金属材料及热处理教学PPT材料的力学性能

1、2021-5-131 金属材料及热处理 授课专业：机械工程系 主讲教师：黄伟军 博士 tel办公室：工程楼b603 绪 论 材料科学与社会发展材料科学与社会发展 工程材料及其类别工程材料及其类别 机械工程材料机械工程材料 本课程的学习目的本课程的学习目的 本课程的主要内容本课程的主要内容 一、材料科学与社会发展 1.材料与人类生活材料与人类生活 人类社会依据制造人类社会依据制造生产工具的材料生产工具的材料来进行历史划分来进行历史划分 旧石器时代旧石器时代 新石器时代新石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 硅时代、碳时代硅时代、碳时代 一、材料科学与社会发展

2、 旧石器时代（旧石器时代（250万年前）万年前） 人类在地球上出现之后，最早使用的工具是石头。人类在地球上出现之后，最早使用的工具是石头。 一、材料科学与社会发展 旧石器时代（旧石器时代（250万年前）万年前） 石头石头石器石器 一、材料科学与社会发展 新石器时代（新石器时代（1万年前）万年前） 原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成陶瓷陶瓷。 精美石器陶器人类第一种合成材料 一、材料科学与社会发展 青铜器时代（青铜器时代（4000年前）年前） 奴隶社会，青铜冶炼技术得到很大发展。奴隶社会，青铜冶炼技术得到很大发展。 我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较

3、高水平我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平 青铜（铜锡合金）青铜（铜锡合金） 人类发明的第一种合金人类发明的第一种合金 一、材料科学与社会发展 铁器时代（铁器时代（1400年前，春秋战国）年前，春秋战国） 生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会 进步起了巨大的推动作用。进步起了巨大的推动作用。 汉代汉代“先炼铁后炼钢先炼铁后炼钢”技术居世界领先地位。技术居世界领先地位。 铁器物品 铁制车轮 一、材料科学与社会发展 2. 材料科学发展与现代文明的联系材料科学发展与现代文明的联系 18世纪世界工业迅速发展，对材料提出了更高要求。世纪世界工业

4、迅速发展，对材料提出了更高要求。 1863年光学显微镜，年光学显微镜，1912年年x射线衍射技术和射线衍射技术和1932年年 电子显微镜等仪器出现电子显微镜等仪器出现 金属学日趋完善，大大推动了金属材料的发展金属学日趋完善，大大推动了金属材料的发展 一、材料科学与社会发展 2. 材料科学发展与现代文明的联系材料科学发展与现代文明的联系 现代社会文明的三大支柱：能源、信息和材料现代社会文明的三大支柱：能源、信息和材料 信息时代是建立在材料的基础上信息时代是建立在材料的基础上 硅半导体硅半导体晶体管晶体管集成电路集成电路计算机计算机 磁性材料磁性材料信息贮存信息贮存 激光材料激光材料+光导纤维光导

5、纤维信息传输信息传输信息网络信息网络 能源技术以材料为支撑能源技术以材料为支撑 再生能源、核能、燃料电池等再生能源、核能、燃料电池等 信息时代信息时代 一、材料科学与社会发展 3. 现代材料现代材料 学学 现代材料学是以金属学、高分子材料、陶瓷材料现代材料学是以金属学、高分子材料、陶瓷材料 为基础，为基础， 研究所有固体材料的成分、组织和性能之研究所有固体材料的成分、组织和性能之 间关系的的一门科学。间关系的的一门科学。 现代社会对材料的要求：现代社会对材料的要求：具有高性能或具有特殊具有高性能或具有特殊 性能的金属、非金属及复合材料。性能的金属、非金属及复合材料。 一、材料科学与社会发展 信

6、息社会的材料产业结构及材料发展趋势：信息社会的材料产业结构及材料发展趋势： 从工业社会向信息社会过渡中从工业社会向信息社会过渡中 产业结构从劳动密集型、资金密集型向技术密集产业结构从劳动密集型、资金密集型向技术密集 型和知识密集型发展型和知识密集型发展 劳动对象的结构中金属材料比重下降、而无机非劳动对象的结构中金属材料比重下降、而无机非 金属材料、有机合成材料的比重越来越大。金属材料、有机合成材料的比重越来越大。 一、材料科学与社会发展 新材料新技术的应用的程度决定一个国家和地区的新材料新技术的应用的程度决定一个国家和地区的 经济发展水平。经济发展水平。 硅片的发展及现状硅片的发展及现状 集成

