工程材料课程讲稿

1、工程材料料 课程程讲稿授课题目目（教学学章、节节或主题题）： 第一章章 金金属材料料的性能能授课方式式（请打）理论课 讨论论课 实实验课 习习题课 其其他课时安排2学时教学要求求（分掌掌握、熟熟悉、了了解三个个层次）：通过本章章学习，使学生生掌握金属属材料的的主要力力学性能能（强度度、刚度度、弹性性、塑性性、硬度度、冲击击韧性、断裂韧韧度及疲疲劳强度度）；了解金金属材料料的物理理性能、化学性性能和工工艺性能能，为以以后各章章中研究究结构与与性能关关系打下下良好的的基础。教学重点点、难点点及关键键知识点点：重点：金金属材料料的主要要力学性性能（强强度、刚刚度、弹弹性、塑塑性、硬硬度、冲冲击韧性性

2、、断裂裂韧度及及疲劳强强度）难点：各各力学性性能的含含义及试试验的方方法。方法及手手段以启发式式讲授为为主教学基本本内容（教学过过程）改进设想想第一节金金属材料料的力学学性能力学性能能:是指材材料在受受力作用用下所表表现出的的性能。常用的的指标有:刚度、强强度、硬硬度、塑性、韧性和和疲劳强强度等。一、强度度 金属材料料抵抗塑塑性变形形或断裂裂的能力力，材料的的强度用用拉伸试试验测定定。(拉伸加加载速率率较低，俗称静静拉伸试试验，)（a）原原始试样样（b）拉伸后后试样 图11-1 圆柱柱形拉伸伸试样工程材料料 课程讲讲稿拉伸试验验机带有有自动记记录或绘绘图装置置，记录录或绘制制试件所所受的载载荷

3、P和和伸长量量l之间的的关系曲曲线。图1-22 低低碳钢的的拉伸曲曲线应力载荷除除以试件件的原始始截面积积即得应应力，应变伸长量量除以原原始标距距长度即即得应变变，金属材料料的强度度指标根根据其变变形特点点分下列列几个：1弹性性模量（）弹性模量量是指金金属材料料在弹性性状态下下的应力力与应变变的比值值。即 （工程上上将材料料抵抗弹弹性变形形的能力力称为刚刚度）2. 弹弹性极限限（e）表表示材料料保持弹弹性变形形，不产生生永久变变形的最最大应力力，是弹性性零件的的设计依依据。即 （MPPa）-弹性性极限载载荷(N)，-试样原原始横截截面积(mm22)3. 屈屈服点（屈服强强度s） 表表示金属属开

4、始发发生明显显塑性变变形的最最低应力力值。 即（MPaa）工程材料料 课程程讲稿-试样样屈服时时的载荷荷(N)，-试样样原始横横截面积积(mmm2)特殊：铸铸铁等材材料没有有明显的的屈服现现象，则用条条件屈服服点（）来表示示，即产生生0.22%残余余应变时时的应力力值。 即 （MMPa）-试样样产生00.2%残余伸长长时的载载荷(NN)，-试样样原始横横截面积积4. 强度度极限(抗拉强强度b ) 表表示金属属在破断断前所能能承受的的最大应应力。即 （MPaa）-破断断前所能能承受的的最大载载荷(NN)，-试样样原始横横截面积积(mmm2)特别提提示：金金属材料料的s和b是两项项重要的的力学性性

5、能指标标，是设设计、 计算零件件的依据据。对于于一般的的机器零零件来说说，不仅仅断裂会会使机器器零件失失效，即即使产生生小量的的塑性变变形，也也会使精精度降低低或影响响相对运运动而试试效，所所以机器器零件所所受的应应力往往往不能超超过s（或）。屈强比：s/b，其比比值越小小，结构构零件可可靠性越越高，万万一突然然超载，也不致致立刻破破断；但但材料强强度后备备（b）发挥挥不够，有效利利用率太太低。因因此，在在保证安安全条件件下，一一般希望望屈强比比尽量高一一些。不同材料料具有不不同的屈屈强比：碳素结结构钢为为0.66；普通低合合金钢为为0.6650.775； 合金结结构钢为为0.885。二、塑性

