(píng)價(jià)材料承載能力的重要力學(xué)性能指標(biāo)。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能（2）抗拉強(qiáng)度(強(qiáng)度極限)σb拉伸曲線上D點(diǎn)的應(yīng)力σb稱為材料的抗拉強(qiáng)度，它表明了試樣被拉斷前所能承載的最大應(yīng)力。抗拉強(qiáng)度是零部件設(shè)計(jì)和評(píng)定材料時(shí)的重要強(qiáng)度指標(biāo)。尤其是對(duì)于脆性材料，由于拉伸時(shí)沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，這時(shí)一般用抗拉強(qiáng)度指標(biāo)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。強(qiáng)度σb與密度ρ（rou)之比稱為比強(qiáng)度，它也是零件選材的重要指標(biāo)。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能比強(qiáng)度(specificstrength):

材料的強(qiáng)度值與密度值之比。名稱密度(g/cm3)強(qiáng)度(Mpa)比強(qiáng)度純鋁2.780～10030～37純鐵7.87180～28023～36純鈦4.5405～50090～11101緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能

3.塑性

是指材料在外力作用下破壞前可承受最大塑性變形的能力。常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

（1）伸長(zhǎng)率用δ表示：

式中L0—拉伸試樣標(biāo)距原長(zhǎng)；Ll—試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度。

伸長(zhǎng)率的數(shù)值和試樣標(biāo)距長(zhǎng)度有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣有長(zhǎng)試樣(L0=10d0，d0為試樣直徑)和短試樣(L0=5d0)兩種。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能（2）斷面收縮率ψ(psi)

斷面收縮率ψ：

式中

S0—試樣原始橫截面積；S1—斷口細(xì)頸處的橫截面積。斷面收縮率的數(shù)值不受試樣尺寸的影響，用斷面收縮率表示塑性更能接近材料的真實(shí)應(yīng)變。

δ或ψ值愈大，說(shuō)明材料的塑性愈好，良好的塑性是材料進(jìn)行壓力加工的必要條件。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能4.硬度

材料抵抗其他硬物壓入其表面（抵抗局部塑性變形）的能力稱為硬度，它是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。一般情況下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。硬度是材料最常見(jiàn)的性能指標(biāo)之一。硬度的測(cè)定方法很多，現(xiàn)在多用壓入法測(cè)定。根據(jù)測(cè)量方法的不同，常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等。用各種方法所測(cè)量的硬度值不能直接相比較，可以通過(guò)硬度對(duì)照表?yè)Q算。材料的硬度與它的力學(xué)性能如強(qiáng)度、耐磨性以及工藝性能，如切削加工性、可焊性等之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以在一些零件圖樣上，硬度是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計(jì)

01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能(1)布氏硬度它是最古老最常用的試驗(yàn)方法，如圖1-3（a）所示。在力P的作用下，把直徑為D的鋼球(淬火鋼球或硬質(zhì)合金球)壓入被測(cè)物體中，布氏硬度值是載荷除以壓痕的球形面積（直徑為d)，用HB表示。當(dāng)布氏硬度機(jī)所用的壓頭是淬火鋼球時(shí)，不能用作測(cè)試太硬的材料(如淬火件等)，因材料太硬時(shí)，鋼球會(huì)變形，測(cè)出的硬度不準(zhǔn)確，故一般只能測(cè)HB＜450的材料，其硬度值以HBS表示；適于測(cè)定退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。布氏硬度在450-650之間的材料，壓頭用硬質(zhì)合金球，其硬度值用HBW表示。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定；缺點(diǎn)是壓痕大，不能用于太薄件或成品件。

01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能

(2)洛氏硬度

如圖1-3（b）所示。它使用的壓頭是金剛石圓錐體，有時(shí)是小鋼球。洛氏硬度值是壓入深度（h）的倒數(shù)。洛氏硬度常用有三個(gè)標(biāo)尺。試驗(yàn)用壓頭為金剛石圓錐體，載荷P＝1500N時(shí)，得到硬度用HRC表示。壓頭用金剛石圓錐體，載荷P＝600N時(shí)，得到硬度用HRA表示。用鋼球做壓頭，載荷P＝1000N時(shí)，得到的硬度用HRB表示。洛氏硬度值表示方法如下：符號(hào)HR前面的數(shù)字表示硬度值，HR后加的字母表示不同洛氏硬度的稱尺。例如45HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)量的洛氏硬度值為45。上列三種洛氏硬度，以HRC最為常用，淬火件常用洛氏硬度測(cè)定。但不宜用來(lái)測(cè)定硬而脆的薄層零件，如滲碳層、氮化層及氰化層等，因硬脆薄層容易被壓頭壓穿，測(cè)得的硬度值不準(zhǔn)。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、壓痕小、適用范圍廣；缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果分散度大。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)HRC≈10HBS01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能(3)維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)如圖1-3(c)所示,它的壓頭是金剛石四棱錐體，測(cè)量出壓痕的對(duì)角線d后，查表或算出方錐壓痕表面積除載荷P的值即為硬度，并用HV表示。由于維氏硬度機(jī)壓頭是金鋼石四角錐體，所用載荷較小，可以根據(jù)工件硬化層的厚薄，任意選擇載荷大小，所以硬薄層工件常用維氏硬度測(cè)定。而且維氏硬度可以測(cè)定從軟到硬的各種工程材料。HV≈HBS。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)適用范圍:

