機械工程材料性能講解

1、機械工程材料性能講解 材料的性能 材料的性能 工藝性能 使用性能 使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。一 工藝性能 1 概念：一種材料是否容易加工，也即為 在冷熱加工中表現(xiàn)的性能，就稱為（加 工）工藝性能。 材料的性能 2 主要工藝性能：a、鑄造性能：b、壓力加工性能：c、焊接性能 ：d、切削加工性能：e、熱處理性能：材料能否用鑄造方法制成優(yōu)良鑄件的性能。是否容易采用壓力加工成型的性能，鍛造、擠壓、沖 壓等。是否易于采用一般焊接方法焊成優(yōu)良接頭的性 能，如平焊。是否易于進行某

2、種切削加工的性能，如車、銑、铇、 磨、鏜等。是改善金屬使用性能和工藝性能的一種非常重要的加工方法。 材料的性能 二 使用性能 1 概念:材料在使用條件下表現(xiàn)的性能就稱為 使用性能。 2 主要使用性能： a、物理性能：比重、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨 脹性、熔點等 . b、化學(xué)性能：耐腐蝕性、耐氣候性、高溫抗 氧化性等； c、機械性能：剛度、強度、彈性、塑性、韌 性、疲勞強度、硬度等； 材料的性能 三 機械性能： 1.概念：材料抵抗外力的性能稱為機械性能又 叫做力學(xué)性能。 2.力學(xué)性能與外力性質(zhì)及作用方式有關(guān)： 性質(zhì)：拉力、壓力、彎曲、扭轉(zhuǎn) 作用方式：緩慢作用（靜載）、快速作用 （動載）、交變作用 3

3、.主要性能指標(biāo)： 靜強度、剛度、疲勞強度、韌性、塑性、硬度、 彈性等。 材料的性能 第一章 金屬材料的力學(xué)性能 【交流與討論】用來制造硬幣的金屬材料應(yīng)具哪些特點？（資源豐富，無毒輕便，耐磨耐腐蝕，美觀易加工。） 制造硬幣的金屬材料要求耐磨，也就是它必須具有定的硬度和強度。硬度和強度屬于金屬材料的力學(xué)性能，本節(jié)課我們來學(xué)習(xí)討論力學(xué)性能。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 力學(xué)性能：金屬材料在外力作用時表現(xiàn)來的性能。力學(xué)性能包括強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。 在機械設(shè)備及工具的設(shè)計、制造中選用金屬材料時，大多以力學(xué)性能為主要依據(jù)，因此熟悉和掌握金屬材料的力學(xué)性能是非常重要的。力學(xué)性能不僅是本章學(xué)習(xí)的

4、重點，同時也是整個教材的學(xué)習(xí)重點，希望同學(xué)們要努力學(xué)習(xí)掌握好這些內(nèi)容。先來學(xué)習(xí)準(zhǔn)備知識。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 （一）載荷（金屬材料在加工和使用過程中所受的外力） 靜載荷：指大小不變或變動很慢的載荷。 如地面所受講臺的壓力，千斤頂工作所受的載荷。 沖擊載荷：指突然增加的載荷。 如鐵匠用鐵錘鍛打工件、高速行駛的汽車相撞的載荷。 交變載荷：指周期性或非周期性的動載荷。 如電扇主軸、彈簧工作時所受的載荷。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 （二）變形（金屬材料受載荷作用發(fā)生幾何形狀和尺寸的變化。）彈性變形：載荷去除后，可完全恢復(fù)的變形。塑性變形：載荷去除后，不可恢復(fù)的永久變形。金屬材料的彈性變形可用于控

5、制機構(gòu)運動、緩沖與吸振、儲存能量等。金屬材料塑性變形可用于成型產(chǎn)品的加工，70%的金屬材料是通過塑性變形加工成型的。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 【交流與討論】 1、彈性變形與塑性變形的根本區(qū)別是什么？ (有無永久變形。) 2、生活、生產(chǎn)哪些地方發(fā)生彈性變形或塑性變形？你知道哪些產(chǎn)品產(chǎn)通過塑性變形加工成形的？ 3、加工制造好的機械零件，在使用時一旦發(fā)生塑性變形有什么危害？ （零件變形、失效，甚至發(fā)生斷裂。）第一章 金屬材料的力學(xué)性能 （三）應(yīng)力 1、內(nèi)力 ： 金屬受外力作用后，在材料內(nèi)部作用著與外力相對抗的力稱為內(nèi)力。 F內(nèi)力= F外力 2、應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)力。 R=F/S式中 F外力（N）

