機(jī)械工程材料及選用第一章力學(xué)性能資料

3本課程教材何慶復(fù)。機(jī)械工程材料及選用。中國鐵道出版社，北京，20084主要參考書朱張校，姚可夫。工程材料（第五版）。清華高校出版社，北京，2011莊哲峰。工程材料及其應(yīng)用。華中科技高校出版社，武漢，2013付廣艷。機(jī)械工程材料。北京理工高校出版社，北京，2014王正品，李炳。工程材料。機(jī)械工業(yè)出版社，北京，20125主要參考書戈曉嵐。機(jī)械工程材料（其次版）。北京高校出版社，北京，2013魏小勝。工程材料（其次版）。武漢理工高校出版社，武漢，2013韓永生。工程材料性能與選用。機(jī)械工業(yè)出版社，北京，2013崔占全，孫振國。工程材料（其次版）。機(jī)械工業(yè)出版社，北京，20117工程材料第一章金屬材料力學(xué)性能其次章金屬晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形第三章金屬結(jié)晶及合金相圖第四章鋼的熱處理第五章鋼鐵材料及其應(yīng)用第六章有色金屬及應(yīng)用第七章非金屬材料第八章材料選擇基礎(chǔ)8緒論材料的重要性材料是社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料的發(fā)展往往標(biāo)記著時代的進(jìn)步，如石器時代、銅器時代、鐵器時代等都是以材料來代表人類發(fā)展的不同階段。人類冶金史至今已有6000多年，閱歷了三次大的發(fā)展，其中兩次發(fā)生在中國。第一次是我國商周時期青銅冶鑄技術(shù)大發(fā)展。9緒論其次次是我國戰(zhàn)國秦漢時期冶鐵與生鐵煉鋼技術(shù)的大發(fā)展。第三次是18世紀(jì)歐洲近代冶金技術(shù)的大發(fā)展。材料技術(shù)與能源技術(shù)和信息技術(shù)一起構(gòu)成了現(xiàn)代文明的三大支柱。材料的分類兩分法：將材料分為有機(jī)材料和無機(jī)材料兩大類。10緒論三分法：是最常用的材料分類方法，將材料分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)材料三大類。四分法：將材料分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)材料和復(fù)合材料四大類。金屬材料包括：黑色金屬（鋼和鐵）及有色金屬。11緒論無機(jī)非金屬材料主要包括：陶瓷、人工晶體、玻璃、耐火材料、膠凝材料、碳素材料等。有機(jī)材料主要包括：塑料、橡膠、膠粘劑等。復(fù)合材料：由兩種或兩種以上不同組元構(gòu)成的多相材料。例如纖維增加復(fù)合材料；顆粒增加復(fù)合材料；層狀復(fù)合材料等。以上各種材料廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。12緒論工程材料？工程材料是工業(yè)生產(chǎn)中用作結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件的材料。工程材料的應(yīng)用：機(jī)床等各種機(jī)械、汽車等各種交通工具、飛機(jī)、火箭等各種航空航天器、儀器儀表、熱能設(shè)備、化工設(shè)備等各類設(shè)備。13緒論機(jī)床機(jī)床的零部件很多，機(jī)身和底座、齒輪、軸類、聯(lián)接件、傳動件、軸承等零件的常用材料有鋼、鑄鐵、銅合金、工程塑料等。機(jī)床零件15緒論汽車汽車用材以金屬材料為主，塑料、橡膠、陶瓷等非金屬材料也占確定的比例。發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、缸套、活塞、連桿、氣門、半軸、齒輪等典型零件常用金屬材料有調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、鑄鐵、鑄鋁、軸瓦合金等。汽車發(fā)動機(jī)和傳動系示意圖18緒論航空航天器航空航天器用材：高合金耐熱鋼、鎳基高溫合金、鈦合金、鋁合金、鎂合金、樹脂基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料等。東方紅一號人造地球衛(wèi)星

航天飛機(jī)

