第1章 工程零构件对材料性能的要求

1、 退出退出 负荷负荷零件零件可能产生各种损伤可能产生各种损伤（严重时）失效（严重时）失效 加载形式：加载形式：拉伸与压缩拉伸与压缩 、 剪切、扭转、弯曲、以及组合剪切、扭转、弯曲、以及组合 加载加载(如车床主轴如车床主轴)。效应：效应：变形变形严重时破坏（断裂等）。严重时破坏（断裂等）。交变负荷：周期性变化，如齿轮交变负荷：周期性变化，如齿轮冲击负荷：瞬时加载，冲击负荷：瞬时加载， 如锤击如锤击静负荷静负荷动负荷动负荷负荷性质负荷性质图1-1图1-3图1-4图1-2温度因素温度因素（temperature effects ） ：高温、低温、热冲击。高温、低温、热冲击。 产生物理、化学作用；磨损

2、作用等。产生物理、化学作用；磨损作用等。 腐蚀（腐蚀（corrosion）：）： 化学腐蚀、电化学腐蚀和物理溶解（详细情况和化学腐蚀、电化学腐蚀和物理溶解（详细情况和选材见第选材见第12章）。章）。 摩擦磨损（摩擦磨损（friction and wear）：）： 接触零件间相对运动时发生，引起功和能消耗、噪接触零件间相对运动时发生，引起功和能消耗、噪声等。磨损是零件表面材料的逐渐失去，常见类型有粘声等。磨损是零件表面材料的逐渐失去，常见类型有粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损和麻点磨损（接触疲劳）着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损和麻点磨损（接触疲劳）。（详细叙述和选材见第。（详细叙述和选材见第10章）。章

3、）。老化作用（老化作用（degradation）：）： 各种环境因素作用下材料性能的逐渐退化、各种环境因素作用下材料性能的逐渐退化、变坏，最终丧失使用价值的现象。例轮胎龟裂、发变坏，最终丧失使用价值的现象。例轮胎龟裂、发粘，塑料变硬变脆。粘，塑料变硬变脆。老化的环境因素：老化的环境因素：温度、日光、电、辐射、应力、温度、日光、电、辐射、应力、化学介质等。化学介质等。 零件（如齿轮、螺钉）零件（如齿轮、螺钉）部件（如变速器部件（如变速器?、齿轮、齿轮箱）箱）机器（如机床）。机器（如机床）。 在合理设计制造基础上，机器的性能主要由其零部件在合理设计制造基础上，机器的性能主要由其零部件尤其关键件的强

4、度及其它相关性能所决定。尤其关键件的强度及其它相关性能所决定。 机械零件的强度很大程度上由材料的强度及其它力学机械零件的强度很大程度上由材料的强度及其它力学性能所决定。性能所决定。 例例1：机床（参考教材机床（参考教材p3） 例例2：柴油机（参考教材柴油机（参考教材p3） 弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形 断裂断裂 e 弹性极限弹性极限 e e/ e 称为材料的刚度称为材料的刚度 弹性模量的比较：弹性模量的比较：陶瓷金属高分子材料。陶瓷金属高分子材料。工程应用：工程应用： 要求低要求低e（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫子。（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫子。 要求高要求高e（保持固有

5、形状能力强），如主轴（保持固有形状能力强），如主轴 ，钻杆。，钻杆。 要求比刚度（要求比刚度（e/）大（轻而不易变形），如航空航天）大（轻而不易变形），如航空航天 碳纤维复合材料碳纤维复合材料 ti合金合金 al合金钢铁合金钢铁图图1-5图图1-7图图1-6 强度强度材料抵抗变形和断裂的能力。材料抵抗变形和断裂的能力。 塑性塑性材料产生塑性变形的能力。材料产生塑性变形的能力。屈服强度屈服强度s（0.2）=ps/f（mpa）,是零件最重要的设是零件最重要的设计指标。计指标。抗拉强度抗拉强度b=pb/f，也是重要的设计指标，数据易得。，也是重要的设计指标，数据易得。比强度比强度s/及及b/，单位质

6、量的强度：水泥，单位质量的强度：水泥 0.8，木材，木材 12.5，钢，钢 5.2，铝，铝 11.1，ti 13.3，碳纤维，碳纤维 160.9。延伸率延伸率 =（l1l0）/l0100%。断面收缩率断面收缩率 =（f0f1）/f0100%。 塑性不能直接作为设计指标，但可作为参考指标。塑性不能直接作为设计指标，但可作为参考指标。 课堂讨论：课堂讨论：塑性指标的作用。塑性指标的作用。粘弹性（自学，高分子材料明显）。粘弹性（自学，高分子材料明显）。 材料的软硬程度，用压痕深度或面积表征。材料的软硬程度，用压痕深度或面积表征。 压痕深或面积大，材料软；反之硬。压痕深或面积大，材料软；反之硬。 测量

