新能源汽車輕量化技術(shù) 課件 項(xiàng)目1 工程材料基本特性認(rèn)識(shí)

新能源汽車輕量化技術(shù)項(xiàng)目1工程材料基本特性認(rèn)識(shí)任務(wù)一材料基本物理特性認(rèn)識(shí)1、密度的認(rèn)識(shí)2、材料熱力學(xué)特性認(rèn)識(shí)任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)1.密度的認(rèn)識(shí)案例分析：生活中不難發(fā)現(xiàn)，不同物質(zhì)組成同樣大小的物體，其質(zhì)量并不相同。例如1立方米的鐵塊和1立方米的木塊質(zhì)量差異明顯。你知道這是為什么嗎？這一現(xiàn)象蘊(yùn)含什么物理特性呢？人們?yōu)榱烁陀^的認(rèn)識(shí)這種差異，就引入密度的概念。材料的密度是指單位體積內(nèi)材料的質(zhì)量，這也通常用來描述物質(zhì)的緊密程度或者集中度。密度的定義是一個(gè)物體的質(zhì)量除以其體積。在國(guó)際制度中，密度的單位是千克每立方米（kg/m3）。（1）

密度的認(rèn)識(shí)任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)

（1）密度的認(rèn)識(shí)ρ表示材料密度，

m

表示物體的質(zhì)量，單位通常為kg；V

表示物體的體積，單位通常為立方米。任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)（1）

密度的認(rèn)識(shí)材料名稱密度(kg/m3)材料名稱密度(kg/m3)水1000玻璃2600冰920鉛11400銀10500酒精790水銀(汞)13600汽油750灰口鑄鐵6600~7400軟木250白口鑄鐵7400~7700鋅7100可鍛鑄鐵7200~7400純銅材8900工業(yè)純鐵7870鉛黃銅8500純鋁2700高強(qiáng)度合金鋼7820常見材料的密度任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)（2）

密度的特性密度是材料在一定條件下反映出來的基本物理性能，然而密度并不是一個(gè)固定不變的物理量。當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，材料的密度也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，例如溫度變化、壓力變化等環(huán)境條件改變都會(huì)不同程度地影響材料的密度。任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)通常來說，多數(shù)氣體、液體和固體在溫度升高時(shí)都會(huì)引起密度減小，但有例外。例如，水在4°C以下時(shí)，其密度隨溫度降低而增大；4°C以上時(shí)，其密度隨溫度增加而減小。（3）

密度的測(cè)量及應(yīng)用密度的測(cè)量方法通常有稱量法和比重杯法兩種。稱量法就是根據(jù)材料密度的意義，分別測(cè)量物體體積和質(zhì)量，并應(yīng)用公式計(jì)算質(zhì)量與體積的比值而獲得材料的密度。任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)（3）

密度的測(cè)量及應(yīng)用任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)比重杯法是以常溫下水的密度和相對(duì)密度為基礎(chǔ)，通過將物體浸入裝滿水的量杯中，分別記錄裝滿水的量杯質(zhì)量m1，置入物體溢出水后的質(zhì)量m2和取出物體后量杯質(zhì)量m3三個(gè)狀態(tài)的質(zhì)量數(shù)，根據(jù)下列公式計(jì)算。2.材料熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)材料的基本熱學(xué)性能主要包括熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性等內(nèi)容。從微觀結(jié)構(gòu)角度理解，材料的這些熱學(xué)特性都直接與晶格振動(dòng)有關(guān)。晶格是構(gòu)成材料晶體的質(zhì)點(diǎn)陣，這些質(zhì)點(diǎn)總是在各自平衡位置附近作微小的振動(dòng)，這被稱為晶體的晶格振動(dòng)或點(diǎn)陣振動(dòng)。溫度高低反應(yīng)了晶格振動(dòng)的強(qiáng)弱程度，因此晶格振動(dòng)也常常被稱為熱振動(dòng)。（1）熱容的認(rèn)識(shí)任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)熱容是一個(gè)物理學(xué)概念，它描述了一定條件下的物質(zhì)系統(tǒng)與環(huán)境之間進(jìn)行熱量交換的能力。