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1、机机 械械 工工 程程 材材 料料 教教 师：于玉城师：于玉城 电电 话：话：18946169850E-mail：材料科学与工程学院材料科学与工程学院第一页，共30页。2第一章第一章 材料材料(cilio)的性能的性能包括包括(boku)两两方面方面材料材料(cilio)使用性能使用性能材料工艺性能材料工艺性能力学性能力学性能（强度、塑性韧性等）（强度、塑性韧性等）物理性能物理性能（光、热、电、磁等）（光、热、电、磁等）化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等）生物性能（生物性能（相容性、自恢复性等）相容性、自恢复性等）切削加工性能切削加工性能（可切削性）（可切削性）锻造性能锻造性能（适
2、合锻造与否）（适合锻造与否）铸造性能铸造性能（适合铸造与否）（适合铸造与否）焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否）热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化）第二页，共30页。3第一节第一节 材料材料(cilio)的的力学性能力学性能 材料受外力作用时所表现的性能称为力学材料受外力作用时所表现的性能称为力学性能，又称机械性能。性能，又称机械性能。材料在外力作用下将发生形状材料在外力作用下将发生形状(xngzhun)和尺寸变化称为变形和尺寸变化称为变形;外力去除后能够恢复的外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形变形称为弹性变形;不能恢复的变形称为塑性不能恢复的变形称为塑性变形。变
3、形。第三页，共30页。4一、低碳钢拉伸一、低碳钢拉伸(l shn)变形四阶段变形四阶段低碳钢的应力低碳钢的应力-应变应变(yngbin)曲线曲线弹性弹性(tnxng)变形变形（OA）屈服变形（屈服变形（BC）均匀变形（均匀变形（CD）集中变形（集中变形（DE）低碳钢的集中变形（缩颈）低碳钢的集中变形（缩颈）第四页，共30页。51、弹性、弹性(tnxng)定义：定义：金属材料受外金属材料受外力作用时产生变形力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的到原来形状及尺寸的性能性能(xngnng)(xngnng)。指标：弹性极限指标：弹性极限e e 比例极限比例极限p p第
4、五页，共30页。62、刚度、刚度(n d)定义：材料定义：材料(cilio)(cilio)受力时抵抗弹性变形受力时抵抗弹性变形的能力。的能力。指标：弹性模量指标：弹性模量E E。特点：非常稳定。特点：非常稳定。第六页，共30页。7二、强度二、强度(qingd)与塑性与塑性1、强度、强度 材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗(dkng)变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。屈服强度屈服强度s s：材料发生：材料发生塑性变形而力不增加时的塑性变形而力不增加时的应力值。应力值。条件条件(tiojin)(tiojin)屈服强度屈服强度0.20.2：残余变形量为：残余变形量为0.2%0.2%时的应力。
5、时的应力。抗拉强度抗拉强度b b：材料断裂：材料断裂前所承受的最大应力值。前所承受的最大应力值。第七页，共30页。82、塑性、塑性(sxng)材料材料(cilio)受力破坏前可承受最大塑受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。性变形的能力。伸长率伸长率：断面断面(dun min)收缩率收缩率 拉伸前拉伸前断裂后断裂后第八页，共30页。9 知识知识(zh shi)提高提高当当L0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；当当L0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用5 表示。表示。当材料出现缩颈时，由于大量的塑形变形当材料出现缩颈时，由于大量的塑形变形集中集中(jzhng)在局部，因此有在局部，
6、因此有5。由于伸长率与试样由于伸长率与试样(sh yn)的尺寸有关，因此用收的尺寸有关，因此用收缩率表示塑性更接近真实变缩率表示塑性更接近真实变形。形。第九页，共30页。10 知识知识(zh shi)提高提高脆性材料脆性材料(cilio)与韧性材料与韧性材料(cilio)10%塑性材料塑性材料(cilio)时，无颈缩，脆性材料时，无颈缩，脆性材料(cilio)时，有颈缩，塑性材料时，有颈缩，塑性材料(cilio)无颈缩试样无颈缩试样有颈缩试样有颈缩试样第十页，共30页。11三、硬度三、硬度(yngd)指材料对局部指材料对局部(jb)(jb)塑性变形的抗力，塑性变形的抗力，常用压入法测量。常用压
