金屬材料的力學(xué)性能公開課課件

工程材料與成形技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程系孫德勤

殲十戰(zhàn)斗機(jī)

第一節(jié)工程材料概述問題1何謂工程材料？如何辨別材料？工程的概念：在現(xiàn)代社會(huì)中，“工程”一詞有廣義和狹義之分。就狹義而言，工程定義為“以某組設(shè)想的目標(biāo)為依據(jù)，應(yīng)用有關(guān)的科學(xué)知識(shí)和技術(shù)手段，通過一群人的有組織活動(dòng)將某個(gè)（或某些）現(xiàn)有實(shí)體（自然的或人造的）轉(zhuǎn)化為具有預(yù)期使用價(jià)值的人造產(chǎn)品過程”。就廣義而言，工程則定義為由一群人為達(dá)到某種目的，在一個(gè)較長時(shí)間周期內(nèi)進(jìn)行協(xié)作活動(dòng)的過程。

早在新石器時(shí)代(公元前6000年～公元前5000年)，中華民族的先人們用粘土(主要成分為SiO2，Al2O3)燒制成陶器。馬家窯(甘肅)文化時(shí)期的陶器以砂質(zhì)和泥質(zhì)紅陶為主，表面彩繪有條帶紋、波紋和舞蹈紋等，制品有炊具、食具、盛儲(chǔ)器皿等。陶瓷我國在東漢時(shí)期發(fā)明了瓷器，成為最早生產(chǎn)瓷器的國家。瓷器于9世紀(jì)傳到非洲東部和阿拉伯國家，13世紀(jì)傳到日本，十五世紀(jì)傳到歐洲。瓷器成為中國文化的象征，對(duì)世界文明產(chǎn)生了極大的影響。直到今天，中國瓷器仍暢銷全球，名譽(yù)四海。

瓷器

我國青銅的冶煉在夏朝(公元前2140年始)以前就開始了，到殷、西周時(shí)期已發(fā)展到很高的水平。青銅主要用于制造各種工具、食器、兵器。從河南安陽晚商遺址出土的司母戊鼎重達(dá)8750N,外型尺寸為1.33m×0.78m×1.10m,是迄今世界上最古老的大型青銅器。從湖北隋縣出土的戰(zhàn)國青銅編鐘是我國古代文化藝術(shù)高度發(fā)達(dá)的見證。

青銅器我國從青秋戰(zhàn)國時(shí)期(公元前770年～公元前221年)已開始大量使用鐵器。到了西漢時(shí)期,煉鐵技術(shù)又有了很大的提高，采用煤作為煉鐵的燃料，這要比歐洲早1700多年。我國古代創(chuàng)造了三種煉鋼方法。第一種是從礦石中直接煉出自然鋼。第二種是西漢時(shí)期的經(jīng)過“百次”冶煉鍛打的百煉鋼；第三種是南北朝時(shí)期生產(chǎn)的灌鋼。先煉鐵后煉鋼的兩步煉鋼技術(shù)我國要比其它國家早1600多年。

鐵人鋼的熱處理技術(shù)也達(dá)到了相當(dāng)高的水平。西漢《史記·天官書》中有“水與火合為淬”一說，正確地說出了鋼鐵加熱、水冷的淬火熱處理工藝要點(diǎn)?！稘h書·王褒傳》中記載有“巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒”的制劍技術(shù)。明代科學(xué)家宋應(yīng)星在《天工開物》一書中對(duì)鋼鐵的退火、淬火、滲碳工藝作了詳細(xì)的論述。黃河大鐵牛(唐開元12年鑄)

新材料新工藝重大成果

在當(dāng)代，科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)飛躍發(fā)展。材料、能源與信息作為現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，發(fā)展格外迅猛。

從20世紀(jì)60年代到70年代，高分子材料每年以14％的速度增長，而金屬材料的年增長率僅為4％。到70年代中期，全世界的高分子材料和鋼的體積產(chǎn)量已經(jīng)相等；除了用作結(jié)構(gòu)材料代替鋼鐵外，目前正在研究和開發(fā)具有良好導(dǎo)電性能和耐高溫的高分子材料。陶瓷材料的發(fā)展同樣十分引人注目，它除了具有許多特殊性能作為重要的功能材料(例如可作光導(dǎo)纖維、激光晶體等)以外，其脆性和抗熱震性正在逐步獲得改善，是最有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。機(jī)器零件和工程結(jié)構(gòu)已不再只使用金屬材料制造了。

耐磨陶瓷絕緣陶瓷

隨著航空、航天、電子、通訊等技術(shù)以及機(jī)械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的性能提出越來越高、越來越多的要求。傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求。復(fù)合材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。

