第1章金属材料的力学性能

1、 孙学强主编孙学强主编 机械工业出版社机械工业出版社绪绪 论论一、材料和材料科学一、材料和材料科学二、材料的分类二、材料的分类三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展四、材料的成形简介四、材料的成形简介五、机械制造基础课程的性质和任务五、机械制造基础课程的性质和任务 一、材料和材料科学一、材料和材料科学 1、材料、材料材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活所必须的物质基础。所必须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机石器石器铁器铁器 象形尊象形尊( (西周西周) )

2、石器时代石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代由于材料的重要性，由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。标志。 材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图龙芯龙芯联想计算机联想计算机 没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。的计算机技术。没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。空工业和宇航工业。 在航天飞机

3、表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片飞机发动机叶片波音客机波音客机没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。 二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。称作现代文明的三大支柱之一。 前苏联在前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，年里，在十多所大学中陆续建立了材料在十多所大学中陆续建立

4、了材料科学研究中心，并把约科学研究中心，并把约2/3大学的冶金大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。材料科学与工程系。其涉及的材料由金其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，可见，高技术需要先进材料的支持。高技术需要先进材料的支持。 前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。过重大贡献。 早在公元前早在公元前6000 5000年的新石器时代，年的新石器时代，中华民族的先人

5、就能中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。瓷器，并流传海外。 4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。 司母戊鼎司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土青铜铸造青铜铸造高高133厘米厘米 重重875kg饰纹优美饰纹优美越王勾践剑越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利锋能割断头发锋能

6、割断头发 古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料很好的复合材料很好的例子例子梯度材料古已有之梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图这是古代剑刃截面图 黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址 春秋晚期春秋晚期 矿井深达矿井深达50m50m 炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达4040万吨万吨 实属罕见实属罕见 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在家宋应星在天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。

7、这说明早在欧洲工业革命之前，我国热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。理方面就已经有了较高的成就。 生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星宋应星鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由铁基地。钢产量由49年的年的15.8万吨上升到现在的一亿吨。万吨上升到现在的一亿吨。 中国第一颗人中国第一颗人造卫星造卫星长征火箭大家族长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢原子弹、氢弹的爆炸，弹的爆炸，卫

8、星、飞船卫星、飞船的上天等都的上天等都说明了我国说明了我国在材料的开在材料的开发、研究及发、研究及应用等方面应用等方面有了飞跃的有了飞跃的发展。发展。 中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”号飞船号飞船“神舟二号神舟二号”飞船运飞船运往发射工位往发射工位 “神舟神舟”一号飞船一号飞船 “神舟神舟”一号一号发射成功发射成功“神舟神舟”二号发射成二号发射成功功中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”号飞号飞船船“神舟神舟”三号三号发射成功发射成功“神舟神舟”四号四号发射成功发射成功“神舟神舟”三号飞船三号飞船 “神舟神舟”四号飞船四号飞船 中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”五号载人飞

9、五号载人飞船船杨利伟杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱 18631863年，光学显微镜首次应用年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。观组织联系起来。灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织光学显微镜光学显微镜Pb-Sn共晶组织共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。人类对材料的认识是逐步深入的。1912年发现了年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的

10、现实。从最初的假想到科学的现实。 Si表面的重构图象表面的重构图象X-射线衍射仪射线衍射仪1932年发明了电子年发明了电子显微镜，把人们带显微镜，把人们带到了微观世界的更到了微观世界的更深层次（深层次（10-7m） 透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下 1934年位错理论的提年位错理论的提出，解决了晶体理论出，解决了晶体理论计算强度与实验测得计算强度与实验测得的实际强度之间存在的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的对于人们认识材料的力学性能及设计高强力学性能及设计高强度材料具有划时代的度材料具有划时代的意义。意义

11、。 金属钛中的位错金属钛中的位错材料发展的历程示意图材料发展的历程示意图2、材料科学、材料科学 主要研究内容：主要研究内容： 研究材料的化学组成、结构与性能的关系；研究材料的化学组成、结构与性能的关系； 研究材料的形成机理和制取方法；研究材料的形成机理和制取方法； 研究材料物理性能的测试方法和技术；研究材料物理性能的测试方法和技术； 分析材料的损坏机理；分析材料的损坏机理； 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案研究材料的合理加工方法和最佳使用方案l材料科学是以材料为研材料科学是以材料为研究对象的一门科学。究对象的一门科学。挑战者号爆炸瞬间挑战者号爆炸瞬间二、工程材料的分类二、工程材料的分类 工

12、程材料是用于制造工程结构和机械零件并主工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。要要求力学性能的结构材料。 按组成与结合键分：按组成与结合键分： 1 1、金属材料、金属材料 2 2、高分子材料、高分子材料 3 3、陶瓷材料、陶瓷材料 4 4、复合材料、复合材料金属材料金属材料 以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽属光泽 用量最大、应用最用量最大、应用最广泛广泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界

