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1、第第1章章 工程零构件对材料性能的要求工程零构件对材料性能的要求1.1 负荷概述负荷概述1.2 工程设计与加工工艺所需要的材料性能工程设计与加工工艺所需要的材料性能1.3 工程材料类型及主要特征工程材料类型及主要特征 退出退出 1.1负荷概述（负荷概述（load）负荷负荷零件零件可能产生各种损伤可能产生各种损伤（严重时）失效（严重时）失效1.1.11.1.1力学负荷（力学负荷（力学负荷（力学负荷（mechanicalloadmechanicalload）加载形式：加载形式：拉伸与压缩拉伸与压缩、剪切、扭转、弯曲、以及组合剪切、扭转、弯曲、以及组合加载加载(如车床主轴如车床主轴)。效应：效应：变
2、形变形严重时破坏（断裂等）。严重时破坏（断裂等）。交变负荷：周期性变化，如齿轮交变负荷：周期性变化，如齿轮冲击负荷：瞬时加载，冲击负荷：瞬时加载，如锤击如锤击静负荷静负荷动负荷动负荷负荷性质负荷性质图1-1图1-3图1-4图1-21.1.21.1.2热负荷热负荷热负荷热负荷(thermalload)(thermalload)温度因素温度因素（temperatureeffects）：高温、低温、热冲击。高温、低温、热冲击。TT，材料强度，材料强度，材料强度，材料强度。普通钢材从室温上升到。普通钢材从室温上升到。普通钢材从室温上升到。普通钢材从室温上升到600600,强强强强度下降一半之多。度下降
3、一半之多。度下降一半之多。度下降一半之多。，很小应力下的缓慢变形（蠕变，很小应力下的缓慢变形（蠕变，很小应力下的缓慢变形（蠕变，很小应力下的缓慢变形（蠕变creepcreep）。）。）。）。急热急冷产生的热应力（急热急冷产生的热应力（急热急冷产生的热应力（急热急冷产生的热应力（thermalstressthermalstress）。）。）。）。低温下的材料脆化低温下的材料脆化低温下的材料脆化低温下的材料脆化（embrittlementembrittlement）。）。）。）。1.1.31.1.3环境介质的作用（环境介质的作用（环境介质的作用（环境介质的作用（environmentaleffec
4、tenvironmentaleffect）产生物理、化学作用；磨损作用等。产生物理、化学作用；磨损作用等。腐蚀（腐蚀（corrosion）：）：化化学学腐腐蚀蚀、电电化化学学腐腐蚀蚀和和物物理理溶溶解解（详详细细情情况况和和选选材见第材见第12章）。章）。摩擦磨损（摩擦磨损（frictionandwear）：）：接接触触零零件件间间相相对对运运动动时时发发生生，引引起起功功和和能能消消耗耗、噪噪声声等等。磨磨损损是是零零件件表表面面材材料料的的逐逐渐渐失失去去，常常见见类类型型有有粘粘着着磨磨损损、磨磨料料磨磨损损、腐腐蚀蚀磨磨损损和和麻麻点点磨磨损损（接接触触疲疲劳劳）。（详细叙述和选材见第
5、（详细叙述和选材见第10章）。章）。老化作用（老化作用（degradation）：）：各各种种环环境境因因素素作作用用下下材材料料性性能能的的逐逐渐渐退退化化、变变坏坏，最最终终丧丧失失使使用用价价值值的的现现象象。例例轮轮胎胎龟龟裂裂、发发粘，塑料变硬变脆。粘，塑料变硬变脆。老老化化的的环环境境因因素素：温温度度、日日光光、电电、辐辐射射、应应力力、化学介质等。化学介质等。1.2工程设计与加工工艺所需要的材料性能工程设计与加工工艺所需要的材料性能零件（如齿轮、螺钉）零件（如齿轮、螺钉）部件（如变速器部件（如变速器、齿轮、齿轮箱）箱）机器（如机床）。机器（如机床）。1.2.11.2.1整机性能
6、整机性能整机性能整机性能零部件性能零部件性能零部件性能零部件性能材料性能的关系材料性能的关系材料性能的关系材料性能的关系（materialpropertymaterialproperty）在在合合理理设设计计制制造造基基础础上上，机机器器的的性性能能主主要要由由其其零零部部件件尤其关键件的强度及其它相关性能所决定。尤其关键件的强度及其它相关性能所决定。机械零件的强度很大程度上由材料的强度及其它力学机械零件的强度很大程度上由材料的强度及其它力学性能所决定。性能所决定。例例1：机床（参考教材机床（参考教材P3）例例2：柴油机（参考教材柴油机（参考教材P3）1.2.21.2.2工程材料力学性能（工程
7、材料力学性能（工程材料力学性能（工程材料力学性能（mechanicalpropertymechanicalproperty）(1)(1)(1)(1)拉伸试验和应力拉伸试验和应力拉伸试验和应力拉伸试验和应力应变曲线（应变曲线（应变曲线（应变曲线（tensiontestandtensiontestandstressstraincurvestressstraincurve）弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形断裂断裂(2)(2)(2)(2)弹性和刚度（弹性和刚度（弹性和刚度（弹性和刚度（elasticityandstiffnesselasticityandstiffness）e弹性极限弹性极限EE/E称