7、度越来越高集成度越来越高 直径越来越大直径越来越大 国外：国外：16英寸以上英寸以上 中国：中国：6-8英寸为主流英寸为主流 二、工程材料及其类别 1. 工程材料的含义：工程材料的含义： 工程材料是以用于工程材料是以用于工程结构和机器零件及元器件工程结构和机器零件及元器件的材的材 料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、 车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构 件和机械零件的材料。件和机械零件的材料。 2021-5-1316 u美研制x-37高速飞行 (2005年6月21日搭乘“白骑士

8、”首次飞行实验) 无人驾驶，全机身复合材料，二级入轨，水平降落。若成功可在两小时内对地球任何地点进行打击 2021-5-1317 返返回回文档文档 二、工程材料及其类别 2. 工程材料的类别：工程材料的类别： 工程材料是以用于工程结构和机器零件及元器件的材料为研究 对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航 空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。 二、工程材料及其类别 2. 工程材料的类别：工程材料的类别： 二、工程材料及其类别 2. 工程材料的性能：工程材料的性能： 使用性能：使用性能：材料在使用条件下具有的性能材料在使用条件下具有的性能 （力学性能、物理性能、化学

9、性能及生物功能）（力学性能、物理性能、化学性能及生物功能） 工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中下具有的性能材料在加工过程中下具有的性能 （切削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能（切削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能 和热处理性能等）和热处理性能等） 三、机械工程材料 1. 机械工程材料含义：机械工程材料含义： 机械工程材料顾名思义就机械工程中应用的材料问题，应该是机械工程材料顾名思义就机械工程中应用的材料问题，应该是 跨越机械和材料两个学科，以机械工业的需求出发，推动材料跨越机械和材料两个学科，以机械工业的需求出发，推动材料 科学技术的发展，同时材料科学的新进展又推动了机械

10、工程技科学技术的发展，同时材料科学的新进展又推动了机械工程技 术的革新和发展。术的革新和发展。 三、机械工程材料 2. 材料技术对机械工程发展的促进：材料技术对机械工程发展的促进： 四、课程的目的 随着机械工业的发展，对于产品要求越来越高，无随着机械工业的发展，对于产品要求越来越高，无 论是制造机床还是建造轮船、石油化工设备、都要论是制造机床还是建造轮船、石油化工设备、都要 求产品技术先进，质量高、寿命长、造价低。因此求产品技术先进，质量高、寿命长、造价低。因此 在产品设计和制造过程中，会遇到越来越多的材料在产品设计和制造过程中，会遇到越来越多的材料 选用和材料加工方面的问题。这就要求机械工程

11、技选用和材料加工方面的问题。这就要求机械工程技 术人员掌握必要的材料科学和材料工程知识，具备术人员掌握必要的材料科学和材料工程知识，具备 准确的选择材料和加工方法，合理安排加工工艺路准确的选择材料和加工方法，合理安排加工工艺路 线。线。 四、课程的目的 机械制造与材料：结构机械制造与材料：结构性能性能加工工艺加工工艺 u内部结构与性能：内部结构与性能：材料的性能来源于该材料的材料的性能来源于该材料的内部结构内部结构， 这是对工程师和学者最具有重要价值的一个原则。这是对工程师和学者最具有重要价值的一个原则。 u加工工艺与性能：加工工艺与性能：材料必须进行加工，以满足工程师对所材料必须进行加工，以

12、满足工程师对所 设计产品的要求，目的是要了解结构变化的本质，以便于制设计产品的要求，目的是要了解结构变化的本质，以便于制 定适当的工艺流程。定适当的工艺流程。 u使用行为：使用行为：在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而且在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而且 要考虑使那些材料内部结构发生变化，从而导致材料性能发要考虑使那些材料内部结构发生变化，从而导致材料性能发 生变化的使用条件。生变化的使用条件。 四、课程的目的 课程的目的：课程的目的： 1）获得有关工程结构和机器零件常用的金属材料，非）获得有关工程结构和机器零件常用的金属材料，非 金属材料的基本理论知识和性能特点，并初步具备根据金属材

