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1、机械工程材料第一章本讲稿第一页，共三十二页l使用性能：材料在使用过程中使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。所表现的性能。包括包括力学性能、力学性能、物理性能和化学性能。物理性能和化学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中材料在加工过程中所表现的性能。所表现的性能。包括包括铸造、锻铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能压、焊接、热处理和切削性能等。等。神舟一号飞船本讲稿第二页，共三十二页l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。形。l外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。l外力去处后不能恢复的变形
2、称为塑性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。五万吨水压机五万吨水压机本讲稿第三页，共三十二页一、弹性和刚度一、弹性和刚度l弹性：指标为弹性极限弹性：指标为弹性极限 e e，即，即材料承受最大弹性变形材料承受最大弹性变形时的应力。时的应力。l刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量量E E。本讲稿第四页，共三十二页弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影其他强化材料的手段如热处理、冷热加工
3、、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。本讲稿第五页，共三十二页二、强度与塑性二、强度与塑性l强度：强度：材料在外力作用下抵材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抗变形和破坏的能力。屈服强度屈服强度 s：材料发生微量塑材料发生微量塑性变形时的应力值。性变形时的应力值。s0.2本讲稿第六页，共三十二页低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉拉伸伸试试验验机机应力应力 =F/S应变应变 =(l-l0)/l0本讲稿第七页，共三十二页本讲稿第八页，共三十二页条件屈服强度条件屈服强
4、度 0.2：残余变形量为残余变形量为0.2%时的应力值。时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受的最大应力值。材料断裂前所承受的最大应力值。本讲稿第九页，共三十二页塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：指标为：指标为：指标为：伸长率：伸长率：断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象本讲稿第十页，共三十二页l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。l 直
5、径直径d0 相同时，相同时，l0，。只有当。只有当l0/d0 为常为常数时，塑性值才有可比性。数时，塑性值才有可比性。l当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征本讲稿第十一页，共三十二页三、硬度三、硬度l l硬度硬度硬度硬度金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能
6、力。的能力。的能力。的能力。l l硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。硬度直接影响到材料的耐磨性和切削加工性。l布氏硬度布氏硬度HBHB本讲稿第十二页，共三十二页布布氏氏硬硬度度计计本讲稿第十三页，共三十二页 l压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适适用用于于布布氏氏硬硬度度值值在在450以以下的材料。下的材料。l压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布布氏氏硬硬度度在在650以下的材料。以下的材料。l符符号号HBS或或HBW之之前前的的
7、数数字字表表示示硬硬度度值值,符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载 荷荷 及及 载载 荷荷 保保 持持 时时 间间。如如 120HBS10/1000/30 表示直径为表示直径为10mm的的 钢钢球球在在1000kgf（9.807kN）载载荷荷作作用用下下保保持持30s测测得得的的布布氏氏 硬硬度度值值为为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕本讲稿第十四页，共三十二页l布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。l缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。l
8、适于测量退火、正火、调质钢适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁本讲稿第十五页，共三十二页洛氏硬度洛氏硬度l l根根据据压压头头形形式式和和载载荷荷不不同同有有三三种种标标度度（HRA,HRA,HRB,HRCHRB,HRC），能能够够测测试试从从软软到到硬硬各各种种硬硬度度的的材材料料，HRCHRC应用最
9、广，可用于测硬度很高的材料。应用最广，可用于测硬度很高的材料。本讲稿第十六页，共三十二页h1-h0洛氏硬度洛氏硬度测试示意图测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h2-h1)/0.002本讲稿第十七页，共三十二页l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬质合金、如硬质合金、表淬层和渗碳层。表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有色金属如有色金属和退火、正火钢等。和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、用于测
10、量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。淬火钢等。l洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。用范围广。l缺点：测量结果分散度大。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕本讲稿第十八页，共三十二页维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕本讲稿第十九页，共三十二页l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。l根据载荷范围不同，
11、规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度维氏硬度试验试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。l维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。本讲稿第二十页，共三十二页小小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计本讲稿第二十一页，共三十二页四、冲击韧性四、冲击韧性l是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。l指标为冲击韧性值指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得通过冲击实验测得)。:冲击韧度（冲击值）冲击韧度（冲击值）冲击韧度（冲击值）冲击韧度
12、（冲击值）:冲断试样所消耗的冲击功，冲断试样所消耗的冲击功，冲断试样所消耗的冲击功，冲断试样所消耗的冲击功，J J J J:试样缺口处的截面积，试样缺口处的截面积，试样缺口处的截面积，试样缺口处的截面积，本讲稿第二十二页，共三十二页本讲稿第二十三页，共三十二页韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度韧脆转变温度l材料的冲击韧性随温度下降材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。温度。材料的使用温度应高于韧脆材料的使用温度应高于韧
13、脆转变温度。转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面心立方金属没有。方金属没有。本讲稿第二十四页，共三十二页TITANIC建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没与的沉没与船体材料的质量直船体材料的质量直接有关接有关本讲稿第二十五页，共三十二页Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板本讲稿第二十六页，共三十二页五、疲五、疲 劳劳l材料在低于材料在低于 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发
14、生断裂的现象。l材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用劳极限。用-1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。本讲稿第二十七页，共三十二页疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图本讲稿第二十八页，共三十二页疲劳断口疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照
15、片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）本讲稿第二十九页，共三十二页六、断裂韧性六、断裂韧性（裂纹）（裂纹）五十年代，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体试验，发生爆五十年代，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体试验，发生爆炸。高强度合金，传统强度和韧性指标合格，爆炸时工作压力远炸。高强度合金，传统强度和韧性指标合格，爆炸时工作压力远低于许用应力。低于许用应力。本讲稿第三十页，共三十二页1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北北极极星星导导弹弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式本讲稿第三十一页，共三十二页l应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。断裂韧性：材料抵抗内部断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。裂纹失稳扩展的能力。C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界为临界裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为 本讲稿第三十二页，共三十二页