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1、第一章工程材料的分类及性能第一章工程材料的分类及性能本讲稿第一页，共三十七页绪论:1.课程的性质和任务：l性质：工程材料是机械类、近机械类各专业学生必修的专业技术基础课。l任务：1)1)使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识；使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识；2)2)掌握常用工程材料成分组织性能应用之间关系的掌握常用工程材料成分组织性能应用之间关系的一般规律；一般规律；3)3)熟悉常用工程材料的生产工艺过程；熟悉常用工程材料的生产工艺过程；4)4)根据机械零件的服役条件和失效形式、合理选用工程材料根据机械零件的服役条件和失效形式、合理选用工程材料。本讲稿第二页，共三十七页2.本课
2、程与相关课程的关系：本课程与相关课程的关系：l本课程应安排在本课程应安排在金属工艺学实习金属工艺学实习及及应应用力学用力学课程之后进行课程之后进行,即学生应具有材即学生应具有材料的机械性能和金属加工工艺方面的基料的机械性能和金属加工工艺方面的基本知识。为后续课程和毕业设计等打好本知识。为后续课程和毕业设计等打好选择材料和使用材料的基础。选择材料和使用材料的基础。本讲稿第三页，共三十七页3.课程的基本教学要求课程的基本教学要求：l重点阐述工程材料的性能与其组织结构之重点阐述工程材料的性能与其组织结构之间的联系间的联系;l说明如何通过工艺手段改变材料的组织结构说明如何通过工艺手段改变材料的组织结构
3、,以达到提高材料性能的目的以达到提高材料性能的目的;l介绍常用工程材料及其应用等基本知识；介绍常用工程材料及其应用等基本知识；l为工程结构和机械零件的设计和制造提供为工程结构和机械零件的设计和制造提供合理选用材料的方法。合理选用材料的方法。本讲稿第四页，共三十七页4.课程教学形式：课程教学形式：l理论教学；理论教学；l实验教学；实验教学；l课堂讨论；课堂讨论；l自学；自学；l辅导（习题解答辅导（习题解答）。本讲稿第五页，共三十七页5.教学内容教学内容-理论教学：理论教学：l第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的力学性能 2学时学时l第二章第二章 金属的晶体结构金属的晶体结构 2学时学时l第
4、三章第三章 金属的结晶金属的结晶 2学时学时l第四章第四章 二元相图及应用（铁碳合金相图二元相图及应用（铁碳合金相图）4学时学时 l第五章第五章 金属材料的变形金属材料的变形 4学时学时 l第六章第六章 钢的热处理钢的热处理 4学时学时l第七章第七章 工业用钢工业用钢 4学时学时l第八章第八章 铸铁铸铁 2学时学时l第九章第九章 有色金属及其合金有色金属及其合金 4学时学时l第十章第十章 机械零件材料的选用机械零件材料的选用 2学时学时本讲稿第六页，共三十七页第一章第一章:金属材料的力学性能：金属材料的力学性能：a.定义：(1)材料是人类生产和生活所必备的物质基础;(2)工程材料主要指用于机械
5、工程、电器工机械工程、电器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等领域的材料。本讲稿第七页，共三十七页b.分类：分类：l金属材料：黑色金属、有色金属；l高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维；l陶瓷材料：工业陶瓷；l复合材料：金属基复合材料、高分子复合材料、陶瓷基复合材料。本讲稿第八页，共三十七页玻璃纤维增强高分子复合材料：玻璃纤维增强高分子复合材料：本讲稿第九页，共三十七页c.材料的性能材料的性能(力学性能)l零件的过量变形以及性能指标；零件的过量变形以及性能指标；l零件的断裂及性能指标；零件的断裂及性能指标；l零件在交变载荷下的疲劳断裂及性能指标；零件在交变载
6、荷下的疲劳断裂及性能指标；l零件的磨损失效以及防止；零件的磨损失效以及防止；l零件在高温下的蠕变变形和断裂失效。零件在高温下的蠕变变形和断裂失效。本讲稿第十页，共三十七页一、材料的力学性能：一、材料的力学性能：本讲稿第十一页，共三十七页应力应力应变曲线：应变曲线：本讲稿第十二页，共三十七页1.弹性和刚度弹性和刚度：l弹性模量E：E=/（MPa)；材料抵抗弹性变形的能力，弹性模量只对温度敏感。l刚度：等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。lp：比例极限（应力-应变成正比，服从虎克定律）。le：弹性极限（不产生塑性变形的最大应力）。本讲稿第十三页，共三十七页2.强度强度ls：屈服强度（开始产生塑性