7、入法测量。1、布氏硬度（布氏硬度（HB）（1）测试原理：以单位）测试原理：以单位(dnwi)压痕面压痕面积载荷大小衡量硬度高低。积载荷大小衡量硬度高低。加载规范：压头直径、载荷大小、加载时间加载规范：压头直径、载荷大小、加载时间第十一页，共30页。12（2）表示）表示(biosh)方法方法 压压头头(y tu)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，适用于布氏硬度值在示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。压压头头(y tu)为为硬硬质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示，适用于布氏硬度在示，适用于布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。第十二页，共30
8、页。13表示表示(biosh)方法具体举例方法具体举例150HBS10/3000/10 采用直径采用直径(zhjng)10mm的淬火钢球压头，的淬火钢球压头，载荷载荷3000kg，加载时间，加载时间10s的规范下测得的布氏的规范下测得的布氏硬度为硬度为150。&思考思考(sko)：550HBW10/1000/30的含的含义。义。150HB硬质合金压头硬质合金压头第十三页，共30页。14（3）布氏硬度的特点）布氏硬度的特点(tdin)压痕大，数据稳定、重复性好；压痕大，数据稳定、重复性好；压痕大，有时不能在成品上直接检验压痕大，有时不能在成品上直接检验(jinyn)；不同材料要更换加载规范，测量
9、时麻烦。不同材料要更换加载规范，测量时麻烦。（4）布氏硬度应用）布氏硬度应用 适于测量适于测量(cling)退火、正火、调质钢，铸退火、正火、调质钢，铸铁及有色金属的硬度。铁及有色金属的硬度。第十四页，共30页。152、洛氏硬度（、洛氏硬度（HR）（2）测试规范）测试规范根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同(b tn),常常用用的的标标尺尺为为A、B、C，分分别别用用HRA、HRB、HRC表示。表示。洛氏硬度测试洛氏硬度测试(csh)示意图示意图（1）测测试试原原理理：以以压压痕痕深深度度(shnd)(h1-h0)衡衡量量硬硬度大小。度大小。第十五页，共30页。16（3）应用）应用
10、(yngyng)及特点及特点HRA：金刚石圆锥压头，：金刚石圆锥压头，50kgf主载荷，用主载荷，用于测量高硬度材料于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和如硬质合金、表淬层和渗碳渗碳(shn tn)层。层。HRB：淬火钢球，：淬火钢球，90kgf主载荷，用于测量主载荷，用于测量低硬度材料低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。如有色金属和退火、正火钢等。HRC，金刚石圆锥压头，金刚石圆锥压头，140kgf主载荷，主载荷，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。钢等。第十六页，共30页。17洛氏硬度特点洛氏硬度特点(tdin)操作快捷，适用范围广，操作快捷，
11、适用范围广，可用于成品可用于成品(chngpn)检验；检验；测量结果分散度大，不测量结果分散度大，不同标尺不可直接比较。同标尺不可直接比较。第十七页，共30页。183 3、维氏硬度、维氏硬度（1 1）测试原理）测试原理 压头为对面压头为对面夹角夹角136136四棱锥四棱锥(lngzhu)(lngzhu)，测，测试原理同布氏硬试原理同布氏硬度相同。度相同。维氏硬度原理维氏硬度原理(yunl)维氏硬度压痕维氏硬度压痕第十八页，共30页。19（2）维氏硬度特点）维氏硬度特点(tdin)显微维氏硬度计显微维氏硬度计维氏硬度维氏硬度(yngd)(yngd)保留了布氏硬度保留了布氏硬度(yngd)(yng
12、d)和洛氏硬和洛氏硬度度(yngd)(yngd)的优点，可测量由极软到极硬的材料的硬的优点，可测量由极软到极硬的材料的硬度度(yngd)(yngd)，又能相互比较。，又能相互比较。显微维氏硬度压痕极显微维氏硬度压痕极小，可以测量小，可以测量(cling)金属铂、金属铂、极薄的表层以及金属极薄的表层以及金属中各种组成相的硬度。中各种组成相的硬度。第十九页，共30页。20四、冲击韧性四、冲击韧性1 1、冲击、冲击(chngj)(chngj)试验试验试样试样(sh yn)尺尺 寸：寸：101055mm；试样试样(sh yn)缺缺 口：口：U型、型、V型或无型或无第二十页，共30页。21试样试样(sh
