工程材料课程讲稿

1、工程材料 课程讲稿授课题目（教教学章、节节或主题题）： 第一章章 金金属材料料的性能能授课方式（请打）理论课 讨论课课 实实验课 习习题课 其其他课时安排2学时教学要求（分分掌握、熟熟悉、了了解三个个层次）：通过本章学学习，使使学生掌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、断断裂韧度度及疲劳劳强度）；了解金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能，为以后各章中研究结构与性能关系打下良好的基础。教学重点、难难点及关关键知识识点：重点：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、断断裂韧度度及疲劳劳强度）难点：各力

2、力学性能能的含义义及试验验的方法法。方法及手段段以启发式讲讲授为主主教学基本内内容（教教学过程程）改进设想第一节 金金属材料料的力学学性能力学性能:是指材材料在受受力作用用下所表表现出的的性能。常用的指标有:刚度、强度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。一、强度 金属材料抵抵抗塑性性变形或或断裂的的能力，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）原始始试样（bb）拉伸伸后试样样 图11-1 圆柱柱形拉伸伸试样工程材料 课程讲稿拉伸试验机机带有自自动记录录或绘图图装置，记记录或绘绘制试件件所受的的载荷PP和伸长长量l之间的的关系曲曲线。图1-2 低碳碳钢

3、的拉拉伸曲线线应力载载荷除以以试件的的原始截截面积即即得应力力，应变伸伸长量除除以原始始标距长长度即得得应变，金属材料的的强度指指标根据据其变形形特点分分下列几几个：1弹性模模量（） 弹性性模量是是指金属属材料在在弹性状状态下的的应力与与应变的的比值。即 （工工程上将将材料抵抵抗弹性性变形的的能力称称为刚度度）2. 弹性性极限（e） 表示示材料保保持弹性性变形，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 （MMPa）-弹性极极限载荷荷(N)，-试样原原始横截截面积(mm22)3. 屈服服点（屈屈服强度度s） 表示示金属开开始发生生明显塑塑性变形形的最低低应力值值。 即

4、（MPPa）工程材料 课程讲讲稿-试样屈屈服时的的载荷(N)，-试样样原始横横截面积积(mmm2)特殊：铸铁铁等材料料没有明明显的屈屈服现象象，则用条条件屈服服点（）来来表示，即即产生00.2%残余应应变时的的应力值值。 即 （MMPa）-试样产产生0.2%残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 ) 表示示金属在在破断前前所能承承受的最最大应力力。即 （MMPa）-破断前前所能承承受的最最大载荷荷(N)，-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能指标标，是设设计、 计算零件的的依据。对对于一般般

5、的机器器零件来来说，不不仅断裂裂会使机机器零件件失效，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，也也不致立立刻破断断；但材材料强度度后备（b）发挥不够，有效利用率太低。因此，在保证安全条件下，一般希望屈强比尽量高一些。不同材料具具有不同同的屈强强比：碳碳素结构构钢为00.6；普通低合金金钢为00.6550.775； 合金结结构钢为为0.885。二、塑性 塑性性是指金金属材料料在静载载荷作用用下，产产生永久久变形而而不破坏坏的能

6、力力称为塑塑性。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. 伸长长率（） 伸长长率是指指在拉伸伸试验中中, 试试样拉断断后标距距的伸长长量与原始始标距的的百分比比，即试样拉断断后的标标距伸长长量，试样原原始标距距。工程材料 课程讲讲稿2. 断面面收缩率率（） 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，即即试样断裂裂处的最最小横断断面积，试样原原始横断面面积。特别提示：或越大，表表示材料料的塑性性越好。三、硬度硬度是衡量量材料软软硬程度度的指标标，是指指材料抵抵抗其他他硬物体体压入其其表面的的能力，即受压压时抵抗抗局部塑塑

