緒論工程材料的主要性能

11三月2024緒論工程材料的主要性能緒論機(jī)械制造的基本過(guò)程工程材料分類(lèi)及應(yīng)用本課程主要內(nèi)容學(xué)習(xí)本課程要求參考書(shū)目23二、工程材料分類(lèi)及應(yīng)用（一）按化學(xué)成分及結(jié)合鍵分類(lèi):金屬材料

黑色金屬：鋼、鐵

有色金屬：除鋼鐵以外的其它金屬及合金。非金屬材料

高分子材料：塑料、橡膠

陶瓷材料：碳化硅、氮化硅復(fù)合材料：玻璃鋼4（二）按材料的使用性能分類(lèi):結(jié)構(gòu)材料:用于制造承受載荷、傳遞動(dòng)力的零件和構(gòu)件的材料；功能材料：具有特殊性能的元器件的材料，一般不承受或承受很小的力。5（三）按照材料的物理形態(tài)分類(lèi)：晶體材料非晶體材料納米材料（四）按照材料的幾何形態(tài)分類(lèi)（納米材料）（五）按照材料的發(fā)展分類(lèi)67陶瓷刀具：可在冰凍條件下切削肉類(lèi)和其他食品，切削水果不變色，切洋蔥不刺眼

塑料齒輪重量輕、噪聲低、成本低、自潤(rùn)滑8信息科學(xué)能源科學(xué)材料科學(xué)

舊石器時(shí)代-----新石器時(shí)代-----青銅器時(shí)代-----鐵器時(shí)代-----人工合成材料時(shí)代現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱材料的發(fā)展與歷史時(shí)代的劃分9航空航天人類(lèi)第一架飛機(jī)1903萊特兄弟16公里/小時(shí)螺旋槳飛機(jī)300公里/小時(shí)鋁合金民航噴氣式飛機(jī)500～1000公里/小時(shí)高溫合金我國(guó)主力噴氣戰(zhàn)斗機(jī)殲八2700公里/小時(shí)10人造衛(wèi)星

鈦合金：密度小耐高溫耐腐蝕11通信技術(shù)

現(xiàn)有太平洋海底光纜示意圖12金屬材料獲得廣泛的應(yīng)用的原因

優(yōu)良的機(jī)械性能

優(yōu)良的物理性能

優(yōu)良的工藝性能

13三、本課程主要內(nèi)容工程材料的主要性能金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶鋼的熱處理常用金屬材料機(jī)械零件選材及工藝路線(xiàn)分析14四、學(xué)習(xí)本課程要求

上課認(rèn)真聽(tīng)講、做筆記；

積極參加討論、回答問(wèn)題；

獨(dú)立完成作業(yè)，不要互相抄襲；認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)，不缺勤。成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)作業(yè)10%實(shí)驗(yàn)20%期末70%15

第一章.工程材料的主要性能

內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能成分——結(jié)構(gòu)（組織）——性能加工工藝與性能切削加工鍛造鑄造焊接使用行為與性能橡膠暴露在空氣中逐漸硬化金屬在周期性載荷作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞普通鋼鉆頭不能象高速鋼鉆頭那樣飛快切削

16工程材料的主要性能力學(xué)性能：靜力學(xué)性能指標(biāo)、動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)物理性能化學(xué)性能工藝性能171-1力學(xué)性能——材料在外力作用下所表現(xiàn)出的各種性能。強(qiáng)度硬度塑性疲勞強(qiáng)度沖擊韌性斷裂韌性

18拉伸實(shí)驗(yàn)19電子拉伸試驗(yàn)機(jī)20GB/T288-1987

應(yīng)變?chǔ)?△L/L0GB/T288-2002見(jiàn)附錄1低碳鋼拉伸曲線(xiàn)應(yīng)力σ=F/S0N/mm2(MPa)21一、彈性與剛度彈性變形（不超過(guò)0.5%~1%）塑性變形彈性極限σe——材料不產(chǎn)生塑性變形所能承受的最大應(yīng)力。（精密彈性元件、炮筒）22彈性模量E=σ/ε——衡量材料抵抗彈性變形的能力。表示材料的剛度。23機(jī)器零件或構(gòu)件剛度：E·A2425二、強(qiáng)度——在外力作用下，材料抵抗變形和破壞的能力。屈服點(diǎn)σs——材料開(kāi)始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。26屈服強(qiáng)度σ0.2——試樣標(biāo)距長(zhǎng)度產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。27抗拉強(qiáng)度σb——材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。（Rm）28三、塑性——材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。伸長(zhǎng)率δ——試樣在拉斷后的相對(duì)伸長(zhǎng)量。（A）δ={（L1-L0）/L0}×100%L0——試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；L1——試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度。29斷面收縮率ψ——試樣被拉斷后橫截面積的相對(duì)收縮量。（Z）Ψ={（A0-A1）/A0}×100%A0——試樣原始橫截面積；A1——試樣拉斷處的橫截面積。30塑性的意義：1.零件在使用過(guò)程中偶然過(guò)載時(shí)，因發(fā)生塑性變形而不至于突然斷裂；2.碰撞時(shí)吸收能量；3.塑性成形。31四、硬度——材料抵抗外加載荷壓入表面的能力。（1）布氏硬度HBS（W）3233壓頭為淬火鋼球時(shí)，HBS小于450有效。壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，HBW450-650有效。經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：低碳鋼：σb≈0.36HBS(W)高碳鋼：σb≈0.34HBS(W)灰鑄鐵：σb≈0.10HBS(W)34試驗(yàn)規(guī)范。表示方法：120HBS120HBS10/1000/30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

