机械工程材料基础-1课件

机械工程材料基础

主讲：陈君梅机械与电子工程学院2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅机械工程材料基础主讲：陈君梅2001概论

机械工程材料的定义、分类和常用的性能指标；学习本章的目的。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅概论机械工程材料的定义、分类和常用的性能指标；20072一、机械工程材料的定义和分类

1、定义机械工程材料主要指用于机械工程、电器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等领域的材料。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅一、机械工程材料的定义和分类2007-3-12第3章32、分类（按化学成分分类）

金属材料(综合性能好，用量最大、应用范围最广)高分子材料

(质轻、耐腐蚀，常用于化工、机械、航 空航天等)

陶瓷材料

（高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘，用于 电器、化工、航空航天等等）

复合材料

（轻、高的比强度、比刚度，结合两种材 料的性能优点，用于航空航天等领域）2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅2、分类（按化学成分分类）2007-3-12第34二、机械工程材料的常用性能

包括两方面材料使用性能材料工艺性能力学性能（强度、塑性韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅二、机械工程材料的常用性能包括两方面材料使用性能材料工艺5

三、学习《机械工程材料》的目的（1）获得常用的金属材料、非金属材料的基本知识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围；

（2）为以后正确设计和合理选材打下基础。

2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅三、学习《机械工程材料》的目的（1）获得6

3.1金属材料性能

教学目的:

１．了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；２．强调各种力学性能指标的生产实际意义；３．了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。

2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅

3.1金属材料性能

教学目的:2007-3-12第373.1.1物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等；3.1.2化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.1.1物理性能：2007-3-12第3章机械83.1.3金属的力学性能定义:

金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。

指标:

弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.1.3金属的力学性能定义:2007-3-193.1.3金属的力学性能一、拉伸实验与拉伸曲线P38--42拉伸试样2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.1.3金属的力学性能一、拉伸实验与拉伸曲线P310拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机2007-3-12第3章机械11op段：比例弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：缩颈断裂阶段，承载下降，到k点断裂。ΔlFΔl

bΔl

uΔl

FbbkFssogfeFepFp拉伸曲线2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅op段：比例弹性变形阶段；ΔlFΔlbΔluΔl12应力与应变曲线(1)应力σ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示:F 载荷(N)σ=——(Mpa) S0 原始横截面积(mm2)(2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:

Δl 伸长量(mm)

ε=——

l0

原始长度(mm)(3)应力－应变曲线（σ-ε曲线）:形状和拉伸曲线相同，单位不同σbσsσeεσ2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅应力与应变曲线(1)应力σ：单位面积上试样承受的载荷。这里13退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲线2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲14二、刚度1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形:

随载荷撤除而消失的变形

2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：E=σ/ε材料的E越大，刚度越大；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。E=σ/ε

2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅二、刚度1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后15

Fe弹性极限载荷(N)

σe=(Mpa)

S0试样原始横截面积(mm2)σee3.弹性极限:2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅σee3.弹性极限:2007-3-12第3章机械16强度:

材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类:

抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。

(1)屈服点与屈服强度:

产生明显塑性变形的最低应力值.

Fs

σs

=

(MPa)

S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)σs三、强度2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅强度:材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。种类:抗17

屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)

F0.2

σ0.2

=

(MPa)

S

0

试样原始横截面(mm2)试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力试样产生0.2%残余塑性变形

屈服点σs、屈服强度σ0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)18(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。它表示材料抵抗断裂的能力。是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。

F

b

试样断裂前的最大载荷(N)

σb

=

(MPa)

S

0

试样原始横截面积(mm2)σbσsσe2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。σbσsσe19(1)断面收缩率:

是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ

S与原始横截面积S0之比。(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ

L

与原始标距L0之比。

S0-S1

ψ=——-—×100%S0

四、塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。

l1

-

l0

δ=——-—×100%l02007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅(1)断面收缩率:是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ20δ<2~5% 属脆性材科δ≈5~10% 属韧性材料δ>10% 属塑性材料塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅δ<2~5% 属脆性材科塑性指标不直接用21布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV锉刀法五.硬度

是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力.

硬度是各种零件和工具必需具备的力学性能指标,常作为技术要求标注在零件工作图上.

