机械工程材料及选用第一章力学性能资料优秀PPT.ppt
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1、3本课程教材本课程教材何庆复。机械工程材料及选用。中国铁道出版社,北京,何庆复。机械工程材料及选用。中国铁道出版社,北京,2008 4主要参考书主要参考书1.朱张校,姚可夫。工程材料(第五版)。清华朱张校,姚可夫。工程材料(第五版)。清华高校出版社,北京,高校出版社,北京,20112.庄哲峰。工程材料及其应用。华中科技高校出庄哲峰。工程材料及其应用。华中科技高校出版社,武汉,版社,武汉,20133.付广艳。机械工程材料。北京理工高校出版社,付广艳。机械工程材料。北京理工高校出版社,北京,北京,20144.王正品,李炳。工程材料。机械工业出版社,王正品,李炳。工程材料。机械工业出版社,北京,北京
2、,20125主要参考书主要参考书5.戈晓岚。机械工程材料(其次版)。北京高校戈晓岚。机械工程材料(其次版)。北京高校出版社,北京,出版社,北京,20136.魏小胜。工程材料(其次版)。武汉理工高校魏小胜。工程材料(其次版)。武汉理工高校出版社,武汉,出版社,武汉,20137.韩永生。工程材料性能与选用。机械工业出版韩永生。工程材料性能与选用。机械工业出版社,北京,社,北京,20138.崔占全,孙振国。工程材料(其次版)。机械崔占全,孙振国。工程材料(其次版)。机械工业出版社,北京,工业出版社,北京,20117工程材料工程材料o第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能 o其次章其次章 金属
3、晶体结构与塑性变形金属晶体结构与塑性变形o第三章第三章 金属结晶及合金相图金属结晶及合金相图o第四章第四章 钢的热处理钢的热处理o第五章第五章 钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用o第六章第六章 有色金属及应用有色金属及应用o第七章第七章 非金属材料非金属材料o第八章第八章 材料选择基础材料选择基础8绪论绪论o材料的重要性材料的重要性o材料是社会发展的物质基础,材料的发展往往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、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铁器时代等都是以材料来代表人类发展的不同阶段。阶段。o人类冶金史至
4、今已有人类冶金史至今已有6000多年,经验了三次多年,经验了三次大的发展,其中两次发生在中国。大的发展,其中两次发生在中国。o第一次是我国商周时期青铜冶铸技术大发展。第一次是我国商周时期青铜冶铸技术大发展。9绪论绪论o其次次是我国战国秦汉时期冶铁与生铁炼钢技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。术的大发展。o第三次是第三次是18世纪欧洲近代冶金技术的大发展。世纪欧洲近代冶金技术的大发展。o材料技术与能源技术和信息技术一起构成了现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。代文明的三大支柱。o材料的分类材料的分类o两分法:将材料分为有机材料和无机材料两大两分法:将材料
5、分为有机材料和无机材料两大类。类。10绪论绪论o三分法:是最常用的材料分类方法,将材料分三分法: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为金属材料、无机非金属材料和有机材料三大类。类。o四分法:将材料分为金属材料、无机非金属材四分法: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。料、有机材料和复合材料四大类。o金属材料金属材料包括:包括:黑色金属黑色金属(钢和铁钢和铁)及)及有色金有色金属。属。11绪论绪论o无机非金属材料主要包括:陶瓷、人工晶体、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。玻璃、耐火材料、胶凝材
6、料、碳素材料等。o有机材料主要包括:塑料、橡胶、胶粘剂等。有机材料主要包括:塑料、橡胶、胶粘剂等。o复合材料:由两种或两种以上不同组元构成的复合材料: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。复合材料;层状复合材料等。o以上各种材料广泛用于工业生产的各个领域。以上各种材料广泛用于工业生产的各个领域。12绪论绪论o工程材料?工程材料?o工程材料是工业生产中用作结构和机械零件的工程材料是工业生产中用作结构和机械零件的材料。材料。o工程材料的应用:机床等各种机械、汽车等各工程材料的应用:机床等各种机械、汽车
7、等各种交通工具、飞机、火箭等各种航空航天器、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。仪器仪表、热能设备、化工设备等各类设备。13绪论绪论1.1.机床机床2.2.机床的零部件很多,机身和底座、齿轮、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、工程塑常用材料有钢、铸铁、铜合金、工程塑料等。料等。机床零件15绪论绪论2.2.汽车汽车 3.3.汽车用材以金属材料为主,塑料、橡胶、陶瓷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。等非金属材料也占确定的比例
8、。4.4.发动机缸体、缸盖、缸套、活塞、连杆、气门、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、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。渗碳钢、铸铁、铸铝、轴瓦合金等。汽车发动机和传动系示意图汽车发动机和传动系示意图18绪论绪论3.3.航空航天器航空航天器o航空航天器用材:高合金耐热钢、镍基航空航天器用材:高合金耐热钢、镍基高温合金、钛合金、铝合金、镁合金、高温合金、钛合金、铝合金、镁合金、树脂基复合材料、碳树脂基复合材料、碳/碳复合材料等。碳复合材料等。东东方方红红一一号号人人造造地地球球卫卫星星 航天飞机 22绪论绪