13、 yn)缺口处缺口处单位截面积上所消耗的冲单位截面积上所消耗的冲击功。击功。2 2、冲击韧性：、冲击韧性：K K。第二十一页，共30页。223、韧脆转变、韧脆转变(zhunbin)材料的冲击韧性随温度下降材料的冲击韧性随温度下降(xijing)(xijing)而下降而下降(xijing)(xijing)，在某一温度范围内冲击，在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降韧性值急剧下降(xijing)(xijing)的现象称韧脆转的现象称韧脆转变。变。对应(duyng)温度范围为韧脆转温度tk第二十二页，共30页。23泰坦尼克号（泰坦尼克号（1912年大西洋）年大西洋）Titanic近代近代(jndi)船
14、用船用钢板钢板第二十三页，共30页。24五、疲劳强度五、疲劳强度1 1、疲劳、疲劳 材料在低于材料在低于s s重复重复(chngf)(chngf)交变应力作用下发生交变应力作用下发生断裂的现象。断裂的现象。2 2、疲劳强度、疲劳强度 材料在规定次数应力循环后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仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用为疲劳极限。用-1-1表示。表示。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钢铁材料规定钢铁材料规定(gudng)次数为次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108第二十四页，共30页。25疲劳疲劳(plo)断口断口通过改善材料形状
15、结构，减少表面缺陷通过改善材料形状结构，减少表面缺陷(quxin)(quxin)，提高表面光洁度，进行表面强化等方法，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗。可提高材料疲劳抗。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）第二十五页，共30页。262 2、断裂韧性：材料、断裂韧性：材料(cilio)(cilio)抵抗内部裂纹失稳扩展的能抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。力。3 3、C C为断裂应力，为断裂应力，aC aC为临界为临界裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为 六、断裂韧性六、断裂韧性1 1、应力强度因子：描述、应力强度因子：描述(mio sh)(mio s
16、h)裂纹尖端附近应裂纹尖端附近应力场强度的指标。力场强度的指标。第二十六页，共30页。27小结小结(xioji)本节中本节中所讲的所讲的材料的材料的力学性力学性能指标能指标(zhbio)及应及应用用屈服强度和塑性：一般屈服强度和塑性：一般(ybn)零件的抗断零件的抗断裂设计。裂设计。刚度刚度：刚度设计中，考虑构件在受力时发刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件弹性模量。如精密机床主轴等零构件弹性指标弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计弹弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和性零件
17、考虑的性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等各类弹簧等硬度硬度：在耐磨零件中必须考虑的性能指标，在耐磨零件中必须考虑的性能指标，如滚珠轴承等如滚珠轴承等.断裂韧度断裂韧度：高强钢和重要构件的抗断裂设高强钢和重要构件的抗断裂设计。如轮船、飞机、火箭等。计。如轮船、飞机、火箭等。第二十七页，共30页。28第二节第二节 材料其它材料其它(qt)性能性能一、物理化学一、物理化学(w l hu xu)性能性能物理性能：密度物理性能：密度(md)、熔点、热膨胀性、熔点、热膨胀性、导热、导热、导电性、磁性。导电性、磁性。化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性第二十八页，共30页。29二、材料二、
18、材料(cilio)的工艺性能的工艺性能1、铸造性、铸造性 浇注时液体充满型腔并获得优质铸件的能力。浇注时液体充满型腔并获得优质铸件的能力。2、可锻性、可锻性 金属易于锻压成型的能力金属易于锻压成型的能力3、可焊性、可焊性 材料材料(cilio)容易焊接到一起并获得优质焊缝的能容易焊接到一起并获得优质焊缝的能力。力。4、切削加工性、切削加工性 材料材料(cilio)容易被切削加工并得到精确形状和高容易被切削加工并得到精确形状和高表面光洁度的能力。表面光洁度的能力。第二十九页，共30页。30复习题复习题1、概念解释、概念解释 （1）韧脆转变温度）韧脆转变温度 （2）冲击韧性冲击韧性 （3）刚度）刚度 （4）疲劳）疲劳 （5）120HB2、说明材料的强度和塑性、说明材料的强度和塑性(sxng)的具体指的具体指标、意义及表示符号。标、意义及表示符号。3、叙述布氏、洛氏、维氏硬度的特点及应用。、叙述布氏、洛氏、维氏硬度的特点及应用。第三十页，共30页。