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文档简介

★材料按结合键不同分:

金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料★材料按用途不同分:

机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料

★材料按功能不同分:

结构材料、功能材料、磁性材料等

第一章工程材料基础1.1工程材料分类材料分类复合材料金属材料陶瓷材料高分子材料材料发展概括▲石器时代铜器时代:司母戊鼎(公元前11—16世纪)1130×780×1100战国编钟(前475—221年)65个总重2500Kg天然石,兽骨,树枝泥巴(日晒→原始陶器;火烧→瓷器用具)铁器时代沧州大狮(公元953年)重50T,长5.3m,宽3m人工复合材料塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等陶器时代沧州铁狮铸造于公

元953年。铁狮子通高5.78米,身长6.5米,体宽3.17米,重约40吨1.2工程材料的性能工程材料的性能〈使用性能—力学、物理、化学力学性能:指工程材料在不同环境下,承受各种外加载荷时所表现出的性能。不能说:机械性能如:强度、塑性、弹性、硬度、韧性、疲劳强度等在静载荷作用下:强度、塑性、弹性、硬度在动载荷作用下:韧性在交变载荷作用下:疲劳强度工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工研究力学性能意义:是选择和使用金属材料的重要依据载荷:金属材料在加工及使用过程中所受的外力。按作用性质分:静载荷:指力大小不变或变化过程缓慢的载荷。如静拉力、静压力动载荷:指力的大小和方向随时间而发生改变,如冲击载荷、交变载荷、循环载荷等冲击载荷:在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。循环载荷:指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷按作用形式不同分:1.3金属材料的力学性能

1.拉伸实验

(金属的强度和塑性都是通过拉伸试验测定)(GB/T228-2002)拉伸试样(GB6397-86)长试样:L0=10d0短试样:L0=5d0万能材料试验机

a)WE系列液压式b)WDW系列电子式力-伸长曲线弹性变形阶段屈服阶段颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段

(a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂拉伸试样的颈缩现象ΔLF0脆性材料的拉伸曲线(与低碳钢试样相对比)脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。

2.应力-应变曲线应力

=F/S0应变

=(l-l0)/l03.强度概念:强度是指金属材料抵抗永久变形(塑性变形)或断裂

的能力。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示1)弹性极限ee=Fe/S0e-----应力Pa1Pa=1N/m21MPa=106Pa

Fe——材料开始产生塑性变形时所承受的最大应力值。按载荷的作用方式不同,强度可分为:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。注意:一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。工程上常用的金属材料的强度指标:屈服点(σs)或规定残余伸长应力(σr)抗拉强度(σb)2)屈服点(σs):

指材料产生屈服时的应力规定残余伸长率为0.2%时的应力材料屈服时的拉力(N)屈服点(屈服极限)原标准(GB228-76):屈服强度屈服强度对有明显屈服现象的材料3)抗拉强度:材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值拉伸过程中最大的拉力(N)若零件在使用时不允许产生过量塑性变形,应以材料的σs或σ0.2进行设计计算。若零件在使用时只要求不发生破坏,则以材料的σb来设计计算。因此σs和σb是机械零件设计计算的主要依据。4)强度的意义强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力,一般钢材的屈服强度在200~1000MPa之间。强度越高,表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时,选用高强度的材料,可以减小构件或零件的尺寸,从而减小其自重。因此,提高材料的强度是材料科学中的重要课题,称之为材料的强化。4.刚度刚度—是指金属材料或构件抵抗弹性变形的能力用弹性模量E表示,单位MpaE=

/E越大,刚度越大5、塑性

——在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力常用的塑性判据:拉伸时的断后伸长率和断面收缩率1)断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率δ数值不同,因此应注明试样尺寸比例。如:δ10——试样L0=10d0δ5——试样L0=5d0试样拉断后的标距(mm)试样原始标距(mm)2)断面收缩率试样断裂后缩颈处的最小横截面积(mm2)试样原始截面积(mm2)δ和ψ是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。一般认为ψ>5%的材料为塑性材料,如低碳钢;ψ<5%的为脆性材料,如灰铸铁

.