13、料的基本理论知识和性能特点，并初步具备根据 零件工作条件和失效方式，合理选材与使用材料，正确零件工作条件和失效方式，合理选材与使用材料，正确 制定零件的冷、热加工工艺路线的能力。制定零件的冷、热加工工艺路线的能力。 2）了解材料的性能与结构设计的关系）了解材料的性能与结构设计的关系 3）了解各种材料的基本特性和应用范围）了解各种材料的基本特性和应用范围 五、课程的主要内容与要求 本课程是讲述机械制造过程中所采用的工程材料及各种热本课程是讲述机械制造过程中所采用的工程材料及各种热 处理方法和技术的一门综合性的技术基础课。处理方法和技术的一门综合性的技术基础课。 本课程的任务是使学生对工程材料及各

14、种热处理在机械制本课程的任务是使学生对工程材料及各种热处理在机械制 造中的应用和相互联系等有所掌握和了解。造中的应用和相互联系等有所掌握和了解。 本课程的主要研究内容为常用工程材料的成分、组织、本课程的主要研究内容为常用工程材料的成分、组织、 工艺与性能之间的相互关系、热处理原理与工艺过程。要求工艺与性能之间的相互关系、热处理原理与工艺过程。要求 掌握常用工程材料的一般性质、应用范围和选择原则。掌握常用工程材料的一般性质、应用范围和选择原则。 主要参考文献 1 1工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础. .相瑜才相瑜才, ,孙维连孙维连. .北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社 2

15、2金属工艺学金属工艺学. .邓文英主编邓文英主编. .北京：高等教育出版社北京：高等教育出版社 3 3金属材料及热处理金属材料及热处理. .史美堂主编史美堂主编. .上海：上海科技出版社上海：上海科技出版社 4 4制造工程与技术（英文影印本）制造工程与技术（英文影印本）manufacturing engineering and manufacturing engineering and technology. technology. 北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社 第一章 工程材料的力学性能 失效的基本概念失效的基本概念 1. 零件（构件）的功能：零件（构件）的功能： （1 1）在一

16、定的载荷、介质、温度作用下保持一定几何形状和尺寸；）在一定的载荷、介质、温度作用下保持一定几何形状和尺寸； （2 2）实现规定的机械运动；）实现规定的机械运动； （3 3）传递力和能量。）传递力和能量。 2. 失效的定义和形式：失效的定义和形式： 定义：零件失去设计所要求的效能即为失效。定义：零件失去设计所要求的效能即为失效。 应用前、应用中、突发 机械零件（或器件）的失效分析 学习失效的目的学习失效的目的 机械设计者机械设计者为了防止零件失效为了防止零件失效 设计正确设计正确选材恰当选材恰当工艺合理工艺合理 工作条件对材料的性能要求工作条件对材料的性能要求正确选材正确选材制定工艺路线制定工艺

17、路线 确定失效的抗力指标确定失效的抗力指标 机械零件（或器件）的失效分析 失效的例子失效的例子 失效的例子失效的例子 断裂的大桥断裂的大桥 失效的原因失效的原因 结构设计结构设计 多方面因素多方面因素 材料选择材料选择 加工制造加工制造 装配调整装配调整 使用与保养使用与保养 第一章 工程材料的力学性能 失效的本质失效的本质 1. 失效的本质：失效的本质： 外界载荷、温度、介质等损害作用超过了材料抵抗损害的能力。外界载荷、温度、介质等损害作用超过了材料抵抗损害的能力。 2. 常见的常见的失效失效形式：形式： 过量变形、断裂、磨损和腐蚀过量变形、断裂、磨损和腐蚀 本章主要内容本章主要内容 静载荷

18、下材料的力学性能静载荷下材料的力学性能 材料的硬度材料的硬度 非静载荷时材料的力学性能非静载荷时材料的力学性能 高温下材料的力学性能高温下材料的力学性能 第一章 工程材料的力学性能 第一节 零件在常温静载下的过量变形 变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化 外力去除变形恢复？ 弹性变形：变形能够恢复弹性变形：变形能够恢复 塑性变形：变形不能够恢复塑性变形：变形不能够恢复 第一节 零件在常温静载下的过量变形 一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为 1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为 由 a p a