22緒論儀器儀表材料儀器儀表的殼體、軸類、凸輪、齒輪、蝸輪和蝸桿等零件的常用材料為調(diào)質(zhì)鋼、銅合金、鋁合金、工程塑料等。熱能設(shè)備材料鍋爐和汽輪機(jī)的主要零件如鍋爐管道、汽包、汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子和靜子等都接受高合金耐熱鋼、高溫合金等制造。23緒論化工設(shè)備材料化工設(shè)備中的常用材料包括：合金鋼（不銹鋼、耐熱鋼），有色金屬及其合金（銅合金、鋁合金），非金屬材料（陶瓷、工程塑料）等。24緒論本門課程的重點(diǎn)：金屬材料。主要包括四方面內(nèi)容：金屬學(xué)；熱處理；金屬材料學(xué)；金屬力學(xué)性能學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解和駕馭金屬材料成分組織和性能之間的關(guān)系。會運(yùn)用熱處理工藝變更金屬材料的組織和性能,滿足生產(chǎn)須要。會合理選擇和應(yīng)用金屬材料。25緒論非金屬材料熟悉特種陶瓷的性能特點(diǎn)、改善性能的途徑和應(yīng)用。熟悉常用高分子材料的特性、應(yīng)用及制品。了解合成纖維、橡膠和膠粘劑的性能特點(diǎn)和用途.復(fù)合材料了解復(fù)合材料復(fù)合機(jī)制和原則。熟悉常用復(fù)合材料的性能，了解應(yīng)用。26工程材料第一章金屬材料力學(xué)性能其次章金屬晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形第三章金屬結(jié)晶及合金相圖第四章鋼的熱處理第五章鋼鐵材料及其應(yīng)用第六章有色金屬及應(yīng)用第七章非金屬材料第八章材料選擇基礎(chǔ)27第一章金屬材料力學(xué)性能

金屬材料的運(yùn)用性能包括物理、化學(xué)、工藝和力學(xué)性能，對于工程材料來說，最重要的是力學(xué)性能和工藝性能。金屬材料的力學(xué)性能是指金屬在外加載荷或環(huán)境因素作用下所表現(xiàn)的行為。金屬材料常用的力學(xué)性能包括強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性等。28第一章金屬材料力學(xué)性能

本章將介紹金屬材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)學(xué)問，并著重介紹表征金屬材料力學(xué)行為的強(qiáng)度﹑硬度﹑塑性﹑韌性等性能指標(biāo)的物理概念及實際意義。29第一章金屬材料力學(xué)性能第一節(jié)金屬的拉伸試驗其次節(jié)金屬的彈性與塑性第三節(jié)金屬的力學(xué)性能第一節(jié)金屬的拉伸試驗拉伸試驗是工業(yè)上最廣泛運(yùn)用的力學(xué)性能試驗方法之一。通常在萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行試驗。通過傳感器測量拉伸試驗中的載荷P與伸長量ΔL后，由自動記錄儀繪出P-ΔL關(guān)系曲線，稱為拉伸曲線或拉伸圖。

32拉伸過程中試樣形態(tài)的變更33金屬在外加載荷作用下的變形過程一般可分為三個階段，即彈性變形階段、彈塑性變形階段和斷裂階段。由金屬的拉伸曲線(P-L)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（-曲線，=P/F0，=L/L0）具有相同形態(tài)。金屬材料的拉伸曲線除低碳鋼這種類型外，還有其它不同的類型，如脆性材料鑄鐵的拉伸曲線。第一節(jié)金屬的拉伸試驗脆性材料拉伸曲線35第一章金屬材料力學(xué)性能第一節(jié)金屬的拉伸試驗其次節(jié)金屬的彈性與塑性第三節(jié)金屬的力學(xué)性能36其次節(jié)金屬的彈性與塑性1.2.1金屬的彈性變形

1.2.2金屬的塑性變形

371.2.1金屬的彈性變形彈性變形是可逆的，加載或卸載時，應(yīng)力與應(yīng)變之間都保持單值線性關(guān)系，變形量小，一般不超過0.5%~1%。彈性模量：是表征材料抗拒彈性變形實力的性能指標(biāo)，用E表示。E值的大小反映了金屬彈性變形的難易程度，主要由金屬的種類和晶體結(jié)構(gòu)所確定。彈性極限：是材料發(fā)生彈性變形的最大應(yīng)力值。超過彈性極限，材料便起先發(fā)生塑性變形。即：e=Pe/F0比例極限：是應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力值。即：p=Pp/F0391.2.1金屬的彈性變形p的實際意義：服役時其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系嚴(yán)格維持直線關(guān)系的構(gòu)件，如測力計彈簧等，選擇這類構(gòu)件的材料應(yīng)以比例極限為依據(jù)；e的實際意義：服役條件要求構(gòu)件不允許產(chǎn)生微量塑性變形，設(shè)計時應(yīng)按彈性極限來選材。401.2.1金屬的彈性變形彈性不完整性：包括包申格效應(yīng)、彈性后效和彈性滯后等現(xiàn)象。包申格效應(yīng)：金屬經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生微量塑性變形后，同向加載彈性極限上升，反向加載彈性極限降低的現(xiàn)象。彈性后效：加載或卸載時應(yīng)變滯后于應(yīng)力而和時間有關(guān)的現(xiàn)象，又稱滯彈性。彈性滯后：金屬在彈性區(qū)內(nèi)加載-卸載循環(huán)時，加載線和卸載線不重合而形成封閉回線的現(xiàn)象。41其次節(jié)金屬的彈性與塑性1.2.1金屬的彈性變形1.2.2金屬的塑性變形

