第1章工程材料及其性能PPT讲稿.ppt
第1章工程材料及其性能第1页，共87页，编辑于2022年，星期一公路、铁路的钢架桥梁公路、铁路的钢架桥梁第2页，共87页，编辑于2022年，星期一“神州神州”六号载人飞船发射升空六号载人飞船发射升空第3页，共87页，编辑于2022年，星期一第4页，共87页，编辑于2022年，星期一 导导 弹弹 驱驱 逐逐 舰舰第5页，共87页，编辑于2022年，星期一 航航 空空 母母 舰舰第6页，共87页，编辑于2022年，星期一美国美国“奋进号奋进号”航天飞机航天飞机“乘坐乘坐”波音波音747747飞飞机机第7页，共87页，编辑于2022年，星期一钢钢 甲甲 勇勇 士士第8页，共87页，编辑于2022年，星期一1.1.1 材料的发展材料的发展1.石器时代石器时代2.青铜时代青铜时代3.铁器时代铁器时代4.合成材料新时代合成材料新时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。学家根据人类所使用的材料来划分时代。石器石器铁器铁器 象形尊象形尊(青青铜铜)第9页，共87页，编辑于2022年，星期一材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图第10页，共87页，编辑于2022年，星期一1.1.2 工程材料的分类工程材料的分类（1）按化学组成分）按化学组成分金属材料有机高分子材料陶瓷材料复合材料（2）按使用性能分）按使用性能分结构材料功能材料（3）按使用领域分）按使用领域分信息材料能源材料建筑材料机械工程材料生物材料第11页，共87页，编辑于2022年，星期一1.2 金属材料的常用力学性能 1.2.1 金属材料所受载荷与常用力学金属材料所受载荷与常用力学 1.2.2 强度强度 1.2.3 塑性塑性 1.2.4 硬度硬度 1.2.5 冲击韧性冲击韧性1.2.6 疲劳强度疲劳强度第12页，共87页，编辑于2022年，星期一1.2.1 金属材料所受载荷与常用力学金属材料所受载荷与常用力学载荷金属材料（或零件、构件）在加工和使用过程中所受的力（N）或应力。按外力的作用性质，可分为三种：按外力的作用性质，可分为三种：（1）静载荷）静载荷 大小不变或变化很慢的载荷。如：书放在桌子上，桌子所受的力。人站在地面上，地面所的力等等。（2）冲击载荷）冲击载荷 突然增加或消失的载荷。如：在墙上钉钉子，钉子所受的力等等。（3）交变载荷）交变载荷 周期性的动载荷。根据作用形式不同，载荷又可分为：拉、压载荷，弯曲载荷，剪切载荷，扭转载荷。第13页，共87页，编辑于2022年，星期一第14页，共87页，编辑于2022年，星期一2.载荷下的变形载荷下的变形（1）弹性变形 随外力消除而消失的变形称为弹性变形。（2）塑性变形 当外力去除时，不能恢复的变形称为塑性变形。3.常用力学性能指标常用力学性能指标 金属材料的力学性能是指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗变形和断裂的能力。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等，它们是衡量材料性能和决定材料英语范围的重要指标。第15页，共87页，编辑于2022年，星期一1.2.2 强强度度 一、一、拉伸曲线与应力拉伸曲线与应力应变曲线应变曲线1拉伸曲线拉伸曲线 GB 22887规定了拉伸试验的方法和拉伸试验试样的制作标准。在试验时，金属材料制作成一定的尺寸和形状(如图1-1所示)，将拉伸试样装夹在拉伸试验机上，对试样施加拉力，在拉力不断增加的过程中观察试样的变化，直至把试样拉断。强度强度材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力。材料受静载荷作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力。第16页，共87页，编辑于2022年，星期一长试样：长试样：L0=10d0短试样：短试样：L0=5d0返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页第17页，共87页，编辑于2022年，星期一根据拉伸过程中载荷(F)与试样的伸长量(l)之间的关系，可以绘制出金属的拉伸曲线。如图1-2所示为低碳钢的拉伸曲线，拉伸过程可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。具体分析如下：第18页，共87页，编辑于2022年，星期一第19页，共87页，编辑于2022年，星期一Op段：试样的伸长量与载荷呈直线关系，完全符合虎克定律，试样处于弹性变形阶段。pe段：伸长量与载荷不再成正比关系，拉伸曲线不成直线，试样仍处于弹性变形阶段。ss段(拉伸曲线中的平台或锯齿)：外力不增加或变化不大，试样仍继续伸长，出现明显的塑性变形，这种现象称为屈服现象。sb段：这个阶段，载荷增加，伸长沿整个试样长度均匀伸长，同时，随着塑性变形不断增加，试样的变形抗力也逐渐增加，这个阶段是材料的强化阶段。第20页，共87页，编辑于2022年，星期一b点：载荷达到最大，试样局部面积减小，伸长增加，形成了“缩颈”。bk段：随着缩颈处截面不断减小(非均匀塑性变形阶段)，承载能力不断下降，到k点时试样发生断裂。拉伸曲线中，断裂总伸长为Of，其中塑形变形伸长为Og(试样断后测得的伸长lk)，弹性伸长为gf。第21页，共87页，编辑于2022年，星期一强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指标。按照载荷载荷的性质，材料强度有静强度、疲劳强度等；按照环境条件，材料强度有常温强度、高温强度等，高温强度又包括蠕变极限和持久强度。除了上述材料强度外，还有机械零件和构件的结构强度。