具體來說，熱容是指當(dāng)系統(tǒng)因受到微小的熱量增量dQ而導(dǎo)致溫度增量dT時(shí)，這個(gè)增量的比值dQ/dT。熱容通常用符號(hào)C表示，其單位是焦耳每開爾文（J/K）。從物質(zhì)的微觀角度講，熱容也是晶格振動(dòng)在宏觀性質(zhì)上的表現(xiàn)之一。熱容也是指當(dāng)物質(zhì)吸收熱量溫度升高時(shí)，溫度每升高1K所吸收的熱量。單位質(zhì)量材料的熱容稱為比熱容或質(zhì)量熱容，單位為J/（kg·K）。任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)材料名稱比熱容(J/kg?K)材料名稱比熱容(J/kg?K)水4200鋰3580導(dǎo)熱油2000~3000乙醇2460木材（松）2400石蠟2200空氣（室溫）1030軟木塞2000鋼450尼龍1700鐵450鋁900氫14000陶瓷840氨2050玻璃600汽油2200銅380（1）熱容的認(rèn)識(shí)常見材料比熱容（2）熱膨脹系數(shù)任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)物體由于溫度變化通常會(huì)表現(xiàn)出體積膨脹或者收縮現(xiàn)象。物理學(xué)中采用熱膨脹系數(shù)表示物體的體積脹縮變化能力。即壓力一定的條件下，單位溫度變化所引起的物體的尺寸變化。不同物體的熱膨脹系數(shù)不盡相同。線脹系數(shù)是指固態(tài)物質(zhì)當(dāng)溫度改變1℃時(shí)，其某一方向上的長(zhǎng)度的變化和它在20℃（即標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境）時(shí)的長(zhǎng)度的比值。任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)（2）熱膨脹系數(shù)材料的熱膨脹系數(shù)大多數(shù)情況之下為正值。也就是說溫度變化與長(zhǎng)度變化成正比，溫度升高體積增大，溫度降低體積減少，這也就是常說的“熱脹冷縮”現(xiàn)象。但是也有例外，如水在0到4攝氏度之間，水的體積隨溫度增加而減小；而一些陶瓷材料在溫度變化情況下，幾乎不會(huì)發(fā)生幾何尺寸變化，也就說它的熱膨脹系數(shù)接近0。任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)（2）熱膨脹系數(shù)材料的熱膨脹系數(shù)在工程中具有廣泛的應(yīng)用，了解材料的熱膨脹性能有助于產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)正確選用材料。零件尺寸是影響零件質(zhì)量和安裝配合的重要因素，然而材料的熱膨脹性能決定了溫度變化會(huì)引起零件尺寸變化，這將進(jìn)一步影響零件質(zhì)量和裝配配合。因此，正確理解材料的熱膨脹性能和熱膨脹系數(shù)是研究不同工作溫度條件下零件正常服役的重要基礎(chǔ)。尤其是涉及多種不同熱膨脹性能差異明顯的材料存相互配合的工作場(chǎng)景。例如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞缸和活塞機(jī)構(gòu)。任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)材料名稱熱膨脹系數(shù)材料名稱熱膨脹系數(shù)銻10.5E-6/℃水銀180E-6/℃銅17.5E-6/℃水208E-6/℃鉻6.2E-6/℃汽油950E-6/℃鎳13.0E-6/℃聚乙烯200E-6/℃銀19.5E-6/℃聚丙烯70~150E-6/℃鋁23.3E-6/℃玻璃10E-6/℃鉛29.3E-6/℃石英1E-6/℃鐵12.2E-6/℃玻璃180E-6/℃鎂26.0E-6/℃ABS+PC70~75E-6/℃（2）熱膨脹系數(shù)常見材料熱膨脹系數(shù)任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)（3）熔點(diǎn)材料在緩慢加熱時(shí)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)并有一定潛熱吸收或放出時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度，稱為熔點(diǎn)。工程應(yīng)用中，常常關(guān)注不同材料的熔點(diǎn)特性并根據(jù)熔點(diǎn)差異加以利用。而塑料和一般玻璃等非晶態(tài)材料則沒有熔點(diǎn)，只有軟化點(diǎn)或稱玻璃化溫度。