421.2.2金屬的塑性變形塑性：金屬斷裂時發(fā)生塑性變形最大值的相對量。塑性變形是一種不行逆變形。隨著外力增加其塑性變形量也增加。斷裂時塑性變形量達(dá)到最大值。塑性指標(biāo)有兩種：延長率和斷面收縮率。延長率δ：金屬斷裂時的最大相對伸長量。用百分?jǐn)?shù)表示：δ=(Lk-L0)/L0×100%431.2.2金屬的塑性變形試樣的原始截面積和原始標(biāo)距長度影響其延長率，為了使數(shù)據(jù)統(tǒng)一、可比，規(guī)定運(yùn)用國標(biāo)試樣，試樣的尺寸有兩種：L0=5d0或10d0。分別以5或10表示，且5＞10。代表用10倍試樣得到的延長率。斷面收縮率ψ：試樣斷裂處截面的相對收縮值，也用百分?jǐn)?shù)表示，ψ=(F0-Fk)/F0×100%F0—試樣原始截面積；Fk—試樣斷裂后斷裂處的最小截面積。44第一章金屬材料力學(xué)性能第一節(jié)金屬的拉伸試驗其次節(jié)金屬的彈性與塑性第三節(jié)金屬的力學(xué)性能45第三節(jié)金屬的力學(xué)性能1.3.1金屬強(qiáng)度1.3.2金屬韌性1.3.3金屬的硬度1.3.4金屬的乏累461.3.1金屬強(qiáng)度金屬的強(qiáng)度是表征金屬材料抗拒變形和斷裂的實力。屈服極限：是金屬產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力值，也稱為屈服強(qiáng)度。即：s=PS/F0低碳鋼的屈服強(qiáng)度為拉伸曲線水平臺對應(yīng)的應(yīng)力值。對于沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬，如高強(qiáng)鋼、鑄鐵等，人為規(guī)定拉伸試樣標(biāo)距部分產(chǎn)生0.2%塑性伸長率時的應(yīng)力值作為材料的屈服強(qiáng)度，以0.2表示。屈服強(qiáng)度的確定抗拉強(qiáng)度：是金屬拉伸試驗中試樣所能承受的最大拉應(yīng)力。即：b=Pb/F0塑性金屬在最大載荷出現(xiàn)前，變形基本勻整分布于試樣標(biāo)距部分；最大載荷出現(xiàn)后，發(fā)生集中變形，試樣上出現(xiàn)頸縮。拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象50第三節(jié)金屬的力學(xué)性能1.3.1金屬強(qiáng)度1.3.2金屬韌性1.3.3金屬的硬度1.3.4金屬的乏累511.3.2金屬韌性金屬的韌性：指金屬斷裂前吸取變形功和斷裂功的實力，或材料抗拒裂紋擴(kuò)展的實力。常用的韌性指標(biāo)有沖擊韌性與斷裂韌性。521.3.2.1金屬的沖擊韌性沖擊韌性：表征材料抗拒沖擊載荷作用不發(fā)生斷裂的實力。沖擊韌性試驗在擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)上進(jìn)行。運(yùn)用國標(biāo)規(guī)定的U型或V型缺口試樣。沖擊試樣沖擊試驗原理(Charpy)finalheightinitialheight541.3.2.1金屬的沖擊韌性沖斷試樣所消耗的沖擊功為：Ak=mg(H1-H2)沖擊功Ak的數(shù)值可干脆從沖擊試驗機(jī)的表盤上讀出，單位為J（焦耳）。Ak除以試樣缺口處的截面積FN即得材料的沖擊韌性ak：ak=Ak/FN(J/cm2)U型或V型缺口試樣的沖擊功分別用Aku和Akv表示，它們的沖擊韌性則分別用aku和akv表示。55沖擊韌性對材料微觀組織變更極為敏感，生產(chǎn)上常常用來檢驗冶煉、熱加工和熱處理質(zhì)量。隨溫度的降低，沖擊韌性值減小，當(dāng)降至某一溫度時，沖擊韌性值發(fā)生急劇降低，這種現(xiàn)象稱為低溫脆性，或冷脆。沖擊韌性值明顯下降的溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度，以Tk表示。1.3.2.1金屬的沖擊韌性561.3.2.2金屬的斷裂韌性為防止構(gòu)件斷裂，傳統(tǒng)設(shè)計是使工作≤[]許用，而[]許用=0.2/n，n為平安系數(shù)，一般取1.5~2。再對材料的塑性（δ、ψ）、韌性（ak、Tk）等指標(biāo)提出確定的要求。