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1、第一篇第一篇 机械工程材料基础机械工程材料基础材料的性能材料的性能使用性能工艺性能 物理性能 化学性能 力学性能 热处理性能铸造性能焊接性能锻造性能切削加工性能 材料分类材料分类复合材料复合材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 本节重点：本节重点：金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要内容：金属材料的力学性能主要内容：金属材料的力学性能,包括材料的强包括材料的强 度度、硬度、塑性、冲击韧性、疲惫、硬度、塑性、冲击韧性、疲惫 强度等。强度等。本节难点：本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法各性能指标的物理意义和测定方法第一
2、节第一节 拉伸试验及强度和塑性拉伸试验及强度和塑性一、拉伸试验及拉伸曲线一、拉伸试验及拉伸曲线拉伸试验机拉伸试验机拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象2、应力与应变曲线、应力与应变曲线应力应力：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示表示:F 载荷载荷(N)=(M pa)S 0 原始横截面积原始横截面积(mm2)应变应变：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示样的原始标距表示:l伸长量伸长量(mm)=l 0原始长度原始长度(
3、mm)应力应变曲线（应力应变曲线（-曲线）曲线）:形态和拉伸曲线相同，单位不同形态和拉伸曲线相同，单位不同op段：比例弹性变形 阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；sb段：匀整塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非匀整变形阶段，承载下降，到k点断裂。二、常用强度判据 强度强度:材料在外力作用，反抗塑性变形材料在外力作用，反抗塑性变形 和断裂的实力。和断裂的实力。工程上工程上常用常用的金属材料的的金属材料的强度指标强度指标：规定非比例伸长应力（规定非比例伸长应力（p）屈服点（屈服点（s）或规定残余伸长应力（）或规定残余伸长应力（r）抗拉强度抗拉强度
4、(b)1、规定非比例伸长应力规定非比例伸长率为0.01%时的应力规定非比例伸长率为0.05%时的应力试验非比例伸长为规定量时的拉力（N）试验原始横截面积（mm2）是一些重要零件设计的力学依据2、屈服点和规定残余伸长应力产生规定残余伸长时的拉力（N）规定残余伸长应力规定残余伸长率为0.2%时的应力材料屈服时的拉力（N）屈服点（屈服极限）原标准（GB228-76）：屈服强度3、抗拉强度（曾称强度极限）拉伸过程中最大的拉力（N）抗拉强度：材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。三、塑性判据三、塑性判据 塑性塑性:材料在外力作用，反抗塑性变形材料在
5、外力作用，反抗塑性变形 和断裂的实力。和断裂的实力。常用的塑性判据常用的塑性判据：拉伸时的拉伸时的断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率1、断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率率数值不同，因此应注明试样尺寸比例。数值不同，因此应注明试样尺寸比例。试样拉断后的标距（mm）试样原始标距（mm）2、断面收缩率试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）试样原始截面积（mm2）强度是表征材料变形抗力指标，强度是表征材料变形抗力指标，塑性是描述变形能力的指标。塑性是描述变形能力的指标。注：注：练习题一练习题一拉力试样的原标距长度为50mm，直
6、径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最终的标距长度为71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？解：=（71-50）/50 x100%=42%S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)=(S0-S1)/S0 x100%=24%练习题二练习题二某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短试样（0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？解：依据试验结果计
7、算如下：sFss(19x1000)/(3.14x52)=242 230MPa b Fb s(34.5x1000)/(3.14x52)=439.5 410MP5 l l 0 x100%(63.1-50)/50 x100%=26.2%23%S S 0 x100%60.31%50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。其次节其次节 硬硬 度度硬度：硬度：硬度试验方法硬度试验方法压入法压入法 划痕法划痕法回跳法回跳法指材料反抗其他硬物体压入其表面的实力指材料反抗其他硬物体压入其表面的实力（金属材料反抗局部变形，特殊是塑性变形、压痕（金属材料反抗局部变形，特殊是塑性变形、压痕或划痕的实力）或划痕的实
8、力）布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）维氏硬度（维氏硬度（HRC）显微硬度显微硬度 莫氏硬度莫氏硬度肖氏硬度肖氏硬度一、布氏硬度1、测定原理布氏硬度计布氏硬度计 试验时，依据被测的材料不同，球直径、试验试验时，依据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表力及试验力保持时间按表-1选择选择材料材料种种类类布氏硬度范布氏硬度范围围HBS（HBW）试样试样厚度厚度/mm0.102球的直径球的直径/mm试验试验力力F/KN（k g f)试验试验力保持力保持时时间间/s钢、铸铁钢、铸铁140-450634223010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1
