绪论 工程材料主要性能PPT课件

1、绪论机械制造的基本过程工程材料分类及应用工程材料分类及应用本课程主要内容本课程主要内容学习本课程要求学习本课程要求参考书目参考书目第1页/共54页一、机械制造的基本过程产品图纸工艺文件材料外购件铸造落料锻造剪裁/冲压/焊接热处理机加工产品装配第2页/共54页二、工程材料分类及应用二、工程材料分类及应用金属材料金属材料 黑色金属：钢、铁 有色金属：除钢铁以外的其它金 属及合金。非金属材料非金属材料 高分子材料：塑料、橡胶 陶瓷材料：碳化硅、氮化硅复合材料复合材料：玻璃钢第3页/共54页信息科学能源科学材料科学 旧石器时代- 新石器时代 -青铜器时代 -铁器时代-人工合成材料时代现代科学技术的三大

2、支柱材料的发展与历史时代的划分第4页/共54页 航空航天航空航天 人造卫星人造卫星 通信技术通信技术 第5页/共54页金属材料获得广泛的应用的原因金属材料获得广泛的应用的原因 优良的机械性能 优良的物理性能 优良的工艺性能 第6页/共54页三、本课程主要内容工程材料的主要性能金属与合金的晶体结构与结晶金属的塑性变形与再结晶钢的热处理 常用金属材料机械零件选材及工艺路线分析 第7页/共54页四、学习本课程要求四、学习本课程要求 上课认真听讲、做笔记；上课认真听讲、做笔记； 积极参加讨论、回答问题；积极参加讨论、回答问题； 独立完成作业，不要互相抄袭；独立完成作业，不要互相抄袭； 认真完成实验，不

3、缺勤。认真完成实验，不缺勤。第8页/共54页五、参考书目 工程材料（第三版）朱彰校 清华大学出版社 2001年1月 材料科学基础 石德坷 机械工业出版社 1999年5月第9页/共54页第一章. 工程材料的主要性能v内部结构与性能 成分结构（组织）性能v加工工艺与性能 切削加工 锻造 铸造 焊接 v使用行为 橡胶暴露在空气中逐渐硬化 金属在周期性载荷作用下会产生疲劳 普通钢钻头不能象高速钢钻头那样飞快切削 第10页/共54页工程材料的主要性能u力学性能u物理性能u化学性能u工艺性能第11页/共54页1-1 力学性能材料在外力作用下所表现出的各种性能。q 强度q 硬度q 塑性q 冲击韧性q 断裂韧

4、性 第12页/共54页拉伸实验第13页/共54页拉伸试验第14页/共54页应力-应变曲线 应力=F/A0 N/mm2(MPa) 应变 =L/L0消除式样尺寸的影响!第15页/共54页一、弹性与刚度u 弹性变形（不超过0.5%1%）u 塑性变形弹性极限e材料不产生塑性变形所能承受的最大应力。（精密弹性元件、炮筒）第16页/共54页弹性模量 E= / 衡量材料抵抗弹性变形的能力。表示材料的 刚度。机器零件或构件刚度：EA第17页/共54页第18页/共54页二、强度在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力。屈服点s 材料开始产生明显塑性变形时的 最低应力值。第19页/共54页屈服强度0.2 试样标距长

5、度产生0.2% 塑性变形时的应力值。第20页/共54页抗拉强度b材料在断裂前所承受的最大应力值。 第21页/共54页三、塑性材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力。u伸长率u断面收缩率第22页/共54页u伸长率 试样在拉断后的相对伸长量。L0试样原始标距长度；L1试样拉断后的标距长度。%100001LLL第23页/共54页断面收缩率 试样被拉断后横截面积的相对收缩量。A0试样原始横截面积；A1试样拉断处的横截面积。%100010AAA第24页/共54页塑性的意义：1.零件在使用过程中偶然过载时，因发生塑性变形而不至于突然断裂；2.碰撞时吸收能量；3.塑性成形。第25页/共54页四、硬度材

