工程材料第1章課件

第1章工程材料的性能

第1章工程材料的性能11.2工程材料的物理性能和化學(xué)性能21.1工程材料的性能11.3工程材料的工藝性能3目錄1.2工程材料的物理性能和化學(xué)性能21.1工程材料的性能21.1工程材料的力學(xué)性能圖1-1拉伸試樣與應(yīng)力—應(yīng)變曲線1—低碳鋼應(yīng)力—應(yīng)變曲線；2—拉伸試樣；3—拉斷后試樣1.1工程材料的力學(xué)性能圖1-1拉伸試樣與應(yīng)力—應(yīng)變曲3圖1-1所示，以拉力F除以試樣的原始截面S0所得出的應(yīng)力作為縱坐標(biāo)，以伸長(zhǎng)量ΔL除以試樣的原始長(zhǎng)度L0所得出的應(yīng)變作為橫坐標(biāo)，得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由圖1-1可知，應(yīng)力—應(yīng)變曲線中OP段為一條斜直線，此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變呈比例關(guān)系，P點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的最大應(yīng)力，稱為比例極限，用Rp表示。當(dāng)工程材料的塑性變形不明顯時(shí)，工程上通常將產(chǎn)生0.2%的殘余變形時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服極限Rp0.2。應(yīng)力—應(yīng)變曲線中OA為彈性變形階段，此時(shí)，卸掉載荷試樣將恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為工程材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為彈性極限，用RA表示。圖1-1所示，以拉力F除以試樣的原始截面S0所4在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為彈性模量，用E表示。它主要取決于工程材料本身，是工程材料的固有性質(zhì)之一，其大小隨溫度的升高而降低。在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為彈性模量51.1.1強(qiáng)度強(qiáng)度是指在外力作用下，工程材料抵抗變形和斷裂的能力。其按外力作用性質(zhì)不同可分為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。當(dāng)承受拉力時(shí)，強(qiáng)度特性指標(biāo)主要表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。1.1.1強(qiáng)度強(qiáng)度是指在外力作用下，工程材料6強(qiáng)度屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度在金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間發(fā)生塑性變形而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)區(qū)分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。圖1-1中的C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度Rm。它是指試樣被拉斷前所承受的最大應(yīng)力，反映了工程材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設(shè)計(jì)和工程材料評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值稱為屈強(qiáng)比，其值一般在0.65～0.75內(nèi)。屈強(qiáng)比越小，工程材料的可靠性越高；屈強(qiáng)比越大，工程材料的強(qiáng)度利用率越高，但可靠性降低。強(qiáng)度屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度在金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間7塑性是指工程材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。工程材料塑性好壞可通過(guò)拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，工程材料的塑性指標(biāo)一般用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)評(píng)定，即式中，A為斷后伸長(zhǎng)率；Lu為試樣拉斷后最終標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）；L0為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）；Z為斷面收縮率；S0為試樣原始截面積（mm2）；Su為試樣拉斷后最終截面積（mm2）。1.1.2塑性塑性是指工程材料在外力作用下產(chǎn)生永久8硬度是工程材料抵抗其他物體壓入其表面的性能。工程材料硬度越高，其他物體壓入其表面越困難。硬度是工程材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一。工程上常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。1.1.3硬度硬度是工程材料抵抗其他物體壓入其表9

1.布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)是在直徑為D的鋼珠上施加一定載荷F，使其壓入工程材料表層，載荷保持規(guī)定的時(shí)間后卸載，得到一直徑為d的壓痕，如圖1-2所示。載荷除以壓痕面積的值稱為布氏硬度，用HB表示。圖1-2布氏硬度試驗(yàn)原理圖1.布氏硬度圖1-2布氏硬度試驗(yàn)原理圖10

2.洛氏硬度用錐頂角120°的金剛石圓錐體或淬火鋼球作為壓頭，在一定試驗(yàn)力的作用下，將壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，根據(jù)殘余壓痕深度計(jì)算被測(cè)工程材料的硬度，如圖1-3所示。圖1-3洛氏硬度試驗(yàn)原理圖2.洛氏硬度圖1-3洛氏硬度試驗(yàn)原理圖11