工程上常用的强度指标有强度指标有屈服强度、规定残工程上常用的强度指标有强度指标有屈服强度、规定残余延伸强度、抗拉强度等。余延伸强度、抗拉强度等。2.强度指标强度指标第22页，共87页，编辑于2022年，星期一材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示，其单位为N/m2(Pa)，但Pa这个单位太小，所以实际工程中常用MPa（MPa=106Pa）作为强度的单位。一般钢材的屈服强度在2002000MPa 之间，如建造2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”外部钢结构的Q460E钢，其屈服强度为460MPa。第23页，共87页，编辑于2022年，星期一 （1 1）弹性极限）弹性极限e e 弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最弹性极限是指在产生完全弹性变形时材料所能承受的最大应力，即：大应力，即：大应力，即：大应力，即：式中式中FeFe试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷，试样完全弹性变形时所能承受的最大载荷，N N；SoSo试样原始截面积，试样原始截面积，mmmm2 2。oeeSF=s第24页，共87页，编辑于2022年，星期一 在实际工程应用中，在最大许用应力条件下是否产在实际工程应用中，在最大许用应力条件下是否产生或产生多大微量塑性变形是重要的，具有实际意义。生或产生多大微量塑性变形是重要的，具有实际意义。第25页，共87页，编辑于2022年，星期一（2）屈服强度（屈服点）第26页，共87页，编辑于2022年，星期一 屈服现象在金属拉伸试验过程中，在金属拉伸试验过程中，当应力超过弹性极限后，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了变形增加较快，此时除了弹性变形外，还产生部分弹性变形外，还产生部分塑性变形。当外力增加到塑性变形。当外力增加到一定数值时突然下降，随一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸波动情况下，试样继续伸长变形，在力伸长曲线长变形，在力伸长曲线出现一个波动的小平台，出现一个波动的小平台，这便是屈服现象。这便是屈服现象。第27页，共87页，编辑于2022年，星期一屈服强度s 屈服点是指材料开始产生明显塑性变形（即屈服点是指材料开始产生明显塑性变形（即屈服）时的应力，用符号屈服）时的应力，用符号s（Mpa）表示即：）表示即：oSSSF=s式中式中FSFS试样发生屈服现象时的载荷，试样发生屈服现象时的载荷，N N；SoSo试样原始截面积，试样原始截面积，mmmm2 2。第28页，共87页，编辑于2022年，星期一第29页，共87页，编辑于2022年，星期一 规定残余延伸强度 对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。国标GB228-2002规定，一般规定以试样达到一定残余伸长率对应的应力作为材料的屈服强度，称为规定残余延伸强度，通常记作Rr。例如Rr0.2表示残余伸长率为0.2%时的应力。第30页，共87页，编辑于2022年，星期一 强度极限是材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号强度极限是材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号 b表示。表示。(3)强度极限（抗拉强度）obbSF=s式中式中FbFb试样在断裂前的最大载荷，试样在断裂前的最大载荷，N N；SoSo试样原始截面积，试样原始截面积，mmmm2 2。第31页，共87页，编辑于2022年，星期一抗拉强度抗拉强度e e的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。材料的断裂强度。断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。第32页，共87页，编辑于2022年，星期一第33页，共87页，编辑于2022年，星期一 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2001000MPa 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。强度的意义第34页，共87页，编辑于2022年，星期一 强度极限是材料在断裂前所能承受的最大应力，用符强度极限是材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号号 E表示。表示。(4)弹性模量（刚度）=式中式中 应力，应力，Mpa Mpa；应变，即单位长度的伸长量应变，即单位长度的伸长量 ，mmmm2 2。=LL第35页，共87页，编辑于2022年，星期一刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，金属材料刚度的大小一般用弹性模量E表示。在拉伸曲线上，弹性模量就是直线（OP）部分的斜率。对于材料而言，弹性模量E越大，其刚度越大。刚度刚度第36页，共87页，编辑于2022年，星期一弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。第37页，共87页，编辑于2022年，星期一材材 料料弹弹性模量性模量E/10E/105 5MPaMPa弹弹性极限性极限 e e/MPa/MPa中中 碳碳 钢钢2.12.1310310弹弹 簧簧 钢钢2.12.1965965硬硬 铝铝0.7240.724125125铜铜1.11.127.527.5铍铍 青青 铜铜1.21.2588588磷磷 青青 铜铜1.011.01450450第38页，共87页，编辑于2022年，星期一结构的刚度除取决于组成材料的弹性模量外，还同其几何形状、截面尺寸等因素以及外力的作用形式有关，在弹性模量E E一定时，零件或构件的截面尺寸越大，其刚度越高。