机械工程材料课件--幻灯片

1、绪绪 论论 材料是人类社会生活中广泛应用的物材料是人类社会生活中广泛应用的物质，它是社会发展和进步的标志。质，它是社会发展和进步的标志。 历史学家根据制造生产工具的材料将历史学家根据制造生产工具的材料将人类生活的时代分为：人类生活的时代分为： 石器时代石器时代青铜器青铜器时代时代铁器时代铁器时代 研究材料的研究材料的成分成分-组织组织-性能性能之间关系的一门学科之间关系的一门学科基本理基本理 论论 材料科材料科 学学 金属学金属学 高分子高分子 学学 陶瓷陶瓷 学学 复合材料复合材料工程材料工程材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料 近代工业技术的发展，同样与材料紧密相连，近

2、代工业技术的发展，同样与材料紧密相连，“能源、信息、材料能源、信息、材料”已成为现代技术的三已成为现代技术的三大支柱，而前二者的发展均离不开材料。大支柱，而前二者的发展均离不开材料。 金属材料金属材料 黑色金属黑色金属有色金属有色金属 铸铁铸铁 碳钢碳钢 合金钢合金钢 铝合金铝合金 铜合金铜合金 其它有色金属其它有色金属 非金属材料非金属材料 高分子材料高分子材料 陶瓷材料陶瓷材料 复合材料复合材料 塑料塑料 橡胶橡胶 合成纤维合成纤维第一章 材料的性能n使用性能：使用性能：材料在使用过材料在使用过程中所表现的性能。程中所表现的性能。包括包括力学性能、物理性能力学性能、物理性能和和化化学性能。

3、学性能。神舟一号飞船n工艺性能：工艺性能：材料在加工过材料在加工过程中所表现的性能。程中所表现的性能。包括包括铸造、锻压、焊接、热处铸造、锻压、焊接、热处理理和和切削性能等切削性能等。n材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。化，称为变形。五万吨水压机五万吨水压机n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。n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。 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)/

4、l0一、弹性和刚度一、弹性和刚度n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。）（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。 n刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性变形的能力。变形

5、的能力。指标为弹性模指标为弹性模量量E E。 二、强度与塑性二、强度与塑性n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。 s0.2n屈服强度屈服强度 s 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 0.20.2：残余变残余变形量为形量为0.2%0.2%时的应力值。时的应力值。 抗拉强度抗拉强度 b b：材料断裂前所材料断裂前所承受的最大应力值。承受的最大应力值。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：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

6、 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三、冲击韧性三、冲击韧性n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指标为冲击韧指标为冲击韧性值性值ak( (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n材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧发生韧脆转变的温度范围称脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度。温度。材料材料的使用温度应高于韧的使用温度应高于

7、韧脆转变温度。脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面转变温度，而大多数面心立方金属没有。心立方金属没有。TITANIC建造中的建造中的Titanic Titanic 号号TITANICTITANIC的沉没的沉没与船体材料的质与船体材料的质量直接有关量直接有关Titanic Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用钢板近代船用钢板（右（右图）的冲击试验结果图）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n材料在低于材料在低于 s 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。疲劳应力示意图疲劳

8、应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图n材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的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最大应力称为疲劳极限疲劳极限。用。用 -1-1表示。表示。n钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为10107 7，有色金属合金为，有色金属合金为10108 8。疲劳断口疲劳断口通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面光洁度提高表面光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提等方法可提高材料疲劳抗力。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）五、硬度五、硬度n材料抵抗表面局部塑性变材料

9、抵抗表面局部塑性变形的能力。形的能力。n布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计五、硬度五、硬度 n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HBSHBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。l符号符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表之前的数字表示硬度值示硬度值, , 符号后面的数字按顺符号后面的数字按顺序分别表示球体直径序分别表示球体直径、载荷及载载荷及载荷保持时间。荷保持时间。如如 120HBS10/1000/30120HBS10/1000/30 表表 示示直径直径为为10mm10

10、mm的钢球在的钢球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）载荷载荷作用下作用下保持保持30s30s测得的测得的布氏硬度布氏硬度值为值为120120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕n压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号HBWHBW表示，适用于表示，适用于布氏硬度在布氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。n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。HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁n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。n适于测量适于测量退火、正火、调质钢

11、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。n材料的材料的 b b与与HBHB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 b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或 b b(MPa)(MPa) 0.6(HB-40) 0.6(HB-40)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n洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号 HRHR表 示 ，表 示 ， HR=HR=k k-(-(h h

12、1 1- -h h0 0)/0.002)/0.002n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，常用的标尺为常用的标尺为A A、B B、C C。 n符号符号HRHR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。lHRAHRA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。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lHRBHRB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。lHRCHRC用于测量中等硬度材料

13、，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。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n维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示，符号前的数字为硬度值，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。后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。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n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小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验显微维氏硬度试验。n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。 六、断裂韧性六、断裂韧性油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关材料中存在缺陷有关 1943年美国年美国T-2油轮