9、论4.4.仪器仪表材料仪器仪表材料5.5.仪器仪表的壳体、轴类、凸轮、齿轮、蜗轮和仪器仪表的壳体、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。合金、工程塑料等。6.6.热能设备材料热能设备材料7.7.锅炉和汽轮机的主要零件如锅炉管道、汽包、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。钢、高温合金等制造。23绪论绪论6.6.化工设备材料化工设备材料o化工设备中的常用材料包括:合金钢化工设备中的常用材料包括:合金钢(不锈钢、耐
10、热钢),有色金属及其合(不锈钢、耐热钢),有色金属及其合金(铜合金、铝合金),非金属材料金(铜合金、铝合金),非金属材料(陶瓷、工程塑料)等。(陶瓷、工程塑料)等。24绪论绪论o本门课程的重点:金属材料。本门课程的重点:金属材料。o主要包括四方面内容:金属学;热处理;金属材料学;主要包括四方面内容:金属学;热处理;金属材料学;金属力学性能金属力学性能o学习目标:学习目标:o了解和驾驭金属材料成分组织和性能之间的关系。了解和驾驭金属材料成分组织和性能之间的关系。o会运用热处理工艺变更金属材料的组织和性能会运用热处理工艺变更金属材料的组织和性能,满足生满足生产须要。产须要。o会合理选择和应用金属材
11、料。会合理选择和应用金属材料。25绪论绪论o非金属材料非金属材料o熟悉特种陶瓷的性能特点、改善性能的途径和应熟悉特种陶瓷的性能特点、改善性能的途径和应用。用。o熟悉常用高分子材料的特性、应用及制品。了解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合成纤维、橡胶和胶粘剂的性能特点和用途.o复合材料复合材料o了解复合材料复合机制和原则。了解复合材料复合机制和原则。o熟悉常用复合材料的性能,了解应用。熟悉常用复合材料的性能,了解应用。26工程材料工程材料o第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能 o其次章其次章 金属晶体结构与塑性变形金属晶体结构与塑性变形o
12、第三章第三章 金属结晶及合金相图金属结晶及合金相图o第四章第四章 钢的热处理钢的热处理o第五章第五章 钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用o第六章第六章 有色金属及应用有色金属及应用o第七章第七章 非金属材料非金属材料o第八章第八章 材料选择基础材料选择基础27第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能 o金属材料的运用性能包括物理、化学、工艺和力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。能和工艺性能。o金属材料的力学性能是指金属在外加载荷或环境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
13、所表现的行为。因素作用下所表现的行为。o金属材料常用的力学性能包括强度、硬度、塑性金属材料常用的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等。和韧性等。28第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能 o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第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能o第一节第一节 金属的拉伸试验金属的拉伸试验o其次节其次节 金属的弹性与塑性金属的弹性与塑性o第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性能第一节第一节 金属的拉伸试验金属的拉伸试验q拉伸试验是工业上最广泛运用的力学性能试验方法拉伸试验是
14、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。之一。通常在万能材料试验机上进行试验。q通过传感器测量拉伸试验中的载荷通过传感器测量拉伸试验中的载荷P与伸长量与伸长量L后,后,由自动记录仪绘出由自动记录仪绘出P-L关系曲线,称为拉伸曲线或关系曲线,称为拉伸曲线或拉伸图。拉伸图。32拉伸过程中试样形态的变更拉伸过程中试样形态的变更33o金属在外加载荷作用下的变形过程一般可分为三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个阶段,即弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和断裂阶段。裂阶段。o由金属的拉伸曲线由金属的拉伸曲线(P-L)得到的应力得
15、到的应力-应变曲线应变曲线(-曲线,曲线,=P/F0,=L/L0)具有相同形态。)具有相同形态。o金属材料的拉伸曲线除低碳钢这种类型外,还有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。其它不同的类型,如脆性材料铸铁的拉伸曲线。第一节第一节 金属的拉伸试验金属的拉伸试验脆性材料拉伸曲线脆性材料拉伸曲线35第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能o第一节第一节 金属的拉伸试验金属的拉伸试验o其次节其次节 金属的弹性与塑性金属的弹性与塑性o第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性能36其次节其次节 金属的弹性与塑性金属的弹性与塑性1.2.1 金属的弹性变
