第1章 工程材料力学性能

1、机械工程材料任课教师：张陈办公室：A301电 话：5601辅导地点：办公室；时间：随时 绪绪 论论第一章第一章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第二章第二章 工程材料的基础知识工程材料的基础知识第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第五章第五章 金属材料金属材料第六章第六章 非金属材料和复合材料非金属材料和复合材料第七章第七章 常用机械工程材料的选用常用机械工程材料的选用绪 论1.1 1.1 材料与人类文明材料与人类文明1.2 1.2 工程材料的分类工程材料的分类1.3 1.3 课程性质与任务课程性质与任务1.1 1.1 材料与人类文明

2、材料与人类文明 材料是人类作来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，为材料是人类作来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，为 人类生活和生产的物质基础。人类生活和生产的物质基础。一、材料一、材料二、二、人类发展与材料人类发展与材料人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：石器时代石器时代陶器陶器青铜器青铜器铁器铁器钢铁（资本主义大工业时期）钢铁（资本主义大工业时期）合成材料（合成材料（2020世纪）世纪）复合材料（复合材料（2020世纪世纪4040年代）年代）三、三、材料科学技术材料科学技术现代文明的支柱之一现代文明的支柱之一 人与动物的区别：人与动物

3、的区别： 1 1、制造工具（本质）、制造工具（本质） 2 2、能源的利用、能源的利用 3 3、信息的传播和保存、信息的传播和保存支撑人类文明大厦的四大支柱技术：支撑人类文明大厦的四大支柱技术：材料科学与技术材料科学与技术生物科学与技术生物科学与技术能源科学与技术能源科学与技术信息科学与技术信息科学与技术1.2 1.2 工程材料的分类工程材料的分类一、按来源分为天然材料和人工材料一、按来源分为天然材料和人工材料二、接用途分为功能材料和结构材料二、接用途分为功能材料和结构材料 三、按化学性质分为三、按化学性质分为： 金属材料金属材料 陶瓷材料（离子键和共价键，离子键为主）陶瓷材料（离子键和共价键，

4、离子键为主）高分子材料（共价键、分子键和氢键，共价键高分子材料（共价键、分子键和氢键，共价键为主）为主）。四、工程材料的常见分类四、工程材料的常见分类 1 1 无机材料无机材料（金属、（金属、 金属间化合物、无机非金属材金属间化合物、无机非金属材料（料（ 玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷）玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷） 2 2 有机材料有机材料（有机天然材料、有机合成高分子材料）（有机天然材料、有机合成高分子材料） 3 3 复合材料复合材料 （金属基、陶瓷基、树脂基、金属间化（金属基、陶瓷基、树脂基、金属间化合物基）合物基） 1.3 1.3 课程性质与任务课程性质与任务1 1、性质、性质 在机械设计过程中不可避免

5、地要对工程材料的选在机械设计过程中不可避免地要对工程材料的选择、应用与加工等问题进行科学系统的分析并予以择、应用与加工等问题进行科学系统的分析并予以全面正确的解决。全面正确的解决。“机械工程材料机械工程材料”课程正是为实现课程正是为实现这一目标而设置的。这一目标而设置的。 2 2、任务、任务 通过本课程的学习使学生在获得工程材料一般知通过本课程的学习使学生在获得工程材料一般知识的基础上，识的基础上，了解常用材料成分、组织、性能和加了解常用材料成分、组织、性能和加工工艺之间的关系及其用途，从而使其初步具备合工工艺之间的关系及其用途，从而使其初步具备合理选择材料和使用材料、正确选择加工方法及安排理

