第1章金属的力学性能与结构-1

1、机机 械械 工工 程程 概概 论论 Introduction to mechanical engineering 张力菠张力菠南京航空航天大学经济与管理学院南京航空航天大学经济与管理学院第第1章章2对象对象：从原材料到成品（零件和机器）的制造全过程；：从原材料到成品（零件和机器）的制造全过程；零件零件/机器制造全过程机器制造全过程，包含哪些过程？，包含哪些过程？采用适当的材料采用适当的材料采用适当的工艺方法采用适当的工艺方法改变材料形状和性能改变材料形状和性能零件制造全过程零件制造全过程的最终目的：得到合格的零件。的最终目的：得到合格的零件。第第1章章3机器生产过程热处理原材料毛坯机器零件热处

2、理铸造锻压焊接装配切削加工机器生产过程：原材料机器生产过程：原材料毛坯毛坯零件零件机器机器机器制造方法：原材料选取与改性（热处理）、毛坯成形（铸、机器制造方法：原材料选取与改性（热处理）、毛坯成形（铸、锻、焊等）、零件成形（切削加工等）与装配。锻、焊等）、零件成形（切削加工等）与装配。 正确选择原材料与成形方法、合理确定加工路线关系到产品正确选择原材料与成形方法、合理确定加工路线关系到产品的质量、使用寿命、生产成本、生产周期与经济效益！的质量、使用寿命、生产成本、生产周期与经济效益！第第1章章4第第1章章5第第1章章6 一听就懂、一看就烦、一放就忘、一用就错！一听就懂、一看就烦、一放就忘、一用

3、就错！第第1章章7第第1章章8材料是材料是现代文明三大支柱现代文明三大支柱之一，发展工业国民经济的重要物质基础；之一，发展工业国民经济的重要物质基础；科技进步推动了材料工业的发展，新材料不断涌现：石油化工发展促科技进步推动了材料工业的发展，新材料不断涌现：石油化工发展促进了进了合成材料合成材料的兴起和应用；的兴起和应用；1980s特种陶瓷特种陶瓷材料又有很大进展；材料又有很大进展；工程材料按工程材料按化学组成化学组成分为三大系列：分为三大系列：金属材料金属材料有机高分子材料（聚合物）有机高分子材料（聚合物）无机非金属材料无机非金属材料第第1章章9制造一辆轿车，需用到制造一辆轿车，需用到800多

4、种材料。多种材料。第第1章章10工程材料按工程材料按使用性能使用性能可分可分结构材料结构材料和和功能材料功能材料两类两类：结构材料结构材料：强调强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，用来制造机器强调强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，用来制造机器零件和工程构件的材料零件和工程构件的材料；功能材料功能材料：具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理化效具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理化效应的各种材料；应的各种材料；用于对信息和能量的感受、计测、传导、显示、发射转换用于对信息和能量的感受、计测、传导、显示、发射转换和变换的目的，是现代高新技术发展的物质基础。和变换的目的，是现代高新技术

5、发展的物质基础。第第1章章11美国汽车美国汽车：1980年汽车平均质量为年汽车平均质量为1500kg，1990年为年为1020kg；每台车铸铁量由每台车铸铁量由225kg降至降至112kg，由，由15%减至减至11%；铝；铝合金由合金由4增至增至9；高分子材料由；高分子材料由6增至增至9；汽车重量减轻汽车重量减轻10%可提高燃烧效率可提高燃烧效率7%，减少污染，减少污染10%；从福特公司新车型中使用的主要材料示意图中可见，黑从福特公司新车型中使用的主要材料示意图中可见，黑色金属将大幅减少，铝、镁合金用量将大幅增加。色金属将大幅减少，铝、镁合金用量将大幅增加。第第1章章12第第1章章13航空航天

6、航空航天：航空航天材料减重获得的效益更大，卫星减重航空航天材料减重获得的效益更大，卫星减重1kg，可减，可减少发射推力少发射推力5kg ；一枚小型洲际导弹，结构质量减少一枚小型洲际导弹，结构质量减少1kg，有效载荷不变，有效载荷不变，可增加射程约可增加射程约15km，可减轻导弹起飞质量约，可减轻导弹起飞质量约50kg ；航空器飞行速率与效益的关系示意图航空器飞行速率与效益的关系示意图导弹壳体材料与导弹射程的关系示意图导弹壳体材料与导弹射程的关系示意图第第1章章14飞行速度与效益飞行速度与效益导弹的壳体材料与导弹射程的关系导弹的壳体材料与导弹射程的关系第第1章章15案例：世贸大楼倒塌案例：世贸大

7、楼倒塌纽约世贸大楼曾是世界第一高楼，高纽约世贸大楼曾是世界第一高楼，高411m，单个塔楼重量约，单个塔楼重量约5万万t；撞击大楼的波音撞击大楼的波音757飞机起飞重量飞机起飞重量104t，波音，波音767起飞重量起飞重量156t；其飞；其飞行速度大约是每小时行速度大约是每小时1000km；从速度小得多的汽车相撞，可想象飞机对大楼的冲击力非常巨大。从速度小得多的汽车相撞，可想象飞机对大楼的冲击力非常巨大。纽约世贸大厦原貌纽约世贸大厦原貌第一次撞击第一次撞击第二次撞击第二次撞击第第1章章16撞击大楼的波音撞击大楼的波音757大约可载大约可载35t燃油，波音燃油，波音767可载可载51t燃油，由于是

8、燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以机上油箱估计装满了燃油；从美国东部飞往西部的远程航班，所以机上油箱估计装满了燃油；起飞后飞机很快改变航线撞击世贸大楼，机上燃油消耗很少，几乎将起飞后飞机很快改变航线撞击世贸大楼，机上燃油消耗很少，几乎将油箱里满满的优质航空燃油都撒到了大楼里，并燃起了熊熊大火；油箱里满满的优质航空燃油都撒到了大楼里，并燃起了熊熊大火；燃烧了一个多小时后，双塔先后坍塌：燃烧了一个多小时后，双塔先后坍塌：南楼南楼坍塌坍塌北楼北楼坍塌坍塌案例：世贸大楼倒塌案例：世贸大楼倒塌第第1章章17但据幸存者描述，撞击使大楼晃动了近但据幸存者描述，撞击使大楼晃动了近1m，但整幢大楼无

