金属材料的力学性能公开课课件

工程材料与成形技术基础机械工程系孙德勤

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第一节工程材料概述问题1何谓工程材料？如何辨别材料？工程的概念：在现代社会中，“工程”一词有广义和狭义之分。就狭义而言，工程定义为“以某组设想的目标为依据，应用有关的科学知识和技术手段，通过一群人的有组织活动将某个（或某些）现有实体（自然的或人造的）转化为具有预期使用价值的人造产品过程”。就广义而言，工程则定义为由一群人为达到某种目的，在一个较长时间周期内进行协作活动的过程。

早在新石器时代(公元前6000年～公元前5000年)，中华民族的先人们用粘土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。马家窑(甘肃)文化时期的陶器以砂质和泥质红陶为主，表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等。陶瓷我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。瓷器于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，13世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。直到今天，中国瓷器仍畅销全球，名誉四海。

瓷器

我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重达8750N,外型尺寸为1.33m×0.78m×1.10m,是迄今世界上最古老的大型青铜器。从湖北隋县出土的战国青铜编钟是我国古代文化艺术高度发达的见证。

青铜器我国从青秋战国时期(公元前770年～公元前221年)已开始大量使用铁器。到了西汉时期,炼铁技术又有了很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早1700多年。我国古代创造了三种炼钢方法。第一种是从矿石中直接炼出自然钢。第二种是西汉时期的经过“百次”冶炼锻打的百炼钢；第三种是南北朝时期生产的灌钢。先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早1600多年。

铁人钢的热处理技术也达到了相当高的水平。西汉《史记·天官书》中有“水与火合为淬”一说，正确地说出了钢铁加热、水冷的淬火热处理工艺要点。《汉书·王褒传》中记载有“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”的制剑技术。明代科学家宋应星在《天工开物》一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺作了详细的论述。黄河大铁牛(唐开元12年铸)

新材料新工艺重大成果

在当代，科学技术和生产飞跃发展。材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。

从20世纪60年代到70年代，高分子材料每年以14％的速度增长，而金属材料的年增长率仅为4％。到70年代中期，全世界的高分子材料和钢的体积产量已经相等；除了用作结构材料代替钢铁外，目前正在研究和开发具有良好导电性能和耐高温的高分子材料。陶瓷材料的发展同样十分引人注目，它除了具有许多特殊性能作为重要的功能材料(例如可作光导纤维、激光晶体等)以外，其脆性和抗热震性正在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材料。机器零件和工程结构已不再只使用金属材料制造了。

耐磨陶瓷绝缘陶瓷

随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越来越高、越来越多的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求。复合材料的研究和应用引起了人们的重视。

玻璃钢赛车壳体

如玻璃纤维树脂复合材料(即玻璃钢)、碳纤维树脂复合材料已应用于宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身、螺旋桨等、发动机叶轮等；在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船艇等，在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。

玻璃钢储液罐

我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果

：

1.研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢—贝氏体钢；

2.研制出零电阻温度为128.7K的Ti-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体)；

3.镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。

镁铝合金叶轮镁铝合金手机壳

4.材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展。

5.激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽车发动机缸套、凸轮轴、石油抽油管、纺织用锭杆等零件的表面强化上得到应用。

6.化学气相沉积(CVD)可制造出高硬度、高耐磨性的金黄色TiN薄膜,用于耐磨零件和装饰件的表面处理。分层实体快速成形减速机箱体原型我国汽车工业发展迅猛，汽车材料需求迅速增加。

新型汽车电动汽车飞船“神舟”五号飞行成功

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总之，材料科学和材料工程发展很快。我们需要掌握材料科学的基本理论和基本知识，研究和发明新的材料和新的工艺，合理地使用各种工程材料

