机械工程材料及选用 第一章力学性能

1、3本课程(kchng)教材何庆复。机械工程材料及选用(xunyng)。中国铁道出版社，北京，2008 共八十七页4主要(zhyo)参考书朱张校，姚可夫。工程材料（第五版）。清华大学出版社，北京，2011庄哲峰。工程材料及其应用。华中科技大学出版社，武汉，2013付广艳。机械工程材料。北京理工大学出版社，北京，2014王正品(zhngpn)，李炳。工程材料。机械工业出版社，北京，2012共八十七页5主要(zhyo)参考书戈晓岚。机械工程(gngchng)材料（第二版）。北京大学出版社，北京，2013魏小胜。工程材料（第二版）。武汉理工大学出版社，武汉，2013韩永生。工程材料性能与选用。机械工业

2、出版社，北京，2013崔占全，孙振国。工程材料（第二版）。机械工业出版社，北京，2011共八十七页7工程(gngchng)材料第一章 金属材料力学性能 第二章 金属晶体结构与塑性变形第三章 金属结晶及合金相图(xin t)第四章 钢的热处理第五章 钢铁材料及其应用第六章 有色金属及应用第七章 非金属材料第八章 材料选择基础共八十七页8绪论(xln)材料的重要性材料是社会发展的物质基础，材料的发展往往标志着时代的进步，如石器时代、铜器时代、铁器时代(tiq shdi)等都是以材料来代表人类发展的不同阶段。人类冶金史至今已有6000多年，经历了三次大的发展，其中两次发生在中国。第一次是我国商周时期

3、青铜冶铸技术大发展。共八十七页9绪论(xln)第二次是我国战国秦汉时期冶铁与生铁炼钢技术的大发展。第三次是18世纪欧洲近代冶金技术的大发展。材料技术与能源技术和信息技术一起构成(guchng)了现代文明的三大支柱。材料的分类两分法：将材料分为有机材料和无机材料两大类。共八十七页10绪论(xln)三分法：是最常用的材料分类方法，将材料分为(fn wi)金属材料、无机非金属材料和有机材料三大类。四分法：将材料分为金属材料、无机非金属材料、有机材料和复合材料四大类。金属材料包括：黑色金属（钢和铁）及有色金属。共八十七页11绪论(xln)无机非金属材料主要包括：陶瓷、人工晶体、玻璃、耐火材料、胶凝材料

4、、碳素材料等。有机材料主要包括：塑料、橡胶、胶粘剂等。复合材料(f h ci lio)：由两种或两种以上不同组元构成的多相材料。例如纤维增强复合材料；颗粒增强复合材料；层状复合材料等。以上各种材料广泛用于工业生产的各个领域。共八十七页12绪论(xln)工程材料？工程材料是工业生产中用作结构和机械零件的材料。工程材料的应用：机床等各种机械(jxi)、汽车等各种交通工具、飞机、火箭等各种航空航天器、仪器仪表、热能设备、化工设备等各类设备。共八十七页13绪论(xln)机床机床的零部件很多，机身和底座、齿轮、轴类、联接件、传动件、轴承(zhuchng)等零件的常用材料有钢、铸铁、铜合金、工程塑料等。共

5、八十七页机床(jchung)零件共八十七页15绪论(xln)汽车 汽车用材以金属材料为主，塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料也占一定的比例。发动机缸体、缸盖、缸套、活塞、连杆、气门、半轴、齿轮(chln)等典型零件常用金属材料有调质钢、渗碳钢、铸铁、铸铝、轴瓦合金等。共八十七页共八十七页汽车(qch)发动机和传动系示意图共八十七页18绪论(xln)航空(hngkng)航天器航空航天器用材：高合金耐热钢、镍基高温合金、钛合金、铝合金、镁合金、树脂基复合材料、碳/碳复合材料等。共八十七页共八十七页东方红一号人造地球卫星(wixng) 共八十七页航天飞机(hngtinfij) 共八十七页22绪论(xln)

