工程材料课程讲稿

工程材料课程讲稿授课题目（教学章、节或主题）：第一章金属材料的性能授课方式（请打√）理论课讨论课□实验课□习题课□其他□课时安排2学时教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：通过本章学习，使学生掌握金属材料的主要力学性能（强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度及疲劳强度）；了解金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能，为以后各章中研究结构与性能关系打下良好的基础。教学重点、难点及关键知识点：重点：金属材料的主要力学性能（强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度及疲劳强度）难点：各力学性能的含义及试验的方法。方法及手段以启发式讲授为主教学基本内容（教学过程）改进设想第一节金属材料的力学性能力学性能:是指材料在受力作用下所表现出的性能。常用的指标有:刚度、强度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。一、强度金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力，材料的强度用拉伸试验测定。(拉伸加载速率较低，俗称静拉伸试验，sMPadtd/10~1/)（a）原始试样（b）拉伸后试样图1-1圆柱形拉伸试样工程材料课程讲稿拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所受的载荷P和伸长量Δl之间的关系曲线。图1-2低碳钢的拉伸曲线应力――载荷除以试件的原始截面积即得应力，0/Ap应变――伸长量除以原始标距长度即得应变ε，0/ll金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个：1．弹性模量（E）弹性模量是指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比值。即E（工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度）2.弹性极限（σe）表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。即0APee（MPa）eP--弹性极限载荷(N)，0A--试样原始横截面积(mm2)3.屈服点（屈服强度σs）表示金属开始发生明显塑性变形的最低应力值。即0APss（MPa）工程材料课程讲稿SP--试样屈服时的载荷(N)，0A--试样原始横截面积(mm2)特殊：铸铁等材料没有明显的屈服现象，则用条件屈服点（2.0）来表示，即产生0.2%残余应变时的应力值。即02.02.0AP（MPa）2.0P--试样产生0.2%残余伸长时的载荷(N)，0A--试样原始横截面积4.强度极限(抗拉强度σb)表示金属在破断前所能承受的最大应力。即0APbb（MPa）bP--破断前所能承受的最大载荷(N)，0A--试样原始横截面积(mm2)特别提示：金属材料的σs和σb是两项重要的力学性能指标，是设计、计算零件的依据。对于一般的机器零件来说，不仅断裂会使机器零件失效，即使产生小量的塑性变形，也会使精度降低或影响相对运动而试效，所以机器零件所受的应力往往不能超过σs（或2.0）。屈强比：σs/σb，其比值越小，结构零件可靠性越高，万一突然超载，也不致立刻破断；但材料强度后备（σb）发挥不够，有效利用率太低。因此，在保证安全条件下，一般希望屈强比尽量高一些。不同材料具有不同的屈强比：碳素结构钢为0.6；普通低合金钢为0.65～0.75；合金结构钢为0.85。二、塑性塑性是指金属材料在静载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。伸长率δ和断面收缩率ψ是表示材料塑性好坏的指标。1.伸长率（δ）伸长率是指在拉伸试验中,试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，即%10000LLLKkL—试样拉断后的标距伸长量，0L—试样原始标距。工程材料课程讲稿2.断面收缩率（ψ）断面收缩率是指试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，即%10000AAAKKA—试样断裂处的最小横断面积，0A—试样原始横断面积。特别提示：δ或ψ越大，表示材料的塑性越好。三、硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标，是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。常用测量硬度的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）。1.布氏硬度HB一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径,计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。①当用淬火钢球压头时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度＜450的金属材料；②压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度为450～650的金属材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如: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。图1-3布氏硬度试验原理图优点：压痕大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，结果准确；缺点：因压痕大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。工程材料课程讲稿2.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)将金刚石压头(或钢球压头),在先后施加两个载荷(预载荷F0和总载荷F)的作用下压入金属表面。总载荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸去主载荷F1后，测量其残余压入深度h，用h与h0之差△h来计算洛氏硬度值。△h越大,表示材料硬度越低，实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。洛氏硬度值为一无名数，它置于符号HR之前，HR后面为使用的标尺，如50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。氏硬度值。△h越大,表示材料硬度越低,实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。图1-4洛氏硬度测量原理图优点：操作迅速简便，由于压痕小，故可在工件表面或较薄的金属上进行试验；同时，采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度。缺点：因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度不够准确。3.维氏硬度HV用一个相对面夹角为1360的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷F作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸出载荷。测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕的表面积上的平均压力（F/S），称为维氏硬度。如：640HV30表示在30kgf载荷作用下，保持10～15s测得的维氏硬度值为640。优点：载荷小，压入深度浅，可测零件表面淬硬层及化学热处理的表面层；同时维氏硬度是一个连续一致的标尺，试验时载荷可任意选择，而不影响其硬度值的大小，因此可测出从极软到极硬材料的硬度。缺点：测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。特别提示：当硬度小于450HBS时HBS≈HV当硬度在200～600HBS（HBW）时，HRC≈1/10HBS（或HBW）工程材料课程讲稿四、冲击韧性（k）许多机械零件和工具在工作中,往往要受到冲击载荷的作用,如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号Ak表示。试样冲断时所消耗的冲击功Ak=mgH-mgh(J)冲击韧性值k就是试样缺口处单位面积上所消耗的冲击功。0SAKk图1-5试样安装及冲击试验原理图工程材料课程讲稿五、疲劳强度轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。材料承受的交变应力(σ)与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用σ-1表示。钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σ图1-6疲劳曲线（S－N曲线）示意图1.一般钢铁材料2.有色金属、高强度钢等六、断裂韧性桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。工程材料课程讲稿第二节金属材料的其他性能一、金属的物理性能1.密度：单位体积物质的质量称为该物质的密度。密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。2.熔点：金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。3.导热性：导热性通常用热导率来衡量。热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。4.导电性：传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬、铝)适于做电热元件。5.热膨胀性：金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。由膨胀系数大的材料制造的零件,在温度变化时,尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响,以减少工件的变形和开裂。6.磁性：铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。顺磁性材料在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。抗磁性材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770℃。工程材料课程讲稿二、金属的化学性能主要指耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。1.耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好；铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。2.抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入Cr、Si等元素,可提高钢的抗氧化性。如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板、料盘等。三、金属材料的工艺性能1.铸造性能：金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。2．锻造性能：金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。3．焊接性能：金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高,焊接性能越差。4．切削加工性能：一般用切削后的表面质量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。金属材料具有适当的硬度(170HBS—230HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(如加入少量铅、磷、硫、钙等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行正火，