。问题2：1.这门课我们要学习什么？2.这门课在专业学习中的必要性或者重要性？3.如何学习这门课？课程的性质和任务工程材料与成形技术基础是机械类、近机械类各专业学生必修的一门技术基础课。本课程的任务是:l）工程材料的性能：以力学性能为主，还要考虑物理性能、化学性能及工艺性能；2）金属学基本理论：使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识；常用工程材料成分－组织－性能－应用之间关系的一般规律3）热处理方面：掌握钢的热处理基本原理和工艺，掌握热处理各种工艺方法的目的，以便正确选用热处理工艺方法，合理安排工艺路线。课程的性质和任务4）常用工程材料：掌握常用的工业用钢、铸铁、非铁金属及其合金的成分、组织、性能和用途；了解工程塑料、橡胶、陶瓷、复合材料等常用非金属材料的分类、性能和用途，以便合理选用工程材料。5）热加工基础：掌握铸造、锻压和焊接的特点及应用范围，掌握金属的铸造性能、锻造性能和焊接性能；能初步分析各种热加工零件的结构工艺性，具有初步选择零件毛坯的能力。6）零件材料与毛坯的选择：熟悉常用工程材料的生产工艺过程，正确选择零件的材料、毛坯，并初步安排热处理在工艺过程中的位置。合理选用工程材料的初步能力。学习方法

本课程内容主要是建立在实验观察和工业实践基础之上,以实质性和规律性的描述为主,涉及面较宽。*着重理解课程内容,尽量避免死记硬背。*配合实验及多媒体信息,帮助和加深理解课程内容。*利用网络交流信息,如查阅资料、习题等。问题3：如何应用工程材料材料毛坯零件铸造锻压焊接粉末冶金切削加工型材热处理机械零件的成形过程第二节、材料的性能金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。

铸造性能可锻性能可焊性能切削加工性能热处理性工艺性

工程材料的性能使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能2.1材料的力学性能材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限和断裂韧度。（一）强度的概念（二）强度的测定——拉伸实验（三）强度指标一、强度（一）强度的概念

1.定义

指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。

载荷的类型通常分为：静载荷、动载荷和变载荷。弹性变形：卸去载荷后，试样能恢复到原状的变形。塑性变形：卸去载荷后，试样不能恢复到原状的变形。

2.应用

强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。（二）强度的测定——拉伸实验1.拉伸试样（GB6397-86）和拉伸试验机2.力—伸长曲线（以低碳钢试样为例）3.脆性材料的拉伸曲线1.拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0拉伸试验机2.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

拉伸试样的颈缩现象ΔLF03.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。

低碳钢的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线（三）强度指标

2.屈服点在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号σs表示。

1.弹性极限材料产生完全变形时所承受的最大应力值，用符号σe表示。FsA0σs=计算公式脆性材料（如高碳钢或经过热处理后的钢）的屈服点（规定残余伸长应力）：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力，用符号σ0.2表示。F0.2A0σ0.2=应用：σs和σ0.2常作为零件选材和设计的依据。3.抗拉强度

材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号σb表示。σb=FbA0计算公式应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。（二）衡量指标二、塑性金属材料断裂前发生永久变形的能力。塑性的测定——拉伸实验断面收缩率：断后伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。（一）定义断后伸长率（δ）l1-l0l0×100%δ=l1——试样拉断后的标距,mm;l0——试样的原始标距,mm。断面收缩率（Ψ）S0-S1S0Ψ=×100%S0——试样原始横截面积,mm2；S1——颈缩处的横截面积,mm2

。三、硬度（一）定义材料抵抗表面局部塑性变形的能力。（二）分类按照压力法，有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等。(1)原理布氏硬度=

FA凹=2FπD[D-（D²-d²）½]１．布氏硬度（2）应用测量比较软的材料。测量范围HBS<450、HBW<650的金属材料。压头为钢球时，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。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。（3）优缺点布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：

对于低碳钢:

b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢:b(MPa)≈3.4HB

对于铸铁：

b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)（1）原理2.洛氏硬度加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。

h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计（2）应用范围20~671500N120°金刚石圆锥体HRC25~1001000N1.588mm钢球HRB70~85600N120°金刚石圆锥体HRA常用洛氏硬度标度的试验范围优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。（3）优缺点缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。3.维氏硬度维氏硬度试验原理维氏硬度计维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据施加的载荷范围不同，规定了三种维氏硬度的测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。

四、冲击韧度金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。（三）冲击试验原理及方法（一）定义（二）冲击试样计算公式Ak=GH1

-GH2

=G（H1

-H2）试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak）等于摆锤冲击试样前后的势能差。试验过程如图所示。冲击韧度（ak）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。建造中的Titanic号Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果五、疲劳材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）六、断裂韧性北极星导弹1943年美国T-2油轮发生断裂裂纹扩展的基本形式应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为

2.2材料的其他性能一、物理性能1.密度和熔点密度：单位体积内材料的质量。熔点：材料的熔化温度。金属都有固定的熔点，非金属材料如高