6、仪器仪表材料仪器仪表的壳体、轴类、凸轮、齿轮(chln)、蜗轮和蜗杆等零件的常用材料为调质钢、铜合金、铝合金、工程塑料等。热能设备材料锅炉和汽轮机的主要零件如锅炉管道、汽包、汽轮机叶片、转子和静子等都采用高合金耐热钢、高温合金等制造。共八十七页23绪论(xln)化工设备材料(cilio)化工设备中的常用材料包括：合金钢（不锈钢、耐热钢），有色金属及其合金（铜合金、铝合金），非金属材料（陶瓷、工程塑料）等。共八十七页24绪论(xln)本门课程的重点：金属材料。主要包括四方面内容：金属学；热处理；金属材料学；金属力学性能学习目标：了解和掌握金属材料成分组织和性能之间的关系。会运用(ynyng)热处

7、理工艺改变金属材料的组织和性能,满足生产需要。会合理选择和应用金属材料。共八十七页25绪论(xln)非金属材料熟悉特种陶瓷的性能特点、改善性能的途径和应用。 熟悉常用(chn yn)高分子材料的特性、应用及制品。了解合成纤维、橡胶和胶粘剂的性能特点和用途.复合材料了解复合材料复合机制和原则。熟悉常用复合材料的性能，了解应用。 共八十七页26工程(gngchng)材料第一章 金属材料力学性能 第二章 金属晶体结构与塑性变形第三章 金属结晶(jijng)及合金相图第四章 钢的热处理第五章 钢铁材料及其应用第六章 有色金属及应用第七章 非金属材料第八章 材料选择基础共八十七页27第一章 金属材料力学

8、性能 金属材料的使用性能包括物理、化学、工艺和力学性能，对于工程材料来说，最重要的是力学性能和工艺性能。金属材料的力学性能是指金属在外加载荷(zi h)或环境因素作用下所表现的行为。金属材料常用的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等。共八十七页28第一章 金属材料力学性能 本章将介绍金属材料力学性能的基础知识，并着重(zhuzhng)介绍表征金属材料力学行为的强度硬度塑性韧性等性能指标的物理概念及实际意义。共八十七页29第一章 金属材料力学性能第一节 金属的拉伸(l shn)试验第二节 金属的弹性与塑性第三节 金属的力学性能共八十七页第一节 金属(jnsh)的拉伸试验拉伸试验(shyn)是工业

9、上最广泛使用的力学性能试验(shyn)方法之一。通常在万能材料试验(shyn)机上进行试验(shyn)。 共八十七页通过(tnggu)传感器测量拉伸试验中的载荷P与伸长量L后，由自动记录仪绘出P-L关系曲线，称为拉伸曲线或拉伸图。 共八十七页32拉伸(l shn)过程中试样形状的变化共八十七页33金属在外加载荷作用下的变形过程一般可分为三个阶段，即弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和断裂阶段。由金属的拉伸曲线 (P-L) 得到的应力-应变曲线（-曲线， =P/F0，= L/L0）具有相同形状。金属材料的拉伸曲线除低碳钢这种类型外，还有其它不同的类型，如脆性(cuxng)材料铸铁的拉伸曲线。第一节 金

10、属(jnsh)的拉伸试验共八十七页脆性(cuxng)材料拉伸曲线共八十七页35第一章 金属材料力学性能第一节 金属(jnsh)的拉伸试验第二节 金属的弹性与塑性第三节 金属的力学性能共八十七页36第二节 金属的弹性(tnxng)与塑性1.2.1 金属的弹性(tnxng)变形 1.2.2 金属的塑性变形 共八十七页371.2.1 金属的弹性(tnxng)变形弹性变形是可逆的，加载或卸载时，应力与应变之间都保持单值线性关系，变形量小，一般不超过0.5% 1%。弹性模量：是表征(bio zhn)材料抵抗弹性变形能力的性能指标，用E表示。E值的大小反映了金属弹性变形的难易程度，主要由金属的种类和晶体结

11、构所决定。共八十七页弹性极限：是材料(cilio)发生弹性变形的最大应力值。超过弹性极限，材料(cilio)便开始发生塑性变形。即： e =Pe/F0 比例极限(jxin)：是应力与应变成正比关系的最大应力值。即：p =Pp/F0共八十七页391.2.1 金属(jnsh)的弹性变形p的实际意义：服役时其应力应变关系严格维持直线关系的构件，如测力计弹簧等，选择这类构件的材料应以比例极限为依据；e的实际意义：服役条件要求(yoqi)构件不允许产生微量塑性变形，设计时应按弹性极限来选材。共八十七页401.2.1 金属的弹性(tnxng)变形弹性不完整性：包括包申格效应(xioyng)、弹性后效和弹性