常用测量硬度的方法:

2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅布氏硬度HB22(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计

2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness23(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)适用范围:

＜450HBS;

450-650HBW;当压头为钢球时,硬度符号为HBS；当压头为硬质合金球时,硬度符号为HBW2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness24(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)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。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness25(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness26(3)维氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)适用范围:

测量薄板类;

HV≈HBS;2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅(3)维氏硬度HV

(diamondpenet27(5)锉刀法:

一组硬度差为5HRC的锉刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅(5)锉刀法:一组硬度差为5HRC的锉刀。20028六.冲击韧性(notchtoughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅六.冲击韧性(notchtoughness):29冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图2007-3-12第3章30试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)

冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，称为冲击韧度。

AK

ak

=(J/cm²)S02007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:31七.疲劳强度(fatiguestrength):

表示材料经无数次交变载荷作

用而不致引起断裂的最大应力值σ-1

。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅七.疲劳强度(fatiguestrength):

32钢材的循环次数一般取

N=107有色金属的循环次数一般取

N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取331943年美国T-2油轮发生断裂2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅1943年美国T-2油轮发生断裂2007-3-12第3章343.2

铁碳合金基础知识钢铁是机械工业应用最广泛的金属材料，它主要是由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。不同的钢铁材料其力学性能差别很大，这是由金属内部成分和组织结构决定的。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.2铁碳合金基础知识钢铁是机械工业应用最广泛的金属353.2.1铁碳合金的组织及性能基本组织：[含碳量、性能、工艺]1.铁素体(F)--碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。

2.奥氏体(A)--碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。3.

渗碳体(Fe3C)--铁与碳形成的金属化合物。

4.珠光体(P)--铁素体和渗碳体组成的机械混合物。5.莱氏体(Ld)--奥氏体和渗碳体组成的机械混合物

。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.2.1铁碳合金的组织及性能基本组织：[含碳量、性36奥氏体组织金相图渗碳体组织金相图珠光体组织金相图莱氏体组织金相图组织金相图2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅奥氏体组织金相图渗碳体组织金相图珠光体组织金相图莱氏体组织金373.2.2铁碳合金分类及其室温组织2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.2.2铁碳合金分类及其室温组织2007-3-12第3383.2.3碳的质量分数与力学性能的关系铁素体(F)：软而韧渗碳体(Fe3C):硬而脆（1）含碳量增加，硬度增加（2）含碳量增加，塑性韧性降低（3）含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.2.3碳的质量分数与力学性能的关系铁素体(F)：软393.3钢的热处理常识热处理的定义:时间温度临界温度

热加保温冷却2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.3钢的热处理常识热处理的定义:时间温度临界温度402.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.热处理的分类热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整413.3.1钢的普通热处理毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般零件生产的工艺路线:2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.3.1钢的普通热处理预备热处理:退42一.钢的退火一)定义:把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后

随炉冷却。二)目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅一.钢的退火一)定义:把零件加温到临界温度以上二)目的:43三)种类退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅三)种类退火重结晶低温完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去44二.钢的正火一)定义:把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然后在空气中冷却。

二)目的:消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理三.钢的淬火作好组织准备。三）应用范围:

1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。

2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。

2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅二.钢的正火一)定义:把零件加温到临界温度以上30～5045三.钢的淬火一)定义:

把零件加温到临界温度以上

30～50℃,保温一段时间,然

后快速冷却(常用水冷)。二)目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅三.钢的淬火一)定义:把零件加温到临界温度以上二)目的:46四.钢的回火一)定义:

把淬火后的零件重新加温到

A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。二)目的:

消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。淬火+高温回火=调质处理2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅四.钢的回火一)定义:把淬火后的零件重新加温到二)目的:473.3.2钢的表面热处理工艺表面淬火化学热处理工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅3.3.2钢的表面热处理工艺表面淬火工48一.表面淬火一)定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。二)工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅一.表面淬火一)定义:是一种不改变钢表层化学成二)工艺特49三)表面淬火用钢:选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。四)表面淬火加工的方法:

感应加热(高、中、工频)、火焰加热、电接触加热法等。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅三)表面淬火用钢:选用中碳或中碳低合金钢。4501.感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理:*

感应电流---涡流*

集肤效应*淬火层深度(δ)与电流频率(f)的关系:δ=500/√f（mm）

2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅1.感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理:*感应电流-51感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图2007-3-12第3章522)工艺要求:

*表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。

*表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。3)生产特点:

淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅2)工艺要求:3)生产特点:淬火件的质量好;工件变200532.火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅2.火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法2007-542)火焰加热表面淬火的特点:*设备简单,操作方便,成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅2)火焰加热表面淬火的特点:*设备简单,操作方便,成本低55二.化学热处理

(ChemicalHeatTreatment)一)定义:将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅二.化学热处理

(ChemicalHeat56二)化学热处理的基本过程:2.吸收:

活性原子被零件表面吸收和溶解。3.扩散:

活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。1.分解:

化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。

2COCO2+〔C〕2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅二)化学热处理的基本过程:2.吸收:活性原子被零件表面吸57三)化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅三)化学热处理的种类:渗碳;渗氮;碳氮2007-3-581.钢的渗碳(Carburizeofsteel)1)定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。2)目的:表层增加含碳量后，再经过淬火、回火后，获得具有高硬度和耐磨性，而工件心部仍具有高塑性韧性和足够的强度。3)用钢:低碳钢和低碳合金钢。如汽车齿轮、变速轴4)方法:固体、气体、液体渗碳。2007-3-12第3章机械工程材料基础》——陈君梅1.钢的渗碳(Carburizeofsteel)15