6、料抵抗外加载荷压入表面的能力。（1）布氏硬度HBS（W）第26页/共54页布氏硬度的测量第27页/共54页压头为淬火钢球时，HBS 小于450有效。压头为硬质合金时，HBW 450-650有效。经验关系：低碳钢： b0.36HBS(W)高碳钢：b0.34HBS(W)灰铸铁：b0.10HBS(W)第28页/共54页 试验规范。见附录 表示方法：120HBS 压痕较大，只适用于毛坯检验，不适合成品。第29页/共54页（2）洛氏硬度HR第30页/共54页洛氏硬度的测量第31页/共54页 试验规范。见附录 表示方法：60HRC 洛氏硬度操作迅速、简便，压痕小可在工件表面进行试验，可测各种金属。 压痕较

7、小，代表性差。由于材料成分偏析，组织不均匀，使硬度值分散性大，应在不同部位测量多次取平均值。第32页/共54页第33页/共54页（3）维氏硬度(HV)第34页/共54页 载荷小，压入深度浅，适于测试零件表面淬硬层及化学热处理的表面层。 连续一致的标尺，可测定从极软到极硬的各种金属材料。 测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。 第35页/共54页由于各种硬度试验的条件不同，因此相互间没有理论的换算关系，根据试验结果的粗略换算关系如下：硬度在200600HBS（W） HRC 1/10HBS硬度小于450HBS HBS HV 各种硬度间换算以及硬度与强度之间的换算可查表。第36页/共54页五、疲劳强度

8、交变应力应力的大小、方向随时间变化。疲劳承受交变应力的零件在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。特征：无征兆突然断裂，造成严重事故。据统计，在损坏的机器零件中，据统计，在损坏的机器零件中，80%是由金属疲劳造成的！是由金属疲劳造成的！第37页/共54页（1）疲劳实验v变动载荷：载荷时间对称交变应力脉动交变应力无规则交变应力主轴类汽缸盖螺钉农用挂车车轮v一组试样：疲劳实验对试样的表面质量很敏感，曲线上每一点最好取几个试样平均值。第38页/共54页v 疲劳曲线107N02-1N最大应力max循环周次N（对数坐标）1一般钢铁材料 2有色金属、高强度钢等。钢

9、铁 N0 =107 次， 有色金属 N0 =108 次。对于实际机件， N0 根据工作条件和使用寿命确定。例：火车轴N0 =5107 汽车发动机曲轴N0 =12107 气轮机叶片N0 =2510101第39页/共54页（2）疲劳原因 表面是产生疲劳源部位（表面应力集中、刀痕、划伤等）。 扩展时而停顿、时而向前发展，出现疲劳辉纹贝壳纹。 剩余部分面积减小，应力增大，当b时，突然断裂。第40页/共54页第41页/共54页（3）预防措施 设计时表面圆滑过渡，减少应力集中。 表面预制压应力（喷丸、表面淬火、化学热处理等）第42页/共54页六、韧性材料断裂时所需能量的度量。（1）冲击韧度ak冲击韧性在冲

10、击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，通常用冲击吸收功Ak和冲击韧度指标ak来度量。第43页/共54页一次冲击弯曲试验第44页/共54页第45页/共54页 指标冲击吸收功 Ak (J)冲断标准试样所消耗的功。 Ak=Gg(h-h1) 其中 G-摆锤质量 g-重力加速度冲击韧度ak（J/cm2)试样单位截面积所消耗的 冲击吸收功。ak= Ak/A0 其中 S-试样缺口处的截面积第46页/共54页冲击试验的应用o 评定材料的冶金质量和热加工后的产品质量。o 评定材料的低温变脆倾向。o 此试验有很多局限性。第47页/共54页（2）断裂韧度K1c断裂韧性材料抵抗裂纹扩张的能力。 K1=Y 其中 K1应力场强度因子，单位为MNm-3/2; Y与裂纹形状、加载方式及试样几何尺 寸有关的系数； 外加应力，单位为MPa a裂纹的半长，单位为mm。 a第48页/共54页断裂韧度应用： 用无损探伤方法测出零件中最大裂纹长度，就可以算出使零件失稳扩展的临界载荷，既零件能承受的最大载荷。 测得零件的工作应力，就可以确定材料在加工过程中允许存在的最大裂纹长度。第49页/共54页1-2 物理性能 密度 单位体积材料的质量。 熔点 材料的熔化温度。 热膨胀性线膨胀系数：温度每变化1时引起的材料长度上