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1、机机 械械 工工 程程 材材 料料l工学院工学院主讲人：杨拓宇主讲人：杨拓宇绪绪 论论一、材料科学的重要地位与作用一、材料科学的重要地位与作用二、工程材料的分类二、工程材料的分类三、本课程的任务和内容三、本课程的任务和内容 石器石器铁器铁器 象形尊象形尊(西周西周)l石器时代石器时代l青铜器时代青铜器时代l铁器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。材料是人类进化的里程碑。一、材料科学的重要地位与作用一、材料科学的重要地位与作用二、工程材料的分类二、工程材料的分类 按材料的化学组成分类按材料的化学组成分类 （1 1）金属材料）金属材料 （2 2）无机非金属材料）无机非金属材料 （3 3）高分子材料
2、）高分子材料 （4 4）复合材料）复合材料三、本课程的任务和内容三、本课程的任务和内容 （1 1）金属力学性能）金属力学性能 （2 2）工程材料的基本理论）工程材料的基本理论 即材料的结构与性能、金属材料的组织与性能控制即材料的结构与性能、金属材料的组织与性能控制(纯金纯金属凝固、金属塑变与再结晶、钢的热处理属凝固、金属塑变与再结晶、钢的热处理)（3 3）常用工程材料）常用工程材料 即金属材料即金属材料(工业用钢、铸铁、有色金属及合金工业用钢、铸铁、有色金属及合金)、高分子、高分子材料、无机非金属材料、复合材料。材料、无机非金属材料、复合材料。l第一节 材料的力学性本能l第二节 材料的物理和化
3、学性能l第三节 材料的工艺性能第一章第一章 材料的性能材料的性能l定义定义:l 是指金属材料在不同环境（温度、介质）是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。学特征。l指标指标:l 弹性弹性、刚度、强度、塑性、刚度、强度、塑性、硬度、硬度、冲击韧性冲击韧性、疲劳强度和断裂韧度等。、疲劳强度和断裂韧度等。第一节第一节 金属的力学性能金属的力学性能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 =P/F
4、0应变应变 =(l-l0)/l0一、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时材料承受最大弹性变形时的应力。的应力。l刚度：材料受力时抵抗弹性刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模变形的能力。指标为弹性模量量E E。e二、强度与塑性二、强度与塑性l强度：材料在外力作用下抵抗强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。塑性变形和破坏的能力。屈服强度屈服强度 s：材料发生微量塑性：材料发生微量塑性变形时的应力值。变形时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承：材料断裂前所承受的最大应力值。受的最大应力值。条件屈服强度条
5、件屈服强度 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。s0.2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三、冲击韧性三、冲击韧性l是指材料在冲击载荷作用下是指材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。抵抗破坏的能力。l指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过冲击实验过冲击实验测得测得)。试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时
6、所消耗的冲击功A k为为:Ak=m g H m g h(J)冲击韧性值冲击韧性值ak 就是试样缺口处单位就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。截面积上所消耗的冲击功。AK ak=(J/cm)S0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材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。的现象称韧脆转变。l发生韧脆转变的温度范围发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变称韧脆转变温度。温度。l材料的使用温度应高于韧材料的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧TITANIC建造中的建造中的Ti
7、tanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关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四、疲劳极限四、疲劳极限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生断裂的现象。l材料在规定循环次数条件下，进行应力循环后仍不发生断裂，材料在规定循环次数条件下，进行应力循环后仍不发生断裂，此时的最大应力称为疲劳极限。用此时的最大应力称为疲劳极限。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
8、色金属合金为，有色金属合金为108。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五五 硬硬 度度布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 维氏硬度维氏硬度HV锉刀法锉刀法硬度硬度:是指材料抵抗其它硬物是指材料抵抗其它硬物体压入其表面的能力。体压入其表面的能力。常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法1 1、布氏硬度、布氏硬度HBHB布氏硬度用试验力除以压痕表面积的布氏硬度用试验力除以压痕表面积的商来计算。商来计算。布布氏氏硬硬度度计计 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，适适用用于于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。l压压头头为
9、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硬度在氏硬度在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时间。如持时间。如 120HBS10/1000/30 表表 示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf（9.807kN）载载荷荷作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕洛氏硬度洛氏硬度l洛氏硬度是以顶角为洛氏硬度是以顶角为120120的金刚石圆锥体
10、的金刚石圆锥体 或直径为或直径为1.5881.588的淬火钢球作压头，的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。以规定的试验力使其压入试样表面。l试验时，先加初试验力，然后加主试验力。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。l压入试样表面之后卸除主试验力，压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深 度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/
11、0.002l根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常常用用的的标尺为标尺为A、B、C。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,如硬质如硬质合金、表淬层和渗碳层。合金、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,如有色如有色金属和退火、正火钢等。金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：操作简便，压痕洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。小，适用范围广。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六、断裂韧性六、断裂韧性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。l1物理性能：熔点、密度、导电性、导热性等。l2化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性。第二节第二节 物理化学性能物理化学性能l铸造性、锻压性、焊接性、切削加工性能。第三节第三节 材料的工艺性能材料的工艺性能