壓痕較大，只適用于毛坯檢驗(yàn)，不適合成品。35（2）洛氏硬度HR3637試驗(yàn)規(guī)范。表示方法：60HRC洛氏硬度操作迅速、簡(jiǎn)便，壓痕小可在工件表面進(jìn)行試驗(yàn)，可測(cè)各種金屬。壓痕較小，代表性差。由于材料成分偏析，組織不均勻，使硬度值分散性大，應(yīng)在不同部位測(cè)量多次取平均值。38（3）維氏硬度(HV)采用相對(duì)面夾角為136o金剛石正四棱錐壓頭，以規(guī)定的試驗(yàn)力F壓入材料的表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用正四棱錐壓痕單位表面積上所受的平均壓力表示硬度值。39載荷小，壓入深度淺，適于測(cè)試零件表面淬硬層及化學(xué)熱處理的表面層。連續(xù)一致的標(biāo)尺，可測(cè)定從極軟到極硬的各種金屬材料。測(cè)定較麻煩，工作效率不如洛氏硬度高。可測(cè)量硬度為10~1000HV范圍的材料。

40由于各種硬度試驗(yàn)的條件不同，因此相互間沒(méi)有理論的換算關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的粗略換算關(guān)系如下：硬度在200~600HBS（W）HRC≈1/10HBS硬度小于450HBSHBS≈HV

各種硬度間換算以及硬度與強(qiáng)度之間的換算可查表。41五、疲勞強(qiáng)度交變應(yīng)力——應(yīng)力的大小、方向隨時(shí)間變化。疲勞——承受交變應(yīng)力的零件在工作過(guò)程中，往往在工作應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。特征：無(wú)征兆突然斷裂，造成嚴(yán)重事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在損壞的機(jī)器零件中，80%是由金屬疲勞造成的！42（1）疲勞實(shí)驗(yàn)變動(dòng)載荷：載荷時(shí)間對(duì)稱(chēng)交變應(yīng)力脈動(dòng)交變應(yīng)力無(wú)規(guī)則交變應(yīng)力主軸類(lèi)汽缸蓋螺釘農(nóng)用掛車(chē)車(chē)輪43一組試樣：疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)試樣的表面質(zhì)量很敏感，曲線(xiàn)上每一點(diǎn)最好取幾個(gè)試樣平均值。44疲勞曲線(xiàn)107N02σ-1σN最大應(yīng)力σmax循環(huán)周次N（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）1—一般鋼鐵材料2—有色金屬、高強(qiáng)度鋼等。鋼鐵N0=107次，

有色金屬N0=108次。對(duì)于實(shí)際機(jī)件，N0根據(jù)工作條件和使用壽命確定。例：火車(chē)軸N0=5×107汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸N0=12×107氣輪機(jī)葉片N0=25×1010145（2）疲勞原因表面是產(chǎn)生疲勞源部位（表面應(yīng)力集中、刀痕、劃傷等）。擴(kuò)展時(shí)而停頓、時(shí)而向前發(fā)展，出現(xiàn)疲勞裂紋——貝殼紋。剩余部分面積減小，應(yīng)力增大，當(dāng)σ﹥?chǔ)襜時(shí)，突然斷裂。46（3）預(yù)防措施設(shè)計(jì)時(shí)表面圓滑過(guò)渡，減少應(yīng)力集中。表面預(yù)制壓應(yīng)力（噴丸、表面淬火、化學(xué)熱處理等）47六、韌性——材料斷裂時(shí)所需能量的度量。（1）沖擊韌度ak沖擊韌性——在沖擊載荷作用下，材料抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力，通常用沖擊吸收功Ak和沖擊韌度指標(biāo)ak來(lái)度量。48一次沖擊彎曲試驗(yàn)49沖擊試驗(yàn)視頻圖象50指標(biāo)沖擊吸收功Ak(J)——沖斷標(biāo)準(zhǔn)試樣所消耗的功。

Ak=Gg(h-h1)其中G-擺錘質(zhì)量g-重力加速度沖擊韌度ak（J/cm2)——試樣單位截面積所消耗的沖擊吸收功。ak=Ak/S其中S-試樣缺口處的截面積51沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用評(píng)定材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量。評(píng)定材料的低溫變脆傾向。此試驗(yàn)有很多局限性。52工程中的斷裂事故2007年11月2日美國(guó)F15空中解體；第一章緒論53（2）斷裂韌度K1c斷裂韌性——材料抵抗裂紋擴(kuò)張的能力。應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K1=Yσ其中K1——應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，單位為N·m-3/2;Y——與裂紋形狀、加載方式及試樣幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)；σ——外加應(yīng)力，單位為MPaa——裂紋的半長(zhǎng)，單位為mm。ss2aAxy2b54斷裂韌度應(yīng)用：用無(wú)損探傷方法測(cè)出零件中最大裂紋長(zhǎng)度，就可以算出使零件失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界載荷，既零件能承受的最大載荷。測(cè)得零件的工作應(yīng)力，就可以確定材料在加工過(guò)程中允許存在的最大裂紋長(zhǎng)度。5