6、；S橫截面積（mm2）； R應(yīng)力，常用單位為MPa（N/mm2），1MPa=106 Pa。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 結(jié)論：當(dāng)橫截面積一定時，應(yīng)力越大，表示材料承受載荷的能力越大。例 碳鋼 最大應(yīng)力235鋼（生活中最常用的鋼） 460 MPa45鋼 （制電機主軸的鋼） 600 MPa65Mn鋼（制沙發(fā)彈簧的鋼） 735 MPa第一章 金屬材料的力學(xué)性能 【思考】45鋼的最大應(yīng)力600 Mpa,是用什么方法測定出來的？拉伸試驗機拉伸前斷裂后拉伸試樣通常是將45鋼制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，放在拉伸機上進行拉伸試驗測出來的。FF拉伸前拉伸后應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)生的相對改變。物體內(nèi)部某處的線段在變形后長度的改變

7、值同線段原長之比值稱為“線應(yīng)變”（伸長量）（應(yīng)變）第一章 金屬材料的力學(xué)性能 （四）拉伸曲線低碳鋼的拉伸曲線oe彈性形變形階段 試樣的伸長量L和載荷F成正比，試樣只發(fā)生彈性形變。es屈服階段 試樣發(fā)生屈服現(xiàn)象，開始產(chǎn)生明顯的塑性變形。屈服現(xiàn)象：載荷保持不變或略有減小而試樣的變形繼續(xù)增加的現(xiàn)象。（1）低碳鋼的拉伸曲線第一章 金屬材料的力學(xué)性能 （四）拉伸曲線低碳鋼的拉伸曲線sb強化階段 試樣發(fā)生變形強化，產(chǎn)生大量的塑性變形。變形強化：隨著塑性變形的增加，金屬材料強度、硬度增大，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。bZ縮頸階段 試樣出現(xiàn)縮頸，塑性變形所需的載荷逐漸減小。 b點出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部截面明顯縮小

8、試樣承載能力降低，拉伸力達到最大值，而后降低，但變形量增大，Z點時試樣發(fā)生斷裂。（1）低碳鋼的拉伸曲線第一章 金屬材料的力學(xué)性能 （四）拉伸曲線鑄鐵的拉伸曲線屈服現(xiàn)象并不是所有金屬材料都有的，它只存在于低碳鋼等塑性材料中，但鑄鐵等脆性材料既不產(chǎn)生屈服現(xiàn)象，也不會縮頸，因為它們在尚未產(chǎn)生塑性變形時就斷了。鑄鐵的拉伸曲線如下。（2）鑄鐵的拉伸曲線第一章 金屬材料的力學(xué)性能 1.強度定義：是指材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。抵抗能力越大，則強度越高。衡量強度大小的指標(biāo)主要有屈服強度和抗拉強度。計算公式如下： R= Fs/ SO Fs試樣產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的載荷（N）；SO試樣原始橫截面積（mm

9、2）；R屈服強度（MPa）。屈服強度R：材料發(fā)生屈服時的應(yīng)力值。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 1.強度定義：是指材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。抵抗能力越大，則強度越高。衡量強度大小的指標(biāo)主要有屈服強度和抗拉強度。計算公式如下： Rm = Fb / SO 抗拉強度Rm：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。Fb試樣承的最大載荷（N）；S0試樣原始橫截面積（mm2）；Rm 抗拉強度（MPa）?！窘涣髋c討論】 45鋼制造的機械零件， Rr=355 MPa， Rm =600MPa。當(dāng)工作應(yīng)力R工作355MPa，甚至R工作600MPa將發(fā)生什么時候危害？金屬材料的屈服強度和抗拉強度數(shù)值越大，材料的強度

10、越大。機械零件工作時所受的應(yīng)力當(dāng)超過材料的屈服強度時，零件則發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致零件精度下降；零件工作時當(dāng)所受的應(yīng)力超過材料的抗拉強度時，零件則產(chǎn)生過量的塑性變形而造成失效甚至斷裂。因此，金屬材料的屈服強度和抗拉強度是機械設(shè)計和選材的主要依據(jù)，也是評定金屬材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 2.剛度與彈性剛度：材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。在彈性階段：比例系數(shù)E 稱為彈性模量，它反映材料對彈性變形的抗力，代表材料的“剛度” 。 所以：E 材料抵抗彈性變形的能力越大。彈性模量的大小主要取決于材料的本性，隨溫度升高而逐漸降低。 RRR第一章 金屬材料的力學(xué)性能 2.塑性塑性

