清华版第一章力学部分

1、2022/8/311化学与工程工程材料2022/8/312绪论材料的定义 -用于制造有用的机器、器件或其它物品的物质。中华民族为材料的发展和应用作出了重大的贡献 最早的工具石器 新石器时代(公元前6000-5000年)陶器 东汉时期瓷器，成为最早生产瓷器的国家 青铜的冶炼始于夏朝(公元前2140年始) 2022/8/313 在新材料和材料加工新工艺的研究工作中取得卓有成效的重大成果 绪论研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢 在C60和碳纳米管新型碳材料的研究方面取得许多新的成果 在当代，科学技术和生产飞跃发展。材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。 随着航空、航天、

2、电子、通讯等技术以及机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越来越高、越来越多的要求复合材料的发展。 2022/8/314材料的分类按结合键分类 原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。 金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料等 按使用用途分 建筑材料、工程材料、包装材料、信息材料、生物医用材料等。2022/8/315材料的特点及使用金属有良好的导电性，有高的塑性与韧性陶瓷材料则有高的硬度但很脆，且大多是电的绝缘材料而高分子材料的弹性模量、强度、塑性都很低，多数也是不导电的。这些材料的不同性能都是由其内部结构决定的。从使用的角度看，一个机械产品，人们总是力求其使用性能优异、质

3、量可靠、制造方便、价格低廉。而产品的使用性能又与材料的成分和组织，以及加工工艺之间的关系非常密切。2022/8/316工程材料 具有一定性能，在特定条件下能够具有某种功能、被用来制作零件和元件的材料。工程材料2022/8/317课程学习目的及内容目的 通过学习了解工程材料的基本理论和基本知识，掌握常用的工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法，以具备合理选用常用工程材料的初步能力，为学习其它相关课程（如机械设计、机械加工制造、土木工程等）奠定必要的基础。课程的基本内容 工程材料的基本理论（材料的性能、结构、组成之间的关系、材料的加工原理等）， 典型工程材料的生产、应用简介 机械零件的失效、强

4、化、选材原则等2022/8/318第一章 工程材料的分类及性能1.1 工程材料分类2022/8/319金属材料分为黑色金属材料（钢和铸铁）和有色金属材料两大类 黑色金属：铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)； 有色金属：黑色金属以外的所有金属及其合金，主要包括铝合金、铜合金、钛合金、镍合金等。金属材料具有许多优良的使用性能 良好的机械性能、物理性能和加工工艺性能等。包括金属和以金属为基的合金。工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键。 2022/8/3110非金属材料无机非金属材料 玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料高分子材料 工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类： 塑料 合成纤维

5、 橡胶 胶粘剂2022/8/3111复合材料金属材料和非金属材料在性能上各有特点，如把两种材料组合在一起，发挥各自的长处，又可在一定程度上克服它们各自固有的弱点，即形成复合材料。复合材料可分为三大类型 高分子基复合材料、金属基和陶瓷基复合材料。金属基复合轴承材料塑料-玻璃钢复合填料陶瓷基海绵2022/8/31121.2 材料的性能材料的性能主要是指材料的使用性能和工艺性能：2022/8/3113工艺性能（一）铸造性能金属材料铸造成形获得优良铸件的能力，称为铸造性能。用流动度、收缩性和偏析来衡量。铸造： 将金属熔化成液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模型空腔中，带液态金属冷却凝固后将铸

6、型打开（或破坏）取出所形成的铸件毛坯。2022/8/31142022/8/3115（二）锻造性能锻造性能是指材料是否易于进行压力加工的性能。它取决于材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。2022/8/3116(三）焊接性能金属材料对焊接加工的适应性称为焊接性能钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素2022/8/3117（五）材料的热处理性能通过加热、保温、冷却的方法使材料在固态下的组织结构发生改变。2022/8/31181.2.1 力学性能力学性能是指材料抵抗各种外加载荷的能力，包括刚度、强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。2022/8/3119弹性：如果一种材料在应力