13、铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的个用材的60%以上。以上。 带材带材异形材异形材板材板材管材管材金属材料制品金属材料制品陶瓷材料陶瓷材料 以共价键和离子键以共价键和离子键为主为主 熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷种陶瓷和金属陶瓷三类三类 传统陶瓷传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料( (如黏土、石如黏土、石英、长石等英、长石等) )为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑

14、材料使用。特种陶瓷特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。 陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机高分子材料高分子材料 以分子键和共价键以分子键和共价键为主为主 塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好，密度小密度小 包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及合成纤维等合成纤维等 分子键分子键共价键共价键高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、

15、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。中被广泛应用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯复合材料复合材料 包括：包括： 金属基复合材料金属基复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料 现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍化物粒子弥散强化的镍基合金

16、复合材料。很多基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度高等优点。高等优点。 航空发动机航空发动机三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。 国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃

17、机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。 随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。 在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。及材料加工方面的问题。 要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。排加工工艺路线的能力。 铸造一级涡轮盘铸造

18、一级涡轮盘四、材料的成形简介四、材料的成形简介 铸造铸造 锻压锻压 焊接焊接 五、机械制造基础课程的性质和任务五、机械制造基础课程的性质和任务 课程性质：课程性质：是机械类和近机类各专业的技术基础课是机械类和近机类各专业的技术基础课 课程任务：课程任务： 了解工程材料的一般知识；了解工程材料的一般知识； 建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系；间的关系； （3 3）掌握常用的材料成形方法掌握常用的材料成形方法工艺工艺- -组织组织- -性能之间关系的例子性能之间关系的例子Steel with 0.4%C 化学成分化学成分(成分成分)：组成材料各

19、元素在材料中的浓度。组成材料各元素在材料中的浓度。 组织：组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属内部的情景。察到的金属内部的情景。 习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍称低倍组织组织或或宏观组织宏观组织。 放大放大100 2000倍的组织称倍的组织称高倍组织高倍组织或或显微组织显微组织。 在电子显微镜下放大几千在电子显微镜下放大几千 几十万倍的组织称几十万倍的组织称精细组精细组织织或或电镜组织电镜组织。钢的宏观组织、显钢的宏观组织、显微组织和电镜组织微组织和电镜组织钢锭的宏观组织钢锭的宏观组

20、织显微组织显微组织电镜组织电镜组织 结构：结构：材料中各原材料中各原子的具体组合状态。子的具体组合状态。一般通过一般通过X-射线衍射线衍射射或或透射电镜透射电镜研究。研究。Al的高分辨透射电镜象的高分辨透射电镜象纯铁晶体的纯铁晶体的X-射线衍射谱射线衍射谱 了解常用材料的用途了解常用材料的用途和加工工艺。和加工工艺。 初步具备合理选材、初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。善安排工艺路线的能力。 课程特点：课程特点：基本概念多，基本概念多，与实际联系紧密，是一与实际联系紧密，是一门应用科学。门应用科学。在在Au-Pa薄膜上用薄膜上用AFM探探针的纳米雕

21、刻（北大）针的纳米雕刻（北大）第一章 金属材料的力学性能 使用性能：使用性能：材料在使用过程材料在使用过程中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括力学力学性能、物理性能性能、物理性能和和化学性能。化学性能。 工艺性能：工艺性能：材料在加工过程材料在加工过程中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括铸造、铸造、锻压、焊接、热处理锻压、焊接、热处理和和切削切削性能等性能等。神舟一号飞船 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为为变形变形。 外力去除后能够恢复的变形称为外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为外力去除后不

22、能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机 强度：强度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s：材料发生微材料发生微量塑性变形时的应力值。量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变残余变形量为形量为0.2%时的应力值。时的应力值。 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前材料断裂前所承受的最大应力值。所承受的最大应力值。s0.2第一节第一节 强度和塑性强度和塑性 弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时的应力。的应力。 刚度：刚度：材料受力时抵抗

23、弹性材料受力时抵抗弹性变形的能力。变形的能力。指标为弹性模指标为弹性模量量E E。 ）（MPatgE e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)

24、/l0塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为： 伸长率：伸长率：%100001 lll %100010 FFF 断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 说明：说明： 用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。真实变形。 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。 当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示； 当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示

25、。显然 5 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征第二节第二节 硬度硬度 材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形的能力。的能力。 1 1、布氏硬度、布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 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HB

26、W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

27、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(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁2、洛氏硬度、洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计 洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常

28、用的标尺为常用的标尺为A、B、C。 符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如如有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石

29、压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕3 3、维氏硬度、维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度维氏硬度试验试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计第三节第三节 冲击韧度冲击韧度 是指材料抵抗冲击载荷是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。作用而不破坏的能力。l指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过冲击实验过冲击实验测得测得)。韧脆转变温