第一章工程材料的性能

机械工程材料

MaterialsUsedinMechanicalEngineeringSchoolofMechanicalEngineeringDonghuaUniversity

材料的概念：材料是有用的物质材料反映人类社会的文明水平材料的分类：按经济部门分：机械、建筑、电工等按物质结构分：金属、有机、无机等按材料功用分：结构材料、功能材料材料与人类社会：石器、青铜器、铁器、钢铁及多元金属材料为主成分、组织、性能之间的关系；强化基本途径钢的热处理原理；热处理工艺；常用材料的牌号绪论第一章工程材料的力学性能

MechanicalPropertiesofMetalMaterials

物理、化学使用性能工程材料力学（机械）的性能铸造工艺性能锻造焊接切削加工第一节静载时材料的力学性能

MechanicalPropertiesofMaterialsunderStaticLoad一、静拉伸试验及有关的力学性能

StaticTensileTest试样→拉伸→拉伸曲线→获得力学性能一、静拉伸试验及有关的力学性能弹性和刚度屈服强度抗拉强度塑性拉伸试验应力和应变应力：单位面积上所受的力。应变：单位长度的伸长量。（1）σe弹性极限（2）σp比例极限（3）弹性—材料具有弹性变形的能力，用εe表示；（4）刚度—表示材料抵抗弹性变形抗力的大小；（5）弹性模量—用来表示刚度的一个指标

E=σe/ε注意：E由材料本身决定，强化处理不能改变E值数值很接近，常取同一值（一）弹性和刚度ElasticityandRigidity（二）强度Strength强度Strength—材料抵抗变形和断裂的能力屈服强度YieldStrength物理意义：材料开始产生塑性变形的最低应力。计算公式：σs=Fs/S0(MPa)注意：有些材料在拉伸过程中无明显平台，如铸铁，则用σ0.2表示。抗拉强度TensileStrength物理意义：材料对均匀塑性变形的抵抗能力。计算公式：注意：材料的形变强化；拉断前的局部变形（缩颈）。（二）强度Strength（三）塑性Plastisity两个概念：塑性变形—去除外力后不能恢复的变形。塑性—材料在断裂前产生塑性变形的能力。计算公式：（1）伸长率δElongationδ=(L1-L0)/L0×100%=ΔL/L0×100%

（2）断面收缩率ΨReductionofAreaΨ=(S0-S1)/S0×100%=ΔS/S0×100%二、硬度Hardness定义：材料表面抵抗硬物压入的能力常用的硬度测试方法：布氏、洛氏、维氏（一）布氏硬度（BrinellHardness）测试原理：P5fig1-2计算公式：式中：A-压痕面积；d-压痕直径；适用范围：软的材料<650HBW，如铸铁、有色金属、低碳低合金结构钢，太薄、太硬的材料不适用。布氏硬度试验的优缺点优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，所得值也较准确。缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件硬度。应用：布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品和性能不均匀材料（如铸铁）的硬度。（二）洛氏硬度（RockwellHardness）洛氏硬度名称使用的压头载荷kgf应用范围HRA120°金刚石圆锥6070～85HRB1.588mm钢球10025～100HRC120°金刚石圆锥15025～67h0—预加载深度适用范围：软的材料—HB；硬—HRCh—压头压下深度（二）洛氏硬度（RockwellHardness）洛氏硬度试验原理图洛氏硬度试验优缺点优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上读出硬度值；压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；HRC采用金刚石压头，可测量高硬度薄层材料。缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值。应用：一般用于淬火钢件，可以检测较薄工件或表面较薄的硬化层的硬度。（三）维氏硬度（VickersHardness）测试方法：压头：顶角为136°的金刚石四棱锥压头载荷范围：视试样大小、薄厚及其他条件，常用的试验力有49.03N、98.07N、196.1N、294.2N、490.3N、980.7N。计算公式：d（三）维氏硬度（VickersHardness）优点：压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。应用：适用范围宽，可测各种硬度的材料和很薄的材料，尤其适用测定金属镀层、薄片金属及化学热处理的表面层硬度，其结果精确可靠。维氏硬度试验的优缺点各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在200-600范围内，HBW≈10HRC；布氏硬度值小于450HBW，HBW≈HV

适用范围：HBS＜450（旧标准，钢球）

HBW450～650（硬质合金球）第二节动载时材料的力学性能

MechanicalPropertiesunderDynamicLoad动载：冲击载荷—冲击韧性交变载荷—疲劳强度一、冲击韧性ImpactToughness冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力，用αk

表示（或αku、αkv）。摆锤冲击试验：P7fig1-4αk的意义：冲断某一材料，单位面积上所消耗的功。Ak=(h1-h2)·mgαk＝Ak/S冲击功Ak冲击韧性αk冲击吸收能量KKU2、KV2二、疲劳强度FatigueStrength疲劳破坏的特点：（1）构件受力小于σs；（2）构件在经受一定次数的循环力后，突然发生断裂，预先并无明显的塑性变形。疲劳实验疲劳强度：材料在一定次数循环作用后，而不发生断裂的最大应力，常用σ-1表示。产生疲劳的原因：材料内部或表面缺陷→应力集中→形成裂纹→裂纹扩展→失稳→断裂对称循环交变应力疲劳试验装置和曲线铸铁N=107次；非铁合金N=108次。

疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc第三节断裂韧性

FractureToughness现象：在一些高强度钢中，即使σ＜［σ］也会发生断裂。原因：材料中存在着微小裂纹，在外力作用下，引起应力集中。当外力过大或裂纹尺寸过大，会使材料失稳，迅速断裂。评价指标：应力场强度因子（KⅠ）计算公式：式中：Y—系数，σ—外加应力，a—裂纹长度的一半材料的断裂韧度KⅠC

——是材料固有的力学性能，通过试验获得，当KⅠ＞KⅠC时，材料失稳发生断裂。(MPa·m1/2)具有张开型裂纹的应力分布示意图裂纹扩展的三种类型教学目的：1、掌握强度、硬度、塑性、韧性的概念；2、熟悉强度、硬度、塑性、韧性的测试方法。教学内容：1、强度2、塑性3、硬度4、冲击韧性5、疲劳6、断裂韧性第一章工程材料的力学性能

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