16、形金属的弹性变形 1.2.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 371.2.1 金属的弹性变形金属的弹性变形q弹弹性性变变形形是是可可逆逆的的,加加载载或或卸卸载载时时,应应力力与与应应变变之之间间都都保保持持单单值值线线性性关关系系,变变形形量量小小,一一般般不超过不超过0.5%1%。q弹弹性性模模量量:是是表表征征材材料料反反抗抗弹弹性性变变形形实实力力的的性性能能指指标标,用用E表表示示。E值值的的大大小小反反映映了了金金属属弹弹性性变变形形的的难难易易程程度度,主主要要由由金金属属的的种种类类和和晶晶体体结结构所确定。构所确定。q弹弹性性极极限限:是是材材料料发发生生弹弹性性变变形形的的最
17、最大大应应力力值值。超超过弹性极限,材料便起先发生塑性变形。即:过弹性极限,材料便起先发生塑性变形。即:q e=Pe/F0 q比例极限比例极限:是应力:是应力与应变成正比关系与应变成正比关系的最大应力值。即:的最大应力值。即:p=Pp/F0391.2.1 金属的弹性变形金属的弹性变形o p p的实际意义:服役时其应力应变关系严格维的实际意义: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;类构件的材料应以比例极限为依据;o e e的实际意义:服役条件要求构件不允许产生的实际意义:服役条件要求构件不允许产生
18、微量塑性变形,设计时应按弹性极限来选材。微量塑性变形,设计时应按弹性极限来选材。401.2.1 金属的弹性变形金属的弹性变形o弹性不完整性:包括包申格效应、弹性后效和弹性滞后弹性不完整性:包括包申格效应、弹性后效和弹性滞后等现象。等现象。o包申格效应:金属经预先加载产生微量塑性变形后,同包申格效应: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。向加载弹性极限上升,反向加载弹性极限降低的现象。o弹性后效:加载或卸载时应变滞后于应力而和时间有关弹性后效: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。的现象,又称滞弹性。o弹性滞后:金属在弹性区内加载
19、弹性滞后:金属在弹性区内加载-卸载循环时,加载线和卸载循环时,加载线和卸载线不重合而形成封闭回线的现象。卸载线不重合而形成封闭回线的现象。41其次节其次节 金属的弹性与塑性金属的弹性与塑性1.2.1 金属的弹性变形金属的弹性变形 1.2.2 金属的塑性变形金属的塑性变形 421.2.2 金属的塑性变形金属的塑性变形o塑性:金属断裂时发生塑性变形最大值的相对量。塑性:金属断裂时发生塑性变形最大值的相对量。o塑性变形是一种不行逆变形。随着外力增加其塑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。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
20、率和断面收缩率。塑性指标有两种:延长率和断面收缩率。o延长率延长率:金属断裂时的最大相对伸长量。用百:金属断裂时的最大相对伸长量。用百分数表示:分数表示:=(Lk-L0)/L0100%431.2.2 金属的塑性变形金属的塑性变形o试样的原始截面积和原始标距长度影响其延长率,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:的尺寸有两种:L0=5d0或或10d0。分别以。分别以 5 或或 10 表示,且表示,且 5 10。代表用代表用10倍试样得到的延长率。倍试样得到的延长率。o断面收缩率断面收缩率:
21、试样断裂处截面的相对收缩值,也:试样断裂处截面的相对收缩值,也用百分数表示,用百分数表示,=(F0-Fk)/F0100%oF0试样原始截面积;试样原始截面积;Fk试样断裂后断裂处的最试样断裂后断裂处的最小截面积。小截面积。44第一章第一章 金属材料力学性能金属材料力学性能o第一节第一节 金属的拉伸试验金属的拉伸试验o其次节其次节 金属的弹性与塑性金属的弹性与塑性o第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性能45第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性能1.3.1 金属强度金属强度1.3.2 金属韧性金属韧性1.3.3 金属的硬度金属的硬度1.3.4 金属的疲惫金属的疲惫461.3.1 金属强度金
22、属强度o金属的强度是表征金属材料反抗变形和断裂的金属的强度是表征金属材料反抗变形和断裂的实力。实力。o屈服极限:是金属产生塑性变形的最小应力值,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。也称为屈服强度。即:即:o s=PS/F0q低低碳碳钢钢的的屈屈服服强强度度为为拉拉伸伸曲曲线线水水平平台台对对应应的应力值。的应力值。q对于没有明显屈服现对于没有明显屈服现象的金属,如高强钢、象的金属,如高强钢、铸铁等,人为规定拉铸铁等,人为规定拉伸试样标距部分产生伸试样标距部分产生0.2%塑性伸长率时的塑性伸长率时的应力值作为材料的屈应力值作为材料的屈服强度,以服强度,以 0.2表示。表示。
23、屈服强度的确定屈服强度的确定q抗拉强度抗拉强度:是金属:是金属拉伸试验中试样所拉伸试验中试样所能承受的最大拉应能承受的最大拉应力。力。q 即:即:b=Pb/F0q塑性金属在最大载荷出现前,变形基本匀整分布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。形,试样上出现颈缩。拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象50第三节第三节 金属的力学性能金属的力学性能1.3.1 金属强度金属强度1.3.2 金属韧性金属韧性1.3.3 金属的硬度金属的硬度1.3.4 金属的疲惫金属的疲惫511.3.2 金属韧性金属
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