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1、模块一 金属材料力学性能与测试第1页，本讲稿共25页四种材料（金属、陶瓷、聚合手和复合材料）的相对重要性四种材料（金属、陶瓷、聚合手和复合材料）的相对重要性第2页，本讲稿共25页机械工程机械工程材料材料金属金属材料材料非金属非金属材料材料黑色金属黑色金属碳素钢碳素钢有色金属有色金属铸铁铸铁合金钢合金钢无机非金属材料无机非金属材料有机材料有机材料塑料塑料橡胶橡胶陶瓷陶瓷合成纤维合成纤维铝合金铝合金铜合金铜合金其他有色合金其他有色合金复合材料复合材料粉末冶金粉末冶金上述各种材料中，金属材料是工程中应用最广泛的。上述各种材料中，金属材料是工程中应用最广泛的。第3页，本讲稿共25页东汉晚期的青铜奔马（
2、马踏飞燕）东汉晚期的青铜奔马（马踏飞燕）第4页，本讲稿共25页河北沧州的铁狮子河北沧州的铁狮子第5页，本讲稿共25页第一节金属材料的力学性能第一节金属材料的力学性能铸造性铸造性可锻性可锻性可焊性可焊性切削加工性切削加工性热处理性热处理性金属材料的性能金属材料的性能 使用性能使用性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能 工艺性能工艺性能第6页，本讲稿共25页工艺性能是指金属材料在加工制造中表现出的性能，显示工艺性能是指金属材料在加工制造中表现出的性能，显示了金属材料加工制造的难易程度。了金属材料加工制造的难易程度。使用性能是指金属材料在正常工作条件下，材料应具备的使用性能是指金属材料
3、在正常工作条件下，材料应具备的性能，它包括力学性能、和物理性能化学性能，重点是力学性性能，它包括力学性能、和物理性能化学性能，重点是力学性能。金属材料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破能。金属材料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破坏的能力，叫力学性能；是金属材料重要的指标。金属材料的坏的能力，叫力学性能；是金属材料重要的指标。金属材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来确定合材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来确定合适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料
4、的力学行为特适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的力学行为特征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标是材料设计、材征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标是材料设计、材料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。C:DocumentsandSettingsAdministrator桌面桌面二维动画二维动画材料所受外力材料所受外力的形式的形式.swf桌面桌面二维动画二维动画材料所受外力的形式材料所受外力的形式.swf第一节第一节金属材料的力学性能金属材料的力学性能一、强度一、强度可通过金属拉伸试验来测定。可通过金属拉伸试验来测定。第7页，本讲稿共25页、
5、拉伸试验及力、拉伸试验及力伸长曲线伸长曲线根据拉伸力与试样变形量之间的对应关系，可以绘制出力根据拉伸力与试样变形量之间的对应关系，可以绘制出力伸长曲线图（一般由拉伸试验机自动绘出）如下图所示所示。通伸长曲线图（一般由拉伸试验机自动绘出）如下图所示所示。通过力过力伸长曲线，即可计算得出强度指标和塑性指标，这些指标伸长曲线，即可计算得出强度指标和塑性指标，这些指标是评定材料质量的主要判据。是评定材料质量的主要判据。拉伸试样式拉伸试样式第8页，本讲稿共25页液压式万能电子材料试验机液压式万能电子材料试验机第9页，本讲稿共25页拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象C:Documents and Set
6、tingsAdministrator桌桌面面二二维维动动画画低低碳碳钢钢应应力力应应变变图图.swf第10页，本讲稿共25页第11页，本讲稿共25页伸长量度伸长量度L载荷载荷F(N)FbFsFeFpp弹性变形弹性变形外力去除后能完全消失的变形；外力去除后能完全消失的变形；塑性变形塑性变形外力去除后不能消失的变形。外力去除后不能消失的变形。第12页，本讲稿共25页根据材料的拉伸曲线可知，不同的金属材料有不同的拉伸根据材料的拉伸曲线可知，不同的金属材料有不同的拉伸曲线，而即使同一材料，当直径不同时，位伸曲线也不一样，曲线，而即使同一材料，当直径不同时，位伸曲线也不一样，为了比较不同材料的力学性能的