11、：金屬材料產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力稱為塑性。衡量塑性好與差的指標(biāo)主要是伸長率和斷面收縮率，它們也是通過金屬試樣拉伸試驗測得的。伸長率（A） 試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比稱為伸長率。式中 L1試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）； L0試樣的原始標(biāo)距（mm）； A伸長率。A第一章 金屬材料的力學(xué)性能 2.塑性塑性：金屬材料產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力稱為塑性。衡量塑性好與差的指標(biāo)主要是伸長率和斷面收縮率，它們也是通過金屬試樣拉伸試驗測得的。斷面收縮率（Z）：試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率。式中 SO試樣原始橫截面積（mm2）； S1試樣拉斷處的最小橫

12、截面積（mm2）； Z斷面收縮率。Z第一章 金屬材料的力學(xué)性能 2.塑性金屬材料的A、Z值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬的實用意義：塑性好的金屬可以發(fā)生大量塑性變形而不破壞，便于通過塑性變形加工，制成形狀復(fù)雜的零件；塑性好的金屬在受力過大時，由于首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，使用比較安全。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 超塑性金屬材料超塑性金屬材料是指伸長率大于300%的金屬材料。它是1920年德國材料專家羅森漢在研究鋅鋁銅合金時發(fā)現(xiàn)的。超塑性是在特定條件下的一種奇特現(xiàn)象，超塑性金屬材料能像軟糖一樣伸長10倍、20倍甚至上百倍，既不出現(xiàn)縮頸，也不會斷裂。最常用的鋁、鎳、銅、鐵、鈦合金

13、，它們的伸長率在2006000%之間。如碳鋼和不銹鋼在150800%之間，鋁鋅合金為1000%純鋁高達6000%。超塑性材料加工具有很大的實用價值。難變形的合金因超塑性變成了軟糖狀，從而可以像玻璃和塑料一樣，用吹塑和可擠壓加工方法制造零件，從而大大節(jié)省能源和設(shè)備。超塑性材料制造零件的另一優(yōu)點是可以一次成形，省掉了機械加工、鉚焊等工序，達到節(jié)約原材料和降低成本的目的。據(jù)專家展望，未來超塑性材料將在航天、汽車、車廂制造等部門中廣泛采用。【拓展視野】第一章 金屬材料的力學(xué)性能 力學(xué)性能屈服強度抗拉強度伸長率斷面收縮率符號【復(fù)習(xí)上次課內(nèi)容】1填寫下列力學(xué)性能名稱或符號：2上題中哪些是強度指標(biāo)？哪些是塑

14、性指標(biāo)？【新課導(dǎo)入】金屬材料的軟硬是我們經(jīng)常關(guān)注的問題，請問常見的金屬材料中哪些是比較軟的？哪些是比較硬的？ 在工業(yè)生產(chǎn)中，我們僅僅知道金屬材料軟和硬是遠遠不夠的，還必須精確知道其硬度值的大小。本節(jié)課我們來深入學(xué)習(xí)第四個力學(xué)性能硬度的有關(guān)知識。RrRmAZ第一章 金屬材料的力學(xué)性能 4.硬度定義：材料抵抗表面局部彈塑性變形的能力。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標(biāo)。各種不同的機械零件對硬度都有不同的要求，尤其是機械制造業(yè)所用的刀具、量具、模具等，都應(yīng)具備足夠的硬度，才能保證使用性能和壽命，因此硬度是金屬材料重要的力學(xué)性能之一。硬度試驗設(shè)備簡單，操作方便，能在零件上進行試驗而不破壞。

15、硬度值還可以間接地反映金屬材料的強度和金屬的化學(xué)成分、金相組織和熱處理工藝上的差異，因而硬度試驗在機械工程中得到普遍應(yīng)用。硬度試驗方法很多，生產(chǎn)中常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等試驗方法。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 4.硬度定義：材料抵抗表面局部彈塑性變形的能力。布氏硬度計1)布氏硬度HB壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。120HBS10/1000/30 表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。 布氏硬度壓痕表示方法：硬度值+HB

16、S(HBW)+D+F+t布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。應(yīng)用：適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, 鑄鐵及有色金屬的硬度。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 2) 洛氏硬度洛氏硬度用符號HR表示，根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為11個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。 h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。HRA用于測量高硬度材料, 如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料, 如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。

17、缺點：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕3) 維氏硬度維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點。 小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計表示方法：硬度值+HV+F+t第一章 金屬材料的力學(xué)性能 注意：一、各種硬度值越大，材料的硬度越大；二、不同硬度值的近似換算：HB、HR、HV因測定方法不同，其硬度值也不同。哪么如何比較不同硬度值的大小呢？除通過直接查閱硬度值換算表外，可用以下經(jīng)驗公式進行近似換算HRC1/10HBS HBSHV 如400HBS40 HRC三