12、滞后等现象。包申格效应：金属经预先加载产生微量塑性变形后，同向加载弹性极限升高，反向加载弹性极限降低的现象。弹性后效：加载或卸载时应变滞后于应力而和时间有关的现象，又称滞弹性。弹性滞后：金属在弹性区内加载-卸载循环时，加载线和卸载线不重合而形成封闭回线的现象。共八十七页41第二节 金属的弹性(tnxng)与塑性1.2.1 金属的弹性(tnxng)变形 1.2.2 金属的塑性变形 共八十七页421.2.2 金属(jnsh)的塑性变形塑性：金属断裂时发生(fshng)塑性变形最大值的相对量。塑性变形是一种不可逆变形。随着外力增加其塑性变形量也增加。断裂时塑性变形量达到最大值。塑性指标有两种：延伸率

13、和断面收缩率。延伸率：金属断裂时的最大相对伸长量。用百分数表示：= (Lk- L0 ) /L0100%共八十七页431.2.2 金属(jnsh)的塑性变形试样的原始截面积和原始标距长度影响其延伸率，为了使数据统一、可比，规定使用国标试样，试样的尺寸有两种：L0 =5d0或10d0。分别以5 或10 表示，且5 10。 代表(dibio)用10倍试样得到的延伸率。断面收缩率：试样断裂处截面的相对收缩值，也用百分数表示，= (F0- Fk)/F0100% F0试样原始截面积；Fk试样断裂后断裂处的最小截面积。共八十七页44第一章 金属材料力学性能第一节 金属的拉伸(l shn)试验第二节 金属的弹

14、性与塑性第三节 金属的力学性能共八十七页45第三节 金属(jnsh)的力学性能1.3.1 金属强度1.3.2 金属韧性1.3.3 金属的硬度(yngd)1.3.4 金属的疲劳共八十七页461.3.1 金属(jnsh)强度金属的强度(qingd)是表征金属材料抵抗变形和断裂的能力。屈服极限：是金属产生塑性变形的最小应力值，也称为屈服强度。 即：s=PS / F0共八十七页低碳钢的屈服强度为拉伸曲线水平台对应的应力值。对于没有明显屈服现象的金属，如高强钢、铸铁等，人为规定拉伸试样标距部分产生0.2%塑性(sxng)伸长率时的应力值作为材料的屈服强度，以0.2表示。屈服强度(qingd)的确定共八十

15、七页抗拉强度：是金属拉伸试验中试样所能承受(chngshu)的最大拉应力。 即：b=Pb / F0共八十七页塑性(sxng)金属在最大载荷出现前，变形基本均匀分布于试样标距部分；最大载荷出现后，发生集中变形，试样上出现颈缩。 拉伸试样的颈缩现象共八十七页50第三节 金属(jnsh)的力学性能1.3.1 金属(jnsh)强度1.3.2 金属韧性1.3.3 金属的硬度1.3.4 金属的疲劳共八十七页511.3.2 金属(jnsh)韧性金属的韧性：指金属断裂前吸收变形功和断裂功的能力(nngl)，或材料抵抗裂纹扩展的能力(nngl)。常用的韧性指标有冲击韧性与断裂韧性。共八十七页521.3.2.1

16、金属(jnsh)的冲击韧性冲击韧性：表征材料抵抗冲击载荷作用不发生断裂的能力。冲击韧性试验(shyn)在摆锤式冲击试验(shyn)机上进行。使用国标规定的U型或V型缺口试样。 共八十七页冲击(chngj)试样冲击(chngj)试验原理(Charpy)final heightinitial height共八十七页541.3.2.1 金属(jnsh)的冲击韧性冲断试样所消耗的冲击功为：Ak= mg (H1-H2)冲击功Ak的数值可直接从冲击试验机的表盘(biopn)上读出，单位为J（焦耳）。Ak除以试样缺口处的截面积 FN 即得材料的冲击韧性ak：ak = Ak / FN (J/cm2)U型或V型

17、缺口试样的冲击功分别用Aku和Akv表示，它们的冲击韧性则分别用aku和akv表示。共八十七页55冲击韧性对材料微观组织变化极为敏感，生产(shngchn)上经常用来检验冶炼、热加工和热处理质量。随温度的降低，冲击韧性值减小，当降至某一温度时，冲击韧性值发生急剧降低，这种现象称为低温脆性，或冷脆。冲击韧性值明显下降的温度称为冷脆转变温度，以Tk表示。1.3.2.1 金属(jnsh)的冲击韧性共八十七页561.3.2.2 金属(jnsh)的断裂韧性为防止构件断裂，传统设计是使工作许用，而许用=0.2/n ，n为安全系数，一般取1.52。再对材料(cilio)的塑性（、）、韧性（ak、Tk）等指标