任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)材料名稱熔點(diǎn)/軟化點(diǎn)材料名稱熔點(diǎn)/軟化點(diǎn)冰0℃青銅900℃銀962℃黃銅1000℃金1064℃銅1084℃鋼1300~1400℃鋁660℃鉛327℃硅1420℃碳3500℃鎢3387℃ABS150~180℃PET245~260℃（3）熔點(diǎn)常見材料熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)（4）熱傳導(dǎo)熱量從物體溫度較高的一部分沿著物體傳到溫度較低的部分的傳遞方式稱為熱傳導(dǎo)。每種物質(zhì)都能夠傳熱，但不同的物質(zhì)其傳熱的能力卻各有差異。傳熱系數(shù)是一個(gè)描述熱量傳遞能力的物理參數(shù)，它反映了在穩(wěn)定傳熱條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量。傳熱系數(shù)有導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱系數(shù)兩種常見的表示方法。導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，截面積為1平方米的圓柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（K=℃+273.15）時(shí)的熱傳導(dǎo)功率。導(dǎo)熱系數(shù)的單位是瓦特每米·開爾文（W/m·K）。任務(wù)1材料基本物理特性認(rèn)識(shí)材料名稱導(dǎo)熱系數(shù)材料名稱導(dǎo)熱系數(shù)純銅400W/m?K水0.5~0.7W/m?K純鋁237W/m?KPC0.2W/m?K鎂150W/m?KPP0.21~0.26W/m?K黃銅70~180W/m?KPVC0.14~0.17W/m?K鐵50~80W/m?KPU0.25W/m?K鋼35~55W/m?K玻璃0.5~1.0W/m?K不銹鋼15~20W/m?K空氣0.01~0.04W/m?K純鉛35W/m?K瓷磚1.99W/m?K純鎳90W/m?K泡沫0.045W/m?K（4）熱傳導(dǎo)常見材料導(dǎo)熱系數(shù)任務(wù)二材料基本物理特性認(rèn)識(shí)1、拉伸實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)2、基本力學(xué)性能參數(shù)認(rèn)識(shí)項(xiàng)目1工程材料基本特性認(rèn)識(shí)任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)材料的力學(xué)性能是指材料在不同環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)）下，承受外加載荷作用時(shí)所表現(xiàn)的行為，這種行為通常表現(xiàn)為材料的變形和斷裂。任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)（1）拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸試驗(yàn)是指在承受軸向拉伸載荷下測(cè)定材料特性的試驗(yàn)方法。以金屬材料為例，應(yīng)用拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以確定材料的彈性極限、伸長(zhǎng)率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度和其它拉伸性能指標(biāo)。在高溫條件下進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)還可以得到金屬材料的蠕變數(shù)據(jù)。金屬材料的力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)研究起步較早并已經(jīng)形成一系列試驗(yàn)規(guī)范，例如金屬常溫拉伸試驗(yàn)方法和步驟可參見GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》。任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)（1）拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)（英文名CuppingMachine）也叫材料拉伸試驗(yàn)機(jī)、萬能拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，是集電腦控制、自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、屏幕顯示、試驗(yàn)結(jié)果處理為一體的新一代力學(xué)檢測(cè)設(shè)備。