18、、制圖時硬度值標(biāo)注應(yīng)注意1.硬度值范圍 HBS 450 HRC 2070 如銼刀硬度 6062 HRC （對） 600620 HBS （錯）2.不能用等號，不能有單位。如HBS=300kgf/mm2(錯)第一章 金屬材料的力學(xué)性能 5.沖擊韌性定義：金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力。沖擊功：K =mg（H1 H2）（J） 第一章 金屬材料的力學(xué)性能 5.韌性小結(jié)：（1）材料的K值愈大，韌性就愈好；材料的K值愈小，材料的脆性愈大 （2）通常把K值小的材料稱為脆性材料韌性材料 K8 J 如碳鋼；脆性材料 K8 J 如鑄鐵。 （3）研究表明，材料的K值隨試驗溫度的降低而降低。 第一章 金屬材料的力

19、學(xué)性能 【交流與討論】是否所有受到?jīng)_擊載荷作用的零件都要選用韌性大的材料制造？受到大能量，一次沖擊載荷作用的零件，應(yīng)選用韌性大的材料制造。如汽車保險桿、防彈材料； 受到小能量，多次沖擊載荷作用的零件，應(yīng)選用強度大塑性好的材料制造。如模鍛錘錘桿。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 6.疲勞強度我們?nèi)碎L時間工作會覺得疲勞，那么沒有生命的金屬材料長時間工作會產(chǎn)生疲勞嗎？請閱讀下例空難事件和調(diào)查結(jié)論?？针y事件：2002年5月25日下午3：08，臺灣華航公司一架波音747飛機從臺北桃園機場飛往香港，3：37當(dāng)飛機飛行到離大陸很近的澎湖海域上空，飛機發(fā)生解體性爆炸，機上225名乘客和機組人員全部遇難?？针y發(fā)生后，

20、一時間境外媒體紛紛猜測空難原因。有的認為飛機遇上了惡劣天氣，也有認為是恐怖分子所為，更有甚者說是飛機被大陸導(dǎo)彈擊中。調(diào)查結(jié)論：525空難發(fā)生后，華航公司邀請美國專家協(xié)查空難原因。美國專家從海水中打撈的飛機殘胲進行分析研究，得出的結(jié)論是：飛機發(fā)動機材料疲勞斷裂導(dǎo)致空難發(fā)生。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 6.疲勞強度（1）疲勞斷裂工程上一些機件工作時受交變應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力作用，即使工作應(yīng)力低于材料的屈服強度Rr，但經(jīng)過一定循環(huán)周次后仍會發(fā)生斷裂，這樣的斷裂現(xiàn)象稱之為疲勞。 疲勞斷裂是機械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中約有80%以上疲勞斷裂。而且疲勞斷裂前沒有明顯的塑性變形而突然發(fā)生。

21、所以，疲勞斷裂經(jīng)常造成重大的事故。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 6.疲勞強度特征: （1）疲勞斷裂時沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有預(yù)兆，而是突然發(fā)生； （2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常低于材料的屈服強度； （3）疲勞斷裂的斷口由兩部分組成，即疲勞裂紋的產(chǎn)生及擴展區(qū)（光滑部分）和最后斷裂區(qū)（毛糙部分）。（1）疲勞斷裂疲勞斷口通過改善材料形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力.軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）（2）疲勞強度 金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的或達到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)才斷裂的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞強度或疲勞極限，用-1表示，單位是MPa

22、。第一章 金屬材料的力學(xué)性能 電風(fēng)扇的軸（45鋼）受交變載荷作用,假如它的設(shè)計壽命為10年（工作107次），當(dāng)它以100MPa、200MPa、300MPa、400MPa都能達到工作107次。則電風(fēng)扇軸的疲勞強度為400MPa第一章 金屬材料的力學(xué)性能 國家規(guī)定：鋼鐵材料 經(jīng)受107次交變載荷作用時，不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力作為疲勞強度；有色金屬 經(jīng)受108次交變載荷作用時，不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力作為疲勞強度?！窘涣髋c討論】通過學(xué)習(xí)，你認為如何才能避免材料疲勞斷裂？（1.提高零件的疲勞強度。a設(shè)計合理的結(jié)構(gòu);b提高零件材料的質(zhì)量，避免損傷。2.嚴(yán)格執(zhí)行機械使用時間。如飛機飛行達到10000小時、轎車使用達到8年強行退役。）第一章 金屬材料的力學(xué)性能 7.斷裂韌度（斷裂韌性）有的大型轉(zhuǎn)動零件、高壓容器、橋梁等，常在其工件應(yīng)力遠低于S的情況下突然發(fā)生斷裂低應(yīng)力脆性斷裂。1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因與機件內(nèi)部存在著微裂紋和其它缺陷以及它們的擴展。裂紋擴展的基本形式材料中存在裂紋時，在裂紋尖端就會產(chǎn)