18、提出一定的要求。但却经常有工作应力低于屈服强度发生脆性断裂的现象发生。在屈服强度以下产生的脆性断裂称为低应力脆性断裂。共八十七页571.3.2.2 金属(jnsh)的断裂韧性低应力脆断实际金属构件中的微裂纹失稳扩展引起的。裂纹可以是冶金缺陷，加工裂纹或使用中生产的裂纹。断裂韧性KIC：表征材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。裂纹尖端存在一个特殊分布的应力场。应力场的强弱可用应力场强度因子(ynz)KI 描述。共八十七页K=Y a （MN/m3/2） 2a裂纹尺寸; 外加应力; Y与裂纹形状、加载方式和试样(sh yn)几何形状有关的无量纲的常数。型裂纹(li wn)示意图共八十七页591.3.2.2

19、金属(jnsh)的断裂韧性K=KC是构件发生低应力脆断的临界条件，KKC时构件发生低应力脆性断裂；KKC时构件可安全可靠运行。公式 K = Y a = KIC 可以解决的问题：由材料的KIC和工作应力，可估算出构件所能允许(ynx)的最大裂纹尺寸 2a；共八十七页601.3.2.2 金属(jnsh)的断裂韧性由材料的KIC 和裂纹尺寸2a，估算出构件的最大承载能力；由构件的工作(gngzu)应力和裂纹尺寸2a，估算出构件选材所要求的最小KIC值。 按断裂韧性设计的构件，既可以充分发挥材料强度潜力，又可以有效地防止构件发生脆性断裂。共八十七页611.3.2.2 金属(jnsh)的断裂韧性断裂韧性

20、已成为设计高强度材料构件和用中、低强度材料制造的大型构件的重要性能指标。断裂韧性是对材料成分(chng fn)、组织敏感的力学性能指标，可以通过合金化、热处理等方法改变。共八十七页62第三节 金属(jnsh)的力学性能1.3.1 金属强度1.3.2 金属韧性(rn xn)1.3.3 金属的硬度1.3.4 金属的疲劳共八十七页631.3.3 金属(jnsh)的硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。测定硬度的方法可分为压入法和刻划法两大类。常用的布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度均为压入法，其硬度值则表示(biosh)金属抵抗局部塑性变形的能力。里氏硬度则属于动载试验法，其硬度值表征金

21、属弹性变形功的大小。共八十七页641.3.3 金属(jnsh)的硬度硬度(yngd)值实际上不是一个单纯的物理量，它是表征着材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标。共八十七页651.3.3.1 布氏硬度以一定直径D (2.510mm) 的淬火钢球或硬质合金球为压头，施以一定的载荷P (62.53000kg)，压入试样表面，保持规定时间后卸载，试样表面将残留(cnli)一个压痕。测量压痕直径d（mm）并计算球冠形压痕表面积F ( mm2)。共八十七页661.3.3.1 布氏硬度用载荷P 除以压痕表面积F，就得到材料(cilio)的布氏硬度值HB。压头为淬火

22、钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料；压头为硬质合金球时，布氏硬度用符号HBW表示，适用于布氏硬度值为450650的材料。HB=P/F=2P/D(D-D2-d2) 共八十七页671.3.3.1 布氏硬度优点：布氏硬度试验压痕面积较大，硬度值能反映金属大范围内各组成相的平均性能，不受组成相微观不均匀性的影响。试验数据稳定，重复性强。缺点：不同材料需要更换不同直径的压头和改变载荷；测量压痕直径较麻烦，自动检测时受到限制；压痕较大不宜在成品(chngpn)上进行试验。共八十七页681.3.3.2 洛氏硬度洛氏硬度也是一种压入硬度试验，它以压痕深度(shnd)的大小表示

23、材料的硬度值，是工业生产中应用最广泛的试验方法。共八十七页691.3.3.2 洛氏硬度为适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，规定用一常数K减去压痕深度(shnd) h作为硬度值，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，因此洛氏硬度HR的计算式为： HR = (k-h)/0.002常用的洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三种标尺。不同标尺针对不同硬度的材料，采用不同的压头类型和载荷大小。共八十七页70钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕HRA用于测量高硬度材料，如硬质合金(yn zh h jn)、表面淬火层和渗碳层。压头为锥角120的金刚石圆锥体，载荷60kg。HRB用于测量低硬度材料，如有色金属

