1绪论、工程材料的主要性能

1工程材料与热处理机电工程学院2绪论机械制造的基本过程工程材料分类及应用本课程主要内容学习本课程要求参考书目34二、工程材料分类及应用（一）按化学成分及结合键分类:金属材料黑色金属：钢、铁有色金属：除钢铁以外的其它金属及合金。非金属材料高分子材料：塑料、橡胶陶瓷材料：碳化硅、氮化硅复合材料：玻璃钢5（二）按材料的使用性能分类:结构材料:用于制造承受载荷、传递动力的零件和构件的材料；功能材料：具有特殊性能的元器件的材料，一般不承受或承受很小的力。6•（三）按照材料的物理形态分类：•晶体材料•非晶体材料•纳米材料•（四）按照材料的几何形态分类（纳米材料）•（五）按照材料的发展分类78陶瓷刀具：可在冰冻条件下切削肉类和其他食品，切削水果不变色，切洋葱不刺眼塑料齿轮重量轻、噪声低、成本低、自润滑9信息科学能源科学材料科学旧石器时代-----新石器时代-----青铜器时代-----铁器时代-----人工合成材料时代现代科学技术的三大支柱材料的发展与历史时代的划分10航空航天•人类第一架飞机1903莱特兄弟16公里/小时•螺旋桨飞机300公里/小时铝合金•民航喷气式飞机500～1000公里/小时高温合金•我国主力喷气战斗机歼八2700公里/小时11人造卫星钛合金：密度小耐高温耐腐蚀12通信技术现有太平洋海底光缆示意图13金属材料获得广泛的应用的原因•优良的机械性能•优良的物理性能•优良的工艺性能14三、本课程主要内容工程材料的主要性能金属与合金的晶体结构与结晶金属的塑性变形与再结晶钢的热处理常用金属材料机械零件选材及工艺路线分析15四、学习本课程要求•上课认真听讲、做笔记；•积极参加讨论、回答问题；•独立完成作业，不要互相抄袭；•认真完成实验，不缺勤。成绩评定：平时作业10%实验20%期末70%16第一章.工程材料的主要性能内部结构与性能成分——结构（组织）——性能加工工艺与性能切削加工锻造铸造焊接使用行为与性能橡胶暴露在空气中逐渐硬化金属在周期性载荷作用下会产生疲劳普通钢钻头不能象高速钢钻头那样飞快切削17工程材料的主要性能力学性能：静力学性能指标、动力学性能指标物理性能化学性能工艺性能181-1力学性能——材料在外力作用下所表现出的各种性能。强度硬度塑性疲劳强度冲击韧性断裂韧性19拉伸实验20电子拉伸试验机21GB/T288-1987应变ε=△L/L0GB/T288-2002见附录1低碳钢拉伸曲线应力σ=F/S0N/mm2(MPa)22一、弹性与刚度弹性变形（不超过0.5%~1%）塑性变形弹性极限σe——材料不产生塑性变形所能承受的最大应力。（精密弹性元件、炮筒）23弹性模量E=σ/ε——衡量材料抵抗弹性变形的能力。表示材料的刚度。24机器零件或构件刚度：E·A2526二、强度——在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力。屈服点σs——材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。27屈服强度σ0.2——试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值。28抗拉强度σb——材料在断裂前所承受的最大应力值。（Rm）29三、塑性——材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力。伸长率δ——试样在拉断后的相对伸长量。（A）δ={（L1-L0）/L0}×100%L0——试样原始标距长度；L1——试样拉断后的标距长度。30断面收缩率ψ——试样被拉断后横截面积的相对收缩量。（Z）Ψ={（A0-A1）/A0}×100%A0——试样原始横截面积；A1——试样拉断处的横截面积。31塑性的意义：1.零件在使用过程中偶然过载时，因发生塑性变形而不至于突然断裂；2.碰撞时吸收能量；3.塑性成形。32四、硬度——材料抵抗外加载荷压入表面的能力。（1）布氏硬度HBS（W）3334压头为淬火钢球时，HBS小于450有效。压头为硬质合金时，HBW450-650有效。经验关系：低碳钢：σb≈0.36HBS(W)高碳钢：σb≈0.34HBS(W)灰铸铁：σb≈0.10HBS(W)35试验规范。