3.維氏硬度維氏硬度試驗(yàn)是用兩面夾角為136°的金剛石四棱錐體作為壓頭，在一定載荷下，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后卸載，得到一個(gè)正四方錐形壓痕，如圖1-4所示。卸載后以壓痕面積作為維氏硬度，用HV表示。圖1-4維氏硬度試驗(yàn)原理圖3.維氏硬度圖1-4維氏硬度試驗(yàn)原理圖12沖擊韌性是工程材料在沖擊載荷作用下表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能指標(biāo)。工程上常用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定沖擊韌性，如圖1-5所示。圖1-5沖擊韌性試驗(yàn)原理圖1—擺錘；2—試樣；3—支座；4—底座；5—機(jī)身；6—刻度盤；7—指針1.1.4沖擊韌性沖擊韌性是工程材料在沖擊載荷作用下表現(xiàn)出來(lái)的力13沖擊韌度是指沖斷試樣時(shí)，在缺口處單位面積上所消耗的沖擊吸收功，即ak為沖擊韌度（J/cm2）；Ak為擺錘對(duì)試樣所做的功（J）；S0為試樣缺口處橫截面積（cm2）沖擊韌度是指沖斷試樣時(shí)，在缺口處單位面積上所消耗的沖擊吸收功14試樣承受的交變應(yīng)力S與斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nf之間的關(guān)系曲線，稱為疲勞曲線。如圖1-6所示，當(dāng)S低于某一值時(shí)，曲線與橫坐標(biāo)平行，表示工程材料可經(jīng)無(wú)限次循環(huán)而不斷裂，這一應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度，用Smax表示。圖1-6疲勞曲線1.1.5疲勞強(qiáng)度試樣承受的交變應(yīng)力S與斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nf之151.2工程材料的物理性能和化學(xué)性能

1.2.1物理性能工程材料的物理性能主要包括密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。由于機(jī)器零件的用途不同，對(duì)物理性能的要求也不同。1.2工程材料的物理性能和化學(xué)性能1.2.1物理16工程材料的化學(xué)性能主要是指工程材料在一定的外界環(huán)境（常溫和高溫環(huán)境）下使用時(shí)，抵抗各種活性介質(zhì)侵蝕的能力。它包括抗氧化性、耐蝕性等。對(duì)于在腐蝕介質(zhì)中或在高溫下工作的零件，比其在大氣和常溫下的腐蝕更為強(qiáng)烈。1.2.2化學(xué)性能工程材料的化學(xué)性能主要是指工程材料17工程材料的工藝性能是指工程材料對(duì)各種加工工藝手段所表現(xiàn)出的難易程度。其按工藝方法的不同可分為鑄造性能、鍛造性能、焊接性能和切削性能等。1.3工程材料的工藝性能工程材料的工藝性能是指工程材料對(duì)各18在設(shè)計(jì)零件和選擇工藝方法時(shí)，都要考慮工程材料的工藝性能。例如，灰鑄鐵的鑄造性能和切削性能優(yōu)良可廣泛應(yīng)用于制造鑄件，但其成形加工性和焊接性差，很難進(jìn)行鍛造和焊接；工程材料的硬度對(duì)切削性能有很大的影響，不適于切削硬度太高和太低的工程材料；低碳鋼的焊接性和成形加工性能優(yōu)良；而高碳鋼的焊接性和切削加工性能卻很差。在設(shè)計(jì)零件和選擇工藝方法時(shí)，都要考慮19謝謝謝謝20第1章工程材料的性能