7、变形的应力）。lb：抗拉强度（材料在拉伸过程中承受的最大工程应力）。lk：断裂强度（材料发生断裂时的应力）。p、e、s、b、k的单位：Mpa（与应力的相同）本讲稿第十四页，共三十七页3.塑性塑性l伸长率：试样拉断后标距的相对伸长量：断面收缩率：试样拉断处横截面积的相对收缩量：本讲稿第十五页，共三十七页碳钢三种典型应力碳钢三种典型应力应变曲线的比较：应变曲线的比较：本讲稿第十六页，共三十七页4.硬度硬度l硬度是衡量材料软硬程度的指标。l通常材料的强度越高，硬度也越高。l硬度定义：材料抵抗局部塑性变形的能力。l生产常用的硬度测试方法有：（1）布氏硬度；（2）洛氏硬度；（3）维氏硬度；本讲稿第十七页
8、，共三十七页（1）布氏硬度：）布氏硬度：本讲稿第十八页，共三十七页布氏硬度测试原理公式：布氏硬度测试原理公式：HBS适合测定硬度值低于450的金属材料；HBW适合测定硬度值低于650的金属材料。硬度符号HBS或HBW前的数值为硬度值，符号后依次表示钢球直径、载荷大小及载荷保持时间。例：120HBS10/1000/30；500HBW5/750等。（1015s时不标注）本讲稿第十九页，共三十七页（2）洛氏硬度：）洛氏硬度：本讲稿第二十页，共三十七页常用洛氏硬度的试验条件和应用：常用洛氏硬度的试验条件和应用：硬度符号压头类型总压力硬度值有效范围应用举例HRC120金刚石圆锥14712067HRC淬火
9、钢、调质钢等HRB（1/16）淬火钢球480725100HRB软钢、退火钢、铜合金、铝合金，可锻铸铁等HRA120金刚石圆锥558.46585HRA 碳化物、硬质合金、表面淬火钢本讲稿第二十一页，共三十七页（3）维氏硬度（）维氏硬度（HV）：）：本讲稿第二十二页，共三十七页维氏硬度测试原理公式：维氏硬度测试原理公式：例：640HV30/20；500HV30本讲稿第二十三页，共三十七页GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算值黑色金属硬度及强度换算值（摘录）（摘录）硬 度抗拉强度b（N/mm-2）洛氏维氏HV布氏（F/D2=30）碳钢铬钢铬钒钢铬镍钢铬钼钢铬镍钼钢铬锰钢不锈钢HRCHRA
10、HBSHBW45.045.546.046.547.073.273.473.773.974.24414484544614684244304364424494284354414484551459148115031526155014201444146814931519146914931517154115661451147615021527155414441468149215171542148715121537156315891445146914931517154314921453147915011533本讲稿第二十四页，共三十七页5.疲劳强度疲劳强度l材料在无数次的交变载荷的作用下不发生疲劳断裂的最
11、大应力（钢经受107循环不发生断裂的最大应力）；l弯曲疲劳强度的表示：-1；l疲劳强度-1与抗拉强度之比约为0.450.55。本讲稿第二十五页，共三十七页重复循环变化的载荷：重复循环变化的载荷：本讲稿第二十六页，共三十七页疲劳曲线：疲劳曲线：本讲稿第二十七页，共三十七页6.韧性韧性l材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧性，简称韧性。l材料抵抗裂纹失稳扩展的性能称为断裂韧性。l材料的韧性是材料断裂时所需的能量。本讲稿第二十八页，共三十七页（1）冲击韧性：）冲击韧性：本讲稿第二十九页，共三十七页标准冲击试样：标准冲击试样：本讲稿第三十页，共三十七页冲击功与冲击韧性计算公式：冲击功与冲击韧性
12、计算公式：冲击功：冲击韧性：本讲稿第三十一页，共三十七页韧脆转变温度韧脆转变温度TK：本讲稿第三十二页，共三十七页（2）断裂韧性：）断裂韧性：本讲稿第三十三页，共三十七页型裂纹应力场强度因子：型裂纹应力场强度因子：Y形状因子；外加应力；a裂纹的半长。K的临界值称为临界应力强度因子或断裂韧度，用KC来表示。本讲稿第三十四页，共三十七页二、材料的物理性能二、材料的物理性能l密度；l熔点；l热容；l热膨胀性；l导热性；l磁性；l介电常数。本讲稿第三十五页，共三十七页三、材料的化学性能三、材料的化学性能l耐腐蚀性；l高温抗氧化性；l抗老化性能；l降解性。本讲稿第三十六页，共三十七页*四、材料的工艺性能四、材料的工艺性能l加工性能；l铸造性能；l焊接性能；l热处理性能。本讲稿第三十七页，共三十七页