机械工程材料及选用第一章力学性能资料

3本课程教材何庆复。机械工程材料及选用。中国铁道出版社，北京，20084主要参考书朱张校，姚可夫。工程材料（第五版）。清华高校出版社，北京，2011庄哲峰。工程材料及其应用。华中科技高校出版社，武汉，2013付广艳。机械工程材料。北京理工高校出版社，北京，2014王正品，李炳。工程材料。机械工业出版社，北京，20125主要参考书戈晓岚。机械工程材料（其次版）。北京高校出版社，北京，2013魏小胜。工程材料（其次版）。武汉理工高校出版社，武汉，2013韩永生。工程材料性能与选用。机械工业出版社，北京，2013崔占全，孙振国。工程材料（其次版）。机械工业出版社，北京，20117工程材料第一章金属材料力学性能其次章金属晶体结构与塑性变形第三章金属结晶及合金相图第四章钢的热处理第五章钢铁材料及其应用第六章有色金属及应用第七章非金属材料第八章材料选择基础8绪论材料的重要性材料是社会发展的物质基础，材料的发展往往标记着时代的进步，如石器时代、铜器时代、铁器时代等都是以材料来代表人类发展的不同阶段。人类冶金史至今已有6000多年，阅历了三次大的发展，其中两次发生在中国。第一次是我国商周时期青铜冶铸技术大发展。9绪论其次次是我国战国秦汉时期冶铁与生铁炼钢技术的大发展。第三次是18世纪欧洲近代冶金技术的大发展。材料技术与能源技术和信息技术一起构成了现代文明的三大支柱。材料的分类两分法：将材料分为有机材料和无机材料两大类。10绪论三分法：是最常用的材料分类方法，将材料分为金属材料、无机非金属材料和有机材料三大类。四分法：将材料分为金属材料、无机非金属材料、有机材料和复合材料四大类。金属材料包括：黑色金属（钢和铁）及有色金属。11绪论无机非金属材料主要包括：陶瓷、人工晶体、玻璃、耐火材料、胶凝材料、碳素材料等。有机材料主要包括：塑料、橡胶、胶粘剂等。复合材料：由两种或两种以上不同组元构成的多相材料。例如纤维增加复合材料；颗粒增加复合材料；层状复合材料等。以上各种材料广泛用于工业生产的各个领域。12绪论工程材料？工程材料是工业生产中用作结构和机械零件的材料。工程材料的应用：机床等各种机械、汽车等各种交通工具、飞机、火箭等各种航空航天器、仪器仪表、热能设备、化工设备等各类设备。13绪论机床机床的零部件很多，机身和底座、齿轮、轴类、联接件、传动件、轴承等零件的常用材料有钢、铸铁、铜合金、工程塑料等。机床零件15绪论汽车汽车用材以金属材料为主，塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料也占确定的比例。发动机缸体、缸盖、缸套、活塞、连杆、气门、半轴、齿轮等典型零件常用金属材料有调质钢、渗碳钢、铸铁、铸铝、轴瓦合金等。汽车发动机和传动系示意图18绪论航空航天器航空航天器用材：高合金耐热钢、镍基高温合金、钛合金、铝合金、镁合金、树脂基复合材料、碳/碳复合材料等。东方红一号人造地球卫星

航天飞机

22绪论仪器仪表材料仪器仪表的壳体、轴类、凸轮、齿轮、蜗轮和蜗杆等零件的常用材料为调质钢、铜合金、铝合金、工程塑料等。热能设备材料锅炉和汽轮机的主要零件如锅炉管道、汽包、汽轮机叶片、转子和静子等都接受高合金耐热钢、高温合金等制造。23绪论化工设备材料化工设备中的常用材料包括：合金钢（不锈钢、耐热钢），有色金属及其合金（铜合金、铝合金），非金属材料（陶瓷、工程塑料）等。24绪论本门课程的重点：金属材料。主要包括四方面内容：金属学；热处理；金属材料学；金属力学性能学习目标：了解和驾驭金属材料成分组织和性能之间的关系。会运用热处理工艺变更金属材料的组织和性能,满足生产须要。会合理选择和应用金属材料。25绪论非金属材料熟悉特种陶瓷的性能特点、改善性能的途径和应用。熟悉常用高分子材料的特性、应用及制品。了解合成纤维、橡胶和胶粘剂的性能特点和用途.复合材料了解复合材料复合机制和原则。熟悉常用复合材料的性能，了解应用。26工程材料第一章金属材料力学性能其次章金属晶体结构与塑性变形第三章金属结晶及合金相图第四章钢的热处理第五章钢铁材料及其应用第六章有色金属及应用第七章非金属材料第八章材料选择基础27第一章金属材料力学性能