玻璃鋼賽車殼體

如玻璃纖維樹脂復(fù)合材料(即玻璃鋼)、碳纖維樹脂復(fù)合材料已應(yīng)用于宇航和航空工業(yè)中制造衛(wèi)星殼體、宇宙飛行器外殼、飛機(jī)機(jī)身、螺旋槳等、發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪等；在交通運(yùn)輸工業(yè)中制造汽車車身、輕型船艇等，在石油化工工業(yè)中制造耐酸、耐堿、耐油的容器、管道等。

玻璃鋼儲(chǔ)液罐

我國在新材料新工藝的研究和應(yīng)用方面取得重大成果

：

1.研制成功性能優(yōu)越、用途廣泛的新型結(jié)構(gòu)鋼—貝氏體鋼；

2.研制出零電阻溫度為128.7K的Ti-Ca-Ba-Cu-O超導(dǎo)體(鉈系超導(dǎo)體)；

3.鎂鋁合金的開發(fā)和應(yīng)用研究取得重大成果。

鎂鋁合金葉輪鎂鋁合金手機(jī)殼

4.材料快速成型技術(shù)和材料表面處理技術(shù)在我國得到迅速發(fā)展。

5.激光表面淬火、激光熔涂技術(shù)已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、凸輪軸、石油抽油管、紡織用錠桿等零件的表面強(qiáng)化上得到應(yīng)用。

6.化學(xué)氣相沉積(CVD)可制造出高硬度、高耐磨性的金黃色TiN薄膜,用于耐磨零件和裝飾件的表面處理。分層實(shí)體快速成形減速機(jī)箱體原型我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，汽車材料需求迅速增加。

新型汽車電動(dòng)汽車飛船“神舟”五號(hào)飛行成功

超7隱形戰(zhàn)斗機(jī)

殲7E戰(zhàn)斗機(jī)

總之，材料科學(xué)和材料工程發(fā)展很快。我們需要掌握材料科學(xué)的基本理論和基本知識(shí)，研究和發(fā)明新的材料和新的工藝，合理地使用各種工程材料

。問題2：1.這門課我們要學(xué)習(xí)什么？2.這門課在專業(yè)學(xué)習(xí)中的必要性或者重要性？3.如何學(xué)習(xí)這門課？課程的性質(zhì)和任務(wù)工程材料與成形技術(shù)基礎(chǔ)是機(jī)械類、近機(jī)械類各專業(yè)學(xué)生必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程的任務(wù)是:l）工程材料的性能：以力學(xué)性能為主，還要考慮物理性能、化學(xué)性能及工藝性能；2）金屬學(xué)基本理論：使學(xué)生獲得有關(guān)工程材料的基本理論和基本知識(shí)；常用工程材料成分－組織－性能－應(yīng)用之間關(guān)系的一般規(guī)律3）熱處理方面：掌握鋼的熱處理基本原理和工藝，掌握熱處理各種工藝方法的目的，以便正確選用熱處理工藝方法，合理安排工藝路線。課程的性質(zhì)和任務(wù)4）常用工程材料：掌握常用的工業(yè)用鋼、鑄鐵、非鐵金屬及其合金的成分、組織、性能和用途；了解工程塑料、橡膠、陶瓷、復(fù)合材料等常用非金屬材料的分類、性能和用途，以便合理選用工程材料。5）熱加工基礎(chǔ)：掌握鑄造、鍛壓和焊接的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，掌握金屬的鑄造性能、鍛造性能和焊接性能；能初步分析各種熱加工零件的結(jié)構(gòu)工藝性，具有初步選擇零件毛坯的能力。6）零件材料與毛坯的選擇：熟悉常用工程材料的生產(chǎn)工藝過程，正確選擇零件的材料、毛坯，并初步安排熱處理在工藝過程中的位置。合理選用工程材料的初步能力。學(xué)習(xí)方法

本課程內(nèi)容主要是建立在實(shí)驗(yàn)觀察和工業(yè)實(shí)踐基礎(chǔ)之上,以實(shí)質(zhì)性和規(guī)律性的描述為主,涉及面較寬。*著重理解課程內(nèi)容,盡量避免死記硬背。*配合實(shí)驗(yàn)及多媒體信息,幫助和加深理解課程內(nèi)容。*利用網(wǎng)絡(luò)交流信息,如查閱資料、習(xí)題等。問題3：如何應(yīng)用工程材料材料毛坯零件鑄造鍛壓焊接粉末冶金切削加工型材熱處理機(jī)械零件的成形過程第二節(jié)、材料的性能金屬材料的性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機(jī)械零件在加工制造過程中，金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞，決定了它在制造過程中加工成形的適應(yīng)能力。由于加工條件不同，要求的工藝性能也就不同，如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切削加工性等。所謂使用性能是指機(jī)械零件在使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來的性能，它包括機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等。金屬材料使用性能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命。

鑄造性能可鍛性能可焊性能切削加工性能熱處理性工藝性

工程材料的性能使用性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能2.1材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞極限和斷裂韌度。（一）強(qiáng)度的概念（二）強(qiáng)度的測(cè)定——拉伸實(shí)驗(yàn)（三）強(qiáng)度指標(biāo)一、強(qiáng)度（一）強(qiáng)度的概念

