绪论第一章工程材料的力学性能.ppt

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1、1、材料、材料哥哥哥哥伦伦伦伦比比比比亚亚亚亚号号号号航航航航天天天天飞飞飞飞机机机机材料是指人类用以制造材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。各种有用器件的物质。一、材料和材料科学一、材料和材料科学材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活所必须的物质基础。所必须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀“神舟神舟神舟神舟”四号飞船成功返四号飞船成功返四号飞船成功返四号飞船成功返回回回回国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机石器石器铁器铁器 象形尊象形尊(西周西周)石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。材料是人类进化的里程碑。材料是人类进化的里程碑。材料是人

2、类进化的里程碑。由于材料的重要性，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。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。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龙芯龙芯联想计算机联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。的计算机技术。没有高温高强度的结构没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。的航空工业和宇航工业。在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片

3、飞机发动机叶片飞机发动机叶片波音客机波音客机没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。二十世纪七十年代，人们把二十世纪七十年代，人们把材料材料与能源和信息并列，与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱。称作现代文明的三大支柱。前苏联在前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，年里，在十多所大学中陆续建立了材料在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约科学研究中心，并把约2/3大学的

4、冶金系大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。料科学与工程系。其涉及的材料由金属其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，见，高技术需要先进材料的支持。高技术需要先进材料的支持。前前苏苏联联第第一一颗颗人人造造卫卫星星及及其其运运载载火火箭箭工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。要要求力学性能的结构材料。按组成与结合键分：按组成与结合键分：1、金属材料、金属材料 2、高分子材料、高分子材料 3、陶瓷材料、陶瓷材料 4、复合材

5、料、复合材料二、工程材料的分类二、工程材料的分类金属材料金属材料以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽属光泽 用量最大、应用最用量最大、应用最广泛广泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属,重金属重金属,贵金属贵金属,稀有金属稀有金属 铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的个用材的60%以上。以上。金属材料制品金属材料制品三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展随着经济的飞速发展

6、和科学技术的进步，对材料的要随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机新材料在不断地涌现。新材料在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域。机械工业是材料应用的重要领域。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多

7、的材料及材料加工方面的问题。及材料加工方面的问题。要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。排加工工艺路线的能力。铸造一级涡轮盘铸造一级涡轮盘关于本门课关于本门课 课程性质课程性质：是机械类和近机类各专业的技术：是机械类和近机类各专业的技术基础课基础课 课程任务课程任务：了解工程材料的一般知识；了解工程材料的一般知识；建立化学成分、组织结构、加工工艺建立化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系：与性能之间的关系：相相 关关 事事 宜宜主

8、要参考书：主要参考书：机械工程材料（第二版）机械工程材料（第二版）机械工程材料机械工程材料辅导辅导.习题习题.实验（第二版）实验（第二版）成绩评定方法：成绩评定方法：平时作业、点名成绩占平时作业、点名成绩占20%，课程结束时考试成绩占课程结束时考试成绩占80%。答疑安排：答疑安排：待定待定(协商协商)使用性能使用性能：材料在使用过程材料在使用过程中所表现的性能。包括中所表现的性能。包括力学力学性能性能、物理性能和化学性能。、物理性能和化学性能。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。包括铸造、中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削锻压、焊接、热处理和切削性能等

9、。性能等。神神舟舟一一号号飞飞船船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。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。材料受外力后，为保持其不变形，在材料内部作材料受外力后，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力称为内力。用着与外力相对抗的力称为内力。单位截面积上的内力称为应力。单位截面积上的内力称为应力。五万吨水压机五万吨水压机力学性能力学性能静载荷条件下静载荷条件下的力学性能的力学性能动载荷条件下动载荷条件下的力学

10、性能的力学性能断裂韧度断裂韧度高温下的高温下的力学性能力学性能弹性和刚度弹性和刚度强度和塑性强度和塑性硬度硬度冲击韧性冲击韧性疲劳强度疲劳强度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 =P/F0应变应变 =(l-l0)/l0弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时的应力的应力。刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性材料受力时抵抗弹性变形的能力变形的能力。指标为弹性模。指标为弹性模量量E E。e弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升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，

11、其他强化材料的手段如热处理、冷高而逐渐降低外，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。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。一、弹性与刚度一、弹性与刚度强度强度：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：材料发生微量塑性变形时的应力值。量塑性变形时的应力值。条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变：残余变形量为形量为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：材料断裂前所承

12、受的最大应力值。所承受的最大应力值。s0.2二、强度与塑性二、强度与塑性塑性塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。：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：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说明：说明：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。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。当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然

13、 5 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。布布氏氏硬硬度度计计一、布氏硬度一、布氏硬度HBHB 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，适适用用于于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。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硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。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

14、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时间。如持时间。如 120HBS10/1000/30 表表 示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf（9.807kN）载载荷荷作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕布氏硬度的优点布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。：测量误差小，数据稳定。缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。还硬的材料。适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、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。材料的材料的 b与与

15、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)钢钢黄铜黄铜球墨铸铁球墨铸铁h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计洛洛 氏氏 硬硬 度度 用用 符符 号号 HR表表 示示，HR=k-(h1-h0)/0.002根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常用的标尺为常用的标尺为A、B、C。二、洛氏硬度二、洛氏硬度符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前

16、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,如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、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,如如有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。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

17、维氏硬度压痕三、维氏硬度三、维氏硬度HVHV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。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。维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。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测测 验验图示为图示为3种不同材料的力种不同材料的力-拉伸

18、曲线（试样尺拉伸曲线（试样尺寸相同），试比较这寸相同），试比较这3种材料的抗拉强度、屈种材料的抗拉强度、屈服点和塑性的大小。服点和塑性的大小。是指材料抵抗冲击载荷是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。作用而不破坏的能力。l指标为冲击指标为冲击韧度值韧度值ak(通通过过冲击实验冲击实验测得测得)。材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧。发生韧脆转变的温度范围称脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度温度。材料。材料的使用温度应高于韧的使用温度应高于韧脆转变温度。脆

19、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。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。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

20、极限。用力称为疲劳极限。用-1表示。表示。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。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疲劳断口疲劳断口通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面提高表面光洁度光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。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）油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关材料中存在缺陷有关 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本章重点本章重点1.对表征材料的力学性能指标，包括b、s、e、0.2、-1、k、HB、HRC、HV、E要认识，并能解释其物理意义。其中重点是b、s、0.2、k、HB、HRC。2.掌握布氏硬度和洛氏硬度各自的优缺点、相互关系和应用场合。作业：P13 1-2，1-3