塑性对材料的意义:1.是金属材料进行压力加工的必要条件;2.提高安全性:因为零件在工作时万一超载,也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂

强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中,要提高强度,就要牺牲一部分塑性。反之,要改善塑性,就必须牺牲一部分强度。正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织,可以同时提高材料的强度和塑性。超塑性通常情况下金属的伸长率不超过90%,而有些金属及其合金在某些特定的条件下,最大伸长率可高达1000%~2000%,个别的可达6000%,这种现象称为超塑性。由于超塑性状态具有异常高的塑性,极小的流动应力,极大的活性及扩散能力,在压力加工、热处理、焊接、铸造、甚至切削加工等很多领域被中应用。6、硬度硬度:硬度试验方法:压入法

它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力)硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。布氏硬度(HB)洛氏硬度(HR)维氏硬度(HV)材料抵抗表面局部塑性变形的能力。1)布氏硬度(1)测定原理布氏硬度计

布氏硬度试验原理图(2)计算公式HBS:淬火钢球作压头;适用于<450HBSHBW:硬质合金作压头;适用于<650HBW试验时,根据被测的材料不同,球直径、试验力及试验力保持时间按表1-1选择材料种类布氏硬度范围HBS(HBW)试样厚度/mm0.102球的直径/mm试验力F/KN(kgf)试验力保持时间/s钢、铸铁140-4506~34~2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66~31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非铁金属>1306~34~2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036~1309~36~31010.05.09.807(1000)2.452(250)308~35>62.510.02.452(250)60表1-1布氏硬度试验规范(3)表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径(mm)试验力保持时间(s)500HBW5/750例:表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持10~15s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120习惯上布氏硬度值不标出试验规范,如170HBS。(4)适用范围

常用于测小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度,不能测淬火钢件的硬度。优点:测值重复性强、测量结果准确缺点:压痕大,不适合成品检验2)洛氏硬度测定原理硬度符号压头类型总实验力F/N硬度值有效范围应用范围HRA金刚石圆锥体58870~85适用于测量硬质合金、表面淬硬层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球98025~100适用于测量非铁金属,退火、正火钢等HRC金刚石圆锥体147020~67适用于调质钢、淬火钢等试验时,根据被测的材料不同,压头的类型、试验力及按表1-2选择,对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种表1-2常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围(2)符号(3)表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例:洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料,在钢件热处理质量检查中应用最多。(4)适用范围优点:测量迅速简便,压痕小,可在成品零件上检测。3)维氏硬度(1)测定原理用一定的试验力F,将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面,保持一定时间后卸去试验力,然后测出压痕对角线长度d1、d2(mm),并求出压痕对角线的平均值d。

(2)计算公式(3)表示方法硬度值+HV+试验力/保持时间如:640HV30/20(4)适用范围适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。7、冲击韧性

强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。

材料在工作时还经常受到动载荷的作用,冲击载荷就是常见的一种。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具(如锻锤、冲床、铆钉枪等)时,必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外,还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高,金属形变速率也随之增加。冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力,称为冲击韧性。示例:玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂,说明其冲击韧性很低。1)冲击试验冲击试样冲击试验原理一次摆锤冲击试验冲击韧性的表示方法2)原理冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定,试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上,将摆锤升至高度H1,使其具有势能mgH1;然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断,并向另一方向升高至H2,这时摆锤的势能为mgH2。所以,摆锤用于冲断试样的能量

AK=mg(H1-H2),即为冲击功(焦耳/J)。1、试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)2、冲击韧度ak

AK

ak=(J/cm²)

Sk冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。冲击吸收功Ak

作为材料韧性判据,与温度、试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。1.冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化,因此在生产中可用来检验材料的冶金质量,热加工质量冲击韧度对材料的意义:2.冲击韧度随温度下降越来越低→冷脆现象在韧脆转变温度以下,材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度越低,说明低温冲击性能越好

低温脆性——随温度降低,材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。冷脆:材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。

体心立方金属具有韧脆转变温度,而大多数面心立方金属没有。冲击韧性与温度有密切的关系,温度降低,冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降,材料将由韧性状态转变为脆性状态。这一温度称为转变温度(Tt

)。转变温度(Tt

)越低,表明材料的低温韧性越好,对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大,一般的碳素钢,其韧脆转变温度(Tt

)大约为-20℃,某些合金钢的韧脆转变温度(Tt

)可达-40℃以下。1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号(Titanic)首航沉没于冰海,成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后,材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究,回答了80年的未解之谜。由于Titanic号采用了含硫高的钢板,韧性很差,特别是在低温呈脆性。所以,当船在冰水中撞击冰山时,脆性船板使船体产生很长的裂纹,海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号,冲击试样是典型的脆性断口,右面的是近代船用钢板的冲击试样。

人工作久了就会感到疲劳,难道金属工作久了也会疲劳吗?金属的疲劳能得到恢复吗?金属材料在受到交变应力或重复循环应力时,往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂,这种现象称为疲劳。8、疲劳强度1)疲劳现象1998年6月3日,德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨,造成100多人遇难。事故的原因已经查清,是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂,导致车轮脱轨,进而造成车厢横摆,此时列车正好过桥,横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断,造成桥梁坍塌,压住了通过的列车车厢,并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开,而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上,从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。(1)交变载荷——引起疲劳破坏的外力,指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷,其在单位面积上的平均值即为变动应力。变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变动应力两种。金属疲劳产生的原因(2)疲劳断裂零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂.

疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时断裂三个阶段组成。

尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂,但实际上它们是一个逐渐失效的过程,从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成,即疲劳裂纹产生区(裂纹源)、裂纹扩展区和最后断裂区。(3)疲劳断口(3)疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹(扫描电镜照片)2)疲劳曲线:实验证明,一般钢铁材料所受交变应力最大值σmax与其失效前的应力循环次数(疲劳寿命)N的曲线关系。当应力低于某值时,材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂,此应力称为材料的疲劳极限,记作σR(R为应力比),就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。通常,材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下(R=-1)测定的,对称弯曲疲劳极限记作σ-1。疲劳极限若疲劳曲线上没有水平部分,常以规定断裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限。对一般低、中强度钢:107周次对高强度钢:108周次对铝合金,不锈钢:108周次对钛合金:107周次在工程中,有时根据零件寿命的要求,在规定的某一循环周次下,测出σmax,并称之为疲劳强度,实际上就是条件疲劳极限。3)提高疲劳极限的途径(1)在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变。(2)提高零件表面加工质量。(3)对材料表面进行强化处理。1.4金属的工艺性能金属材料对加工工艺的适应性称为工艺性能。一、铸造性能二、锻压性能三、焊接性能四、切削加工性能金属(材料)及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。1、流动性:熔融金属的流动能力称为流动性。主要受金属化学成份和浇注温度等的影响。2、收缩性:铸件在凝固和冷却过程中,其体积和尺寸减小的现象称为收缩性。3、偏析倾向:金属凝固后,内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。铸造性能:锻造性能:用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。铸铁不能锻压。焊接性能:焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性。切削加工性能:切削加工(性能)金属材料的难易程度称为切削加工性能。1.断裂韧度低应力脆断—工作应力远低于屈服点时发生脆性断裂由裂纹引起形式有张开型、滑开型、撕开型其中张开型最危险断裂韧度KⅠc表示金属材料抵抗脆性断裂的能力1.5金属材料的其他性能2.高温下的力学性能特点(1)强度温度升高而降低,钢铁材料工作温度一般不超过550℃(2)发生蠕变现象材料高温力学性能的表示方法蠕变极限σTδ/t持久强度σTt

3.金属的物理性能

–指金属在重力、电磁场、热力(温度)等物理因素作用下,所表现出的性能或固有属性。包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等1)密度—指在一定温度下单位体积金属的质量2)熔点—金属和合金从固态向液态转变时的温度。纯金属有固定的熔点,合金的熔点决定于它的化学成分。

3)导热性—金属传导热量的能力。常用热导率表示4)导电性—金属能够传导电流的性能。常用电阻率表示5)热膨胀率—金属随着温度的变化而膨胀、收缩的特性。热胀冷缩6)磁性—金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能。分为铁磁性、顺磁性、抗磁性金属4、金属的化学性能1)耐腐蚀性—金属在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。2)抗氧化性—金属在加热时抵抗氧化作用的能力。3)化学稳定性—是金属的耐腐蚀性与抗氧化性的总称。一、判断题1.有些没有明显屈服现象的金属材料其屈服点可用符号σr0.2表示2.一般来说硬度高的金属材料耐磨性也好。3.压痕直径越大,材料硬度越高。4.甲零件的硬度为250HBS,乙零件的硬度为52HRC,则甲比乙的硬度高。5.材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。6.材料在多次交变载荷作用下的破坏现象称为疲劳。7.强度高的材料,韧性都低。8.冲击吸收功是机械零件设计选材的主要依据。9.某些机械零件工作时承受应力远小于材料的屈服点,也能发生突然性断裂。10.拉伸试验时,试样的伸长量与拉伸力总成正比。11.屈服点代表试样在试验过程中力不增加,而仍能继续伸长(变形)时的应力。12.金属材料的硬度越高,其抵抗局部弹性变形能力越强。二、选择题1、拉伸试验可测定材料的()。A.强度B.硬度C.塑性D.韧性2、材料在动载荷作用下表现的力学性能是(

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