9、.839(187.5)126631010.05.09.807(1000)2.452(250)12非非铁铁金属金属130634262.510.02.452(250)60表表1-1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范2、符号HBS：淬火钢球作压头HBW：硬质合金作压头3、表示方法XXX HBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径（mm2）试验力保持 时间（s）试验力（0.102N）500HBW5/750例：表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度
10、值为120布布氏氏硬硬度度试试验验法法一一般般用用于于试试验验各各种种硬硬度度不不高高的的钢钢材材、铸铸铁铁、有有色色金金属属等等，也也用用于于试试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。验经淬火、回火但硬度不高的钢件。4、适用范围二、洛氏硬度测定原理硬度硬度符号符号压头类压头类型型载载荷荷F/k g 硬度有效范硬度有效范围围使用范使用范围围HRA金金刚刚石石圆锥圆锥体体6070 08585适用于适用于测测量硬量硬质质合金、合金、钢钢表、淬火表、淬火层层或渗碳或渗碳层层HRB直径直径为为1.588mm钢钢球球10025100100（相当（相当6060230230HBHB）适用于适用于测测量非量非铁铁金
11、属退火、金属退火、退退火等火等HRC金金刚刚石石圆锥圆锥体体150206767(相当相当HB230HB230700)700)适用于适用于调质钢调质钢、淬火、淬火钢钢等等试验时，依据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表试验时，依据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表-2选择，对应的洛氏硬度标尺为选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种三种表表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛洛氏氏硬硬度度HRC可可以以用用于于硬硬度度很很高高的的材材料料，在在钢钢件件热热处处理理质质量
12、量检检查查中应用最多。中应用最多。4、适用范围第三节 冲击吸取功在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必需考虑所用材料的冲击吸取功或冲击韧度。一、摆锤式一次冲击试验原理摆锤试验机试验在特地的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试验在特地的摆锤式冲击试验机上进行，把试样放在试验机的支承面上，试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为试样的缺口背向摆锤冲击方向。将质量为m的摆锤安放到规定的高度的摆锤安放到规定的高度H，然，然后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度后下落，将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一次，试样在冲击试验力一次作用下，折
13、断时所吸取的功为冲击吸取功为作用下，折断时所吸取的功为冲击吸取功为Ak。1、试样冲断时所消耗的、试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为:A k=m g H m g h(J)2、冲击韧度冲击韧度a k AK a k=(J/cm)Sk二、冲击吸取功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。所消耗的冲击功。冲击吸取功 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形态、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关。第四节 疲惫极限交变应力：是指大小和方向构随时间周期变更的应力。交变应力：是指大小和方向构随时间周期变更的应力。材料的疲惫：材料的疲惫：材料在循环应力和应变作用下，在一
14、处或几处产生局部永久性累计损伤，经确定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小甚至小于屈服点于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）疲惫破坏的缘由：疲惫破坏的缘由：应力集中微裂纹扩展断裂破坏。疲惫曲线：试验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值疲惫曲线：试验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值max与其失效前的应力循环次数（疲惫寿命）与其失效前的应力循环次数（疲惫寿命）N的曲线关系。的曲线关系。第五节 断 裂 韧 度断裂过程：断裂过程：材料中有微裂纹受外力出现应力场外加拉力增大应力强度因子KI增大到临界值（断裂韧度KIc）断裂裂纹扩展很慢或不扩展材料发生失稳脆断抵抗脆性断裂能力的性能指标实际解决问题：实际解决问题：已知材料的断裂韧度和裂纹尺寸，可计算机件的承载能力已知材料的断裂韧度和工作应力，能确定材料中允许存在的最大裂纹尺寸作业熟悉拉伸曲线驾驭强度及塑性指标，了解这些指标在工程上的应用课后习题P12、6、7