7、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）、维氏氏硬度（HV）。 1.布氏硬硬度 HHB一定直径的的球体(钢球或或硬质合合金球)在一定定载荷作作用下压压入试样样表面，保保持一定定时间后后卸除载载荷，测测量其压压痕直径径, 计计算硬度度值。布布氏硬度度值用球球面压痕痕单位表表面积上上所承受受的平均均压力来来表示。当用淬火火钢球压压头时，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；压头为硬硬质合金金球时，硬度符号号为HBBW，适用于于布氏硬硬度为44506500的金属属材料。符号HBSS或HBWW之前的的数字表表示硬度度值，符符号后面

8、面的数字字按顺序序分别表示球球体直径径、载荷荷及载荷荷保持时时间。如如:1220HBBS100/10000/30表表示直径径为100mm的的钢球在在10000kggf（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1-3 布氏氏硬度试试验原理理图优点：压痕痕大，能能反映出出较大范范围内被被测试金金属的平平均硬度度，结果果准确；缺点：因压压痕大，不不宜测试试成品或或薄片金金属的硬硬度。工程材料 课程讲讲稿2.洛氏硬硬度(HHRA、HHRB、HHRC)将金金刚石压压头(或或钢球压压头), 在先先后施加加两个载载荷(预预载荷FF0和总载载荷F)的作作用下压压入

9、金属属表面。总总载荷FF为预载载荷F0和主载载荷F1之和。卸卸去主载载荷F1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, 表示材料硬度越低，实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。洛氏硬度值为一无名数，它置于符号HR之前，HR后面为使用的标尺，如 50HRC 表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。氏硬度值。h 越大, 表示材料硬度越低, 实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。 图1-4 洛氏氏

10、硬度测测量原理理图优点：操作作迅速简简便，由由于压痕痕小，故故可在工工件表面面或较薄薄的金属属上进行行试验；同时，采采用不同同标尺，可可测出从从极软到到极硬材材料的硬硬度。缺点：因压压痕较小，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.维氏硬硬度HVV 用一一个相对对面夹角角为13360的金刚刚石正四四棱锥体体压头，在在规定载载荷F作作用下压压入被测测试金属属表面，保保持一定定时间后后卸出载载荷。测测量压痕痕投影的的两对角角线的平平均长度度d，进进而计算算出压痕痕的表面面积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），称称为维氏氏硬度。如如：6440HV

11、V30 表示在在30kkgf载载荷作用用下，保保持10015ss测得的的维氏硬硬度值为为6400。优点：载荷荷小，压压入深度度浅，可可测零件件表面淬淬硬层及及化学热热处理的的表面层层；同时时维氏硬硬度是一一个连续续一致的的标尺，试试验时载载荷可任任意选择择，而不不影响其其硬度值值的大小小，因此此可测出出从极软软到极硬硬材料的的硬度。缺点：测定定较麻烦烦，工作作效率不不如洛氏氏硬度高高。特别提示：当硬度度小于4450HHBS时时 HHBSHV当硬度在22006000HBSS（HBBW）时时，HRRC1/110HBBS（或或HBWW）工程材料 课程讲讲稿四、冲击韧韧性（） 许多机械零零件和工工具在

12、工工作中, 往往往要受到到冲击载载荷的作作用, 如活塞塞销、锤锤杆、冲冲模和锻锻模等。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。测测得试样样冲击吸吸收功,用符号号 Ak 表表示。试试样冲断断时所消消耗的冲冲击功Ak = m gg H - m g hh (JJ)冲击韧性值值 就是试试样缺口口处单位位面积上上所消耗耗的冲击击功。图1-5试样安安装及冲冲击试验验原理图图工程材料 课程讲讲稿五、疲劳强强度轴、齿轮、轴轴承、叶叶片、弹弹簧等零零件，在在工作过过程中各各点的应应力随时时间作周周期性的的变化，这这种随时时间作周周期性变变化的应应力称为为交变