測(cè)量薄板類;

HV≈HBS;01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能(4)銼刀法:

一組硬度差為5HRC的銼刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能為了測(cè)量一些特殊性能和特殊形狀材料的硬度，也可以選擇其他的硬度試驗(yàn)方法。如顯微硬度法可用于測(cè)量一些薄的鍍層、滲層或顯微組織中的不同相的硬度；肖氏硬度適合在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大型試件(如機(jī)床床身、大型齒輪等)進(jìn)行硬度測(cè)量。莫氏硬度用于測(cè)量陶瓷和礦物的硬度。由于各種硬度的試驗(yàn)條件不同，所以它們之間沒(méi)有直接的換算關(guān)系。標(biāo)注某種材料的硬度值時(shí)必須說(shuō)明它的硬度測(cè)試方法。在工程圖樣上正確標(biāo)注材料硬度的方法是硬度值加硬度測(cè)試方法代號(hào)。如“洛氏硬度60”的書(shū)寫(xiě)格式為“60HRC”。(5)其他硬度01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能

5.沖擊韌度(notchtoughness):

材料的韌性是指材料在塑性變形和斷裂的全過(guò)程中吸收能量的能力，它是材料塑性和強(qiáng)度的綜合表現(xiàn)。材料的韌性與脆性是兩個(gè)意義上完全相反的概念，根據(jù)材料的斷裂形式可分為韌性斷裂和脆性斷裂。沖擊韌度是指材料在沖擊載荷的作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力,以在沖擊力作用下材料破壞時(shí)單位面積所吸收的能量ak表示。材料的沖擊韌度值常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)法測(cè)定，其試驗(yàn)原理如圖1-4所示。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能圖1-4沖擊試驗(yàn)示意圖

a)試件b)試驗(yàn)示意圖01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能實(shí)際工作中的構(gòu)件常常是在交變載荷的作用下。力的大小和方向都隨時(shí)間呈周期性的循環(huán)變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂可以在低于材料的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生，斷裂前也無(wú)明顯的塑性變形，而且經(jīng)常是在沒(méi)有任何先兆的情況下突然斷裂，因此疲勞斷裂的后果是十分嚴(yán)重的。材料的疲勞強(qiáng)度可以通過(guò)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。將光滑的標(biāo)準(zhǔn)試樣的一端固定并使試樣旋轉(zhuǎn)，在另一端施加載荷。在試樣旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，試樣工作部分的應(yīng)力將承受周期性的變化，從拉應(yīng)力到壓應(yīng)力，循環(huán)往復(fù)，直至試樣斷裂。材料所受的交變應(yīng)力與斷裂循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系可以用圖1-5的疲勞曲線(也稱σ-N曲線)描述。經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。如果采用對(duì)稱的循環(huán)應(yīng)力，材料的疲勞強(qiáng)度σ-1表示。實(shí)際上，作無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)的疲勞試驗(yàn)是不可能的，一般鋼鐵的循環(huán)基數(shù)為107，有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼的循環(huán)基數(shù)為108。一般鋼鐵材料的σ-1值約為其σb的一半，而非金屬材料的疲勞極限一般遠(yuǎn)低于金屬材料。6.疲勞強(qiáng)度(fatiguestrength):

01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能疲勞特性試驗(yàn)示意圖

圖1-5材料的疲勞曲線（σ-N）

提高零件的疲勞抗力，除應(yīng)合理選材外，還應(yīng)注意其結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減少缺陷，降低表面粗糙度和進(jìn)行表面強(qiáng)化等。01緒論第一章機(jī)械工程材料的分類和性能7.斷裂韌性工程上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)材料在遠(yuǎn)低于σb的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。如1943年1月美國(guó)一艘T-2油船停泊在裝貨碼頭時(shí)斷成兩半，計(jì)算的甲板應(yīng)力為7kg／mm2，遠(yuǎn)低于σb(30-40kg／mm2)。美國(guó)北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆炸，經(jīng)過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)破壞的原因是材料中