9、论是内部还，但整幢大楼无论是内部还是外部并未严重塌落，这是大量楼内工作人员得以逃生的关键；是外部并未严重塌落，这是大量楼内工作人员得以逃生的关键；客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？大楼为何会垂客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？大楼为何会垂直塌落而不是倾倒？直塌落而不是倾倒？案例：世贸大楼倒塌案例：世贸大楼倒塌这些问题的答案，部分牵涉到材料的这些问题的答案，部分牵涉到材料的力学性能力学性能问题，特别是高温下的问题，特别是高温下的力学性能。力学性能。第第1章章18案例：泰坦尼克号案例：泰坦尼克号1912年初，英国制造的年初，英国制造的“泰坦尼克号泰坦尼克号”超级豪华巨轮

10、建成下水，超级豪华巨轮建成下水，首航途中撞击冰山右舷破裂进水，船头斜插入海，船尾翘上天，首航途中撞击冰山右舷破裂进水，船头斜插入海，船尾翘上天，然后从半腰折断沉入深海，其时巨响震天、浊浪排空、夜色沉沉然后从半腰折断沉入深海，其时巨响震天、浊浪排空、夜色沉沉浮冰闪烁、人声惊恐夜色凄怆。浮冰闪烁、人声惊恐夜色凄怆。几十年之后，人们才寻觅到它的残骸，拍摄几万张照片，收集船几十年之后，人们才寻觅到它的残骸，拍摄几万张照片，收集船中物品和金属碎片分析研究，企图探索当年沉没的详细情景，可中物品和金属碎片分析研究，企图探索当年沉没的详细情景，可惜原始文献太少，使深入研究困难重重。惜原始文献太少，使深入研究困

11、难重重。据说所用钢材是当时最好的，是一种含据说所用钢材是当时最好的，是一种含S量高的钢材，所用欧洲铁量高的钢材，所用欧洲铁矿矿90%以上含很难除去的有害杂质以上含很难除去的有害杂质S、P。S使晶粒粗大变脆，增加使晶粒粗大变脆，增加钢的热脆性，钢的热脆性，P在钢中生成低熔点共晶物增加钢的在钢中生成低熔点共晶物增加钢的冷冷脆性脆性。第第1章章19案例：泰坦尼克号案例：泰坦尼克号高强度合金钢应含高强度合金钢应含C量低，提高焊缝的韧性和硬度。添加微量元素可量低，提高焊缝的韧性和硬度。添加微量元素可细化晶粒并提高强度和韧性。由此而采用快冷的热轧工艺，严格控制细化晶粒并提高强度和韧性。由此而采用快冷的热轧

12、工艺，严格控制夹杂物的形态和浓度。船用不锈钢一般是含夹杂物的形态和浓度。船用不锈钢一般是含Cr1112%的的Fe基合金或基合金或Cr-Ni合金，一种马氏体或奥氏体不锈钢，只有它才能有效抵抗酸碱合金，一种马氏体或奥氏体不锈钢，只有它才能有效抵抗酸碱气体和海水的腐蚀。气体和海水的腐蚀。但从打捞起来的船钉来看，其长但从打捞起来的船钉来看，其长10cm，端口有，端口有平行黑色条纹，呈玻璃颗粒状夹杂，其杂质含量超过平行黑色条纹，呈玻璃颗粒状夹杂，其杂质含量超过9%。冰山撞破船底及侧舷板，同时划裂冰山撞破船底及侧舷板，同时划裂6个缺口，海水汹涌灌入舱房，使个缺口，海水汹涌灌入舱房，使船体迅速倾斜，船内人、

13、重物因固定螺钉失效而滑向船头。于是船头船体迅速倾斜，船内人、重物因固定螺钉失效而滑向船头。于是船头重量骤增，船尾越翘越高，庞大的船体结构（龙骨）已经无法承受如重量骤增，船尾越翘越高，庞大的船体结构（龙骨）已经无法承受如此巨大的扭矩，于是顷刻崩断，并非弯曲，因高此巨大的扭矩，于是顷刻崩断，并非弯曲，因高S钢缺少延展性，在钢缺少延展性，在冰冷（冰冷（-2）的海水中不会收缩，一经冰山冲击，立即如玻璃一样迸）的海水中不会收缩，一经冰山冲击，立即如玻璃一样迸裂四散，碎片如雨。仅仅在两小时之内人船俱沉，一片凄凉。裂四散，碎片如雨。仅仅在两小时之内人船俱沉，一片凄凉。第第1章章20第第1章章21使用性能使用

14、性能：为满足零件工作中的功能要求，材料应具备的性能，或为满足零件工作中的功能要求，材料应具备的性能，或者说在零件使用条件下材料所表现出来的性能；者说在零件使用条件下材料所表现出来的性能；主要：主要：物理性能物理性能、化学性能化学性能、机械性能机械性能；工艺性能工艺性能：材料在加工过程中所表现出的性能，即对某种加工方法材料在加工过程中所表现出的性能，即对某种加工方法的适应性及难易程度。的适应性及难易程度。焊接性焊接性、铸造性能铸造性能、切削加工性切削加工性、锻造性锻造性等；等；第第1章章22使用性能使用性能熔点熔点密度密度热膨胀性热膨胀性导热性导热性导电性导电性磁性磁性零件的使用场合和用途不同，

