机械工程材料第一章.ppt
山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学第一章 材料的性能 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学l使用性能：材料在使用过程使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括力学力学性能、物理性能和化学性能。性能、物理性能和化学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程材料在加工过程中所表现的性能。中所表现的性能。包括包括铸造、铸造、锻压、焊接、热处理和切削锻压、焊接、热处理和切削性能等。性能等。神舟一号飞船 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。为变形。l外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。l外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。五万吨水压机五万吨水压机 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学一、弹性和刚度一、弹性和刚度l弹性：指标为弹性极限弹性：指标为弹性极限 e e，即，即材料承受最大弹性材料承受最大弹性变形时的应力。变形时的应力。l刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量弹性模量E E。山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学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。截面形状来提高零件的刚度。山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学二、强度与塑性二、强度与塑性l强度：强度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。屈服强度屈服强度 s：材料发生微量材料发生微量塑性变形时的应力值。塑性变形时的应力值。s0.2 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉拉伸伸试试验验机机应力应力 =F/S应变应变 =(l-l0)/l0 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形量为残余变形量为0.2%时的应力值。时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受的最大应力值。材料断裂前所承受的最大应力值。山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为：指标为：指标为：伸长率：伸长率：断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。实变形。l 直径直径d0 相同时，相同时，l0，。只有当。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。l当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学三、硬度三、硬度l l硬度硬度硬度硬度金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。形、压痕的能力。形、压痕的能力。形、压痕的能力。l l硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。l布氏硬度布氏硬度HBHB 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学布布氏氏硬硬度度计计 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学 l压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适适用用于于布布氏氏硬硬度度值在值在450以下的材料。以下的材料。l压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布布氏氏硬硬度度在在650以下的材料。以下的材料。l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值,符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保保持持时时间间。如如 120HBS10/1000/30 表示直径为表示直径为10mm的的 钢钢球球在在1000kgf（9.807kN）载载荷荷作作用用下下保保持持30s测测得得的的布布氏氏 硬度值为硬度值为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学l布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。l缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。料。l适于测量退火、正火、调质钢适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学洛氏硬度洛氏硬度l l根根根根据据据据压压压压头头头头形形形形式式式式和和和和载载载载荷荷荷荷不不不不同同同同有有有有三三三三种种种种标标标标度度度度（HRA,HRA,HRA,HRA,HRB,HRCHRB,HRCHRB,HRCHRB,HRC），能能能能够够够够测测测测试试试试从从从从软软软软到到到到硬硬硬硬各各各各种种种种硬硬硬硬度度度度的的的的材材材材料，料，料，料，HRCHRCHRCHRC应用最广，可用于测硬度很高的材料。应用最广，可用于测硬度很高的材料。应用最广，可用于测硬度很高的材料。应用最广，可用于测硬度很高的材料。山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学h1-h0洛氏硬度洛氏硬度测试示意图测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h2-h1)/0.002 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬质如硬质合金、表淬层和渗碳层。合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有色如有色金属和退火、正火钢等。金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：操作简便，压痕洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。小，适用范围广。l缺点：测量结果分散度大。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，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。后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。l根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬维氏硬度试验度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。l维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学小小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学四、冲击韧性四、冲击韧性l是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。l指标为冲击韧性值指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得通过冲击实验测得)。:冲击韧度（冲击值）冲击韧度（冲击值）冲击韧度（冲击值）冲击韧度（冲击值）:冲断试样所消耗的冲击功，冲断试样所消耗的冲击功，冲断试样所消耗的冲击功，冲断试样所消耗的冲击功，J J J J:试样缺口处的截面积，试样缺口处的截面积，试样缺口处的截面积，试样缺口处的截面积，山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度l材料的冲击韧性随温度下材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧韧脆转变的温度范围称韧脆转变脆转变温度。材料的使用温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面心立方金属没有。方金属没有。山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学五、疲五、疲 劳劳l材料在低于材料在低于 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。l材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应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。用力称为疲劳极限。用-1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学疲劳断口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。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）山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学六、断裂韧性六、断裂韧性（裂纹）（裂纹）五十年代，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体试验，发五十年代，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体试验，发生爆炸。高强度合金，传统强度和韧性指标合格，爆炸时工生爆炸。高强度合金，传统强度和韧性指标合格，爆炸时工作压力远低于许用应力。作压力远低于许用应力。山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北北极极星星导导弹弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式 山山山山 东东东东 农农农农 业业业业 大大大大 学学学学 机机机机 电电电电 学学学学 院院院院机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学l应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。指标。断裂韧性：材料抵抗内部断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界为临界裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为