6、选择材料和使用材料、正确选择加工方法及安排制定加工工艺路线的能力，制定加工工艺路线的能力，也为后继有关课程的学也为后继有关课程的学习奠定必要的材料学基础。习奠定必要的材料学基础。第一章第一章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 本章内容本章内容 1.1 1.1 材料的强度与塑性材料的强度与塑性1.2 1.2 材料的硬度材料的硬度1.3 1.3 材料的冲击韧性材料的冲击韧性1.4 1.4 材料的疲劳强度材料的疲劳强度1.5 1.5 材料的断裂韧度材料的断裂韧度 重点掌握重点掌握 各种力学性能指标（强度各种力学性能指标（强度, , 塑性；冲击韧性；硬度塑性；冲击韧性；硬度HBHB，HRCHRC，

7、HVHV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。义和单位。1.1材料的强度与塑性材料的强度与塑性1.拉伸试验及拉伸曲线2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义一、静载单向静拉伸应力一、静载单向静拉伸应力应变曲线应变曲线 1.1.拉伸试样拉伸试样：长试样：长试样：L L0 0= =1010d d0 0短试样：短试样：L L0 0= =5 5d d0 0LF0 0低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线脆性材料拉伸曲线2.2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：纵坐标为应力纵坐标为应力 单位单位 MPa(MN/mm )

8、MPa(MN/mm )， 横坐标为应变横坐标为应变 其中：其中：=F/S=F/S 表示材料抵抗变形和断裂的能力表示材料抵抗变形和断裂的能力（L L1 1-L-L0 0）/L/L0 03.3.曲线分为四阶段：曲线分为四阶段： 1 1）阶段）阶段I I（opeope）弹性变形阶段弹性变形阶段 p: Fpp: Fp ，e: Fe e: Fe （不产生永久变形的最大抗力）（不产生永久变形的最大抗力） opop段：段：L PL P 直线阶段直线阶段 pepe段：极微量塑性变形（段：极微量塑性变形（0.001-0.005%)0.001-0.005%) 2 2）阶段）阶段IIII（essess）段）段屈服变

9、形屈服变形 S: S: 屈服点屈服点 FsFs 3 3）阶段）阶段IIIIII（sbsb）段）段均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段 b:b: Fb Fb材料所能承受的最大载荷材料所能承受的最大载荷 4 4）阶段）阶段IV(bK) IV(bK) 段段局部集中塑性变形颈缩局部集中塑性变形颈缩 铸铁、陶瓷：只有第铸铁、陶瓷：只有第I I阶段阶段 中、高碳钢：没有第中、高碳钢：没有第IIII阶段阶段二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1 1刚度和弹性刚度和弹性 刚度刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。 E=/ E=/ 杨氏弹性模量

10、杨氏弹性模量 GPa, MPaGPa, MPa 本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。织不敏感的力系指标。 弹性弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。的最大应力。 比例极限比例极限：p=Fp/Aop=Fp/Ao 应力应力应变保持线性应变保持线性关系的极限应力值关系的极限应力值 弹性极限弹性极限：e=Fe/Ao e=Fe/Ao 不产永久变形不产永久变形的最大抗力。的最大抗力。2.2.强度：强度：材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。 屈服强度

11、屈服强度 s s：材料发生微量塑性变形：材料发生微量塑性变形时的应力值。即时的应力值。即在拉伸试验过程中，载在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。 条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：高碳钢等无屈服点，高碳钢等无屈服点，国家标准规定以国家标准规定以残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的时的应力值作为它的条件屈服强度，以应力值作为它的条件屈服强度，以0.20.2来表示来表示 抗拉强度抗拉强度 b b：材料断裂前所承受的最：材料断裂前所承受的最大应力值。大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。的极限应

12、力值）。 s0.2 延伸率延伸率 延伸率与试样尺寸有关；延伸率与试样尺寸有关；5 5、1010 (L (L0 0=5d,10d)=5d,10d) 断面收缩率断面收缩率 = =A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100%A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100% 时，无颈缩，为脆性材料表征；时，无颈缩，为脆性材料表征； KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KIKIC时，裂纹处于临界状态时，裂纹处于临界状态KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。4 4应用应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现。断裂韧性是强度和韧性的综合体现。（1 1）探测出裂纹形状和尺