7、大小，我们引入了强度和塑性为了比较不同材料的力学性能的大小，我们引入了强度和塑性两个名词。两个名词。、强度、强度强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性（永久变形）和强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性（永久变形）和断裂的能力断裂的能力,用；表示，用；表示，O（MPa兆帕）兆帕）。F-金属材料所受的外力，金属材料所受的外力，N；O-金属材料原始截面积，金属材料原始截面积，m2。根据金属材料所受载荷所产生的不同的变形情况，有三个根据金属材料所受载荷所产生的不同的变形情况，有三个重要的强度参数，分别是弹性强度（弹性极限）、屈强度和抗重要的强度参数，分别是弹性强度（弹性极限）、屈强度和抗拉强度（强度极限
8、）。拉强度（强度极限）。（）弹性强度（）弹性强度金属材料在载荷作用下产生弹性变形所能承受的最大应力金属材料在载荷作用下产生弹性变形所能承受的最大应力称为弹性强度，用称为弹性强度，用e表示，表示，eeO单位单位(MPa)。第13页，本讲稿共25页e-金属材料产生弹性变形所能承受的最大外力，金属材料产生弹性变形所能承受的最大外力，N；O-金属材料原始截面积，金属材料原始截面积，m2。（）屈服强度（）屈服强度金属材料在载荷作用下开始明显塑性变形时的最低应力称金属材料在载荷作用下开始明显塑性变形时的最低应力称为塑性强度，用为塑性强度，用s表示，表示，ssO单位单位(MPa)。e-金属材料产生塑性变形所
9、能承受的最低外力，金属材料产生塑性变形所能承受的最低外力，N；O-金属材料原始截面积，金属材料原始截面积，m2。生产中使用的某些金属材料无明显的屈服现象时，不能确生产中使用的某些金属材料无明显的屈服现象时，不能确定其屈服点时，国标中规定，有条件屈服强度来表示，即材料定其屈服点时，国标中规定，有条件屈服强度来表示，即材料变形时为试样标距长度的变形时为试样标距长度的0.2%时，材料所能承受的应力，用时，材料所能承受的应力，用符号符号0.2表示。表示。（）抗拉强度（）抗拉强度金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号符号b表示，表示，bb
10、O单位单位(MPa)。第14页，本讲稿共25页b-金属材料在断裂前所能承受的最大外力，金属材料在断裂前所能承受的最大外力，N；O-金属材料原始截面积，金属材料原始截面积，m2。由于脆性材料没有屈服现象，用由于脆性材料没有屈服现象，用b作为设计依据。作为设计依据。二、塑性二、塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，常用的塑性指标有伸长率能力，常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率和断面收缩率。、伸长率、伸长率材料拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称材料拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用为伸长率，用
11、表示；表示；式中，式中，l0材料原标距原长度，材料原标距原长度，mm；l1材料断裂后标距长度，材料断裂后标距长度，mm.第15页，本讲稿共25页、断面收缩率、断面收缩率材料拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分材料拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，用字母比称为断面收缩率，用字母表示；表示；式中，式中，A0试样原始横截面积，试样原始横截面积，mm2；A1拉断后最小的横截面积，拉断后最小的横截面积，mm2。和和是衡量金属材料塑性变形能力大小的指标，是衡量金属材料塑性变形能力大小的指标，和和越大，表示材料的塑性越好，既能保证压力加工的顺利进行，越大，表示材料的塑
12、性越好，既能保证压力加工的顺利进行，又保证机件工作时的安全可靠。又保证机件工作时的安全可靠。第16页，本讲稿共25页三、硬度三、硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是金属表面抵抗局硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是金属表面抵抗局部塑性变形或破坏的能力。目前生产上应用最广的静载荷压入部塑性变形或破坏的能力。目前生产上应用最广的静载荷压入法硬度试验有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。法硬度试验有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1、布氏硬度、布氏硬度试验原理如图所示；用一定直径的钢球或硬质全金球，以试验原理如图所示；用一定直径的钢球或硬质全金球，以第17页，本讲稿共25页相应的试验力压入试样表面，经规