具有自動(dòng)計(jì)算應(yīng)力、延伸率（需加配引伸計(jì)）、抗拉強(qiáng)度、彈性模量的功能，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果；自動(dòng)記錄最大點(diǎn)、斷裂點(diǎn)、指定點(diǎn)的力值或伸長(zhǎng)量；采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)過程及試驗(yàn)曲線的動(dòng)態(tài)顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)結(jié)束后可通過圖形處理模塊對(duì)曲線放大進(jìn)行數(shù)據(jù)再分析編輯，并可打印試驗(yàn)報(bào)表。萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)（2）拉伸實(shí)驗(yàn)試樣拉伸試驗(yàn)是測(cè)試金屬材料力學(xué)性能的重要方法之一，不同測(cè)試需要和測(cè)試規(guī)范對(duì)測(cè)試樣件都有相關(guān)的規(guī)定。常見的拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件有圓柱形試件、平板試件和棒狀試件等類型。拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸和形狀必須符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。尺寸包括試件長(zhǎng)度、直徑或?qū)挾?、厚度等參?shù)，應(yīng)根據(jù)具體測(cè)試要求確定。試驗(yàn)試樣參照GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。圓棒拉伸試驗(yàn)試樣任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)（3）拉伸實(shí)驗(yàn)曲線1.彈性階段op這一階段試樣的變形屬于線彈性變形，全部卸除荷載后，試樣將恢復(fù)其初始長(zhǎng)度。通過此階段的載荷與變形特征可以測(cè)定材料的彈性模量E。任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)（3）拉伸實(shí)驗(yàn)曲線2.屈服階段es拉伸曲線在這一階段表現(xiàn)出試樣的伸長(zhǎng)量明顯增加，而萬能試驗(yàn)機(jī)上的荷載讀數(shù)卻在較小范圍內(nèi)呈鋸齒狀波動(dòng)。任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)（3）拉伸實(shí)驗(yàn)曲線3.強(qiáng)化階段sb多數(shù)金屬材料經(jīng)歷屈服變形后將被進(jìn)一步強(qiáng)化，對(duì)應(yīng)的拉伸曲線反映出試樣經(jīng)過屈服階段后進(jìn)一步加載，拉伸曲線的載荷可以進(jìn)一步增加。任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)（3）拉伸實(shí)驗(yàn)曲線4.頸縮與斷裂階段bk當(dāng)拉伸載荷達(dá)到曲線的最高點(diǎn)b時(shí)，試樣的截面開始快速收縮并最終在曲線k點(diǎn)位置被拉斷。拉伸曲線的bk階段，就是拉伸載荷達(dá)到峰值后，開始下降并且伴隨試樣截面頸縮并斷裂。任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)3.基本力學(xué)性能參數(shù)彈性模量又稱楊氏模量，彈性材料的一種最重要、最具特征的力學(xué)性質(zhì)，是物體彈性變形難易程度的表征，用字母E表示。彈性模量定義為理想材料有小形變時(shí)應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比。F為拉伸載荷，S為拉伸試樣測(cè)量段橫截面面積，L為拉伸試樣變形測(cè)量段的初始長(zhǎng)度，dL為拉伸載荷F對(duì)應(yīng)的測(cè)試變形測(cè)量段對(duì)應(yīng)的變形量，彈性模量的單位為MPa。任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)通常鋼材的彈性模量為2.0~2.1×105MPa；灰鑄鐵的彈性模量約為0.8~1.0×105MPa；球墨鑄鐵的彈性模量約為1.5~1.7×105MPa；鋁合金的彈性模量為6.9~8.1×104MPa；玻璃的彈性模量約為7×104MPa。3.基本力學(xué)性能參數(shù)任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)3.基本力學(xué)性能參數(shù)

任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)

3.基本力學(xué)性能參數(shù)