7、下发生形变，应力撤销后又恢复到原来的形状，这种材料被称为具有弹性。 刚度：材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量: 弹性状态下的应力与应变的 比值 (MPa) 弹性与刚度2022/8/31202022/8/3121弹性模量钢铁材料E 铜及铜合金E 铝及铝合金E金属材料的弹性模量E 结构不敏感性参数主要决定于材料的本身，是金属材料最稳定的性能之一。注意：陶瓷材料，高分子材料，复合材料 E 结构敏感 性参数实际上：机器零件或构件的刚度= 截面积材料的刚度= AE值得注意的是材料的刚度和某个零件的刚度不是一回事。零件刚度的大小取决于零件的几何形状和材料的弹性模量2022/8/31222022/8/312

8、3强度强度：在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力。 由拉伸实验测定 根据外力作用的方法不同分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪切强度和抗扭强度等。其中屈服强度和抗拉强度指标应用最广泛。 金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个： 弹性极限(e) 表示材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。 屈服点(s) 表示金属开始发生明显塑性变形的抗力, 铸铁等材料没有明显的屈服现象, 则用条件屈服点(0.2)来表示: 产生0.2%残余应变时的应力值。 强度极限(抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。2022/8/3124塑性：材料在外力作用下，产生永久残余

9、变形而不断裂的能力。即材料断裂前发生塑性变形的能力。塑性 伸长率() ：试样拉断后的相对伸长量（伸长量与原始标距长度之比）。 （L1L0）/L0100 断面收缩率( )：试样拉断处横截面积的相对收缩量（横截面积的缩减量与原始横截面积之比。 （S0S1）/S01002022/8/3125硬度 布氏硬度（HB）：即用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力压人试样表面，保持规定的时间后去除外力，在试样表面留下球形压痕。布氏硬度值是试验力除以压痕球冠表面积（F/S）。在试验中硬度值不需计算，是用刻度放大镜测出压痕直径d、然后对照查出相应的布氏硬度值。 硬度：材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压

10、痕或划痕的能力，用于衡量材料的软硬程度。硬度测试方法（压入法）：2022/8/3126布氏硬度指标用符号：HB。HBS用淬火钢球为压头，适用于测量布氏硬度值在450以下的金属材料；HBW用硬质合金球为压头适用于测量布氏硬度值在450650之间的金属材料。硬度数值均标写在布氏硬度符号之前。如，230HBS、500HBw。特点：布氏硬度试验压痕较大，试验结果较准确。但试验结果的求得较麻烦，费时间。主要用于测量布氏硬度值小于450的较软金属材料的硬度，如热轧钢材，经退火、正火、调质处理的钢和有色金属等；适用于原材料、铸造和锻造的毛坯件、半成品件；还适用于测定铸铁及滑动轴承合金等软且组织不均匀的材料布

11、氏硬度的压痕大，不能测定成品件的硬度，不适于测太薄的材料硬度。2022/8/3127洛氏硬度（HR）：以一定尺寸的淬火钢球或以顶角为120 的金刚石圆锥压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后再加主试验力。压入试样表面之后经规定时间去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度确定被测材料的洛氏硬度。 优点：操作简单、迅速，可测定软硬不同、厚度不一的试样，可在成品上测试； 缺点：精度差，数据重复性差。(a)加初始试验力F0 h02022/8/31282022/8/3129维氏硬度（HV)：以压痕单位表面积所承受试验力大小来计算硬度值的。它是用对面夹角为136 的金刚石四棱锥体，在一

12、定试验力作用下，在试样试验面上压出个正方形压痕。根据压痕两条对角线的长度查出维氏硬度值。 优点：精确度高，测量的硬度范围宽，特别适用于测定工件表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。 缺点：测试手续复杂。2022/8/3130各种硬度的硬度值之间不存在理论上的换算关系，它们之间不能用来直接比较材料的硬度高低。在要求不很精确时使用。 当布氏硬度值在200600HBS(W)范围时： HRC110HBS(W) 当布氏硬度值小于450HBS时： HBSHV HS16HBS 硬度指标的测定与其他力学性能指标测定相比较，其试验方法简便、迅速、易掌握，不需要特殊加工试样，试样可以是大小、厚薄、形状各异的原材料

13、，也可以是毛坯件或成品零件。 生产中常把硬度指标作为技术条件之一标注在图样中。表14所列是一些钢件的硬度要求.2022/8/31312022/8/3132疲劳强度构件常受低于屈服强度的应力的反复作用。这种循环应力常伴随旋转、弯曲、振动而产生。这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力。即使应力低于屈服强度，但如果工作时间较长，在经过多次加载-卸载后，材料仍有可能破坏。这种模式称为疲劳。2022/8/3133疲劳失效与一次脆断不同，其损伤是逐渐积累、逐渐发展的。疲劳是一种很危险的也是工程构件中最常见的失效形式。测量材料耐疲劳的通常方法是旋转悬臂梁试验。圆柱形的试件一端固定在马达驱动的卡盘上，重物悬