6、性 塑塑性是指指金属材材料在静静载荷作作用下，产生永永久变形形而不破破坏的能能力称为为塑性。伸长率率和断面面收缩率率是表示材料塑性性好坏的的指标。1. 伸长率率（） 伸伸长率是是指在拉拉伸试验验中, 试样拉拉断后标标距的伸伸长量与原始始标距的的百分比比，即试样拉拉断后的的标距伸伸长量，试样原原始标距距。工程材料料 课程程讲稿2. 断断面收缩缩率（） 断面面收缩率率是指试样样拉断后后, 缩缩颈处截截面积的的最大缩缩减量与与原始横断面面积的百百分比，即试样断断裂处的的最小横横断面积积，试样原原始横断面面积。特别提示示：或越大，表示材材料的塑塑性越好好。三、硬度度硬度是衡衡量材料料软硬程程度的指指标

7、，是是指材料料抵抗其其他硬物物体压入入其表面面的能力力，即受压压时抵抗抗局部塑塑性变形形的能力力。常用用测量硬硬度的方方法有布氏硬硬度（HB）、洛氏硬硬度（HR）、维氏硬硬度（HV）。1.布氏氏硬度 HB一定直径径的球体体(钢球球或硬质质合金球球)在一一定载荷荷作用下下压入试试样表面面，保持持一定时时间后卸卸除载荷荷，测量量其压痕痕直径, 计算算硬度值值。布氏氏硬度值值用球面面压痕单单位表面面积上所所承受的的平均压压力来表表示。当用淬淬火钢球球压头时时，硬度符号号为HBBS，适适用于布布氏硬度度4550的金金属材料料；压头为为硬质合合金球时时，硬度符号号为HBBW，适用于于布氏硬硬度为4450

8、6500的金属属材料。符号HBBS或HBWW之前的的数字表表示硬度度值，符符号后面面的数字字按顺序序分别表示示球体直直径、载载荷及载载荷保持持时间。如:1120HHBS110/110000/300表示直直径为110mmm的钢球球在10000kkgf（9.8807kkN）载载荷作用用下保持持30ss测得的的布氏硬硬度值为为1200。图1-33 布布氏硬度度试验原原理图优点：压压痕大，能反映映出较大大范围内内被测试试金属的的平均硬硬度，结结果准确确；缺点：因因压痕大大，不宜宜测试成成品或薄薄片金属属的硬度度。工程材料料 课程程讲稿2.洛氏氏硬度(HRAA、HRRB、HHRC)将将金刚石石压头(或钢

9、球球压头), 在在先后施施加两个个载荷(预载荷荷F0和总载载荷F)的作作用下压压入金属属表面。总载荷荷F为预载载荷F0和主载载荷F1之和。卸去主主载荷FF1后，测量其其残余压压入深度度h，用h与h0之差h来计算算洛氏硬硬度值。h 越大大, 表表示材料料硬度越越低，实际测测量时硬硬度可直直接从洛洛氏硬度度计表盘盘上读得得。根据据压头的的种类和和总载荷荷的大小小洛氏硬硬度常用用的表示示方式有有HRAA、HRRB、HHRC三三种。洛洛氏硬度度值为一一无名数数，它置置于符号号HR之之前，HHR后面面为使用用的标尺尺，如 50HHRC 表示用用C标尺尺测定的的洛氏硬硬度值为为50。氏硬度值值。h 越大大

10、, 表表示材料料硬度越越低, 实际测测量时硬硬度可直直接从洛洛氏硬度度计表盘盘上读得得。根据据压头的的种类和和总载荷荷的大小小洛氏硬硬度常用用的表示示方式有有HRAA、HRRB、HHRC三三种。图1-44 洛洛氏硬度度测量原原理图优点：操操作迅速速简便，由于压压痕小，故可在在工件表表面或较较薄的金金属上进进行试验验；同时时，采用用不同标标尺，可可测出从从极软到到极硬材材料的硬硬度。缺点：因因压痕较小，对组组织比较较粗大且且不均匀匀的材料料，测得得的硬度度不够准准确。3.维氏氏硬度HHV 用用一个相相对面夹夹角为113600的金刚刚石正四四棱锥体体压头，在规定定载荷FF作用下下压入被被测试金金属