任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)3.基本力學(xué)性能參數(shù)斷裂延申率是指拉伸試驗(yàn)中的試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，其表示方法如式（1-6）所示。鈑金材料的斷裂延伸率是評(píng)價(jià)金屬材料塑性成形能力的重要參數(shù)，在沖壓成型工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛。任務(wù)2材料基本力學(xué)特性認(rèn)識(shí)3.基本力學(xué)性能參數(shù)斷面收縮率是一個(gè)描述材料在受拉伸載荷后，試樣斷面尺寸相對(duì)于原始尺寸變化的性能指標(biāo)。具體來說，它是試樣拉斷后頸縮部位截面積與原始截面積之差的比值，這個(gè)比值除以原始截面積得到的百分?jǐn)?shù)就是斷面收縮率。拉伸試驗(yàn)中的試樣斷面收縮率可以用公式（1-7）表示，其中A0為試件原始截面積，A1試件拉伸斷裂時(shí)頸縮出的截面積。任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)1.硬度硬度是材料在物理學(xué)上的一個(gè)專業(yè)術(shù)語，指的是材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，是比較各種材料軟硬的指標(biāo)。硬度主要關(guān)注材料的表面耐磨性和刮擦性，金屬的晶粒尺寸和方向、合金元素的添加、熱處理等都可以對(duì)硬度產(chǎn)生影響。硬度分類：劃痕硬度、回跳硬度和壓入硬度。常用的壓入硬度有：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等幾種任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)1.硬度布氏硬度是表示材料硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)，它是由瑞典人布瑞納（J.A.Brinell）首先提出，因此被稱布氏硬度。如圖1-7所示，鋼球直徑的Dmm，在被測(cè)材料表面形成的壓痕直徑為dmm，壓痕深度為hmm。被測(cè)材料的布什硬度計(jì)算如公式（1-16）所示。布氏硬度測(cè)試示意任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)1.硬度洛氏硬度是美國(guó)的S.P.洛克韋爾于1919年提出的測(cè)定方法，它基本上克服了布氏測(cè)定法的上述不足。測(cè)量時(shí)，總載荷分初載荷和主載荷（總載荷減去初載荷）兩次施加，初載荷一般選用10千克力（1千克力=9.8N），加至總載荷后卸去主載荷，并以這時(shí)的壓痕深度來衡量材料的硬度任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)1.硬度洛氏硬度記為HR，所測(cè)數(shù)值寫在HR后，洛氏硬度值計(jì)算方法如公式（1-17）所示。式中h表示塑性變形壓痕深度（毫米）；k是規(guī)定的常量；分母中的0.002（毫米）是每洛氏硬度單位對(duì)應(yīng)的壓痕深度。對(duì)應(yīng)于金剛石圓錐壓頭的k=0.20（毫米），對(duì)應(yīng)于鋼球壓頭的k=0.26（毫米）。任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)1.硬度維氏硬度的測(cè)定原理基本上和布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積上的載荷來計(jì)算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)的壓頭是金剛石的正四棱錐體。任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)1.硬度維氏硬度計(jì)算如公式（1-18）所示，其中F為測(cè)試加載載荷，S為壓頭在被測(cè)材料表面壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度（mm），a為四棱錐壓頭相對(duì)面夾角，a=136°。任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)2.疲勞的認(rèn)識(shí)疲勞失效是一種材料在遠(yuǎn)低于正常強(qiáng)度情況下的往復(fù)交替和周期循環(huán)應(yīng)力下，產(chǎn)生逐漸擴(kuò)展的脆性裂紋，導(dǎo)致最終斷裂的傾向。疲勞失效是各類機(jī)械構(gòu)件（尤其是金屬材料構(gòu)件）最主要的失效方式，研究疲勞失效是各類機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要工作.任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)2.