但卻常常有工作應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象發(fā)生。在屈服強(qiáng)度以下產(chǎn)生的脆性斷裂稱為低應(yīng)力脆性斷裂。571.3.2.2金屬的斷裂韌性低應(yīng)力脆斷實際金屬構(gòu)件中的微裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展引起的。裂紋可以是冶金缺陷，加工裂紋或運(yùn)用中生產(chǎn)的裂紋。斷裂韌性KIC：表征材料抗拒裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的實力。裂紋尖端存在一個特殊分布的應(yīng)力場。應(yīng)力場的強(qiáng)弱可用應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI描述。KⅠ=Y·σ·√a（MN/m3/2）2a——裂紋尺寸;σ——外加應(yīng)力;Y——與裂紋形態(tài)、加載方式和試樣幾何形態(tài)有關(guān)的無量綱的常數(shù)。Ⅰ型裂紋示意圖591.3.2.2金屬的斷裂韌性KⅠ=KⅠC是構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆斷的臨界條件，KⅠ≥KⅠC時構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂；KⅠ＜KⅠC時構(gòu)件可平安牢靠運(yùn)行。公式KⅠ=Yσ√a=KIC可以解決的問題：由材料的KIC和工作應(yīng)力σ，可估算出構(gòu)件所能允許的最大裂紋尺寸2a；601.3.2.2金屬的斷裂韌性由材料的KIC和裂紋尺寸2a，估算出構(gòu)件的最大承載實力σ；由構(gòu)件的工作應(yīng)力σ和裂紋尺寸2a，估算出構(gòu)件選材所要求的最小KIC值。按斷裂韌性設(shè)計的構(gòu)件，既可以充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力，又可以有效地防止構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂。611.3.2.2金屬的斷裂韌性斷裂韌性已成為設(shè)計高強(qiáng)度材料構(gòu)件和用中、低強(qiáng)度材料制造的大型構(gòu)件的重要性能指標(biāo)。斷裂韌性是對材料成分、組織敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，可以通過合金化、熱處理等方法變更。62第三節(jié)金屬的力學(xué)性能1.3.1金屬強(qiáng)度1.3.2金屬韌性1.3.3金屬的硬度1.3.4金屬的乏累631.3.3金屬的硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。測定硬度的方法可分為壓入法和刻劃法兩大類。常用的布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度均為壓入法，其硬度值則表示金屬抗拒局部塑性變形的實力。里氏硬度則屬于動載試驗法，其硬度值表征金屬彈性變形功的大小。641.3.3金屬的硬度硬度值事實上不是一個單純的物理量，它是表征著材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標(biāo)。651.3.3.1布氏硬度以確定直徑D(2.5~10mm)的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球為壓頭，施以確定的載荷P(62.5~3000kg)，壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后卸載，試樣表面將殘留一個壓痕。測量壓痕直徑d（mm）并計算球冠形壓痕表面積F(mm2)。661.3.3.1布氏硬度用載荷P除以壓痕表面積F，就得到材料的布氏硬度值HB。壓頭為淬火鋼球時，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，布氏硬度用符號HBW表示，適用于布氏硬度值為450～650的材料。HB=P/F=2P/πD(D-D2-d2)