15、对其物零件的使用场合和用途不同，对其物理性能要求亦不同：理性能要求亦不同：第第1章章23化学性能化学性能：材料在常温或高温下抵抗各种介质侵蚀的能力，也称材料在常温或高温下抵抗各种介质侵蚀的能力，也称化化学稳定性学稳定性；抗氧化性抗氧化性抵抗高温氧化性气氛腐蚀作用的能力；抵抗高温氧化性气氛腐蚀作用的能力；活塞发动机排气阀工作温度达活塞发动机排气阀工作温度达850，喷，喷气发动机燃烧室工作温度达气发动机燃烧室工作温度达1400；耐腐蚀性耐腐蚀性按工作介质不同，分按工作介质不同，分耐锈蚀性耐锈蚀性、耐酸性耐酸性和和耐碱性耐碱性等；等；耐锈蚀性，耐锈蚀性，指金属材料在大气中的耐腐蚀性力。指金属材料在大

16、气中的耐腐蚀性力。使用性能使用性能第第1章章24化学性能化学性能：抗氧化性和腐蚀性的抗氧化性和腐蚀性的：常用指标常用指标腐蚀速度腐蚀速度：重量法重量法或或深度法深度法表示；深度法：表示；深度法：毫毫米年米年为单位：为单位：0.1 0.11.0 1.03.0 3.0 10.0 10.0完全抗氧化性完全抗氧化性 抗氧化性抗氧化性 次抗氧化性次抗氧化性 弱抗氧化性弱抗氧化性 不抗氧化性不抗氧化性12345年腐蚀深度年腐蚀深度(毫米年毫米年)分分 类类抗氧化性级别抗氧化性级别使用性能使用性能第第1章章25概念：概念：材料在材料在外力外力作用下所表现出的抵抗能力，又称作用下所表现出的抵抗能力，又称机械性

17、能机械性能；分类：分类：强度强度刚度刚度硬度硬度韧性韧性塑性塑性疲劳强度疲劳强度外力即载荷，如拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。外力即载荷，如拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。第第1章章26各种外载荷各种外载荷第第1章章27强度强度概念：概念：在静载荷的作用下，材料抵抗塑性变形及断裂的能力；在静载荷的作用下，材料抵抗塑性变形及断裂的能力；测定：测定：拉伸试验拉伸试验：按：按GB228-63标准制成标准制成拉伸试样拉伸试样，装夹在拉伸试验，装夹在拉伸试验机上缓慢加载拉伸，直至拉断为止；机上缓慢加载拉伸，直至拉断为止；第第1章章28强度强度拉伸曲线拉伸曲线：用用低碳钢低碳钢试样做拉伸试验得到的外力试样

18、做拉伸试验得到的外力-变形量关系图变形量关系图； 载载荷荷PS 。S 。e 。p 。b 。k 。pppepspbpklb lu lk内力内力：在外力作用下，试样内部产生一种与其平衡的力；在外力作用下，试样内部产生一种与其平衡的力；应力应力：材料单位面积上的内力，单位材料单位面积上的内力，单位MPa = 1MN/m2，= P/F；应变应变：材料的伸长量与原长度的比，材料的伸长量与原长度的比，= l / l0 ；根据拉伸试验及拉伸曲线图可得到根据拉伸试验及拉伸曲线图可得到应力应力-应变图应变图。第第1章章29低碳钢应力低碳钢应力- -应变图应变图强度强度第第1章章30强度强度可以看出，在拉伸试验过

19、程中，低碳钢试样经过了以下几个过程：可以看出，在拉伸试验过程中，低碳钢试样经过了以下几个过程：弹性变形弹性变形屈服屈服强化强化颈缩颈缩断裂断裂 应力应力 应变应变P P 比列极限比列极限e e 弹性极限弹性极限s s 屈服极限屈服极限b b 强度极限强度极限第第1章章31强度强度弹性变形弹性变形：试样加载后应力不超过试样加载后应力不超过e ，若卸载，试样能恢复原状；，若卸载，试样能恢复原状；弹性弹性：材料不产生永久变形的性能，称为材料不产生永久变形的性能，称为弹性弹性；弹性极限弹性极限：e 为材料不产生永久变形所能承受的最大应力，称为为材料不产生永久变形所能承受的最大应力，称为弹弹性极限性极限

20、，即，即 pe 段的段的e点；点；比例极限比例极限：材料为保持载荷与伸长量成比例增长所能承受的最大应材料为保持载荷与伸长量成比例增长所能承受的最大应力，即力，即P ；第第1章章32强度强度刚度刚度：零件或构件抵抗弹性变形的能力，零件或构件抵抗弹性变形的能力，弹性模量弹性模量是衡量金属是衡量金属材料刚度的指标；材料刚度的指标；弹性模量弹性模量：op的斜率的斜率E称为材料的称为材料的弹性模量弹性模量；按虎克定律，比例极限；按虎克定律，比例极限P 范围，应力范围，应力与应变与应变成正比，则：成正比，则：ElFPlE00E是常数，取决材料本身，反比于是常数，取决材料本身，反比于l ，即，即E越大，弹性

21、越大，弹性变形量越小，则刚度越大，也可增加变形量越小，则刚度越大，也可增加F0 来提高刚度。来提高刚度。第第1章章33强度强度屈服屈服：es段为段为微量微量塑性变形阶段，塑性变形阶段，ss接近水平段，表载荷基本接近水平段，表载荷基本保持不变时，伸长量继续增加，即材料的保持不变时，伸长量继续增加，即材料的屈服屈服现象；现象；屈服极限屈服极限：金属材料开始屈服时的最小应力，或称金属材料开始屈服时的最小应力，或称屈服强度屈服强度：0FPss第第1章章34强度强度条件屈服条件屈服强度强度：oFP2 . 02 . 0大多数金属拉伸时无明显屈服，很难测定，故大多数金属拉伸时无明显屈服，很难测定，故GB22