金属材料的运用性能包括物理、化学、工艺和力学性能，对于工程材料来说，最重要的是力学性能和工艺性能。金属材料的力学性能是指金属在外加载荷或环境因素作用下所表现的行为。金属材料常用的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等。28第一章金属材料力学性能

本章将介绍金属材料力学性能的基础学问，并着重介绍表征金属材料力学行为的强度﹑硬度﹑塑性﹑韧性等性能指标的物理概念及实际意义。29第一章金属材料力学性能第一节金属的拉伸试验其次节金属的弹性与塑性第三节金属的力学性能第一节金属的拉伸试验拉伸试验是工业上最广泛运用的力学性能试验方法之一。通常在万能材料试验机上进行试验。通过传感器测量拉伸试验中的载荷P与伸长量ΔL后，由自动记录仪绘出P-ΔL关系曲线，称为拉伸曲线或拉伸图。

32拉伸过程中试样形态的变更33金属在外加载荷作用下的变形过程一般可分为三个阶段，即弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和断裂阶段。由金属的拉伸曲线(P-L)得到的应力-应变曲线（-曲线，=P/F0，=L/L0）具有相同形态。金属材料的拉伸曲线除低碳钢这种类型外，还有其它不同的类型，如脆性材料铸铁的拉伸曲线。第一节金属的拉伸试验脆性材料拉伸曲线35第一章金属材料力学性能第一节金属的拉伸试验其次节金属的弹性与塑性第三节金属的力学性能36其次节金属的弹性与塑性1.2.1金属的弹性变形

1.2.2金属的塑性变形

371.2.1金属的弹性变形弹性变形是可逆的，加载或卸载时，应力与应变之间都保持单值线性关系，变形量小，一般不超过0.5%~1%。弹性模量：是表征材料抗拒弹性变形实力的性能指标，用E表示。E值的大小反映了金属弹性变形的难易程度，主要由金属的种类和晶体结构所确定。弹性极限：是材料发生弹性变形的最大应力值。超过弹性极限，材料便起先发生塑性变形。即：e=Pe/F0比例极限：是应力与应变成正比关系的最大应力值。即：p=Pp/F0391.2.1金属的弹性变形p的实际意义：服役时其应力应变关系严格维持直线关系的构件，如测力计弹簧等，选择这类构件的材料应以比例极限为依据；e的实际意义：服役条件要求构件不允许产生微量塑性变形，设计时应按弹性极限来选材。401.2.1金属的弹性变形弹性不完整性：包括包申格效应、弹性后效和弹性滞后等现象。包申格效应：金属经预先加载产生微量塑性变形后，同向加载弹性极限上升，反向加载弹性极限降低的现象。弹性后效：加载或卸载时应变滞后于应力而和时间有关的现象，又称滞弹性。弹性滞后：金属在弹性区内加载-卸载循环时，加载线和卸载线不重合而形成封闭回线的现象。41其次节金属的弹性与塑性1.2.1金属的弹性变形1.2.2金属的塑性变形