8、为材料的刚度称为材料的刚度弹性模量的比较：弹性模量的比较：陶瓷金属高分子材料。陶瓷金属高分子材料。工程应用：工程应用：要求低要求低E（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫子。（易弹性变形且变形能力大），如沙发垫子。要求高要求高E（保持固有形状能力强），如主轴（保持固有形状能力强），如主轴，钻杆。，钻杆。要求比刚度（要求比刚度（E/）大（轻而不易变形），如航空航天）大（轻而不易变形），如航空航天碳纤维复合材料碳纤维复合材料Ti合金合金Al合金钢铁合金钢铁图图1-5图图1-7图图1-6(3)(3)(3)(3)强度和塑性（强度和塑性（强度和塑性（强度和塑性（strengthandplasticitys
9、trengthandplasticity）强度强度材料抵抗变形和断裂的能力。材料抵抗变形和断裂的能力。塑性塑性材料产生塑性变形的能力。材料产生塑性变形的能力。屈屈服服强强度度s（）=Ps/F（MPa）,是是零零件件最最重重要要的的设设计计指标。指标。抗拉强度抗拉强度b=Pb/F，也是重要的设计指标，数据易得。，也是重要的设计指标，数据易得。比比强强度度s/及及b/，单单位位质质量量的的强强度度：水水泥泥，木木材材，钢，钢，铝，铝，Ti，碳纤维，碳纤维。延伸率延伸率=（l1l0）/l0100%。断面收缩率断面收缩率=（F0F1）/F0100%。塑性不能直接作为设计指标，但可作为参考指标。塑性不能
10、直接作为设计指标，但可作为参考指标。课堂讨论：课堂讨论：塑性指标的作用。塑性指标的作用。粘弹性（自学，高分子材料明显）。粘弹性（自学，高分子材料明显）。(4)(4)(4)(4)硬度（硬度（硬度（硬度（hardnesshardness）材料的软硬程度，用压痕深度或面积表征。材料的软硬程度，用压痕深度或面积表征。压痕深或面积大，材料软；反之硬。压痕深或面积大，材料软；反之硬。测量方便，一般属无损检测。测量方便，一般属无损检测。硬度与强度、塑性存在一定的关系。硬度是零件设计硬度与强度、塑性存在一定的关系。硬度是零件设计时的主要力性技术要求。时的主要力性技术要求。零件中、高硬度要求时，用洛氏硬度零件中
11、、高硬度要求时，用洛氏硬度 30 70HRC 标注公差标注公差 35HRC。零件中、低硬度要求时，用布氏硬度零件中、低硬度要求时，用布氏硬度 100 450HBS 标注公差标注公差 3050HBS。如如6063HRC,235265HBS等，另等，另 1HRC10HBS,如如 400HBS40HRC。图图1-8图图1-9(5)(5)(5)(5)冲击韧性（冲击韧性（冲击韧性（冲击韧性（impacttoughnessimpacttoughness）材材料料在在冲冲击击载载荷荷作作用用下下抵抵抗抗破破坏坏的的能能力力，常常用用缺缺口试样冲断所吸收的功。口试样冲断所吸收的功。冲冲击击功功高高，韧韧性性材
12、材料料如如钢钢筋筋；冲冲击击功功低低，脆脆性性材材料如玻璃、陶瓷、铸铁。料如玻璃、陶瓷、铸铁。部部分分材材料料室室温温韧韧性性好好、低低温温变变脆脆存存在在延延性性脆脆性转折。性转折。(6)(6)(6)(6)疲劳极限（疲劳极限（疲劳极限（疲劳极限（fatiguelimitfatiguelimit）周期变动应力下的材料强度。周期变动应力下的材料强度。b一次寿命一次寿命-1有限寿命有限寿命-1“永永”不破坏，无限寿命。不破坏，无限寿命。-10.55)b图图1-101-10图图1-111-11图图1-1-12121.2.31.2.3工程材料的理化性能（自学）工程材料的理化性能（自学）工程材料的理化性
13、能（自学）工程材料的理化性能（自学）1.2.41.2.4工程材料的工艺性能（工程材料的工艺性能（工程材料的工艺性能（工程材料的工艺性能（processingpropertyprocessingproperty）材材料料加加工工成成形形的的难难易易程程度度，不不同同材材料料很很不不一一样样。所所以以加工方法各不相同。加工方法各不相同。图图1-151-15图图1-141-14图图1-131-13图图1-161-16图图1-171-17图图1-181-18图图1-191-19 金属：金属：铸造工艺性铸造工艺性(充型能力、收缩大小、偏析倾向等充型能力、收缩大小、偏析倾向等),),灰铸铁、灰铸铁、青铜好