对于一些须严格限制变形的结构（如机翼、高精度的装对于一些须严格限制变形的结构（如机翼、高精度的装配件等），须通过刚度分析来控制变形。许多结构（如配件等），须通过刚度分析来控制变形。许多结构（如建筑物、船体结构等）也要通过控制刚度以防止发生振建筑物、船体结构等）也要通过控制刚度以防止发生振动、颤振或失稳。动、颤振或失稳。第39页，共87页，编辑于2022年，星期一1.2.3 塑性指标第40页，共87页，编辑于2022年，星期一（二）衡量指标（二）衡量指标金属材料断裂前发生永久变形的能力。金属材料断裂前发生永久变形的能力。断面收缩率断面收缩率：伸长率伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，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。始横截面积的百分比。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页（一）（一）定义定义第41页，共87页，编辑于2022年，星期一1.伸长率（伸长率（）l1-l0l0100%=l1试样拉断后的标距试样拉断后的标距,mm;l0试样的原始标距试样的原始标距,mm。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页 是指试样拉断后的伸长量与试样原长度比值的百分数。第42页，共87页，编辑于2022年，星期一同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，用短试样（L05d0）测得的断后伸长率略大于用长试样（L010d0）测得的断后伸长率11.3。第43页，共87页，编辑于2022年，星期一2.断面收缩率（断面收缩率（）S0-S1S0=100%S0试样原始横截面积试样原始横截面积,mm2；S1颈缩处的横截面积颈缩处的横截面积,mm2。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页 是指试样拉断处的横截面积的收缩量与试样原横截面积之比的百分数。第44页，共87页，编辑于2022年，星期一3.塑性的意义任何零件都要求材料具有一定的塑性。很显然，断后伸长率和断面收缩率越大，说明材料在断裂前发生的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。意义：a）安全，防止产生突然破坏；b）缓和应力集中；c）轧制、挤压等冷热加工变形。第45页，共87页，编辑于2022年，星期一强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工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。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。第46页，共87页，编辑于2022年，星期一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。第47页，共87页，编辑于2022年，星期一1.2.4 硬硬 度度第48页，共87页，编辑于2022年，星期一材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。第49页，共87页，编辑于2022年，星期一（一）布氏硬度（一）布氏硬度（二）洛氏硬度（二）洛氏硬度1.原理原理2.应用应用3.优缺点优缺点 1.原理原理2.应用应用3.优缺点优缺点返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页第50页，共87页，编辑于2022年，星期一（一）布氏硬度（一）布氏硬度布氏硬度试验是指用一定直径的 硬质合金球以相应的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页第51页，共87页，编辑于2022年，星期一第52页，共87页，编辑于2022年，星期一布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图第53页，共87页，编辑于2022年，星期一1.原理原理布氏硬度布氏硬度=F S凹凹=2FDD-（D-d）（一）布氏硬度（一）布氏硬度返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页第54页，共87页，编辑于2022年，星期一布氏硬度实际测试时，硬度值是不用计算的，利用刻度放大镜测出压痕直径d，根据值d查平面布氏硬度表即可查出硬度值（详见附表B）。目前，金属布氏硬度试验方法执行时GB/T231-2002标准，用符号HBW表示，布氏硬度试验范围上限为650HBW。第55页，共87页，编辑于2022年，星期一 测量比较软的材料。测量测量比较软的材料。测量范围范围 650650HBW的金属材料。的金属材料。3.优缺点优缺点2.应用应用 压痕大，测量准确，但不压痕大，测量准确，但不能测量成品件。能测量成品件。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页第56页，共87页，编辑于2022年，星期一1.原理原理 （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值第57页，共87页，编辑于2022年，星期一返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页第58页，共87页，编辑于2022年，星期一2.