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1、第1章金属材料的力学性能第1页，共35页，编辑于2022年，星期一 掌握金属材料的强度和塑性的概念；掌握金属材料的强度和塑性的概念；掌握金属材料的疲劳强度的概念；掌握金属材料的疲劳强度的概念；掌握金属材料冲击韧性的概念；掌握金属材料冲击韧性的概念；掌握材料硬度的概念和三种硬度表示方法；掌握材料硬度的概念和三种硬度表示方法；了解材料性能的表示方法。了解材料性能的表示方法。教学目的和要求教学目的和要求教学目的和要求教学目的和要求第2页，共35页，编辑于2022年，星期一一、强度、塑性；一、强度、塑性；二、疲劳强度；二、疲劳强度；三、冲击韧性；三、冲击韧性；四、硬度四、硬度教学内容摘要教学内容摘要第
2、3页，共35页，编辑于2022年，星期一利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料利用强度、硬度和塑性等指标综合评价材料。教学重点、难点教学重点、难点教学重点、难点教学重点、难点教学方法和使用教具教学方法和使用教具教学方法和使用教具教学方法和使用教具讲授、现场教学、课件。讲授、现场教学、课件。4学时学时教学时间教学时间教学时间教学时间第4页，共35页，编辑于2022年，星期一金属材料的基本知识金属材料的基本知识金属材料的基本知识金属材料的基本知识 金属材料金属材料金属金属合金合金具有金属光泽。具有金属光泽。具有较好的延展性，容易加工成型。具有较好的延展性，容易加工成型。易导电、传热，是热和电的良导
3、体。易导电、传热，是热和电的良导体。常见的钢、铸铁、铜、铜合金、铝、常见的钢、铸铁、铜、铜合金、铝、铝合金等都是金属材料。铝合金等都是金属材料。金属材料的特点金属材料的特点第5页，共35页，编辑于2022年，星期一金属材料性能金属材料性能工艺性能工艺性能使用性能使用性能 是指金属材料在使用条件下所表现出来的力学性能（指刚度、强度、塑性、是指金属材料在使用条件下所表现出来的力学性能（指刚度、强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等）、物理性能（指熔点、导热性、导电性、热膨胀性、硬度、韧性和疲劳强度等）、物理性能（指熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等）和化学性能（指抗氧化性、与其他物质发生化学反应的
4、性能等）等。磁性等）和化学性能（指抗氧化性、与其他物质发生化学反应的性能等）等。工艺性能工艺性能 是指金属材料在制造加工过程中表现出来的各种性能。优良的使用性能可以是指金属材料在制造加工过程中表现出来的各种性能。优良的使用性能可以满足生产和生活上的各种需要；而优良的工艺性能则可使金属材料易于采用各种满足生产和生活上的各种需要；而优良的工艺性能则可使金属材料易于采用各种加工方法，制成各种形状、尺寸的零件和工具。加工方法，制成各种形状、尺寸的零件和工具。力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能使用性能使用性能第6页，共35页，编辑于2022年，星期一1.1 强度、塑性强度、塑性 静载荷静载
5、荷是指外力的大小和方向不变或变化很缓慢的载荷；冲击载荷冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳载荷疲劳载荷则是指大小和方向随时间作周期性变化的载荷。根据载荷作用性质不同 静载荷冲击载荷疲劳载荷材料的力学性能：材料的力学性能：是指材料在是指材料在外加载荷外加载荷作用作用 下所表现出下所表现出来的性能。来的性能。第7页，共35页，编辑于2022年，星期一工件在不同载荷形式下产生的变形变形 第8页，共35页，编辑于2022年，星期一强度、塑性强度、塑性强度、塑性强度、塑性的概念的概念的概念的概念强度强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，强度愈是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，强度愈高的材料，所承受的