11、表面面，保持持一定时时间后卸卸出载荷荷。测量量压痕投投影的两两对角线线的平均均长度dd，进而而计算出出压痕的的表面积积S，最最后求出出压痕的的表面积积上的平平均压力力（F/S），称为维维氏硬度度。如：6400HV330 表表示在330kggf载荷荷作用下下，保持持1015ss测得的的维氏硬硬度值为为6400。优点：载载荷小，压入深深度浅，可测零零件表面面淬硬层层及化学学热处理理的表面面层；同同时维氏氏硬度是是一个连连续一致致的标尺尺，试验验时载荷荷可任意意选择，而不影影响其硬硬度值的的大小，因此可可测出从从极软到到极硬材材料的硬硬度。缺点：测测定较麻麻烦，工工作效率率不如洛洛氏硬度度高。特别提

12、示示：当硬硬度小于于4500HBSS时 HBSSHV当硬度在在20006000HBSS（HBBW）时时，HRRC1/110HBBS（或或HBWW）工程材料料 课程程讲稿四、冲击击韧性（）许多机械械零件和和工具在在工作中中, 往往往要受受到冲击击载荷的的作用, 如活活塞销、锤杆、冲模和和锻模等等。材料抵抵抗冲击击载荷作作用的能能力称为为冲击韧韧性，常常用一次次摆锤冲冲击弯曲曲试验来来测定。测得试试样冲击击吸收功功,用符符号 AAk 表表示。试试样冲断断时所消消耗的冲冲击功Ak = m g HH - m g hh (JJ)冲击韧性性值就是是试样缺缺口处单单位面积积上所消消耗的冲冲击功。图1-55试

13、样安安装及冲冲击试验验原理图图工程材料料 课程程讲稿五、疲劳劳强度轴、齿轮轮、轴承承、叶片片、弹簧簧等零件件，在工工作过程程中各点点的应力力随时间间作周期期性的变变化，这这种随时时间作周周期性变变化的应应力称为为交变应应力(也也称循环环应力)。在交交变应力力作用下下，虽然然零件所所承受的的应力低低于材料料的屈服服点，但但经过较较长时间间的工作作而产生生裂纹或或突然发发生完全全断裂的的过程称称为金属属的疲劳劳。材料料承受的的交变应应力()与材材料断裂裂前承受受交变应应力的循循环次数数(N)之间的的关系可可用疲劳劳曲线来来表示。金属承承受的交交变应力力越大, 则断断裂时应应力循环环次数NN越少。当

14、应力低低于一定定值时, 试样样可以经经受无限限周期循循环而不不破坏, 此应应力值称称为材料料的疲劳劳极限(亦叫疲疲劳强度度)，用用-1表示示。钢材的的循环次次数一般般取 NN = 1077有色金属属的循环环次数一一般取 N = 1008钢材的疲疲劳强度度与抗拉拉强度之之间的关关系:-1 = (00.4550.55)图1-66疲劳劳曲线（SNN曲线）示意图图1.一般般钢铁材材料22.有色色金属、高强度度钢等六、断裂裂韧性 桥梁、船舶、大型轧轧辊、转转子等有有时会发发生低应应力脆断断，这种种断裂的的名义断断裂应力力低于材材料的屈屈服强度度。尽管管在设计计时保证证了足够够的延伸伸率、韧韧性和屈屈服强

15、度度，但仍仍不免破破坏。究究其原因因是构件件或零件件内部存存在着或或大或小小、或多多或少的的裂纹和和类似裂裂纹的缺缺陷造成成的。裂裂纹在应应力作用用下可失失稳而扩扩展，导导致机件件破断。材料抵抵抗裂纹纹失稳扩扩展断裂裂的能力力叫断裂裂韧性。工程材料料 课程程讲稿第二节金金属材料料的其他他性能一、金属属的物理理性能1.密度度： 单位位体积物物质的质质量称为为该物质质的密度度。密度度小于55103 kgg/m3 的金金属称为为轻金属属，如铝、镁、钛钛及它们们的合金金。密度度大于55103 kgg/m3的金属属称为重重金属，如铁、铅、钨钨等。轻轻金属多多用于航航天航空空器上。2.熔点点： 金属属从固