14、。青铜好。可锻性可锻性(变形能力、变形难易等变形能力、变形难易等),),低碳钢、有色金属好。低碳钢、有色金属好。可焊性可焊性(易施焊且不易产生缺陷等易施焊且不易产生缺陷等),),钢铁材料中低碳钢好钢铁材料中低碳钢好。切削加工性切削加工性(断屑、粗糙度、刀具磨损等断屑、粗糙度、刀具磨损等),),灰铸铁好。灰铸铁好。热处理工艺性热处理工艺性(接受淬火、变形开裂倾向等接受淬火、变形开裂倾向等),),合金钢好。合金钢好。塑料：塑料：多注射（塑）成形，易成形，易加工多注射（塑）成形，易成形，易加工（包括后续加工）（包括后续加工）。陶瓷：陶瓷：多粉末烧结成形，难以切削加工。多粉末烧结成形，难以切削加工。1
15、.3工程材料类型及主要特征工程材料类型及主要特征1.3.11.3.1分类（分类（分类（分类（typetype）按使用功能分类：按使用功能分类：按使用功能分类：按使用功能分类：结构材料（结构材料（structuralmaterial）：）：实实现现运运动动、传传递递运运动动，承承担担力力、负负荷荷为为主主（机机械械工程等）。工程等）。功能材料（功能材料（functionalmaterial）：）：利利用用其其理理化化功功能能为为主主，力力性性为为辅辅（导导电电材材料料、磁磁盘、光纤等）。盘、光纤等）。按成分分类按成分分类按成分分类按成分分类三大类或四大类材料（加复合材料）。三大类或四大类材料（加
16、复合材料）。三大类或四大类材料（加复合材料）。三大类或四大类材料（加复合材料）。图图1-201-201.3.21.3.2大类材料的特征（大类材料的特征（大类材料的特征（大类材料的特征（characteristicscharacteristics）金属材料（金属材料（metals）优优点点：兼兼有有良良好好力力性性(较较高高强强度度、刚刚度度、塑塑性性、韧韧性性)及及某某些些理理化化性性能能(良良好好导导电电、导导热热性性等等)和和较较好好的的工工艺艺性性，价价格格便便宜宜或或适适中中。大大量量用用作作结构材料，部分用作功能材料。结构材料，部分用作功能材料。缺点：缺点：资源有限；特高温及特殊介质
17、中不能胜任。资源有限；特高温及特殊介质中不能胜任。陶陶瓷瓷材材料料（ceramics无无机机非非金金属属材材料料，金金属属与与非非金金属属的的化合物如化合物如Al2O3、SiC）优优点点：优优良良理理、化化性性能能(耐耐蚀蚀、光光、电电、热热学学性性能能，绝绝缘缘性性能能等等)及及极极好好的的耐耐高高温温性性能能，且且原原料料来来源源广广泛泛。主主要要用用在在特特殊殊场场合合(特特殊殊陶陶瓷瓷)及及日常日常(传统陶瓷传统陶瓷)。缺点：缺点：性脆、难加工，可靠性差。性脆、难加工，可靠性差。高分子材料（高聚物，高分子材料（高聚物，polymer）优点：优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量
18、较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量轻，加工性好，原料丰富。轻，加工性好，原料丰富。缺缺点点：力力性性尤尤其其强强度度低低；不不耐耐高高温温（300）；易易老化易燃。老化易燃。复合材料（复合材料（composites两种或多种材料复合而成）两种或多种材料复合而成）优点：优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要进行人为设计、制造。进行人为设计、制造。缺点：缺点：目前性能高的价贵。目前性能高的价贵。作业：教材作业：教材P91，2，3，4，8。本本 章章 结结 束束 返返 回回图图1-1 受力杆件受力杆件 返回图图1-2 铆钉联接铆钉联接 返回图图1
19、-3 方向盘方向盘 返回图图1-4 火车轮轴火车轮轴 返回图图1-5 拉伸机示意图拉伸机示意图 返回图图1-6 低碳钢应力应变曲线示意图低碳钢应力应变曲线示意图 返回图图1-7 低碳钢的应力低碳钢的应力-应变图应变图 返回图图1-8 布氏硬度实验示意图布氏硬度实验示意图 返回图图1-9 维氏硬度实验示意图维氏硬度实验示意图 返回图图1-10 夏氏冲击试验示意图夏氏冲击试验示意图 返回图图1-11 不同材料冲击韧性与温度关系曲线示意图不同材料冲击韧性与温度关系曲线示意图 返回图图1-12 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 返回图图1-13 典型铸造工艺示意图典型铸造工艺示意图A 返回图图1-14 典型铸造工艺示意图典型铸造工艺示意图B 返回图图1-15 典型焊接工艺示意图典型焊接工艺示意图A 返回图图1-16 典型焊接工艺示意图典型焊接工艺示意图B 返回图图1-17 典型焊接工艺示意图典型焊接工艺示意图C 返回图图1-18 典型塑性加工工艺示意图典型塑性加工工艺示意图 返回图图1-19 轧制与铸造的金属棒材组织差异示意图轧制与铸造的金属棒材组织差异示意图 返回图图1-20 材料的分类材料的分类 返回