疲勞的認(rèn)識(shí)疲勞失效的基本過程疲勞失效過程將經(jīng)歷：裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和斷裂三個(gè)階段。裂紋萌生階段：也是裂紋起始階段，在這個(gè)階段材料內(nèi)部出現(xiàn)了微小裂痕或缺陷，在應(yīng)力循環(huán)的作用下，這些微小裂痕逐漸擴(kuò)展，最終形成一個(gè)細(xì)小的疲勞裂紋。穩(wěn)定擴(kuò)展階段：是指裂紋隨著時(shí)間和循環(huán)應(yīng)力的作用，疲勞裂紋逐漸加深和擴(kuò)展，裂紋長(zhǎng)度也不斷增加。斷裂階段：是指疲勞裂紋長(zhǎng)度增大，應(yīng)力集中程度提高到一定程度時(shí)，疲勞裂紋的擴(kuò)展速度將急劇加快，這就進(jìn)入了加速擴(kuò)展階段，并發(fā)生斷裂失效。任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)2.疲勞的認(rèn)識(shí)疲勞的類型構(gòu)件的疲勞失效類型通?？梢苑譃椋簺_擊疲勞、接觸疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞等基本類型。疲勞失效構(gòu)件的斷口具有疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)等典型特征。任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)2.疲勞的認(rèn)識(shí)疲勞的類型接觸疲勞是指是構(gòu)件（如齒輪、滾動(dòng)軸承，鋼軌和輪箍等）表面在接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期不斷反復(fù)作用而引起的一種表面疲勞破壞現(xiàn)象。齒輪、滾動(dòng)軸承等典型構(gòu)件通過周期性表面接觸傳遞載荷，表現(xiàn)為接觸表面反復(fù)受到接觸應(yīng)力作用而在接觸表面逐漸出現(xiàn)針狀或痘狀的凹坑，稱點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)磨損。任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)2.疲勞的認(rèn)識(shí)疲勞的類型由于溫度循環(huán)產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力所導(dǎo)致的材料或零件的疲勞稱為熱疲勞。溫度循環(huán)變化導(dǎo)致材料體積循環(huán)變化，當(dāng)材料的自由膨脹或收縮受到約束時(shí)，產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力或循環(huán)熱應(yīng)變。任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)2.疲勞的認(rèn)識(shí)疲勞的類型由腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力（應(yīng)變）的復(fù)合作用所導(dǎo)致的疲勞稱為腐蝕疲勞。腐蝕疲勞在任何腐蝕環(huán)境及循環(huán)應(yīng)力復(fù)合作用下，都會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。應(yīng)力腐蝕開裂，有一個(gè)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI≤KISCC，就不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂；而腐蝕疲勞不存在臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，只要在腐蝕環(huán)境中有循環(huán)應(yīng)力繼續(xù)作用，斷裂總是會(huì)發(fā)生的。任務(wù)3材料其他力學(xué)特性認(rèn)識(shí)2.疲勞的認(rèn)識(shí)疲勞的影響：導(dǎo)致構(gòu)件材料產(chǎn)生疲勞失效的原因很多，總體上可以分為內(nèi)部原因和外部原因。其中，內(nèi)部原因主要是構(gòu)件材料的化學(xué)成分、組織、內(nèi)部缺陷、材料強(qiáng)韌化等；外部原因主要指構(gòu)件幾何形狀及表面質(zhì)量、裝配與連接、使用環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷特性等多種因素。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)1.構(gòu)件負(fù)荷機(jī)械零件在工作條件下可能受到力學(xué)負(fù)荷、熱負(fù)荷或者環(huán)境介質(zhì)的作用。