第1章材料的种类与性能.

工程材料及机械制造基础主讲熊建军电话：[phone]邮箱：[e-mail]2考试与答疑1.平时作业成绩占20%，课终考试成绩占80%。2.答疑时间：每周3晚7～8点3.答疑地点：过控办公室第1章材料的种类与性能本篇是“机械制造基础”课群的重要技术基础课。其主要任务是从机械工程材料的应用角度出发，阐明材料学的基本理论，用以正确理解常用材料的成分、加工工艺、组织结构与性能之间的关系。选择工程材料的主要根据是材料的性能，而制造主要用于承受重量、传递载荷的工程构件和机器零件最重要的性能是它的机械性能（力学性能）。一、材料和材料科学哥伦比亚号航天飞机材料是指可以用来直接制造有用物件、构件或器件的物质。1、材料材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”四号飞船成功返回国产涡喷-7涡轮喷气发动机石器时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代青铜器时代铁器时代材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展与人类社会简图没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术.龙芯没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。早在公元前6000~5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高133厘米重875kg饰纹优美越王勾践宝剑春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前,我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高成就.生铁炒熟铁图宋应星鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由1949年的15.8万吨上升到现在的一亿吨。中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。中国的航天事业-“神舟”号飞船“神舟二号”飞船运往发射工位“神舟”一号飞船“神舟”一号发射成功“神舟”二号发射成功中国的航天事业-“神舟”号飞船“神舟”三号发射成功“神舟”四号发射成功“神舟”三号飞船“神舟”四号飞船1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。灰铸铁的显微组织光学显微镜Pb-Sn共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。Si表面的重构图象X-射线衍射仪1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）.透射电子显微镜扫描电子显微镜光镜下电镜下1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。金属钛中的位错2、材料科学主要研究内容：⑴研究材料的化学组成、结构与性能的关系；⑵研究材料的形成机理和制取方法；⑶研究材料物理性能的测试方法和技术；⑷分析材料的损坏机理；⑸研究材料的合理加工方法和最佳使用方案。材料科学是以材料为研究对象的一门科学。“挑战者号”爆炸瞬间机械工业是材料应用的重要领域。1.1材料的种类第1章材料的种类与性能1.2材料的性能使用性能工艺性能物理性能力学性能化学性能焊接性铸造性切削加工性锻造性第1章材料的种类与性能金属材料的性能1.2.1静载时材料的力学性能金属材料的力学性能弹性塑性强度冲击韧性硬度1.2材料的性能（一）拉伸试验拉伸试验机1.2材料的性能（一）拉伸试验标准试样分为L0=5d0或10d0两种。1.2材料的性能（一）拉伸试验1、弹性变形阶段变形与受力成正比。2、屈服阶段3、均匀塑性变形阶段4、颈缩阶段（不均匀集中塑性变形）抵抗外力的能力下降，直至断裂。1.2材料的性能应变ε应力σ弹性变形屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀集中塑性变形断裂（二）强度指标应力：单位横截面上的内力。材料强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。0/()PFMPa1.2材料的性能（二）强度指标1、弹性强度（弹性极限）弹性强度：材料保持完全弹性变形时的最大应力。弹性变形：外力解除后变形全部消除恢复原状的变形。0/()eePFMPa/E弹性模量1.2材料的性能（二）强度指标2、屈服强度（屈服极限）材料产生屈服现象时的最小应力。没有明显屈服的材料，用发生0.2%塑性变形时的应力值σ0.2代表其屈服强度。)(/0MPaFPss1.2材料的性能（二）强度指标3、抗拉强度（强度极限）材料抗拉伸断裂前承受的最大应力。设计时塑性材料多用σs；脆性材料多用σb作为极限应力。σs/σb之比叫“屈强比”。屈强比越小，可靠性越大；但比值太小，材料利用率太低。)(/0MPaFPbb1.2材料的性能二、塑性金属在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。1、伸长率试样拉断后标距增长量ΔL与原长L。之比。%100%1000010LLLLL1.2材料的性能二、塑性2、断面收缩率试样拉断后断口处横截面积的改变量与原始横截积之比。%100%1000100FFFFF1.2材料的性能二、塑性伸长率和断面收缩率都是材料塑性的力学性能指标，金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变形加工。塑性的存在可以提高构件的可靠性，但在一般情况下提高材料的塑性要牺牲材料强度。