13、定的保持时间后，卸除试验相应的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，用试验力除以力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，用试验力除以压痕球形表面积所得到的商，就是布氏硬度值。当压头为淬火压痕球形表面积所得到的商，就是布氏硬度值。当压头为淬火钢球时，用钢球时，用HBS表示，它适用于硬度值在表示，它适用于硬度值在450以下材料，当压以下材料，当压头为硬质合金时，用头为硬质合金时，用HBW表示表示,适用适用于硬度值在于硬度值在650以下。以下。对于不同的金属材料，只要保对于不同的金属材料，只要保证证F/A恒定，就可以保证压痕的几何恒定，就可以保证压痕
14、的几何形状不同，则测试的结果就可以反形状不同，则测试的结果就可以反映出来不同材料的硬度值。映出来不同材料的硬度值。C:DocumentsandSettingsAdministrator桌面桌面二维动画二维动画布氏硬度布氏硬度1.swf布氏硬度计布氏硬度计 第18页，本讲稿共25页第19页，本讲稿共25页冲击试验原理冲击试验原理C:DocumentsandSettingsAdministrator桌面桌面二维动画二维动画摆锤式冲击试摆锤式冲击试验验.swf第20页，本讲稿共25页第21页，本讲稿共25页此时试样冲断时所消耗的冲击功此时试样冲断时所消耗的冲击功Ak为为:Ak=mgHmgh(J)而金
15、属的冲击韧度而金属的冲击韧度ak就是冲断试样时在缺口处单位面积所就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功，即：消耗的功，即：ak=(J/cm)式中：式中：ak冲击韧度，冲击韧度，J/cm；A试样缺口处原始截面积，试样缺口处原始截面积，cm；Ak冲断试样所消耗的功，冲断试样所消耗的功，J。冲击吸收功冲击吸收功Ak的值可从试验机上的刻盘上直接读出，如的值可从试验机上的刻盘上直接读出，如下图所示。下图所示。AkA第22页，本讲稿共25页五、疲劳强度五、疲劳强度许多机械零件是在交变应力（循环应力）作用下工作的，许多机械零件是在交变应力（循环应力）作用下工作的，此时，虽然零件所承受的应力数值小于材料的屈
16、服强度，但在此时，虽然零件所承受的应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象叫疲劳断裂。长时间运转后也会发生断裂，这种现象叫疲劳断裂。交变应力的大小和断裂循环次数之间的关系通常用疲劳曲交变应力的大小和断裂循环次数之间的关系通常用疲劳曲疲劳曲线疲劳曲线第23页，本讲稿共25页线来来描述。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环线来来描述。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用符号限，用符号-1表示。在疲劳强度测定中，不可能把循环次数表示。在疲劳强度测定中，不
17、可能把循环次数做到无穷大，而是规定一定的循环次数作国基数。做到无穷大，而是规定一定的循环次数作国基数。常用钢材的循环基数一般取常用钢材的循环基数一般取N=107，有色金属的循环次，有色金属的循环次数一般取数一般取N=108。第24页，本讲稿共25页小资料小资料金属的高温力学性能金属的高温力学性能金属材料随温度的升高，弹性模量金属材料随温度的升高，弹性模量E、屈服强度、屈服强度S、硬、硬度等值降低，而塑性增加度等值降低，而塑性增加的现象称高温蠕变。的现象称高温蠕变。小资料：纽约小资料：纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高411米，单个塔楼米，单个塔楼的
18、重量约的重量约5万吨；撞击大楼的波音万吨；撞击大楼的波音757飞机起飞重量飞机起飞重量104吨，波吨，波音音767飞机起飞重量飞机起飞重量156吨，它们的飞行速度大约是每小时吨，它们的飞行速度大约是每小时1000公里。公里。这次撞击大楼的波音这次撞击大楼的波音757飞机大约可载飞机大约可载35吨燃油，波音吨燃油，波音767飞机可载飞机可载51吨燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航吨燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。第一波飞机撞击世贸班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。第一波飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火燃烧了大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火燃烧了1小时小时43分钟后分钟后世贸大楼北部塔楼才倒塌。第二波飞机于撞击世贸大楼的南部世贸大楼北部塔楼才倒塌。第二波飞机于撞击世贸大楼的南部塔楼。撞击位置较低，上层压力很大，大火燃烧了塔楼。撞击位置较低，上层压力很大，大火燃烧了1小时零小时零2分分钟后，后被撞击的南部塔楼反而率先倒塌。钟后，后被撞击的南部塔楼反而率先倒塌。C:DocumentsandSettingsAdministrator桌面桌面录像录像911.rm桌面桌面录像录像911.rm第25页，本讲稿共25页