机械工程材料课件绪论

1、1课程类型：本科学位课课程类型：本科学位课工程材料工程材料MATERIALS FORMECHANICAL ENGINEERING教教 材：材： 王章忠王章忠 主编主编 机械工程材料机械工程材料 高等教育出版社高等教育出版社参考教材：参考教材： 沈莲主编沈莲主编 机械工程材料（第机械工程材料（第3版）版） 机械工业出版社机械工业出版社 朱张校主编朱张校主编 工程材料工程材料 清华大学出版社清华大学出版社 学学 时：时：32主讲教师：主讲教师： 梁国俐梁国俐什么是材料？什么是材料？ 材料是人类社会所能接受的、可经济地制造材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质，它是人类生产和生活的物质

2、基础。有用物品的物质，它是人类生产和生活的物质基础。其中用于机械工程领域的材料称为机械工程材料。其中用于机械工程领域的材料称为机械工程材料。机械工程固体材料的分类：机械工程固体材料的分类： 高分子材料高分子材料 High polymer 陶瓷材料陶瓷材料 Ceramics 复合材料复合材料 Compisites 金属材料金属材料 Metals 功能材料功能材料 Functional materials绪绪 论论工程材料的重要性工程材料的重要性1. 1. 社会进步的重要标志社会进步的重要标志2. 2. 现代社会的重要支柱现代社会的重要支柱3. 3. 机械工程的物质基础机械工程的物质基础材料的发展

3、史，就是人类社会的发展史。材料的发展史，就是人类社会的发展史。石器时代石器时代 陶器时代陶器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代材料的发展史材料的发展史现代社会的三大支柱现代社会的三大支柱u能源能源 u信息信息 u材料材料u生物工程生物工程 u信息技术信息技术 u新材料科学新材料科学2020世纪世纪9090年代年代2121世纪初世纪初材料材料人类社会发展的里程碑人类社会发展的里程碑！新材料新材料现代科学技术和社会发展的基础和支柱！现代科学技术和社会发展的基础和支柱！学习本课程的目的学习本课程的目的u(1)(1)熟悉工程材料的基本知识、基本理论。熟悉工程材料的基本知识、基本理论。u(2)(2

4、)掌握材料的成分掌握材料的成分- -组织组织- -性能之间的关系及变化规律性能之间的关系及变化规律u(3)(3)掌握工程材料的性能特点及应用场合掌握工程材料的性能特点及应用场合。u(4)(4)能够在工程设计中合理地选择材料。能够在工程设计中合理地选择材料。第第1章章 材料的性能材料的性能使用性能：材料在使用过程中使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。所表现的性能。神舟一号飞船u 力学性能力学性能: : 强度和塑性、硬度、韧性和疲劳强度强度和塑性、

5、硬度、韧性和疲劳强度; ;u 物理性能物理性能: : 密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性 和磁性；和磁性；u 化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性；u 工艺性能：铸造特性、锻压特性、焊接性和切削加工工艺性能：铸造特性、锻压特性、焊接性和切削加工 性能；性能；材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 五万

6、吨水压机五万吨水压机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)/l01.1 强度强度拉伸实验拉伸实验OA：弹性变形：弹性变形ABC：屈服：屈服CD：塑性变形：塑性变形DE：断裂：断裂1.2 材料的强度材料的强度图图2-3 2-3 钢液形成的弯月面钢液形成的弯月面 (1)(1)比例极限；比例极限；(2)(2)弹性极限；弹性极限；(3)(3)屈服强度；屈服强度；(4)(4)抗拉强度；抗拉强度；(5)(5)断裂强度；断裂强度；退火低碳钢的拉伸曲线退火低碳钢的拉伸曲线1.3 1.3 弹性极限弹性极限图图2-5 2-