有時(shí)只受到一種負(fù)荷作用，更多時(shí)候受到兩種或三種負(fù)荷的同時(shí)作用。機(jī)械零件受到力負(fù)荷主要表現(xiàn)為內(nèi)部的變形方式、應(yīng)力分布狀態(tài)以及缺口效應(yīng)作用等。熱負(fù)荷主要表現(xiàn)為外界高溫在構(gòu)件或零件內(nèi)部產(chǎn)生的熱沖擊、熱應(yīng)力以及隨溫度升高而引起的構(gòu)件承載能力降低。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)2.力學(xué)負(fù)荷力學(xué)負(fù)荷可以根據(jù)載荷是否隨時(shí)間變化分為靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷。靜態(tài)載荷：不隨時(shí)間變化而變化的載荷稱為靜態(tài)載荷；動(dòng)態(tài)載荷：隨時(shí)間變化而變化的載荷稱為動(dòng)態(tài)載荷。按載荷隨時(shí)間變化的方式，動(dòng)態(tài)載荷又可以分為交變載荷和沖擊載荷。交變載荷是隨時(shí)間作用呈周期性變化的載荷，例如齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)作用于每一個(gè)齒上的力都是隨時(shí)間按周期性變化。沖擊載荷則是物體的運(yùn)動(dòng)在瞬間內(nèi)發(fā)生突然性的變化，例如車輛碰撞、鍛造時(shí)的錘擊等。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)2.力學(xué)負(fù)荷拉壓載荷：桿件典型的拉伸載荷如圖1-14a所示，桿件兩端承受大小相等，方向相反的拉伸載荷作用。桿件在拉伸載荷作用下沿拉伸載荷方向變形，促使桿件變形得更細(xì)長(zhǎng)。壓縮載荷如圖1-14b所示，表現(xiàn)為桿件兩端承載壓縮載荷，促使桿件呈現(xiàn)壓縮變形。常見的活塞連桿、轉(zhuǎn)向拉桿、吊機(jī)鋼索、桁架桿件等零件工作承受的載荷都是典型的拉壓載荷。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)2.力學(xué)負(fù)荷任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)2.力學(xué)負(fù)荷剪切載荷如圖1-15所示，剪切載荷的作用方向于構(gòu)件軸線垂直，且載荷作用距離很近。構(gòu)件受剪切載荷作用其變形形式表現(xiàn)為沿垂直構(gòu)件軸線的面錯(cuò)動(dòng)變形。例如鍵的兩側(cè)分別受到大小相等、方向相反、作用線垂直鍵軸線的載荷作用，鍵的載荷作用交界面形成剪切載荷作用面。承受剪切載荷的構(gòu)件內(nèi)部截面應(yīng)力主要表現(xiàn)為沿截面方向的剪切應(yīng)力，構(gòu)件抗剪切破壞能力明顯低于構(gòu)件拉壓強(qiáng)度。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)2.力學(xué)負(fù)荷任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)2.力學(xué)負(fù)荷扭轉(zhuǎn)載荷如圖1-16所示，構(gòu)件兩端承受大小相等、方向相反、作用面垂直于桿件軸線的一對(duì)力矩載荷作用，構(gòu)件將繞構(gòu)件軸線發(fā)展相等轉(zhuǎn)動(dòng)的變形。汽車轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、電機(jī)軸等傳遞扭矩載荷的構(gòu)件均的工作變形均是典型的扭轉(zhuǎn)變形。扭轉(zhuǎn)變形構(gòu)件的失效形式一方面是結(jié)構(gòu)受扭轉(zhuǎn)載荷作用出現(xiàn)破壞失效，另一方面主要是構(gòu)件扭轉(zhuǎn)變形角度過大。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)2.力學(xué)負(fù)荷任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)2.力學(xué)負(fù)荷彎曲載荷如圖1-17所示，構(gòu)件兩端承受大小相等、方向相反且作用于構(gòu)件軸線平面的力矩載荷，或者構(gòu)件兩端承受垂直于桿件軸線，方向相同的對(duì)一橫向力作用，構(gòu)件的變形表現(xiàn)為沿軸線彎曲變形。彎曲載荷作用的案例很多，典型結(jié)構(gòu)有火輪軸、整體式車橋、橋式吊車大梁等構(gòu)件承受的載荷都是典型的彎曲載荷。承受彎曲載荷的構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)沿中性面分開，一邊受壓縮載荷，一邊受拉伸載荷作用，其應(yīng)力表現(xiàn)分別為壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)2.