应用范围应用范围20671500N120120金刚石圆金刚石圆锥体锥体HRCHRC25100251001000N1.588mm1.588mm钢球钢球HRB7085600N600N120120金刚石圆金刚石圆锥体锥体HRA返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页常用洛氏硬度标度的试验范围常用洛氏硬度标度的试验范围第59页，共87页，编辑于2022年，星期一优点：操作简便、迅速，效率优点：操作简便、迅速，效率 高，可直接测量成品件高，可直接测量成品件 及高硬度及高硬度 的材料。的材料。3.优缺点优缺点缺点：压痕小，测量不准确，缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。需多次测量。返返 回回上一页上一页下一页下一页回主页回主页第60页，共87页，编辑于2022年，星期一 （三）维氏硬度（三）维氏硬度(HV)(1)(1)测试原理测试原理 和布氏硬度和布氏硬度试验原理基本试验原理基本相同。相同。(2)(2)表示方法表示方法 例如：例如：640640HV30/2030/20。(3)(3)适用范围适用范围 用于测量金属镀层薄片材用于测量金属镀层薄片材料和化学热处理后的表料和化学热处理后的表面硬度。面硬度。维氏硬度测试原理示意维氏硬度测试原理示意第61页，共87页，编辑于2022年，星期一各硬度值之间大致有以下关系各硬度值之间大致有以下关系：布氏硬度值在布氏硬度值在200200450HBW450HBW范围内，范围内，HBW=10=10HRC；布氏硬度值小于布氏硬度值小于450450HBW，HBWHV第62页，共87页，编辑于2022年，星期一1.1.冲击载荷冲击载荷冲击载荷冲击载荷在很短时间内作用物体上的在很短时间内作用物体上的载荷称为冲击载荷。载荷称为冲击载荷。加载时间短，加载速率高；加载时间短，加载速率高；有时利用，有时尽量避免或减小。有时利用，有时尽量避免或减小。载荷作用效果大，所以必须考虑载荷作用效果大，所以必须考虑材料在冲击载荷作用下抵抗破坏材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，即冲击韧性。的能力，即冲击韧性。1.2.5 冲击韧度冲击韧度第63页，共87页，编辑于2022年，星期一2.冲击韧性的概念 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。第64页，共87页，编辑于2022年，星期一 3.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第65页，共87页，编辑于2022年，星期一1、试验方法：一次摆锤冲击弯曲实验2、试样：U形或V形缺口冲击韧性试验原理第66页，共87页，编辑于2022年，星期一3 3、试验原理：试样从一定高度被击断后，缺口处单位横截面面积上吸收的试样从一定高度被击断后，缺口处单位横截面面积上吸收的功功冲击韧度冲击韧度lH1H2F冲击吸收功Aku=FL（cos-cos）冲击韧度ku=Aku/S第67页，共87页，编辑于2022年，星期一第68页，共87页，编辑于2022年，星期一如不能制备标准试佯，可采用如不能制备标准试佯，可采用宽度宽度7.5mm7.5mm或或5mm5mm等小尺寸等小尺寸试祥试祥,试样的其他尺寸及公差试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同，与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。其缺口应开在试样的窄面上。其中中5mm10mm55mm5mm10mm55mm试样试样常用于薄板材料的检验。常用于薄板材料的检验。焊接接头冲击试样的形状和焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同，尺寸与相应的标准试样相同，但其缺口轴线应当垂直焊缝但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。表面。第69页，共87页，编辑于2022年，星期一缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。热加工工艺的质量。用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。4.冲击试验的应用第70页，共87页，编辑于2022年，星期一低温脆性随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象状态的现象 。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。脆性破坏的现象。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。第71页，共87页，编辑于2022年，星期一体心立方金属具有韧脆转变温度，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。而大多数面心立方金属没有。第72页，共87页，编辑于2022年，星期一冲冲击击韧韧性性与与温温度度有有密密切切的的关关系系，温温度度降降低低，冲冲击击韧韧性性随随之之降降低低。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。这一温度称为转转变变温温度度（Tt t）。）。转转变变温温度度（T Tt t）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重要。