6、载荷愈大。高的材料，所承受的载荷愈大。塑性塑性是指金属材料产生塑性变形而不断裂的能力。是指金属材料产生塑性变形而不断裂的能力。第9页，共35页，编辑于2022年，星期一试样的形状试样的形状试样的形状试样的形状 试样标距试样标距试样直径试样直径拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后1.1.1 1.1.1 拉伸试样与拉伸试验拉伸试样与拉伸试验第10页，共35页，编辑于2022年，星期一试样的标距试样的标距试样的标距试样的标距试样的标距试样的标距拉伸试验过程中用以测量试样伸长的两标记之间的长度，称为拉伸试验过程中用以测量试样伸长的两标记之间的长度，称为标距。标距。试样的分类试样的分类长试样长试样(L L0 0=1
7、0=10d d0 0)，100mm和和200mm短试样短试样(L L0 0=5=5d d0 0)，50mm和和80mm第11页，共35页，编辑于2022年，星期一拉伸试验曲线拉伸试验曲线拉伸试验曲线拉伸试验曲线 第12页，共35页，编辑于2022年，星期一n弹性变形阶段（弹性变形阶段（Op-pe段）卸除载荷，立即恢复原状。段）卸除载荷，立即恢复原状。n屈服阶段（屈服阶段（es-ss段）卸除载荷，部分变形恢复，段）卸除载荷，部分变形恢复，还有一部分不能恢复。还有一部分不能恢复。n强化阶段（强化阶段（sb段）随着塑性变形的增大，材料的段）随着塑性变形的增大，材料的变形抗力增加变形抗力增加.n缩颈阶
8、段（缩颈阶段（bk段）载荷最大时，发生局部收缩。段）载荷最大时，发生局部收缩。第13页，共35页，编辑于2022年，星期一1.1.21.1.2强度强度强度强度 用于表征金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的用于表征金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。能力。抗拉强度抗拉强度抗压强度抗压强度抗弯强度抗弯强度抗剪强度抗剪强度屈服点屈服点屈服强度屈服强度抗拉强度抗拉强度根据所加载荷形式的不同根据所加载荷形式的不同工程上常用的强度衡量指标工程上常用的强度衡量指标第14页，共35页，编辑于2022年，星期一屈服点、屈服强度屈服点、屈服强度屈服点、屈服强度屈服点、屈服强度对对具有明具有明显显屈服
9、屈服现现象的材料象的材料如低碳如低碳钢钢，用屈服点来表征材料，用屈服点来表征材料对产对产生明生明显显塑性塑性变变形的抗力。屈服点形的抗力。屈服点就是指材料就是指材料产产生屈服生屈服时时的最小的最小应应力。即力。即式中式中 应应力（力（MPa）；）；试样产试样产生屈服生屈服时时的最小屈服力（的最小屈服力（N）；）；试样试样原始横截面原始横截面积积（）。）。对无明显屈服现象的金属材料对无明显屈服现象的金属材料如高碳钢、铜合金、铝合金等，用屈服强度来表征材料对产生明显塑如高碳钢、铜合金、铝合金等，用屈服强度来表征材料对产生明显塑性变形的抗力。性变形的抗力。第15页，共35页，编辑于2022年，星期一
10、抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度是指是指试样试样在拉断前所承受的最大在拉断前所承受的最大应应力，即力，即式中：式中：抗拉抗拉强强度（度（MPa）；）；试样试样在拉断前所受到的最大在拉断前所受到的最大载载荷（荷（N）；）；试样试样原始横截面原始横截面积积（）。）。第16页，共35页，编辑于2022年，星期一1.1.3 1.1.3 塑性塑性 在外力作用下的金属材料在断裂前在外力作用下的金属材料在断裂前产产生不可逆的永久生不可逆的永久变变形的能力形的能力称称为为塑性。材料的塑性指塑性。材料的塑性指标标通常用断后伸通常用断后伸长长率和断面收率和断面收缩缩率来表征。率来表征。1.1.断后伸长率断后伸长率
11、断后伸长率断后伸长率是指试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，用是指试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，用 表示，即表示，即 2.2.断面收断面收断面收断面收缩缩缩缩率率率率 是指是指试样试样拉断后断口（拉断后断口（缩颈缩颈）处处截面截面积积的最大的最大缩缩减量与原始截面减量与原始截面积积的的百分比，用下式表示，即百分比，用下式表示，即第17页，共35页，编辑于2022年，星期一1.2 疲疲 劳劳 强强 度度 疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏 零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下，零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下，经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，