1.定義

指金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。

載荷的類型通常分為：靜載荷、動(dòng)載荷和變載荷。彈性變形：卸去載荷后，試樣能恢復(fù)到原狀的變形。塑性變形：卸去載荷后，試樣不能恢復(fù)到原狀的變形。

2.應(yīng)用

強(qiáng)度是機(jī)械零件（或工程構(gòu)件）在設(shè)計(jì)、加工、使用過程中的主要性能指標(biāo)，特別是選材和設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。（二）強(qiáng)度的測(cè)定——拉伸實(shí)驗(yàn)1.拉伸試樣（GB6397-86）和拉伸試驗(yàn)機(jī)2.力—伸長曲線（以低碳鋼試樣為例）3.脆性材料的拉伸曲線1.拉伸試樣（GB6397-86）長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0拉伸試驗(yàn)機(jī)2.力——伸長曲線彈性變形階段屈服階段頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。強(qiáng)化階段

拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象ΔLF03.脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對(duì)比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

低碳鋼的拉伸曲線脆性材料的拉伸曲線（三）強(qiáng)度指標(biāo)

2.屈服點(diǎn)在拉伸試驗(yàn)過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長時(shí)的應(yīng)力，用符號(hào)σs表示。

1.彈性極限材料產(chǎn)生完全變形時(shí)所承受的最大應(yīng)力值，用符號(hào)σe表示。FsA0σs=計(jì)算公式脆性材料（如高碳鋼或經(jīng)過熱處理后的鋼）的屈服點(diǎn)（規(guī)定殘余伸長應(yīng)力）：試樣卸除載荷后，其標(biāo)距部分的殘余伸長率達(dá)到試樣標(biāo)距長度的0.2%時(shí)的應(yīng)力，用符號(hào)σ0.2表示。F0.2A0σ0.2=應(yīng)用：σs和σ0.2常作為零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。3.抗拉強(qiáng)度

材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號(hào)σb表示。σb=FbA0計(jì)算公式應(yīng)用：脆性材料制作機(jī)械零件和工程構(gòu)件時(shí)的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。（二）衡量指標(biāo)二、塑性金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。塑性的測(cè)定——拉伸實(shí)驗(yàn)斷面收縮率：斷后伸長率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。（一）定義斷后伸長率（δ）l1-l0l0×100%δ=l1——試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;l0——試樣的原始標(biāo)距,mm。斷面收縮率（Ψ）S0-S1S0Ψ=×100%S0——試樣原始橫截面積,mm2；S1——頸縮處的橫截面積,mm2

。三、硬度（一）定義材料抵抗表面局部塑性變形的能力。（二）分類按照壓力法，有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度等。(1)原理布氏硬度=

FA凹=2FπD[D-（D2-d2）?]１．布氏硬度（2）應(yīng)用測(cè)量比較軟的材料。測(cè)量范圍HBS<450、HBW<650的金屬材料。壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。（3）優(yōu)缺點(diǎn)布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

對(duì)于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB對(duì)于高碳鋼:b(MPa)≈3.4HB

對(duì)于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)（1）原理2.洛氏硬度加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。

h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)（2）應(yīng)用范圍20~671500N120°金剛石圓錐體HRC25~1001000N1.588mm鋼球HRB70~85600N120°金剛石圓錐體HRA常用洛氏硬度標(biāo)度的試驗(yàn)范圍優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、迅速，效率高，可直接測(cè)量成品件及高硬度的材料。（3）優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：壓痕小，測(cè)量不準(zhǔn)確，需多次測(cè)量。3.維氏硬度維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度計(jì)維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)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(shí)間。根據(jù)施加的載荷范圍不同，規(guī)定了三種維氏硬度的測(cè)定方法—維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，既可測(cè)量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測(cè)量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測(cè)量金相組織中不同相的硬度。

四、沖擊韌度金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。（三）沖擊試驗(yàn)原理及方法（一）定義（二）沖擊試樣計(jì)算公式Ak=GH1

-GH2

=G（H1

-H2）試驗(yàn)原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。試驗(yàn)過程如圖所示。沖擊韌度（ak）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。建造中的Titanic號(hào)Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果五、疲勞材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞斷口通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)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）六、斷裂韌性北極星導(dǎo)彈1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂裂紋擴(kuò)展的基本形式應(yīng)力強(qiáng)度因子：描述裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的指標(biāo)。斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。C為斷裂應(yīng)力，aC為臨界裂紋半長，單位為

2.2材料的其他性能一、物理性能1.密度和熔點(diǎn)密度：單位體積內(nèi)材料的質(zhì)量。熔點(diǎn)：材料的熔化溫度。金屬都有固定的熔點(diǎn)，非金屬材料如高