22、8-87取非比例伸长与原标距长度比（残余应变量）为取非比例伸长与原标距长度比（残余应变量）为0.2时时的应力作屈服强度指标，称的应力作屈服强度指标，称条件屈服强度条件屈服强度，即，即抗拉强度抗拉强度：所能承受的最大应力，即抵抗断裂的能力，所能承受的最大应力，即抵抗断裂的能力，强度极限强度极限；obbFPssb段为段为大量大量塑变阶段，塑变量大，且变形引起的强化作塑变阶段，塑变量大，且变形引起的强化作用使变形抗力增加，故欲增加用使变形抗力增加，故欲增加l，须增加载荷，须增加载荷P，到，到b点点载荷载荷P最大，试件出现局部缩颈，最大，试件出现局部缩颈，b点应力即点应力即抗拉强度抗拉强度；第第1章章

23、35强度强度第第1章章36选材的两个重要强度指标；选材的两个重要强度指标；若不允许产生塑性变形，则强度校核应选若不允许产生塑性变形，则强度校核应选 ；若只要求使用时不断裂，则强度校核应选若只要求使用时不断裂，则强度校核应选 ；用用 作强度指标时，应采用较大的安全系数；作强度指标时，应采用较大的安全系数；脆性材料的强度校核必须用脆性材料的强度校核必须用 。sbbb强度强度抗拉强度抗拉强度与与屈服强度屈服强度的选择：的选择：第第1章章37 与与 之比称为屈强比。之比称为屈强比。屈强比越小，可靠性越大，即使超载也能因塑性变形延屈强比越小，可靠性越大，即使超载也能因塑性变形延长材料的安全使用，而不致立

24、刻破断；但比值越小，材长材料的安全使用，而不致立刻破断；但比值越小，材料的利用率也越低。料的利用率也越低。因此，对于不同钢种屈强比要求不同：普通碳素结构钢因此，对于不同钢种屈强比要求不同：普通碳素结构钢约为约为0.50.6；低合金结构钢约为；低合金结构钢约为0.650.75；合金结构钢；合金结构钢约为约为0.70.8；弹簧钢约为；弹簧钢约为0.850.9。sb强度强度抗拉强度抗拉强度与与屈服强度屈服强度的选择：的选择：第第1章章38塑性塑性塑变塑变：载荷超过弹性极限后，卸载后变形不能全部消失，将保留部载荷超过弹性极限后，卸载后变形不能全部消失，将保留部分残余变形。这种不能恢复的残余变形，即分残

25、余变形。这种不能恢复的残余变形，即塑性变形塑性变形；塑性塑性：产生塑性变形而不断裂的性能，常用指标有产生塑性变形而不断裂的性能，常用指标有延伸率延伸率和和断面收断面收缩率缩率：%100001lll%100010FFFl0 试样原始标距长度试样原始标距长度l1 试样拉断后标距长度试样拉断后标距长度F0 试样原始横截面积试样原始横截面积F1 试样断裂处的横截面积试样断裂处的横截面积第第1章章39塑性塑性特点：特点：伸长率伸长率随试样原始长度增加而减小，故同一材料的短试样随试样原始长度增加而减小，故同一材料的短试样（ l0 = 5d0 ）与长试样（）与长试样（ l0 = 10d0）的伸长率大）的伸长

26、率大20%左右；左右；用短、长试样测得的伸长率分别用用短、长试样测得的伸长率分别用5和和10表示。表示。断面收缩率断面收缩率与试样尺寸无关，对塑性改变更敏感，能更客观与试样尺寸无关，对塑性改变更敏感，能更客观的反映材料的塑性；的反映材料的塑性；与与越大，材料塑性越好；越大，材料塑性越好；金属具有一定塑性才能进行各种变形加工，并使零件在偶然金属具有一定塑性才能进行各种变形加工，并使零件在偶然过载时，产生一定塑变，而不致突然断裂，提高可靠性。过载时，产生一定塑变，而不致突然断裂，提高可靠性。第第1章章40硬度硬度概念：概念：金属材料的软硬程度，表征其局部塑性变形抗力的指标，即金属材料的软硬程度，表

27、征其局部塑性变形抗力的指标，即抵抗硬物压入或划伤表面的能力抵抗硬物压入或划伤表面的能力；类型：类型：布氏硬度布氏硬度、洛氏硬度洛氏硬度、维氏硬度维氏硬度，等；，等；测定：测定：压入法、划痕法、弹跳回弹法压入法、划痕法、弹跳回弹法；多用多用压入法压入法，即用一定压力把压头压入材料表层，按压力大，即用一定压力把压头压入材料表层，按压力大小、压痕面积或深度测定其硬度；小、压痕面积或深度测定其硬度；几种方法的几种方法的压头类型压头类型和和压力大小压力大小不同。不同。第第1章章41硬度硬度)(2)HBS(W22dDDDFAF布氏硬度布氏硬度：HB，将直径为，将直径为D(10、5、2.5mm)的钢球，置于

28、布氏硬的钢球，置于布氏硬度机上，在一定载荷度机上，在一定载荷F下压入所测材料表面，经规定下压入所测材料表面，经规定的加载时间后卸除载荷，即得直径为的加载时间后卸除载荷，即得直径为d之压坑；之压坑；HB值为值为F与压坑球面积与压坑球面积A的比值，以的比值，以HBS(W)表示：表示：第第1章章42硬度硬度布氏硬度布氏硬度：HB值越大，表示材料越硬；值越大，表示材料越硬；HBS值在值在450以下的材料，用以下的材料，用普通淬火钢球普通淬火钢球；HBW值在值在450650的材料，用的材料，用硬质合金球硬质合金球；HB值大于值大于650时，压头可能变形，不宜用此法；时，压头可能变形，不宜用此法；广泛用于

29、各种退火状态下的钢材、有色金属等；广泛用于各种退火状态下的钢材、有色金属等；此法不宜检测成品、小件、薄件。此法不宜检测成品、小件、薄件。第第1章章43硬度硬度洛氏硬度洛氏硬度：压头为压头为120度金刚石圆锥或直径度金刚石圆锥或直径1.588mm淬火钢球，洛氏淬火钢球，洛氏硬度机，硬度机，HR；以压头在金属表面形成的；以压头在金属表面形成的压坑深度压坑深度作为计作为计量硬度大小之依据，具体步骤：量硬度大小之依据，具体步骤：加初载荷加初载荷10kg，压坑深度为，压坑深度为h1，其目的是消除表面粗，其目的是消除表面粗糙度对硬度的影响；糙度对硬度的影响；再加上主载荷再加上主载荷50或或90或或140k