421.2.2金属的塑性变形塑性：金属断裂时发生塑性变形最大值的相对量。塑性变形是一种不行逆变形。随着外力增加其塑性变形量也增加。断裂时塑性变形量达到最大值。塑性指标有两种：延长率和断面收缩率。延长率δ：金属断裂时的最大相对伸长量。用百分数表示：δ=(Lk-L0)/L0×100%431.2.2金属的塑性变形试样的原始截面积和原始标距长度影响其延长率，为了使数据统一、可比，规定运用国标试样，试样的尺寸有两种：L0=5d0或10d0。分别以5或10表示，且5＞10。代表用10倍试样得到的延长率。断面收缩率ψ：试样断裂处截面的相对收缩值，也用百分数表示，ψ=(F0-Fk)/F0×100%F0—试样原始截面积；Fk—试样断裂后断裂处的最小截面积。44第一章金属材料力学性能第一节金属的拉伸试验其次节金属的弹性与塑性第三节金属的力学性能45第三节金属的力学性能1.3.1金属强度1.3.2金属韧性1.3.3金属的硬度1.3.4金属的乏累461.3.1金属强度金属的强度是表征金属材料抗拒变形和断裂的实力。屈服极限：是金属产生塑性变形的最小应力值，也称为屈服强度。即：s=PS/F0低碳钢的屈服强度为拉伸曲线水平台对应的应力值。对于没有明显屈服现象的金属，如高强钢、铸铁等，人为规定拉伸试样标距部分产生0.2%塑性伸长率时的应力值作为材料的屈服强度，以0.2表示。屈服强度的确定抗拉强度：是金属拉伸试验中试样所能承受的最大拉应力。即：b=Pb/F0塑性金属在最大载荷出现前，变形基本匀整分布于试样标距部分；最大载荷出现后，发生集中变形，试样上出现颈缩。拉伸试样的颈缩现象50第三节金属的力学性能1.3.1金属强度1.3.2金属韧性1.3.3金属的硬度1.3.4金属的乏累511.3.2金属韧性金属的韧性：指金属断裂前吸取变形功和断裂功的实力，或材料抗拒裂纹扩展的实力。常用的韧性指标有冲击韧性与断裂韧性。521.3.2.1金属的冲击韧性冲击韧性：表征材料抗拒冲击载荷作用不发生断裂的实力。冲击韧性试验在摆锤式冲击试验机上进行。运用国标规定的U型或V型缺口试样。冲击试样冲击试验原理(Charpy)finalheightinitialheight541.3.2.1金属的冲击韧性冲断试样所消耗的冲击功为：Ak=mg(H1-H2)冲击功Ak的数值可干脆从冲击试验机的表盘上读出，单位为J（焦耳）。Ak除以试样缺口处的截面积FN即得材料的冲击韧性ak：ak=Ak/FN(J/cm2)U型或V型缺口试样的冲击功分别用Aku和Akv表示，它们的冲击韧性则分别用aku和akv表示。55冲击韧性对材料微观组织变更极为敏感，生产上常常用来检验冶炼、热加工和热处理质量。随温度的降低，冲击韧性值减小，当降至某一温度时，冲击韧性值发生急剧降低，这种现象称为低温脆性，或冷脆。冲击韧性值明显下降的温度称为冷脆转变温度，以Tk表示。1.3.2.1金属的冲击韧性561.3.2.2金属的断裂韧性为防止构件断裂，传统设计是使工作≤[]许用，而[]许用=0.2/n，n为平安系数，一般取1.5~2。再对材料的塑性（δ、ψ）、韧性（ak、Tk）等指标提出确定的要求。但却常常有工作应力低于屈服强度发生脆性断裂的现象发生。在屈服强度以下产生的脆性断裂称为低应力脆性断裂。571.3.2.2金属的断裂韧性低应力脆断实际金属构件中的微裂纹失稳扩展引起的。裂纹可以是冶金缺陷，加工裂纹或运用中生产的裂纹。断裂韧性KIC：表征材料抗拒裂纹失稳扩展的实力。裂纹尖端存在一个特殊分布的应力场。应力场的强弱可用应力场强度因子KI描述。KⅠ=Y·σ·√a（MN/m3/2）2a——裂纹尺寸;σ——外加应力;Y——与裂纹形态、加载方式和试样几何形态有关的无量纲的常数。Ⅰ型裂纹示意图591.3.2.2金属的断裂韧性KⅠ=KⅠC是构件发生低应力脆断的临界条件，KⅠ≥KⅠC时构件发生低应力脆性断裂；KⅠ＜KⅠC时构件可平安牢靠运行。公式KⅠ=Yσ√a=KIC可以解决的问题：由材料的KIC和工作应力σ，可估算出构件所能允许的最大裂纹尺寸2a；601.3.2.2金属的断裂韧性由材料的KIC和裂纹尺寸2a，估算出构件的最大承载实力σ；由构件的工作应力σ和裂纹尺寸2a，估算出构件选材所要求的最小KIC值。按断裂韧性设计的构件，既可以充分发挥材料强度潜力，又可以有效地防止构件发生脆性断裂。611.3.2.2金属的断裂韧性断裂韧性已成为设计高强度材料构件和用中、低强度材料制造的大型构件的重要性能指标。断裂韧性是对材料成分、组织敏感的力学性能指标，可以通过合金化、热处理等方法变更。62第三节金属的力学性能1.3.1金属强度1.3.2金属韧性1.3.3金属的硬度1.3.4金属的乏累631.3.3金属的硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。测定硬度的方法可分为压入法和刻划法两大类。常用的布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度均为压入法，其硬度值则表示金属抗拒局部塑性变形的实力。里氏硬度则属于动载试验法，其硬度值表征金属弹性变形功的大小。641.3.3金属的硬度硬度值事实上不是一个单纯的物理量，它是表征着材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标。651.3.3.1布氏硬度以确定直径D(2.5~10mm)的淬火钢球或硬质合金球为压头，施以确定的载荷P(62.5~3000kg)，压入试样表面，保持规定时间后卸载，试样表面将残留一个压痕。测量压痕直径d（mm）并计算球冠形压痕表面积F(mm2)。661.3.3.1布氏硬度用载荷P除以压痕表面积F，就得到材料的布氏硬度值HB。压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料；压头为硬质合金球时，布氏硬度用符号HBW表示，适用于布氏硬度值为450～650的材料。HB=P/F=2P/πD(D-D2-d2)