1.2材料的性能试验结果分析左图：脆性断口右图：韧性断口断口分析1.2材料的性能试验结果分析力-位移和应力-应变曲线(1)1.2材料的性能力-位移和应力-应变曲线(1)上屈服点下屈服点抗拉强度应变断裂时塑性应变断裂时的总应变颈缩从这里开始最终的断裂屈服强度σs弹性极限σe比例极限σp抗拉强度σb1.2材料的性能没有明显屈服点的应力应变曲线条件屈服强度，σ0.2刚度，弹性模量EE=Δσ/Δε1.2材料的性能三、硬度硬度：金属材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力（材料抵抗局部变形的能力）。测试方法：压入法、划痕法、弹跳法。分类：1、布氏硬度（HBS、HBW）；2、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、3、维氏硬度（Hv）、4、肖氏硬度（HS）1.2材料的性能硬度计维氏硬度计1.2材料的性能（一）布氏硬度在布氏硬度计上进行测量。其方法是用直径D为（10mm、5mm、2.5mm）的淬火钢球（HBS）或硬质合金球（HBW）。在规定的试验力P作用下压入被测试的金属表面停留一定时间后卸除试验力。用读数显微镜测量出压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积F，然后再求出压痕单位面积所承受的平均压力（P／F），以此作为布氏硬度值。())(2102.0102.022MPadDDDPFPHBp1.2材料的性能（一）布氏硬度布氏硬度标注方法：例如：120HBS10／1000／30，表示采用直径为10mm钢球在9.81KN试验力作用下，持续时间为30s的试验条件下被测材料的布氏硬度值为120。优点：测量误差小，数据稳定，重复性强。缺点：费时，压痕较大，不适宜测量成品零件或薄壁件。σb≈3.6HB1.2材料的性能（一）布氏硬度1.2材料的性能（二）洛氏硬度洛氏硬度：以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。压痕深度直接用百分表测出来，硬度值可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，不需另外测量和计算，它是一个相对值，没有量纲。用于较高硬度的测量。1.2材料的性能（二）洛氏硬度测量方法：实验时先加预载荷98.1N，使压头紧密接触试件表面，再加主载荷使压头压入工件，然后去掉主载荷。由于金属的弹性变形的恢复，压头回升，深度h就是主载荷作用下金属表面的塑性变形深度。1.2材料的性能标注方法：50HRC优点：操作方便、压痕较小、可测成品；测量范围大。缺点：稳定性差、硬度数据波动较大。（二）洛氏硬度洛氏硬度的测量过程：①试样去除氧化皮并磨平擦净后放在工作台上，顺时针动手轮，使工作台上升至试样与压头接触为止。②加预负荷。继续上升工作台，直到表盘上短针由黑点位置转至红点位置。③调零点。④加主负荷。加荷手柄板至加荷位置，并停留10s。⑤卸主负荷、读数。加荷手柄板回到卸荷位置，读出硬度值。然后下降载物台，取下试样。1.2材料的性能维氏硬度(HV)Hv=------=F/d2×1.8544×9.8(N/mm2)FA根据所加压力和压痕对角线平均长度查表得到的硬度值。特点：测量精确、硬度测量范围大，尤其能很好测量薄试样的硬度。所加载荷小，可测量试样表面各种组成相的硬度。一、冲击韧性冲击载荷：以很大的速度作用于零件上的载荷。冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。()()KVUKVUAF1.2.2其他载荷作用下的力学性能冲击韧性值：一次冲断试样，缺口处单位截面积所消耗的功。材料的冲击韧度()221221//)(cmJFhhmgcmJFhhGaK二、疲劳强度疲劳：在多次重复或交变应力作用下，使金属材料在远小于金属的屈服强度时发生断裂的现象。疲劳强度：材料经交变应力无数次循环作用而不发生断裂的最大应力σ-1。1.2.2其他载荷作用下的力学性能二、疲劳强度疲劳曲线:钢铁所受重复或交变应力σ与其断裂前所受的应力循环次数N之间有关系。两者之间的关系曲线叫。钢的疲劳强度σ-1≈σb／２，循环次数为107；有色金属循环次数为10８。第1章材料的种类与性能影响因素第1章材料的种类与性能(1)材料本质：材料的成分、组织以及纯度和夹杂物对疲劳强度有显著影响。(2)零件表面状况：疲劳裂纹源大多起始于零件的表面。零件表面的加工缺陷大大降低了疲劳强度。(3)载荷类型：载荷类型不同，疲劳强度不同。(4)工作温度：温度升高，裂纹易产生和扩展，故降低了疲劳强度。(5)腐蚀介质：零件在腐蚀环境中，疲劳强度明显降低。三、断裂韧度材料内部的裂纹往往会导致材料发生低应力脆断，针对这种情况，通常采用断裂韧度K1来评定。K1是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，反映了材料抵抗低应力脆断的能力。YK1式中：Y——与试样和裂纹几何尺寸有关的量；σ——外加应力，N/mm２；α——裂纹的半长，mm。1.2.2其他载荷作用下的力学性能除材料本身特性（如化学成分、显微组织和冶金质量），还受试样尺寸、缺口形状、加工粗糙度和实验环境等影响。与成型工艺有关；与裂纹的形状、尺寸及外应力的大小无关。影响因素1.2.2其他载荷作用下的力学性能四、磨损在机械力的作用下，产生相对运动接触表面的材料，以细屑形式逐渐磨耗，使零件尺寸变小而失效。特点：零件表面变得粗糙，出现许多擦伤的痕迹。1.2.2其他载荷作用下的力学性能四、磨损分类：１）磨粒磨损：由硬粒对零件表面的切削作用造成；1.2.2其他载荷作用下的力学性能２）黏着磨损：由相对运动物体表面的微凸体，在摩擦时发生焊合，然后撕开，产生磨屑造成。3）腐蚀磨损：由于外界环境引起金属表面的腐蚀产物剥落，与金属表面间的机械磨损相结合而出现的磨损。1.2.3材料的高温和低温性能1、高温性能：蠕变：金属在高温长时间应力作用下，所加应力远小于σs逐渐产生明显的塑性变形的现象。应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。危害性：导致零件尺寸变化，甚至断裂造成事故。蠕变强度：高温长时间载荷作用下，在给定温度下和规定时间内，使试样产生一定蠕变量的应力值。下式表示在500℃温度下，工作