30、g，压坑深度为，压坑深度为h2；卸除主载荷，保留初载荷，此时由于弹性恢复，压坑卸除主载荷，保留初载荷，此时由于弹性恢复，压坑深度为深度为h3。洛氏硬度视频洛氏硬度视频第第1章章44硬度硬度洛氏硬度洛氏硬度：国标规定国标规定h3 h1=h 作为作为HR值的计算深度；值的计算深度；若若h直接用作直接用作HR值，则值，则h数值越小，材料越硬；数值越小，材料越硬；002. 0HhKR为与习惯相符，一般用一常数为与习惯相符，一般用一常数K 减去减去h来表示，并用每来表示，并用每0.002毫米为一硬度单位；毫米为一硬度单位；HR值的计算式：值的计算式：第第1章章45标度标度压头类型压头类型载荷载荷kg常数

31、常数K测量范围测量范围测试件举测试件举 例例HRA 金刚石圆锥金刚石圆锥600.27085表面硬化层、硬质合金等表面硬化层、硬质合金等HRB 1.588mm淬火钢球淬火钢球1000.2625100铝合金，镁合金、退火钢铝合金，镁合金、退火钢等等HRC金刚石圆锥金刚石圆锥1500.22067淬火钢、调质钢等硬零件淬火钢、调质钢等硬零件硬度硬度洛氏硬度洛氏硬度：按材料硬度和厚度，采用不同类型的压头和载荷组成的按材料硬度和厚度，采用不同类型的压头和载荷组成的15种（种（A-V）HR硬度标度，常用硬度标度，常用HRA、HRB和和HRC：HR法简便迅速，零件表面留下的压坑小，多用于成品。法简便迅速，零件

32、表面留下的压坑小，多用于成品。第第1章章46硬度硬度维氏硬度维氏硬度：HV法与法与HB法基本相似，只是所加载荷法基本相似，只是所加载荷F较小，压头较小，压头是顶角为是顶角为136的金刚石棱锥体。在的金刚石棱锥体。在F作用下，被测作用下，被测试件表面上压出一试件表面上压出一d1Xd2的方形压痕：的方形压痕：第第1章章4728544. 1HdPFPV硬度硬度维氏硬度维氏硬度：HV值以单位压痕表面积值以单位压痕表面积所承受的抗力表示，数所承受的抗力表示，数值越大，材料越硬；值越大，材料越硬；HV试验的载荷，可按试样大小、厚度、硬化层深度、镀试验的载荷，可按试样大小、厚度、硬化层深度、镀层厚度从层厚度

33、从1120kg任选，常用任选，常用5、10、20、30kg等；等；由于测量精度高，压痕浅，载荷调整范围大，测量硬度由于测量精度高，压痕浅，载荷调整范围大，测量硬度范围宽，范围宽，HV法广泛用于测定工件表面硬化层、金属镀层法广泛用于测定工件表面硬化层、金属镀层以及薄片金属的硬度。以及薄片金属的硬度。第第1章章48冲击韧性冲击韧性概念概念：表示材料抵抗冲击载荷的能力，一般也称表示材料抵抗冲击载荷的能力，一般也称韧性韧性；冲击载荷不仅是力的作用，且伴有力的作用速度，故它是一冲击载荷不仅是力的作用，且伴有力的作用速度，故它是一种能量参数；种能量参数；目前冲击韧性的测试方法有两种：目前冲击韧性的测试方法

34、有两种：大能量一次冲击试验大能量一次冲击试验小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验第第1章章49冲击韧性冲击韧性大能量一次冲击试验大能量一次冲击试验冲击试验是在冲击试验是在摆锤式冲击试验机摆锤式冲击试验机上进行：上进行：按按GB229-94制成带缺口的制成带缺口的标准冲击试样标准冲击试样，并将其安放在，并将其安放在冲击试验机支架上；冲击试验机支架上；将重量为将重量为G的摆锤举到高度的摆锤举到高度H，使其具有位能，使其具有位能GH；将摆锤放开，使之冲断试样，此时摆锤的高度为将摆锤放开，使之冲断试样，此时摆锤的高度为h，剩余，剩余位能为位能为Gh。第第1章章50摆锤的势能变化摆锤的势能变化摆锤式冲击

35、试验摆锤式冲击试验冲击韧性冲击韧性第第1章章51hHGGhGHAk2/cmJFAakk冲击韧性冲击韧性大能量一次冲击试验大能量一次冲击试验冲击试验过程中，摆锤冲断试件所消耗的总能量为：冲击试验过程中，摆锤冲断试件所消耗的总能量为：则在其缺口处单位截面积则在其缺口处单位截面积 F上所消耗的能量为：上所消耗的能量为：第第1章章52ak 没有确切的力学意义，它表明在高应变速率时没有确切的力学意义，它表明在高应变速率时 ，材料的脆，材料的脆性发展趋势；性发展趋势；冲击试验广泛应用冲击试验广泛应用, 但但Ak 、ak 不能直接用于设计计算；不能直接用于设计计算；对承受冲击载荷的零件，应有一定的对承受冲击

36、载荷的零件，应有一定的ak 要求，以保证零件使要求，以保证零件使用的安全性；用的安全性；ak 对金属材料淬火过热、回火脆性、夹杂、裂纹等缺陷非常对金属材料淬火过热、回火脆性、夹杂、裂纹等缺陷非常敏感，故常用于检验金属材冶炼、热加工、热处理质量。敏感，故常用于检验金属材冶炼、热加工、热处理质量。冲击韧性冲击韧性大能量一次冲击试验大能量一次冲击试验第第1章章53冲击韧性冲击韧性小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验工程上许多承受冲击载荷的零件，往往不是由于大能量一次工程上许多承受冲击载荷的零件，往往不是由于大能量一次冲击而破坏，而是经过千百万次小能量冲击破坏；冲击而破坏，而是经过千百万次小能量冲击破