671.3.3.1布氏硬度優(yōu)點(diǎn)：布氏硬度試驗壓痕面積較大，硬度值能反映金屬大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，不受組成相微觀不勻整性的影響。試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：不同材料須要更換不同直徑的壓頭和變更載荷；測量壓痕直徑較麻煩，自動檢測時受到限制；壓痕較大不宜在成品上進(jìn)行試驗。681.3.3.2洛氏硬度洛氏硬度也是一種壓入硬度試驗，它以壓痕深度的大小表示材料的硬度值，是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的試驗方法。691.3.3.2洛氏硬度為適應(yīng)人們習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，規(guī)定用一常數(shù)K減去壓痕深度h作為硬度值，并規(guī)定每0.002mm為一個洛氏硬度單位，因此洛氏硬度HR的計算式為：HR=(k-h)/0.002常用的洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三種標(biāo)尺。不同標(biāo)尺針對不同硬度的材料，接受不同的壓頭類型和載荷大小。70鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕HRA用于測量高硬度材料，如硬質(zhì)合金、表面淬火層和滲碳層。壓頭為錐角120°的金剛石圓錐體，載荷60kg。HRB用于測量低硬度材料，如有色金屬和退火、正火鋼等。壓頭為1.588mm的淬火鋼球，載荷為100kg。HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。壓頭與HRA相同，載荷為150kg。711.3.3.2洛氏硬度優(yōu)點(diǎn):操作簡便，硬度值可干脆讀出;壓痕小，可在工件上進(jìn)行試驗;可測軟硬不同和厚薄不一的金屬試樣的硬度。缺點(diǎn):壓痕小，材料有偏析及組織不勻整等缺陷，所測硬度值重復(fù)性差，分散度大;不同標(biāo)尺的硬度值彼此不能干脆比較。721.3.3.3維氏硬度維氏硬度與布氏硬度一樣，是以單位面積壓痕所承受的載荷來表示硬度值的大小。維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕731.3.3.3維氏硬度維氏硬度壓頭是相對面夾角136的金剛石正四棱錐體。依據(jù)壓痕對角線長度d計算壓痕的表面積F（mm2），則維氏硬度HV的計算式為：HV=P/F=2Psin(136/2)/d2=1.8544P/d2優(yōu)點(diǎn)：可測量從軟到硬的全部材料，可隨意選取載荷，壓痕測量精度高，硬度值較為精確。缺點(diǎn)：硬度值需通過測量壓痕對角線長度進(jìn)行計算或查表得出。741.3.3.4顯微硬度就是小載荷的維氏硬度試驗，其原理和維氏硬度試驗一樣，所不同的是載荷P以克計量，壓痕對角線d以微米計量。顯微硬度主要用來測定各種組成相的硬度和表面硬化層的硬度分布。用符號HM表示。HM=1854.4P/d2751.3.3.5里氏硬度里氏硬度是一種動載荷試驗方法。基本原理：用規(guī)定質(zhì)量的碳化鎢球沖頭，在彈力作用下以確定速度沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度VR與沖擊速度VA的比值計算硬度值。里氏硬度用符號HL表示：HL=1000VR/VA761.3.3.5里氏硬度里氏硬度值可干脆由顯示裝置顯示出來。是一種敏捷的便攜式硬度計，主要用于大型金屬產(chǎn)品及部件的硬度檢驗，特殊適用于不易移動的大型工件和不易拆卸的大型部件及構(gòu)件的現(xiàn)場硬度檢驗。缺點(diǎn)：試驗結(jié)果的精確性受人為因素影響較大，硬度測量精度較低。77第三節(jié)金屬的力學(xué)性能1.3.1金屬強(qiáng)度1.3.2金屬韌性1.3.3金屬的硬度1.3.4金屬的乏累781.3.4金屬的乏累軸、齒輪、彈簧都是在變動載荷（也稱交變應(yīng)力）下工作，工作應(yīng)力通常低于材料的屈服強(qiáng)度,但長時間工作仍會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象叫金屬的乏累。乏累斷裂不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂突然發(fā)生，具有很大的緊急性，易造成嚴(yán)峻事故。據(jù)統(tǒng)計，在損傷的機(jī)器零件中，有80%以上屬于乏累斷裂。791.3.4金屬的乏累變動載荷是指載荷的大小、方向隨時間變更的載荷。變動載荷分為周期性變動載荷（也稱循環(huán)應(yīng)力）和隨機(jī)變動載荷。試驗室探討多接受循環(huán)應(yīng)力。最常見的循環(huán)應(yīng)力為載荷與時間呈正弦曲線的對稱應(yīng)力循環(huán)。

循環(huán)應(yīng)力特性循環(huán)應(yīng)力的三個參量表示:應(yīng)力幅a=(max-min)/2;平均應(yīng)力m=(max+min)/2;應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)r=min

/max811.3.4金屬的乏累