表示方法：120HBS120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120压痕较大，只适用于毛坯检验，不适合成品。36（2）洛氏硬度HR3738试验规范。表示方法：60HRC洛氏硬度操作迅速、简便，压痕小可在工件表面进行试验，可测各种金属。压痕较小，代表性差。由于材料成分偏析，组织不均匀，使硬度值分散性大，应在不同部位测量多次取平均值。39（3）维氏硬度(HV)采用相对面夹角为136o金刚石正四棱锥压头，以规定的试验力F压入材料的表面，保持规定时间后卸除试验力，用正四棱锥压痕单位表面积上所受的平均压力表示硬度值。40载荷小，压入深度浅，适于测试零件表面淬硬层及化学热处理的表面层。连续一致的标尺，可测定从极软到极硬的各种金属材料。测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。可测量硬度为10~1000HV范围的材料。41由于各种硬度试验的条件不同，因此相互间没有理论的换算关系，根据试验结果的粗略换算关系如下：硬度在200~600HBS（W）HRC≈1/10HBS硬度小于450HBSHBS≈HV各种硬度间换算以及硬度与强度之间的换算可查表。42五、疲劳强度交变应力——应力的大小、方向随时间变化。疲劳——承受交变应力的零件在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。特征：无征兆突然断裂，造成严重事故。据统计，在损坏的机器零件中，80%是由金属疲劳造成的！43（1）疲劳实验变动载荷：载荷时间对称交变应力脉动交变应力无规则交变应力主轴类汽缸盖螺钉农用挂车车轮44一组试样：疲劳实验对试样的表面质量很敏感，曲线上每一点最好取几个试样平均值。45疲劳曲线107N02σ-1σN最大应力σmax循环周次N（对数坐标）1—一般钢铁材料2—有色金属、高强度钢等。钢铁N0=107次，有色金属N0=108次。对于实际机件，N0根据工作条件和使用寿命确定。例：火车轴N0=5×107汽车发动机曲轴N0=12×107气轮机叶片N0=25×1010146（2）疲劳原因表面是产生疲劳源部位（表面应力集中、刀痕、划伤等）。扩展时而停顿、时而向前发展，出现疲劳裂纹——贝壳纹。剩余部分面积减小，应力增大，当σ﹥σb时，突然断裂。47（3）预防措施设计时表面圆滑过渡，减少应力集中。表面预制压应力（喷丸、表面淬火、化学热处理等）48六、韧性——材料断裂时所需能量的度量。（1）冲击韧度ak冲击韧性——在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，通常用冲击吸收功Ak和冲击韧度指标ak来度量。49一次冲击弯曲试验50冲击试验视频图象51•指标冲击吸收功Ak(J)——冲断标准试样所消耗的功。Ak=Gg(h-h1)其中G-摆锤质量g-重力加速度冲击韧度ak（J/cm2)——试样单位截面积所消耗的冲击吸收功。ak=Ak/S其中S-试样缺口处的截面积52•冲击试验的应用o评定材料的冶金质量和热加工后的产品质量。o评定材料的低温变脆倾向。o此试验有很多局限性。53工程中的断裂事故2007年11月2日美国F15空中解体；第一章绪论54（2）断裂韧度K1c断裂韧性——材料抵抗裂纹扩张的能力。应力场强度因子K1=Yσ其中K1——应力场强度因子，单位为N·m-3/2;Y——与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的系数；σ——外加应力，单位为MPaa——裂纹的半长，单位为mm。ass2aAxy2b55断裂韧度应用：用无损探伤方法测出零件中最大裂纹长度，就可以算出使零件失稳扩展的临界载荷，既零件能承受的最大载荷。测得零件的工作应力，就可以确定材料在加工过程中允许存在的最大裂纹长度。561-2物理性能•密度ρ单位体积材料的质量。•熔点材料的熔化温度。•热膨胀性线膨胀系数α：温度每变化1℃时引起的材料长度上的相对伸长量。57•导热性•磁性材料在磁场中的性能软磁材料:软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)等硬磁材料（永磁材料）•导电性电阻率581-3化学性能耐腐蚀性高温抗氧化性抗老化性能降解性591-4工艺性能铸造性可锻性焊接性切削加工性160~230HBS