37、坏；大量试验证明，材料的成分及组织状态对一次冲击抗力大量试验证明，材料的成分及组织状态对一次冲击抗力(ak值值)与小能量多次冲击抗力的影响常呈相反的变化规律；与小能量多次冲击抗力的影响常呈相反的变化规律；一次大能量冲击抗力主要取决于材料之一次大能量冲击抗力主要取决于材料之塑性塑性，而多次小能量，而多次小能量冲击抗力则主要取决于材料之冲击抗力则主要取决于材料之强度强度；故故ak 不能代表实际条件下小能量多次冲击韧性，设计一般承不能代表实际条件下小能量多次冲击韧性，设计一般承受冲击载荷的零件时，不能片面追求过高的受冲击载荷的零件时，不能片面追求过高的ak值。值。第第1章章54疲劳强度疲劳强度疲劳断

38、裂疲劳断裂：弹簧、轴、齿轮弹簧、轴、齿轮等零件，工作时承受等零件，工作时承受交变载荷交变载荷，工作应，工作应力远低于抗拉强度力远低于抗拉强度b ，甚至小于屈服强度，甚至小于屈服强度0.2 时，在长时时，在长时间工作后发生突然断裂的现象；间工作后发生突然断裂的现象；交变载荷能产生交变载荷能产生重复应力重复应力或或交变应力交变应力：重复应力重复应力：材料所承受的应力只有数量变化，没有方：材料所承受的应力只有数量变化，没有方向变化，如由小变大，再由大变小；向变化，如由小变大，再由大变小；交变应力交变应力：材料所承受之应力既有数量变化，又有方：材料所承受之应力既有数量变化，又有方向变化，如由拉变压，再

39、由压变拉。向变化，如由拉变压，再由压变拉。第第1章章55疲劳强度疲劳强度疲劳断裂的疲劳断裂的原因原因：在零件应力高度集中的部位；在零件应力高度集中的部位；材料本身强度较低的部位，如原有的裂纹、夹杂、软点、刀材料本身强度较低的部位，如原有的裂纹、夹杂、软点、刀痕等缺陷处；痕等缺陷处；在交变或重复应力的反复作用；在交变或重复应力的反复作用；产生疲劳裂纹，随应力循环周次的增加，裂纹不断扩展，使产生疲劳裂纹，随应力循环周次的增加，裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，最终当减小到不能承受零件承受载荷的有效面积不断减小，最终当减小到不能承受载荷的作用时，即发生突然断裂。载荷的作用时，即发生突然

40、断裂。第第1章章56疲劳强度疲劳强度疲劳强度疲劳强度：评定疲劳抗力的指标；评定疲劳抗力的指标；可通过疲劳试验测定，常用可通过疲劳试验测定，常用旋转弯曲疲劳试验旋转弯曲疲劳试验方法：方法：试验装置如图，试样的两端夹持在转筒内，载荷通过框试验装置如图，试样的两端夹持在转筒内，载荷通过框架加在试样上，电动机带动试样旋转，从而使试样承受架加在试样上，电动机带动试样旋转，从而使试样承受对称交变应力，不断更换载荷，直到试样断裂对称交变应力，不断更换载荷，直到试样断裂;载荷越大交变应力越大，断裂前循环次数越少，以应力载荷越大交变应力越大，断裂前循环次数越少，以应力作纵坐标，循环次数作纵坐标，循环次数N作横坐

41、标，可绘出疲劳曲线。作横坐标，可绘出疲劳曲线。第第1章章57疲劳强度疲劳强度第第1章章58疲劳强度疲劳强度疲劳曲线疲劳曲线的解读的解读：很明显，试样承受交变应力降低时，循环次数增加，当应很明显，试样承受交变应力降低时，循环次数增加，当应力降低到某一定值后，曲线趋向水平，即表示在该应力作力降低到某一定值后，曲线趋向水平，即表示在该应力作用下，试样经无限多次循环仍不断裂；用下，试样经无限多次循环仍不断裂；疲劳强度疲劳强度，即试样经无限多次应力循环，不致引起断裂的，即试样经无限多次应力循环，不致引起断裂的最小应力，用符号最小应力，用符号-1 表示；表示；一般以疲劳曲线出现水平时，应力循环次数对应的最

42、大应一般以疲劳曲线出现水平时，应力循环次数对应的最大应力作为材料的疲劳强度；力作为材料的疲劳强度；一般钢铁材料应力循环一般钢铁材料应力循环107次，有色金属则是次，有色金属则是108次。次。第第1章章59应力水平低，往往远低于应力水平低，往往远低于S S ；断裂前无明显形变。断裂前无明显形变。r r 对称弯曲循环疲劳极限用对称弯曲循环疲劳极限用-1-1 表示；表示；疲劳曲线疲劳曲线(N)有明显的水平线段，则水平线段有明显的水平线段，则水平线段对应的应力为对应的应力为-1-1 ；疲劳曲线没有明显的水平线段，则在规定的疲劳疲劳曲线没有明显的水平线段，则在规定的疲劳寿命内不发生疲劳破坏所对应的最大应

43、力。寿命内不发生疲劳破坏所对应的最大应力。疲劳强度疲劳强度第第1章章60据统计机械零件断裂有据统计机械零件断裂有80归因于疲劳，提高零件疲劳强度很必要：归因于疲劳，提高零件疲劳强度很必要：疲劳强度疲劳强度措施措施：设计方面设计方面：避免尖角，注意保证零件的表面粗糙度；：避免尖角，注意保证零件的表面粗糙度；材料方面材料方面：保证冶金质量，减少夹杂疏松等缺陷；：保证冶金质量，减少夹杂疏松等缺陷；工艺方面工艺方面：强化零件表面，如：强化零件表面，如表面淬火，表面渗碳、表面表面淬火，表面渗碳、表面氮化、喷丸处理、滚压处理氮化、喷丸处理、滚压处理等。等。这些强化措施能提高表层硬度，减少划伤，并增加表层的