19、n l l 曲线 l pp p l 第一节 零件在常温静载下的过量变形 一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为 1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为 低碳钢拉伸试验低碳钢拉伸试验 第一节 零件在常温静载下的过量变形 一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为 1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为 低碳钢拉伸试验低碳钢拉伸试验 第一节 零件在常温静载下的过量变形 一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为 1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为 低碳钢拉伸时应力低碳钢拉

20、伸时应力- -应变曲线应变曲线 第一节 零件在常温静载下的过量变形 一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为 1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为 oaoa段比例极限段比例极限 p abab段弹性极限段弹性极限 e （一）四个阶段（一）四个阶段 1、弹性阶段ab o p e s a b c c d e f g df 1 b cccc应力不增加，变形不断增加应力不增加，变形不断增加 称为屈服，该段的最低应力称为称为屈服，该段的最低应力称为 屈服应力，在材料屈服后若卸载屈服应力，在材料屈服后若卸载 出现不能恢复的变形成为塑性变出现不能恢复的变形成为塑性变

21、 形形 s 2 、 屈 服 阶 段 cc 第一节 零件在常温静载下的过量变形 一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为 1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为 （一）四个阶段 3、强化阶段ce o p e s a b c c d e f g df 1 b 4、局部变形阶段ef 材料恢复抵抗变形的能力称材料恢复抵抗变形的能力称 为强化强度极限为强化强度极限 b 变形集中于某一局部范围颈缩变形集中于某一局部范围颈缩 断裂断裂 第一节 零件在常温静载下的过量变形 一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为 1.低碳钢的应力低碳

22、钢的应力-应变行为应变行为 （一）四个阶段 低碳钢在拉伸应力作用下的变形过程分为：弹性变形、屈服塑 性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形四个阶段。 第一节 零件在常温静载下的过量变形 一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为 第一章 机械零件（或器件）的失效分析 低碳钢拉伸曲线的低碳钢拉伸曲线的4个阶段、个阶段、3个特征点个特征点 ob：弹性阶段（卸载可逆）：弹性阶段（卸载可逆） p e s b a b c c d e o a：比例极限：比例极限 p b：弹性极限：弹性极限 e bc：屈服阶段：屈服阶段 （出现塑性变形）（出现塑性变形） （两者很接近）（两

23、者很接近） =e =e e=tan c：屈服极限：屈服极限 s 第一节 零件在常温静载下的过量变形 cd:强化阶段强化阶段 d：强度极限：强度极限 b de：缩颈阶段：缩颈阶段 （局部收缩阶段）（局部收缩阶段） 0 p e t e:弹性应变弹性应变 ， p:塑性应变（不可逆的残余应变）塑性应变（不可逆的残余应变） p e s b a b c c d e o =e 屈服极限提高：屈服极限提高： 冷作硬化冷作硬化 ，在，在cd段内卸载曲线为弹性直线段内卸载曲线为弹性直线 e：断裂点：断裂点 第一节 零件在常温静载下的过量变形 一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行

24、为 2. 其他类型材料的应力其他类型材料的应力-应变行为应变行为 弹性变形、弹性变形、 塑性变形塑性变形 弹性变形弹性变形 非线性弹非线性弹 性变形性变形 1纯金属纯金属 （al、cu、ag等）等） 2脆性材料脆性材料 （陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢）（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢） 3高弹性材料高弹性材料 （橡胶）（橡胶） 第一节 零件在常温静载下的过量变形 2. 其他类型材料的应力其他类型材料的应力-应变行为应变行为 1 2 3 4 102030 (%) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 (mpa) 1、锰钢、锰钢 2、硬铝、硬铝 3、退火球墨铸铁、退

25、火球墨铸铁 4、低碳钢、低碳钢 特点：特点：d d 较大，为塑性材料。 无明显屈服阶段。 o a 0.2% s 2 . 0p 无明显屈服阶段的，规定以塑性应变 =0.2% 所对应的应力作为名义屈服极限，记作 p 2 . 0p 第一节 零件在常温静载下的过量变形 二二. 静载性能指标静载性能指标 1.刚度和强度指标刚度和强度指标 2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标 3.硬度指标硬度指标 第一节 零件在常温静载下的过量变形 二二. 静载性能指标静载性能指标 1. 刚度和强度指标刚度和强度指标 （1） 刚度刚度 定义：刚度是指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力定义：刚度是指零（构）件在受力时抵抗弹性