力學(xué)負(fù)荷任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)2.力學(xué)負(fù)荷熱負(fù)荷：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及其部分附件的工作環(huán)境是典型高溫環(huán)境，燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒為車輛行駛輸出動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)剛體、活塞、排氣歧管、渦輪等構(gòu)件的工作溫度可以高達(dá)幾百攝氏度，甚至瞬時(shí)溫度接近1000℃。零件承受高溫和溫度反復(fù)變化將引起熱疲勞、高溫氧化等故障，同時(shí)高溫環(huán)境還將降低材料力學(xué)性能，產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)3.材料制造工藝性材料的制造工藝性主要是指材料在加工、成型中表現(xiàn)出的性能特點(diǎn)。不同材料類型其制造工藝性關(guān)注的內(nèi)容不盡相同，本文以常用的金屬材料為例，其制造工藝性主要包括可加工性、成型性能、焊接性能、熱處理和表面處理性能等內(nèi)容。這些性能對(duì)金屬構(gòu)件設(shè)計(jì)的材料選用、制造工藝以及制品的質(zhì)量、制造成本等都具有重要的影響。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)3.材料制造工藝性鑄造性能金屬鑄造成型是將熔煉的金屬液體澆注入鑄型內(nèi)，經(jīng)冷卻凝固獲得所需形狀和性能的零件的制造工藝。鑄造是機(jī)械制造領(lǐng)域常用的制造方法之一，具有制造成本低，工藝靈活性大，可以獲得復(fù)雜形狀和大型零件等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鑄造成型工藝在機(jī)械制造領(lǐng)域的占比很大，例如機(jī)床制造中占比60～80%，汽車制造領(lǐng)域占比25%，拖拉機(jī)制造中占比50～60%。隨著鑄造技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)要求的提高，鑄造技術(shù)向著精密化、大型化、高質(zhì)量、自動(dòng)化和清潔化的方向發(fā)展。金屬材料的鑄造性能主要包括流動(dòng)性、收縮性、偏析、吸氣性等方面。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)3.材料制造工藝性壓力加工性能金屬材料的壓力加工利用外力作用是加工材料產(chǎn)生的塑性變形，來獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的生產(chǎn)加工方法。壓力加工性能與材料的成分、組織、形狀、溫度等因素密切相關(guān)，直接影響了材料加工過程中的變形、制造缺陷和工藝性能。壓力加工具有力學(xué)性能好、節(jié)省金屬材料、生產(chǎn)效率高等許多優(yōu)點(diǎn)。金屬壓力加工的方法包括軋制、擠壓、鍛造、沖壓、拉拔等，這些方法可以使金屬坯料細(xì)化顯微組織，提高材料組織的致密性，從而提高金屬的機(jī)械性能。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)3.材料制造工藝性焊接性能焊接制造工藝是連接兩個(gè)金屬零件或多個(gè)金屬零件，使其成為一個(gè)具有特定功能的部件。其制造工藝是在加熱或者加壓，或者兩者并用的條件下，應(yīng)用填充材料（或者不用填充材料）將待連接部件結(jié)合到一起。焊接具有連接方便、封閉性能好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，不僅對(duì)同種材料，而且對(duì)異種材料也能起到連接作用。大型裝備的制造及組裝：焊接能根據(jù)具體要求制造大型工程機(jī)械、火車等。焊接件的焊接接頭在良好的焊接工藝以及高性能的焊絲條件下，能得到焊接接頭的強(qiáng)度高于母材的焊件，大大提高焊接接頭的力學(xué)性能。任務(wù)4

構(gòu)件負(fù)荷與材料工藝性認(rèn)識(shí)3.材料制造工藝性焊接性能材料的焊接性能通常包括工藝焊接性和使用焊接性兩個(gè)方面。工藝焊接性是指一定焊接工藝條件下能否獲得優(yōu)質(zhì)、無缺陷的連接接頭的性能；使用焊接性是指焊接接頭或者整體結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)技術(shù)要求所規(guī)定的各種是使用性能的程度，例如力學(xué)性能、耐蝕性等。鋼材的碳當(dāng)