7、方便，一般属无损检测。测量方便，一般属无损检测。 硬度与强度、塑性存在一定的关系。硬度是零件设计硬度与强度、塑性存在一定的关系。硬度是零件设计时的主要力性技术要求。时的主要力性技术要求。 零件中、高硬度要求时，用洛氏硬度零件中、高硬度要求时，用洛氏硬度 30 70hrc 标注公差标注公差 35hrc。 零件中、低硬度要求时，用布氏硬度零件中、低硬度要求时，用布氏硬度 100 450hbs 标注公差标注公差 3050hbs。 如如6063hrc, 235265hbs等，另等，另 1hrc10hbs , 如如 400hbs40hrc。 图图1-8图图1-9 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，常用

8、缺材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，常用缺口试样冲断所吸收的功。口试样冲断所吸收的功。 冲击功高，韧性材料如钢筋；冲击功低，脆性材冲击功高，韧性材料如钢筋；冲击功低，脆性材料如玻璃、陶瓷、铸铁。料如玻璃、陶瓷、铸铁。 部分材料室温韧性好、低温变脆部分材料室温韧性好、低温变脆存在延性存在延性脆脆性转折。性转折。 周期变动应力下的材料强度。周期变动应力下的材料强度。 b 一次寿命一次寿命 -1有限寿命有限寿命 -1 “永永”不破坏，无限寿命。不破坏，无限寿命。-1=(0.450.55 )b 材料加工成形的难易程度，不同材料很不一样。所以材料加工成形的难易程度，不同材料很不一样。所以加工方法各不相

9、同。加工方法各不相同。金属：金属：铸造工艺性铸造工艺性( (充型能力、收缩大小、偏析倾向等充型能力、收缩大小、偏析倾向等),),灰铸铁、灰铸铁、青铜好。青铜好。可锻性可锻性( (变形能力、变形难易等变形能力、变形难易等),),低碳钢、有色金属好。低碳钢、有色金属好。可焊性可焊性( (易施焊且不易产生缺陷等易施焊且不易产生缺陷等),),钢铁材料中低碳钢好钢铁材料中低碳钢好。切削加工性切削加工性( (断屑、粗糙度、刀具磨损等断屑、粗糙度、刀具磨损等),),灰铸铁好。灰铸铁好。热处理工艺性热处理工艺性( (接受淬火、变形开裂倾向等接受淬火、变形开裂倾向等),),合金钢好。合金钢好。塑料：塑料：多注射

10、（塑）成形，易成形，易加工多注射（塑）成形，易成形，易加工（包括后续加工）（包括后续加工）。陶瓷：陶瓷：多粉末烧结成形，难以切削加工。多粉末烧结成形，难以切削加工。 结构材料（结构材料（structural material）：）： 实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。工程等）。 功能材料（功能材料（functional material）：）： 利用其理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁利用其理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等）。盘、光纤等）。 金属材料（金属材料（metals） 优点：优点：兼有良好力性兼有良好力性( (

11、较高强度较高强度、刚度刚度、塑性塑性、韧性韧性) )及某些理化性能及某些理化性能( (良好导电、导热性等良好导电、导热性等) )和和较好的工艺性，价格便宜或适中。大量用较好的工艺性，价格便宜或适中。大量用作结构材料，部分用作功能材料。作结构材料，部分用作功能材料。 缺点：缺点：资源有限；特高温及特殊介质中不能胜任。资源有限；特高温及特殊介质中不能胜任。陶瓷材料（陶瓷材料（ceramics无机非金属材料，金属与非金属无机非金属材料，金属与非金属的的 化合物如化合物如al2o3、sic） 优点：优点：优良理、化性能优良理、化性能( (耐蚀、光、电、热学性能耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等，绝缘性

12、能等) )及极好的耐高温性能，且原及极好的耐高温性能，且原料来源广泛。主要用在特殊场合料来源广泛。主要用在特殊场合( (特殊陶瓷特殊陶瓷) )及日常及日常( (传统陶瓷传统陶瓷) )。 缺点：缺点：性脆、难加工，可靠性差。性脆、难加工，可靠性差。高分子材料（高聚物，高分子材料（高聚物，polymer） 优点：优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量 轻，加工性好，原料丰富。轻，加工性好，原料丰富。 缺点：缺点：力性尤其强度低；不耐高温（力性尤其强度低；不耐高温（300）；易）；易 老化易燃。老化易燃。复合材料（复合材料（composites两种或多

13、种材料复合而成）两种或多种材料复合而成） 优点：优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要 进行人为设计、制造。进行人为设计、制造。 缺点：缺点：目前性能高的价贵。目前性能高的价贵。 返返 回回图图1-1 受力杆件受力杆件 返回图图1-2 铆钉联接铆钉联接 返回图图1-3 方向盘方向盘 返回图图1-4 火车轮轴火车轮轴 返回图图1-5 拉伸机示意图拉伸机示意图 返回图图1-6 低碳钢应力应变曲线示意图低碳钢应力应变曲线示意图 返回图图1-7 低碳钢的应力低碳钢的应力-应变图应变图 返回图图1-8 布氏硬度实验示意图布氏硬度实验示意图 返回图图1-9 维氏硬度实验示意图维氏硬度实验示意图 返回图图1-10 夏氏冲击试验示意图夏氏冲击试验示意图 返回图图1-11 不同材料冲击韧性与温度关系曲线示意图不同材料冲击韧性与温度关系曲线示意图 返回图图1-12 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 返回图图1-13 典型铸造工艺示意图典型铸造工艺示意图a 返