12、这种现象称为疲劳经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。因此在零件设计之初，对零件所用的金属材料就应该进断裂。因此在零件设计之初，对零件所用的金属材料就应该进行疲劳试验，以便合理的估算零件的使用寿命。行疲劳试验，以便合理的估算零件的使用寿命。第18页，共35页，编辑于2022年，星期一疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏材料在对称载荷下的应力变化规律。材料在对称载荷下的应力变化规律。第19页，共35页，编辑于2022年，星期一 疲劳强度疲劳强度疲劳强度疲劳强度材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的疲劳曲线。材料交变应力和断裂前应力循环次数之间的疲劳曲线。第20页，共35页，编辑
13、于2022年，星期一 提高疲劳强度措施提高疲劳强度措施提高疲劳强度措施提高疲劳强度措施 材料方面材料方面 保证冶炼质量，减少夹杂物和热加工产生的气孔和疏松等缺陷。保证冶炼质量，减少夹杂物和热加工产生的气孔和疏松等缺陷。设计方面设计方面 尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起尽量使零件避免尖角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。的疲劳裂纹。工艺方面工艺方面 降低零件表面粗糙度，并避免表面划痕、碰伤，防止这些地方出现形成疲劳降低零件表面粗糙度，并避免表面划痕、碰伤，防止这些地方出现形成疲劳裂纹；采用表面强化方法，如化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，
14、裂纹；采用表面强化方法，如化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，降低材料表面形成裂纹的可能性。降低材料表面形成裂纹的可能性。第21页，共35页，编辑于2022年，星期一1.3 韧韧 性性 1.3.1 1.3.1 冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。冲击韧性的测定方法冲击韧性的测定方法摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验第22页，共35页，编辑于2022年，星期一摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验根据功能原理根据功能原理摆
15、锤击摆锤击断断试样试样所消耗的功所消耗的功Aku值为值为第23页，共35页，编辑于2022年，星期一 小能量多次冲击试验小能量多次冲击试验 工程实践中，在冲击载荷作用下工作的机械零件工程实践中，在冲击载荷作用下工作的机械零件往往都是受多次小能量冲击而破坏的。很少受大能量往往都是受多次小能量冲击而破坏的。很少受大能量冲击一次而破坏的，如冲模的冲头、凿岩机上的活塞冲击一次而破坏的，如冲模的冲头、凿岩机上的活塞等。所以工程实际中，常采用小能量多次重复冲击试等。所以工程实际中，常采用小能量多次重复冲击试验来测定。验来测定。第24页，共35页，编辑于2022年，星期一1.3.2 1.3.2 断裂韧性断裂
16、韧性断裂韧性断裂韧性低应力脆断低应力脆断 工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况下也工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。会发生突然断裂，称为低应力脆断。低应力脆断的原因低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身缺陷，由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生的缺陷，裂纹如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导致零（构）件断裂。在应力的作用下失稳而扩展，最终导致零（构）件断裂。第25页，共35页，编辑于2022年，星期一1.4 硬硬 度度硬度的含义