16、态态向液态态转变时时的温度度称为熔熔点，纯纯金属都都有固定定的熔点点。熔点点高的金金属称为为难熔金金属，如如钨、钼钼、钒等等，可以以用来制制造耐高高温零件件，如在在火箭、导弹、燃气轮轮机和喷喷气飞机机等方面面得到广广泛应用用。熔点点低的金金属称为为易熔金金属如锡锡、铅等等，可用用于制造造保险丝丝和防火火安全阀阀零件等等。3.导热热性： 导热热性通常常用热导导率来衡衡量。热热导率越越大，导热性性越好。金属的的导热性性以银为为最好，铜、铝铝次之。合金的的导热性性比纯金金属差。在热加加工和热热处理时时，必须须考虑金金属材料料的导热热性，防防止材料料在加热热或冷却却过程中中形成过过大的内内应力，以免零

17、零件变形形或开裂裂。导热热性好的的金属散散热也好好，在制制造散热热器、热热交换器器与活塞塞等零件件时，要要选用导导热性好好的金属属材料。4.导电电性： 传导电电流的能能力称导导电性，用电阻阻率来衡衡量。电电阻率越越小，金金属材料料导电性性越好，金属导导电性以以银为最最好，铜铜、铝次次之。合合金的导导电性比比纯金属属差。电电阻率小小的金属属(纯铜铜、纯铝铝)适于于制造导导电零件件和电线线。电阻阻率大的的金属或或合金(如钨、钼、铁铁、铬、铝)适适于做电电热元件件。5.热膨膨胀性： 金属属材料随随着温度度变化而而膨胀、收缩的的特性称称为热膨膨胀性。由膨胀胀系数大大的材料料制造的的零件, 在温温度变化

18、化时, 尺寸和和形状变变化较大大。轴和和轴瓦之之间要根根据其膨膨胀系数数来控制制其间隙隙尺寸；在热加加工和热热处理时时也要考考虑材料料的热膨膨胀影响响, 以以减少工工件的变变形和开开裂。6.磁性性：铁磁性材材料 在外外磁场中中能强烈烈地被磁磁化，如如铁、钴钴等。顺磁性材材料 在在外磁场场中只能能微弱地地被磁化化，如锰锰、铬等等。 抗磁性材材料 能抗抗拒或削削弱外磁磁场对材材料本身身的磁化化作用，如铜、锌等。铁磁性材材料可用用于制造造变压器器、电动动机、测测量仪表表等。抗抗磁性材材料则用于要要求避免免电磁场场干扰的的零件和和结构材材料，如如航海罗罗盘。铁铁磁性材材料当温温度升高高到一定定数值时时

19、，磁畴畴被破坏坏，变为为顺磁体体，这个个转变温度称为为居里点点，如铁铁的居里里点是7770 。工程材料料 课程程讲稿二、金属属的化学学性能 主要指指耐腐蚀蚀性和抗抗氧化性性。金属属材料的的耐腐蚀蚀性和抗抗氧化性性统称化化学稳定定性。在在高温下下的化学学稳定性性称为热热稳定性性。1.耐腐蚀蚀性： 金属材材料在常常温下抵抵抗氧、水蒸气气及其它它化学介介质腐蚀蚀破坏作作用的能能力称耐耐腐蚀性性，碳钢钢、铸铁铁的耐腐腐蚀性较较差；钛钛及其合合金、不不锈钢的的耐腐蚀蚀性好；铝合金金和铜合合金有较较好的耐耐腐蚀性性。2.抗氧化化性： 金属材材料在加加热时抵抵抗氧化化作用的的能力称称抗氧化化性。加加入Crr、Sii等元素素, 可可提高钢钢的抗氧氧化性。如4CCr9SSi2可可制造内内燃机排排气阀及及加热炉炉炉底板板、料盘等等。 三、金属属材料的的工艺性性能1.铸造造性能：金属材