44、残余压应这些强化措施能提高表层硬度，减少划伤，并增加表层的残余压应力，从而抵消部分拉应力，使疲劳裂纹不易产生或扩展。力，从而抵消部分拉应力，使疲劳裂纹不易产生或扩展。第第1章章61断裂韧度断裂韧度低应力脆断低应力脆断与与断裂力学断裂力学：传统设计思想认为零件所承受的工作应力只要传统设计思想认为零件所承受的工作应力只要 材料的许用应力材料的许用应力，零件便能安全工作，即：，零件便能安全工作，即： nw2 . 0n是安全系数，一般取是安全系数，一般取1.52.0。但从上世纪初以来，生产实践中按此设计的一些大型、重型或高但从上世纪初以来，生产实践中按此设计的一些大型、重型或高强度材料零件或构件，如大

45、型铁桥、万吨轮船、飞机机翼、高压强度材料零件或构件，如大型铁桥、万吨轮船、飞机机翼、高压容器等突然断裂或爆炸，导致了不少容器等突然断裂或爆炸，导致了不少惊心动魄的事故惊心动魄的事故：第第1章章6219381942年间，世界上有几十座焊接钢桥突然断裂倒塌；年间，世界上有几十座焊接钢桥突然断裂倒塌；1950s，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体试飞时突然爆炸；，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体试飞时突然爆炸；1960s，美国，美国F-111轰炸机俯冲拉起时左翼折断，机毁人亡；轰炸机俯冲拉起时左翼折断，机毁人亡；1970s，美国，美国DC-9民航机发动机低压压气机轴断裂，民航机发动机低压压气机轴断裂，

46、；断裂韧度断裂韧度低应力脆断低应力脆断与与断裂力学断裂力学：第第1章章632007年年7月月31日日，美加利福尼亚一在建立交桥坍塌。，美加利福尼亚一在建立交桥坍塌。断裂韧度断裂韧度第第1章章642007年年8月月1日日，美国明尼阿波利斯市，密西西比河桥梁整体坍塌。，美国明尼阿波利斯市，密西西比河桥梁整体坍塌。断裂韧度断裂韧度第第1章章652007年年8月月13日日，湖南凤凰县在建的堤溪沱江大桥整体坍塌。死，湖南凤凰县在建的堤溪沱江大桥整体坍塌。死36断裂韧度断裂韧度第第1章章662007年年9月月9日日，印度安得拉邦首府海得拉巴一在建立交桥部分坍塌，印度安得拉邦首府海得拉巴一在建立交桥部分坍塌

47、断裂韧度断裂韧度第第1章章67断裂韧度断裂韧度2009-5-17，湖南株洲高架桥坍塌，湖南株洲高架桥坍塌，6死死17伤伤2009-7-13，印度在建地铁高架桥发生坍塌事故，印度在建地铁高架桥发生坍塌事故，5死死15伤伤2009-7-15，津晋高速公路匝道桥坍塌，津晋高速公路匝道桥坍塌，6死死4伤伤2009-9-25，印度电厂在建烟囱倒塌，超，印度电厂在建烟囱倒塌，超100人死亡人死亡2009-11-14，浙江温州在建高架桥坍塌，死伤，浙江温州在建高架桥坍塌，死伤8人人2010-1-4，昆明在建新机场立交桥垮塌，昆明在建新机场立交桥垮塌，7死死34伤伤2010-6-8，吉林省道，吉林省道302朝

48、长公路锦江大桥坍塌，朝长公路锦江大桥坍塌，6伤伤2010-7-24，河南伊河汤营大桥垮塌已致，河南伊河汤营大桥垮塌已致37人死亡人死亡19人失踪人失踪类似的事故仍然一直在不断上演：类似的事故仍然一直在不断上演：第第1章章68断裂应力均低于材料的屈服极限断裂应力均低于材料的屈服极限0.2 ；即使是塑性材料，断裂前也没有塑性变形的征兆，而呈脆性即使是塑性材料，断裂前也没有塑性变形的征兆，而呈脆性断裂；断裂；上述断裂事故可统称为上述断裂事故可统称为“低应力脆断低应力脆断”。传统材料力学不能解释传统材料力学不能解释低应力脆断低应力脆断，为研究其机理与规律，防此，为研究其机理与规律，防此类事故的发生，一

49、门新的边缘科学类事故的发生，一门新的边缘科学 断裂力学断裂力学应运而生。应运而生。断裂韧度断裂韧度断裂韧度断裂韧度上述事故的上述事故的共同点共同点：第第1章章69材料力学的观点材料力学的观点：断裂韧度断裂韧度将金属材料看成无缺陷的均匀体；将金属材料看成无缺陷的均匀体；断裂力学的观点断裂力学的观点：将金属材料看成有许多宏观裂纹的连续体；将金属材料看成有许多宏观裂纹的连续体；实践证明，低应力脆断总是由材料中实践证明，低应力脆断总是由材料中宏观裂纹宏观裂纹的扩展引起；的扩展引起；裂纹可能是气孔、缩松、夹杂等冶金缺陷，也可能是在加工和使用过裂纹可能是气孔、缩松、夹杂等冶金缺陷，也可能是在加工和使用过程