7、5 结晶器弯月面渣圈示意图结晶器弯月面渣圈示意图弹性变形的最大弹性变形的最大 拉力拉力0SFeeeF初始横截面积初始横截面积0S弹性变形能弹性变形能u1.4 刚度刚度材料受力时抵抗变形的能力材料受力时抵抗变形的能力如果零件刚度不足，在一定载荷下，零件的弹性变形如果零件刚度不足，在一定载荷下，零件的弹性变形值超过了规定值，将会发生失效。值超过了规定值，将会发生失效。可采取的措施：可采取的措施：(1)(1)选用弹性模量选用弹性模量E较高的材料。较高的材料。(2)(2)增大零件横截面增大零件横截面E值取决于材料的本性。随温值取决于材料的本性。随温度的升高而降低。（单位：度的升高而降低。（单位：MPa

8、MPa）eeEEAF弹性模量弹性模量1.5 1.5 屈服强度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度 屈服强度屈服强度0SFss抗拉强度抗拉强度0SFbb屈强比屈强比bs/屈强比越小，零件的可靠性越高；但太小，屈强比越小，零件的可靠性越高；但太小，材料的有效利用率降低。材料的有效利用率降低。s0.2 条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形量：残余变形量为为0.2%时的应力值。时的应力值。 1.6 材料的塑性材料的塑性材料在断裂前产生最大塑性材料在断裂前产生最大塑性变形的能力变形的能力 断后伸长率；断后伸长率； 断面收缩率；断面收缩率； 一般一般断后伸长率和断面收缩率越大，断后伸长率和断面收缩率越大，材

9、料的塑性越好材料的塑性越好。%1000ll%1000SS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： 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。形。 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为常为常数时，塑性值才有可比性。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。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1.7 材料的硬度材料的硬度材料抵抗局部

10、变形、划痕或压痕的能力。材料抵抗局部变形、划痕或压痕的能力。测试材料硬度的常用方法测试材料硬度的常用方法布氏硬度；布氏硬度；洛氏硬度；洛氏硬度；维氏硬度；维氏硬度；布氏硬度布氏硬度HB布氏硬度计布氏硬度计)(2102. 022dDDDPHB 压头为钢球时，布氏硬度用符号压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布表示，适用于布氏硬度值在氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，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

11、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。如持时间。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：测量误差小，数据稳定。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属

12、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，常根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为用的标尺为A、B、C。 符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的

13、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：操作简便，洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点：测量结果分散度大。缺点：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压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕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

14、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，符号前的数字为硬度值，后表示，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。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维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。和洛氏硬度的优点。 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三、冲击韧性三、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而是指材料抵

15、抗冲击载荷作用而不破坏的能力。不破坏的能力。l指标为冲击韧指标为冲击韧性值性值a ak k( (通过冲通过冲击实验测得击实验测得) )。韧脆转变温度韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变度范围称韧脆转变温度。温度。材料的使用温度应高于材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金温度，而大多数面心立方金属没有。属没有。TITANIC

16、建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板四、疲劳四、疲劳材料在低于材料在低于 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用为疲劳极限。用 -1表示。表示。钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为10

17、8。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意疲劳曲线示意图图疲劳断口疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）材料的物理性能材料的物理性能1 1、密度：重金属（铁、铅、钨）、轻金属（铝、镁、密度：重金属（铁、铅、钨）、轻金属（铝、镁、钛）钛） 。2 2、熔点：难熔金属（钨、钼、钒、熔点：难熔金属（钨、钼、钒 ）、易熔金属（铅、）、易熔金属（铅、锡）锡） 。3 3、导电性：金属的导电性较好，非金属的导电性较、导电性：金属的导电性较好，非金属的导电性较差。差。4 4、导热性：材料传导热量的能力。、导热性：材料传导热量的能力。5 5、热膨胀性：材料随着温度的变化发生的体积变化、热膨胀性：材料随着温度的变化发生的体积变化的现象的现象6 6、磁性：材料所具有的导磁性能。、磁性：材料所具有的导磁性能。材料的化学性能材料的化学性能1 1、耐腐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。、耐腐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。 。2 2、抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。、抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。3 3、化学稳定性：对材