第73页，共87页，编辑于2022年，星期一1.2.6疲劳强度（疲劳极限）第74页，共87页，编辑于2022年，星期一 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。第75页，共87页，编辑于2022年，星期一19981998年年6 6月月3 3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一日，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，造成列高速列车脱轨，造成100100多人遇难。多人遇难。事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断内部疲劳断裂裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导致车轮引起的。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过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5 5节车厢断开，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，从而导致了这场近塌的桥体上，从而导致了这场近5050年来德国最惨重的铁路事故。年来德国最惨重的铁路事故。第76页，共87页，编辑于2022年，星期一第77页，共87页，编辑于2022年，星期一疲劳断裂疲劳断裂 零件在循环应力作用下零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部在一处或几处产生局部永久性累积损伤永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂经一定循环次数后突然产生断裂的过程的过程,称为疲劳断裂称为疲劳断裂.疲劳断裂由疲劳裂纹产生疲劳断裂由疲劳裂纹产生扩展扩展瞬时断裂三个瞬时断裂三个阶段组成。阶段组成。第78页，共87页，编辑于2022年，星期一尽管疲劳失效的最终结果是部件尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂的突然断裂,但实际上它们是一个但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。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，即疲劳裂纹产生区区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。断裂区。1.疲劳断口疲劳断口第79页，共87页，编辑于2022年，星期一轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）第80页，共87页，编辑于2022年，星期一当应力低于某值时，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R（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（R1）测定的，对称弯曲疲劳极限记作-1。2.疲劳强度疲劳强度第81页，共87页，编辑于2022年，星期一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周次第82页，共87页，编辑于2022年，星期一在工程中，有时根据零件寿命的要求，在规定的某一循环周次下，测出max，并称之为疲劳强度，实际上就是条件疲劳极限。第83页，共87页，编辑于2022年，星期一5.5.提高疲劳极限的途径提高疲劳极限的途径(1)(1)在在零零件件结结构构设设计计中中尽尽量量避避免免尖尖角角、缺缺口口和和截面突变。截面突变。(2)(2)提高零件表面加工质量。提高零件表面加工质量。(3)(3)对材料表面进行强化处理。对材料表面进行强化处理。第84页，共87页，编辑于2022年，星期一1.3 1.3 金属材料的物理性能和化学性能金属材料的物理性能和化学性能 1.3.1物理性能物理性能密度：单位体积的质量，m/V。熔点：金属或合金从固态向液态转变的温度。导热性：金属材料传导热量的性能。通常用热导率来衡量。导电性：金属材料传导电流的性能。通常用电阻率来衡量。热膨胀性：金属材料随温度的变化而膨胀或收缩的性能。通常用线膨胀系数或体膨胀系数来表示。磁性：金属材料在磁场中受到磁化的性能。根据磁化程度不同，金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料三类。第85页，共87页，编辑于2022年，星期一1.3.2化学性能化学性能耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气和其他化学介质腐蚀破坏的性能。抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。化学稳定性：对金属材料耐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为“热稳定性”。第86页，共87页，编辑于2022年，星期一1.4 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能铸造性能：材料在铸造过程中呈现出的工艺性能，包括流动性、收缩性等。锻造性能：材料在锻压过程中表现出的工艺性能，包括可锻性、冲压性、冷镦性等。焊接性能：材料在一定生产条件下接受焊接的能力。切削加工性：材料能够进行切削加工的能力。用切削抗力、刃具磨损等衡量。热处理性：材料在热处理过程中的工艺性能，包括淬透性、回火脆性等。第87页，共87页，编辑于2022年，星期一