17、硬度的含义布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维氏硬度维氏硬度是材料性能的一个综合物理量，对于金属材料而言，表示金属材是材料性能的一个综合物理量，对于金属材料而言，表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形、断裂或其他料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形、断裂或其他物质压入其表面的能力。物质压入其表面的能力。硬度的表示方法硬度的表示方法硬度试验的方法大多采用压入法。硬度试验的方法大多采用压入法。常用的表示方法常用的表示方法第26页，共35页，编辑于2022年，星期一1.4.1 布氏硬度布氏硬度布氏硬度布氏硬度压头压头实测物体实测物体压头压头实测物体实测物体布氏硬度布氏硬度值计值
18、计算公式算公式布氏硬度布氏硬度测测量原理量原理第27页，共35页，编辑于2022年，星期一1.4.2 1.4.2 洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度值计值计算公式算公式洛氏硬度洛氏硬度测测量原理量原理载荷载荷F1压压去掉载荷去掉载荷F1后后载荷载荷F0预压预压第28页，共35页，编辑于2022年，星期一1.4.3维氏硬度维氏硬度维维氏硬度氏硬度值计值计算公式算公式维维氏硬度氏硬度测测量原理量原理第29页，共35页，编辑于2022年，星期一1.材料发展经历的几个时代材料发展经历的几个时代 石器石器 青铜器青铜器 铁器铁器 钢铁、钢铁、铝合铝合金金 复合材料、钛镁金属、纳米复合材料、
19、钛镁金属、纳米材料材料新石器时代的石制农具新石器时代的石制农具司母戊鼎司母戊鼎通高通高133厘米厘米,横长横长110厘米厘米,宽宽78厘米厘米,重重875公斤公斤.根据目根据目前发掘的商代熔铜前发掘的商代熔铜坩锅坩锅,一次约能熔铜一次约能熔铜12.7公斤公斤.铸造司母戊这样的铸造司母戊这样的大鼎大鼎,就需要七十多就需要七十多个坩锅个坩锅.如果一个坩如果一个坩锅配备三至四人锅配备三至四人,就就需要二、三百人同需要二、三百人同时操作。时操作。云版又叫云版又叫“点点”，是军营中遇有急事敲打报警用的。，是军营中遇有急事敲打报警用的。此块云版用生铁铸成，上下两端勾卷如云，故名。此块云版用生铁铸成，上下两
20、端勾卷如云，故名。第30页，共35页，编辑于2022年，星期一 几种新兴材料简介几种新兴材料简介1.1.镁合金镁合金 magnesiummagnesium 密度低、比强度和比刚度较高。密度低、比强度和比刚度较高。镁镁铝铝钛钛铁铁密度密度1.741.742.72.74.54.57.87.8 镁、铝合金和复合材料镁、铝合金和复合材料 汽车轻量化的材料汽车轻量化的材料 减少减少油耗油耗镁合金方向盘骨架镁合金汽车轮镁合金汽车轮毂毂镁合金汽缸盖镁合金汽缸盖第31页，共35页，编辑于2022年，星期一2.2.形状记忆合金形状记忆合金应用应用:丰田汽车的散热器护拦活门丰田汽车的散热器护拦活门.日产汽车冷却风
21、扇离合器日产汽车冷却风扇离合器.记忆合金在记忆合金在航空航天航空航天领域内的应用有很多成功的范例。领域内的应用有很多成功的范例。当合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，当合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以它又可以魔术魔术般地变回到原来的形状。般地变回到原来的形状。第32页，共35页，编辑于2022年，星期一3.3.复合材料复合材料 玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）比强度高、耐腐蚀比强度高、耐腐蚀.直升飞机的旋翼直升飞机的旋翼第33页，共35页，编辑于2022年，星期一4.4.纳米材料纳米材料 颗粒直径颗粒直径 0.l0.l100 100 纳米（原子、分子尺度）纳米（原子、分子尺度）具有卓越的性能和特殊功能，如：具有卓越的性能和特殊功能，如：纳米级铜不导电；纳米级铜不导电；纳米冰柜可抑制细菌生长。纳米冰柜可抑制细菌生长。5.5.其它材料其它材料 超导材料 贮氢材料 分离膜材料第34页，共35页，编辑于2022年，星期一n谢谢大家！第35页，共35页，编辑于2022年，星期一