26、变形的能力 等于材料弹性模量与零（构）件截面积的乘积。等于材料弹性模量与零（构）件截面积的乘积。 单向拉伸时：单向拉伸时： f a e 即即 f ea 纯剪切时：纯剪切时： fa g 即即 f ga eaea（或（或gaga）为零件的刚度，代表产生单位弹性变形所需载荷的大小。）为零件的刚度，代表产生单位弹性变形所需载荷的大小。 弹性模量弹性模量e e( (或切变模量或切变模量g g) )是表征材料是表征材料刚度的性能指标刚度的性能指标(why)(why) 第一节 零件在常温静载下的过量变形 二二. 静载性能指标静载性能指标 1. 刚度和强度指标刚度和强度指标 （2） 强度强度 定义：强度是指材

27、料抵抗变形或断裂的能力定义：强度是指材料抵抗变形或断裂的能力 第一节 零件在常温静载下的过量变形 二二. 静载性能指标静载性能指标 1. 刚度和强度指标刚度和强度指标 （2） 强度强度 是材料应力和应变成正比的最大应力是材料应力和应变成正比的最大应力 是材料不产生塑性变形的最大应力是材料不产生塑性变形的最大应力 是材料开始产生塑性变形的应力是材料开始产生塑性变形的应力 是材料产生最大均匀塑性变形的应力是材料产生最大均匀塑性变形的应力 是材料发生断裂的应力是材料发生断裂的应力 第一节 零件在常温静载下的过量变形 二二. 静载性能指标静载性能指标 2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标 （1） 弹性：

28、指材料弹性变形的大小。弹性：指材料弹性变形的大小。 弹性能为应力弹性能为应力-应变曲线下面弹性变形部分所包围的面积。应变曲线下面弹性变形部分所包围的面积。 通常用弹性变形时的吸收能通常用弹性变形时的吸收能 u 来表示。来表示。 材料的弹性极限材料的弹性极限e 越高、弹性模量越高、弹性模量e越低，弹性能越大，越低，弹性能越大， 材料的弹性越好。材料的弹性越好。 弹性指标弹性指标弹性能弹性能 第一节 零件在常温静载下的过量变形 二二. 静载性能指标静载性能指标 第一章 机械零件（或器件）的失效分析 2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标 （2） 塑性：指材料断裂前发生塑性变形的能力。塑性：指材料断裂前

29、发生塑性变形的能力。 、越大，材料的塑性越好。越大，材料的塑性越好。 通常用断后伸长率通常用断后伸长率和断面收缩率和断面收缩率来衡量。来衡量。 伸长率伸长率 塑性指标塑性指标伸长率伸长率和断面收缩率和断面收缩率 10 0 100% ll l d 01 0 100% aa a 断面收缩率断面收缩率 第一节 零件在常温静载下的过量变形 二二. 静载性能指标静载性能指标 2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标 国家标准规定金属拉伸试验方法（gb2282002) l l=10d l=5d 对圆截面试样： 对矩形截面试样： al3 .11al65. 5 第一节 零件在常温静载下的过量变形 二二. 静载性能指

30、标静载性能指标 2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标 第一节 零件在常温静载下的过量变形 二二. 静载性能指标静载性能指标 2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标 压入法硬度值压入法硬度值表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力 （3） 硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。 工业中应用最广泛工业中应用最广泛 以硬质合金或金刚石锥体为压头以硬质合金或金刚石锥体为压头 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度 三、硬度三、硬度 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 布氏硬度布氏硬度hbhb )(

31、2 102. 0 22 dddd p hb 布氏硬度计布氏硬度计 压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号hbs表示，适用于表示，适用于 布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。 压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号hbw表示，适用于布表示，适用于布 氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。 l符号符号hbs或或hbw之前的数字表示之前的数字表示 硬度值硬度值, 符号后面的数字按顺序分符号后面的数字按顺序分 别表示球体直径别表示球体直径、载荷及载荷保载荷及载荷保 持时间。持时间。如如 120hbs10/1000/30 表表 示直径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kn）载荷）载荷 作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。 布氏硬度压痕布氏硬度压痕 布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。 缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。还硬的材料。 适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。 材料的材料的 b与与hb之间的经验关系之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: b(mpa)3.6hb 对于高碳钢：对于高碳钢： b(m