24、和退火、正火钢等。压头为1.588mm的淬火钢球，载荷为100kg。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。压头与HRA相同，载荷为150kg。共八十七页711.3.3.2 洛氏硬度优点: 操作简便，硬度值可直接读出;压痕小，可在工件上进行试验;可测软硬不同和厚薄不一的金属试样的硬度。缺点: 压痕小，材料有偏析及组织不均匀等缺陷，所测硬度值重复性差，分散度大;不同标尺的硬度值彼此(bc)不能直接比较。共八十七页721.3.3.3 维氏硬度维氏硬度与布氏硬度一样，是以单位(dnwi)面积压痕所承受的载荷来表示硬度值的大小。维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕共八十七页731.3.3.3

25、 维氏硬度维氏硬度压头是相对面夹角136 的金刚石正四棱锥体。根据压痕对角线长度 d 计算压痕的表面积F（mm2），则维氏硬度HV的计算式为： HV=P/F=2Psin(136/2)/d2=1.8544P/d2优点：可测量从软到硬的所有材料(cilio)，可任意选取载荷，压痕测量精度高，硬度值较为精确。缺点：硬度值需通过测量压痕对角线长度进行计算或查表得出。共八十七页741.3.3.4 显微(xin wi)硬度就是小载荷的维氏硬度试验，其原理和维氏硬度试验一样，所不同的是载荷P以克计量，压痕对角线 d 以微米计量。显微硬度主要用来测定各种组成相的硬度和表面硬化层的硬度分布(fnb)。用符号HM

26、表示。HM = 1854.4P/d2共八十七页751.3.3.5 里氏硬度里氏硬度是一种动载荷试验方法。基本原理：用规定(gudng)质量的碳化钨球冲头，在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度VR与冲击速度VA的比值计算硬度值。里氏硬度用符号HL表示：HL = 1000VR/ VA共八十七页761.3.3.5 里氏硬度里氏硬度值可直接由显示装置显示出来。是一种轻便的便携式硬度计，主要用于大型金属产品及部件的硬度检验，特别适用于不易移动的大型工件和不易拆卸的大型部件及构件的现场硬度检验。缺点：试验结果的准确性受人为因素影响(yngxing)较大，硬度测量精度较低

27、。共八十七页77第三节 金属(jnsh)的力学性能1.3.1 金属强度(qingd)1.3.2 金属韧性1.3.3 金属的硬度1.3.4 金属的疲劳共八十七页781.3.4 金属(jnsh)的疲劳轴、齿轮、弹簧都是在变动载荷（也称交变应力）下工作，工作应力通常低于材料的屈服强度,但长时间工作仍会发生断裂，这种现象叫金属的疲劳。疲劳断裂不产生明显的塑性变形，断裂突然发生，具有很大的危险性，易造成严重事故。据统计，在损伤(snshng)的机器零件中，有80%以上属于疲劳断裂。共八十七页791.3.4 金属(jnsh)的疲劳变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变化的载荷。变动载荷分为周期性变动载荷（也

28、称循环应力(yngl)）和随机变动载荷。实验室研究多采用循环应力。最常见的循环应力为载荷与时间呈正弦曲线的对称应力循环。共八十七页 循环(xnhun)应力特性循环应力的三个参量(cnling)表示: 应力幅 a =(max-min)/2 ; 平均应力 m = (max+min)/2 ;应力循环对称系数 r =min /max共八十七页811.3.4 金属(jnsh)的疲劳疲劳曲线：材料承受的交变载荷 S 与材料断裂前承受交变应力(yngl)的循环次数 N之间的关系可用S-N曲线来表示，也称疲劳曲线。共八十七页 疲劳曲线示意图 金属(jnsh)承受的交变载越荷越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限r ，对称循环载荷的疲劳极限用-1 表示。共八十七页 疲劳曲线示意图 疲劳曲线水平部分所对应的应力就是疲劳极限，也称为疲劳强度，它表示(biosh)材料经受无限次(大于106-7 )应力循环而不断裂的最大应力。共八十七页841.3.4 金属(jnsh)的疲