13、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。金金属承受受的交变变应力越越大, 则断裂裂时应力力循环次次数N越越少。当应力低于于一定值值时, 试样可可以经受受无限周周期循环环而不破破坏, 此应力力值称为为材料的的疲劳极极限(亦亦叫疲劳劳强度)，用-1表示示。 钢钢材的循循环次数数一般取取 N = 1107有色金属的的循环次次数一般

14、般取 NN = 1088钢材的疲劳劳强度与与抗拉强强度之间间的关系系:-1 = (00.4550.55)图1-6疲劳曲曲线（SSN曲曲线）示示意图1.一般钢钢铁材料料2.有色金金属、高高强度钢钢等六、断裂韧韧性 桥桥梁、船船舶、大大型轧辊辊、转子子等有时时会发生生低应力力脆断，这这种断裂裂的名义义断裂应应力低于于材料的的屈服强强度。尽尽管在设设计时保保证了足足够的延延伸率、韧韧性和屈屈服强度度，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。材材料抵抗抗裂纹失失稳

15、扩展展断裂的的能力叫叫断裂韧韧性。工程材料 课程讲讲稿第二节 金金属材料料的其他他性能一、金属的的物理性性能1.密度： 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、镁镁、钛及及它们的的合金。密密度大于于5103 kgg/m3的金属属称为重重金属，如铁、铅铅、钨等等。轻金金属多用用于航天天航空器器上。2.熔点： 金属属从固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、导导弹、燃燃气轮机机和喷气气飞机等等方

16、面得得到广泛泛应用。熔熔点低的的金属称称为易熔熔金属如如锡、铅铅等，可可用于制制造保险险丝和防防火安全全阀零件件等。3.导热性性： 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。金金属的导导热性以以银为最最好，铜、铝铝次之。合合金的导导热性比比纯金属属差。在在热加工工和热处处理时，必必须考虑虑金属材材料的导导热性，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，以以免零件件变形或或开裂。导导热性好好的金属属散热也也好，在在制造散散热器、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.导电性性： 传传导电流流的能力力称导电电性，用用电阻率率来衡量

17、量。电阻阻率越小小，金属属材料导导电性越越好，金金属导电电性以银银为最好好，铜、铝铝次之。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、钼钼、铁、铬铬、铝)适于做做电热元元件。5.热膨胀胀性： 金属材材料随着着温度变变化而膨膨胀、收收缩的特特性称为为热膨胀胀性。由由膨胀系系数大的的材料制制造的零零件, 在温度度变化时时, 尺尺寸和形形状变化化较大。轴轴和轴瓦瓦之间要要根据其其膨胀系系数来控控制其间间隙尺寸寸；在热热加工和和热处理理时也要要考虑材材料的热热膨胀影影响, 以减少少工件的的变形和和开裂。6.磁性

18、： 铁磁性材料料 在外外磁场中中能强烈烈地被磁磁化，如如铁、钴钴等。顺磁性材料料 在外外磁场中中只能微微弱地被被磁化，如如锰、铬铬等。 抗磁性材料料 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，如如铜、锌锌等。铁磁性材料料可用于于制造变变压器、电电动机、测测量仪表表等。抗抗磁性材材料则用于要求求避免电电磁场干干扰的零零件和结结构材料料，如航航海罗盘盘。铁磁磁性材料料当温度度升高到到一定数数值时，磁磁畴被破破坏，变变为顺磁磁体，这这个转变变温度称为居居里点，如如铁的居居里点是是7700 。工程材料 课程讲讲稿二、金属的的化学性性能 主要指耐耐腐蚀性性和抗氧氧化性。金金属材料料的耐腐腐蚀性

19、和和抗氧化化性统称称化学稳稳定性。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、水水蒸气及及其它化化学介质质腐蚀破破坏作用用的能力力称耐腐腐蚀性，碳碳钢、铸铸铁的耐耐腐蚀性性较差；钛及其其合金、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。如如4Crr9Sii2可制制造内燃燃机排气气阀及加加热炉炉炉底板、料盘等等。 三、金属材材料的工工艺性能能 1.铸造性性能：金金属材料料铸造成成形获得得