50、中形成，因而是难以避免的；程中形成，因而是难以避免的；为此，断裂力学提出新的强度韧性指标（如为此，断裂力学提出新的强度韧性指标（如断裂韧度断裂韧度），以解决零部），以解决零部件内存在裂纹情况下的安全和寿命问题。件内存在裂纹情况下的安全和寿命问题。断裂力学中表征材料脆性断裂的一种重要抗力指标。断裂力学中表征材料脆性断裂的一种重要抗力指标。第第1章章70断裂韧度断裂韧度裂纹裂纹：构件中有了宏观裂纹，会降低实际的断裂强度，裂纹在外力作构件中有了宏观裂纹，会降低实际的断裂强度，裂纹在外力作用下的扩展方式主要分三种（实际不局限于此）用下的扩展方式主要分三种（实际不局限于此）张开型张开型(I型型)裂纹裂纹

51、：火箭发动机壳体存在纵向裂纹时，在环：火箭发动机壳体存在纵向裂纹时，在环向正应力的作用下，便属于向正应力的作用下，便属于I型裂纹；最危险的类型；型裂纹；最危险的类型；滑开型滑开型(型型)裂纹裂纹：两块厚板用螺栓连接并承受拉力：两块厚板用螺栓连接并承受拉力P，当，当AB面上的螺栓表面有一环向裂纹时，在一对剪应力的作用面上的螺栓表面有一环向裂纹时，在一对剪应力的作用下，便属于下，便属于型裂纹；型裂纹；撕开型撕开型(型型)裂纹裂纹：传动轴工作时受扭转力矩作用，轴上：传动轴工作时受扭转力矩作用，轴上有一环向裂纹时，在一对剪应力作用下，便属有一环向裂纹时，在一对剪应力作用下，便属型裂纹。型裂纹。 张开型

52、裂纹张开型裂纹 滑开型裂纹滑开型裂纹 撕开型裂纹撕开型裂纹 第第1章章71断裂力学提出了一个描述裂纹尖端附近应力场强弱程度的参数断裂力学提出了一个描述裂纹尖端附近应力场强弱程度的参数 应应力强度因子力强度因子 KI：aYKIY 裂纹形状系数，无量纲，裂纹形状系数，无量纲，12； 作用于工件的拉应力；作用于工件的拉应力； a 裂纹的半长；裂纹的半长；可见，随着受载程度和裂纹尺寸的增加，即可见，随着受载程度和裂纹尺寸的增加，即增大，或增大，或a 增大，增大，或或、a 同时增大时，同时增大时，KI也随之增加；也随之增加；断裂韧度断裂韧度裂纹尖端的实际应力（纵向）与裂纹尖端的实际应力（纵向）与 KI

53、成正比。成正比。第第1章章72裂裂纹纹尖尖端端应应力力场场断裂韧度断裂韧度第第1章章73KI较小时，裂纹尖端实际应力小于材料强度极限，处于稳定状态，此较小时，裂纹尖端实际应力小于材料强度极限，处于稳定状态，此时裂纹也会由于交变载荷或腐蚀而扩展，但为时裂纹也会由于交变载荷或腐蚀而扩展，但为稳定扩展稳定扩展；KI增大到某临界值时，裂纹尖端应力会超过材料强度极限，使裂纹失增大到某临界值时，裂纹尖端应力会超过材料强度极限，使裂纹失稳自动扩展，稳自动扩展，a 增大，使增大，使KI增大，实际应力进一步加大，裂纹迅速扩增大，实际应力进一步加大，裂纹迅速扩展，恶性循环，试样断裂，此为展，恶性循环，试样断裂，此

54、为失稳扩展失稳扩展。KI的临界值的临界值KIC ，即材料的，即材料的断裂韧度断裂韧度，此，此时应力称时应力称临界应力临界应力C，裂纹长度，裂纹长度a 称称临界临界裂纹长度裂纹长度，aC 。CCICaYK断裂韧度断裂韧度第第1章章74KIC 代表含裂纹材料抵抗宏观裂纹失稳扩展能力的一个新的力学性代表含裂纹材料抵抗宏观裂纹失稳扩展能力的一个新的力学性能指标；能指标；KIC与与KI的区别：的区别：不同的概念，与不同的概念，与 同同 的区别类似；的区别类似；KI 同同 对应，只与载荷及试样尺寸相关，与材料无关；对应，只与载荷及试样尺寸相关，与材料无关；KIC对应对应 ，只与材料成分、组织结构相关，是材

55、料的力，只与材料成分、组织结构相关，是材料的力学性能指标，而与载荷及试样尺寸无关；学性能指标，而与载荷及试样尺寸无关；当当 时，均质材料断裂；当时，均质材料断裂；当 时，裂纹失时，裂纹失稳扩展，裂纹实体发生低应力脆断。稳扩展，裂纹实体发生低应力脆断。bbICIKK b断裂韧度断裂韧度第第1章章75高温力学性能高温力学性能材料在材料在高温高温下的力学性能与常温下完全不同：一般随温度升高，弹性下的力学性能与常温下完全不同：一般随温度升高，弹性模量模量E、屈服强度、屈服强度S、硬度将降低，塑性增加，还可能发生、硬度将降低，塑性增加，还可能发生蠕变蠕变：高温高温：高温高温与与低温低温是相对于该材料熔点

56、而言的，常用是相对于该材料熔点而言的，常用约比温度约比温度来衡量，即来衡量，即mTTT ：试验或工作温度：试验或工作温度(绝对绝对)；Tm ：金属熔点，：金属熔点，(绝对温度绝对温度)若其大于若其大于0.5，则当时温度为高温，反则为低温。，则当时温度为高温，反则为低温。第第1章章76高温力学性能高温力学性能蠕变蠕变：材料长时间在一定温度、压力作用下，即使应力小于材料长时间在一定温度、压力作用下，即使应力小于0.2，也会，也会缓慢缓慢发生塑性变形直至断裂的现象；发生塑性变形直至断裂的现象；这种变形最后导致的断裂称作这种变形最后导致的断裂称作蠕变断裂蠕变断裂；蠕变在低温也会发生，如蠕变在低温也会发生，如有机高分子材料在室温有机高分子材料在室温下就会发生；下就会发生；对对金属材料金属材料，一般在，一般在约比温度大于约比温度大于0.3时蠕变才比较显著，碳钢