14、挂在另一端。开始时试件的上表面承受拉力，下表面承受压力。试件旋转90度后，原来产生压力和拉力的地方不再有应力作用。旋转180度时，原来承受拉力的地方承受压力。因而，每一点的应力都将从拉应力最大转化为压应力最大，其轨迹为完整的正弦曲线。2022/8/3134经过数次循环后，试件或许会破坏。总体上，一系列试件需要在不同的荷载下进行试验。结果以-N曲线的形式给出，即应力相对破坏时循环的次数N的曲线。由于N值的范围较大，这就以为描绘-N曲线时，N值坐标需要采用对数刻度钢铁材料：107次非铁合金：108次2022/8/3135部分工程材料的疲劳极限-1（MPa）2022/8/3136提高材料疲劳极限的途

15、径1、设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。2、材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和表面氧化等。3、机械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。4、零件表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。2022/8/3137金属材料的80%断裂属于疲劳断裂疲劳断裂的原因是表面或内部存在着缺陷，这些部位的局部应力大于屈服强度，从而产生局部的塑性变形而引起开裂，这些开裂口的尺寸随着循环次数的增加，而不断扩展，使承受应力的面

16、积大大减少，而不能承受载荷力而发生突然的断裂。2022/8/3138疲劳断裂的基本过程:(1)裂纹的产生：由于材料本身的各种缺陷和结构等原因，使零件受力时局部产生应力集中，形成疲劳裂纹源，达到一定条件时，产生裂纹。(2)裂纹扩展：裂纹形成后，在交变应力作用下将不断扩展。(3) 断裂：随着疲劳裂纹的扩展，有效承载面逐渐减小，当应力达到材料的断裂强度或断裂韧度时，发生快速断裂。2022/8/3139韧性韧性：材料断裂时所需能量的量度。冲击韧度(ak )：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧性。 常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口

17、处截面积 S0 , 即得到材料的冲击韧度 ak。 断裂韧度：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。 应力强度因子：K=Ya1/2 K 应力强度因子（MNm-3/2）； Y 与裂纹形状、试样几何形状有关的参数； 外加应力 （MPa） a 裂纹半长 （mm） 临界应力强度因子Kc：材料本身的特性，是一个反映材料性能的常数。2022/8/3140摆锤式一次冲击试验原理2022/8/3141液压式万能电子材料试验机2022/8/3142低碳钢- 曲线分析Oabcde试件在拉伸过程中经历了四个阶段，有两个重要的强度指标。 ob段弹性阶段(比例极限p弹性极限e )bc段屈服阶段屈服点 scd段强化阶段

18、 抗拉强度 bde段缩颈断裂阶段 b eps2022/8/3143工程实践中,常按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形,将材料分为塑性材料和脆性材料两大类。从理论上讲,脆性材料在拉伸断裂前仅发生弹性变形，不产生塑性变形 (5%)。塑性材料在拉伸断裂前不仅产生均匀伸长,而且发生颈缩现象.且塑性变形量大(5%) 。低碳钢是典型的塑性材料( 20%-30%)，铸铁是典型的脆性材料(1%)2022/8/31441.2.2 材料的物理性能密度 单位体积的物质的质量。熔点 材料的熔化温度。陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点，而高分子材料一般不是完全晶体，所以没有固定的熔点。导热性 材料传导热量的性能。一般来说金属及合金的导热系数远高于非金属材料。导电性 材料传导电流的能力。金属及其合金具有良好的导电性，高分子材料都是绝缘体； 陶瓷材料虽是良好的绝缘体，但某些成分的陶瓷却是半导体。 2022/8/3145热膨胀性 材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性一般，陶瓷的热胀系数最低，金属次之，高分子材料的线胀系数最高。磁性材料 能导磁的性能磁性材料分软磁材料和永磁材料。 软磁材料易磁化、导磁性良好，外磁场去除后，磁性基本消失，如电工纯铁 、硅钢片等。 永磁材料是经磁化，保持磁场，磁性不易消