第1章工程材料的性能211.2工程材料的物理性能和化學(xué)性能21.1工程材料的性能11.3工程材料的工藝性能3目錄1.2工程材料的物理性能和化學(xué)性能21.1工程材料的性能221.1工程材料的力學(xué)性能圖1-1拉伸試樣與應(yīng)力—應(yīng)變曲線1—低碳鋼應(yīng)力—應(yīng)變曲線；2—拉伸試樣；3—拉斷后試樣1.1工程材料的力學(xué)性能圖1-1拉伸試樣與應(yīng)力—應(yīng)變曲23圖1-1所示，以拉力F除以試樣的原始截面S0所得出的應(yīng)力作為縱坐標(biāo)，以伸長(zhǎng)量ΔL除以試樣的原始長(zhǎng)度L0所得出的應(yīng)變作為橫坐標(biāo)，得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由圖1-1可知，應(yīng)力—應(yīng)變曲線中OP段為一條斜直線，此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變呈比例關(guān)系，P點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為保持這種比例關(guān)系的最大應(yīng)力，稱為比例極限，用Rp表示。當(dāng)工程材料的塑性變形不明顯時(shí)，工程上通常將產(chǎn)生0.2%的殘余變形時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服極限Rp0.2。應(yīng)力—應(yīng)變曲線中OA為彈性變形階段，此時(shí)，卸掉載荷試樣將恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為工程材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為彈性極限，用RA表示。圖1-1所示，以拉力F除以試樣的原始截面S0所24在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為彈性模量，用E表示。它主要取決于工程材料本身，是工程材料的固有性質(zhì)之一，其大小隨溫度的升高而降低。在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為彈性模量251.1.1強(qiáng)度強(qiáng)度是指在外力作用下，工程材料抵抗變形和斷裂的能力。其按外力作用性質(zhì)不同可分為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。當(dāng)承受拉力時(shí)，強(qiáng)度特性指標(biāo)主要表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。1.1.1強(qiáng)度強(qiáng)度是指在外力作用下，工程材料26強(qiáng)度屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度在金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間發(fā)生塑性變形而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)區(qū)分為上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。圖1-1中的C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度Rm。它是指試樣被拉斷前所承受的最大應(yīng)力，反映了工程材料抵抗斷裂破壞的能力，也是零件設(shè)計(jì)和工程材料評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值稱為屈強(qiáng)比，其值一般在0.65～0.75內(nèi)。屈強(qiáng)比越小，工程材料的可靠性越高；屈強(qiáng)比越大，工程材料的強(qiáng)度利用率越高，但可靠性降低。強(qiáng)度屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度在金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間27塑性是指工程材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。工程材料塑性好壞可通過(guò)拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，工程材料的塑性指標(biāo)一般用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)評(píng)定，即式中，A為斷后伸長(zhǎng)率；Lu為試樣拉斷后最終標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）；L0為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）；Z為斷面收縮率；S0為試樣原始截面積（mm2）；Su為試樣拉斷后最終截面積（mm2）。1.1.2塑性塑性是指工程材料在外力作用下產(chǎn)生永久28硬度是工程材料抵抗其他物體壓入其表面的性能。工程材料硬度越高，其他物體壓入其表面越困難。硬度是工程材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一。工程上常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。1.1.3硬度硬度是工程材料抵抗其他物體壓入其表29

1.布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)是在直徑為D的鋼珠上施加一定載荷F，使其壓入工程材料表層，載荷保持規(guī)定的時(shí)間后卸載，得到一直徑為d的壓痕，如圖1-2所示。載荷除以壓痕面積的值稱為布氏硬度，用HB表示。圖1-2布氏硬度試驗(yàn)原理圖1.布氏硬度圖1-2布氏硬度試驗(yàn)原理圖30

2.洛氏硬度用錐頂角120°的金剛石圓錐體或淬火鋼球作為壓頭，在一定試驗(yàn)力的作用下，將壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，根據(jù)殘余壓痕深度計(jì)算被測(cè)工程材料的硬度，如圖1-3所示。圖1-3洛氏硬度試驗(yàn)原理圖2.洛氏硬度圖1-3洛氏硬度試驗(yàn)原理圖31

3.維氏硬度維氏硬度試驗(yàn)是用兩面夾角為136°的金剛石四棱錐體作為壓頭，在一定載荷下，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后卸載，得到一個(gè)正四方錐形壓痕，如圖1-4所示。卸載后以壓痕面積作為維氏硬度，用HV表示。圖1-4維氏硬度試驗(yàn)原理圖3.維氏硬度圖1-4維氏硬度試驗(yàn)原理圖32沖擊韌性是工程材料在沖擊載荷作用下表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能指標(biāo)。工程上常用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定沖擊韌性，如圖1-5所示。圖1-5沖擊韌性試驗(yàn)原理圖1—擺錘；2—試樣；3—支座；4—底座；5—機(jī)身；6—刻度盤；7—指針1.1.4沖擊韌性沖擊韌性是工程材料在沖擊載荷作用下表現(xiàn)出來(lái)的力33沖擊韌度是指沖斷試樣時(shí)，在缺口處單位面積上所消耗的沖擊吸收功，即ak為沖擊韌度（J/cm2）；Ak為擺錘對(duì)試樣所做的功（J）；S0為試樣缺口處橫截面積（cm2）沖擊韌度是指沖斷試樣時(shí)，在缺口處單位面積上所消耗的沖擊吸收功34試樣承受的交變應(yīng)力S與斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nf之間的關(guān)系曲線，稱為疲勞曲線。如圖1-6所示，當(dāng)S低于某一值時(shí)，曲線與橫坐標(biāo)平行，表示工程材料可經(jīng)無(wú)限次循環(huán)而不斷裂，這一應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度，用Smax表示。圖1-6疲勞曲線1.1.5疲勞強(qiáng)度試樣承受的交變應(yīng)力S與斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nf之351.2工程材料的物理性能和化學(xué)性能

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