671.3.3.1布氏硬度优点：布氏硬度试验压痕面积较大，硬度值能反映金属大范围内各组成相的平均性能，不受组成相微观不匀整性的影响。试验数据稳定，重复性强。缺点：不同材料须要更换不同直径的压头和变更载荷；测量压痕直径较麻烦，自动检测时受到限制；压痕较大不宜在成品上进行试验。681.3.3.2洛氏硬度洛氏硬度也是一种压入硬度试验，它以压痕深度的大小表示材料的硬度值，是工业生产中应用最广泛的试验方法。691.3.3.2洛氏硬度为适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，规定用一常数K减去压痕深度h作为硬度值，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，因此洛氏硬度HR的计算式为：HR=(k-h)/0.002常用的洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三种标尺。不同标尺针对不同硬度的材料，接受不同的压头类型和载荷大小。70钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕HRA用于测量高硬度材料，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。压头为锥角120°的金刚石圆锥体，载荷60kg。HRB用于测量低硬度材料，如有色金属和退火、正火钢等。压头为1.588mm的淬火钢球，载荷为100kg。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。压头与HRA相同，载荷为150kg。711.3.3.2洛氏硬度优点:操作简便，硬度值可干脆读出;压痕小，可在工件上进行试验;可测软硬不同和厚薄不一的金属试样的硬度。缺点:压痕小，材料有偏析及组织不匀整等缺陷，所测硬度值重复性差，分散度大;不同标尺的硬度值彼此不能干脆比较。721.3.3.3维氏硬度维氏硬度与布氏硬度一样，是以单位面积压痕所承受的载荷来表示硬度值的大小。维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕731.3.3.3维氏硬度维氏硬度压头是相对面夹角136的金刚石正四棱锥体。依据压痕对角线长度d计算压痕的表面积F（mm2），则维氏硬度HV的计算式为：HV=P/F=2Psin(136/2)/d2=1.8544P/d2优点：可测量从软到硬的全部材料，可随意选取载荷，压痕测量精度高，硬度值较为精确。缺点：硬度值需通过测量压痕对角线长度进行计算或查表得出。741.3.3.4显微硬度就是小载荷的维氏硬度试验，其原理和维氏硬度试验一样，所不同的是载荷P以克计量，压痕对角线d以微米计量。显微硬度主要用来测定各种组成相的硬度和表面硬化层的硬度分布。用符号HM表示。HM=1854.4P/d2751.3.3.5里氏硬度里氏硬度是一种动载荷试验方法。基本原理：用规定质量的碳化钨球冲头，在弹力作用下以确定速度冲击试样表面，用冲头在距试样表面1mm处的回弹速度VR与冲击速度VA的比值计算硬度值。里氏硬度用符号HL表示：HL=1000VR/VA761.3.3.5里氏硬度里氏硬度值可干脆由显示装置显示出来。是一种敏捷的便携式硬度计，主要用于大型金属产品及部件的硬度检验，特殊适用于不易移动的大型工件和不易拆卸的大型部件及构件的现场硬度检验。缺点：试验结果的精确性受人为因素影响较大，硬度测量精度较低。77第三节金属的力学性能1.3.1金属强度1.3.2金属韧性1.3.3金属的硬度1.3.4金属的乏累781.3.4金属的乏累轴、齿轮、弹簧都是在变动载荷（也称交变应力）下工作，工作应力通常低于材料的屈服强度,但长时间工作仍会发生断裂，这种现象叫金属的乏累。乏累断裂不产生明显的塑性变形，断裂突然发生，具有很大的紧急性，易造成严峻事故。据统计，在损伤的机器零件中，有80%以上属于乏累断裂。791.3.4金属的乏累变动载荷是指载荷的大小、方向随时间变更的载荷。变动载荷分为周期性变动载荷（也称循环应力）和随机变动载荷。试验室探讨多接受循环应力。最常见的循环应力为载荷与时间呈正弦曲线的对称应力循环。

循环应力特性循环应力的三个参量表示:应力幅a=(max-min)/2;平均应力m=(max+min)/2;应力循环对称系数r=min

/max811.3.4金属的乏累