绪论及工程材料的力学性能

绪论及工程材料的力学性能机器制造的基本过程总体设计（总装图）零部件设计（零部件图）制定加工工艺（工艺图）铸造锻造板料冲压焊接热处理机械加工装配、调试检验、出厂非金属及其他材料成形课程内容•工程材料——1-6章•材料成形工艺基础（热加工）——7-12章•机械制造工艺基础——13-17章1材料的种类与性能2材料的组织结构3金属热处理与表面改性4钢铁材料及其用途5非铁材料6失效及选材工程材料材料成形工艺基础第7章铸造第8章压力加工第9章焊接第10章非金属及复合材料成形方法第11章毛坯成形方法选择及质量控制第12章现代成形技术及发展趋势机械制造工艺基础第13章切削加工基础知识第14章零件表面的加工方法第15章机械零件的结构工艺性第16章机械加工工艺的基础知识第17章现代制造技术及发展趋势硬度实验金属材料平衡组织金相观察刀具角度测量三个实验：相关事宜•教材：《工程材料与机械制造基础》齐乐华高等教育出版社•成绩评定方法：•平时成绩（考勤、作业、课堂提问）占20%，•实验成绩占10%，•期末考试成绩占70%。绪论•材料哥伦比亚号航天飞机材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。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铁器象形尊(西周)•石器时代•青铜器时代•铁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。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龙芯联想计算机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。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。在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机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。材料的种类与性能•工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。带材异形材板材管材金属材料制品传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷发动机高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。烯丙酰氯-苯乙烯复合材料•包括：•金属基复合材料•陶瓷基复合材料•高分子复合材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料•现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。航空发动机工程材料按其化学组成可分为：1）金属材料2）非金属材料3）复合材料工程材料按其使用性能可分为：1）结构材料2）功能材料•结构材料：主要是强调强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，用来制造机器零件和工程构件的材料。•功能材料：是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理化效应的各种新材料。用以对信息和能量的感受、计测、传导、显示、发射转换和变换的目的，是现代高新技术发展的物质基础。工程材料的应用和发展随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。国产东风4D-0088内燃机车美国F-117隐身飞机新材料在不断地涌现。机械工业是材料应用的重要领域。•随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。•在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。•要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。铸造一级涡轮盘材料的性能金属材料的性能使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。金属材料力学性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。常见的工程载荷作用方式有：SFSF'作用在机件上的外力——载荷性质静载荷动载荷FFF’FF=F’（MPa）σ=F’/S外力——内力——应力外力作用下材料的变形------两种基本变形1.弹性变形材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。F2.塑性变形:材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。强度是指金属材料抵抗塑性变形（永久变形）和断裂的能力。抵抗塑性变形和断裂的能力越大，则强度越高。拉伸试样1.2.1静载时材料的力学性能1强度拉伸曲线右图是低碳钢的力-伸长曲线，图中纵坐标表示力拉伸力F，单位为N；横坐标表示绝对伸长量Δl，单位为mm。拉伸试样的颈缩现象3、强度指标试样受到外力作用时，在其内部产生大小与外力相等而方向相反的相互作用力，称为内力。单位截面积上的内力称为应力，拉伸时的应力用符号σ表示。1）弹性极限2）屈服点（又称屈服强度）3）抗拉强度抗拉强度是指试样断裂前能够承受的最大拉应力，用表示。FMPaS（）0eeFMPaS（）0ssFMPaS（）b0bbFMPaS（）2.塑性断后伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始长度的百分比，用符号δ表示。即：金属材料在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。1、断后伸长率%100001lll2、断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处（断口处）横断面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。即：010100%SSS•说明：•①用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。•②直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。•当l0=10d0时，伸长率用10表示；•当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然510材料抵抗局部变形（特别是塑性变形）、压痕或划痕的能力称为硬度布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火钢球压头）或HBW（用硬质合金压头）表示，即：3.硬度222()0.102()FHBSHBWDDDd(1)布氏硬度布氏硬度计222()0.102()FHBSHBWDDDd•压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。•压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。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。布氏硬度压痕布氏硬度试验的优缺点：优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验。洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示，其计算公式为：(2)洛氏硬度HR=k-e/0.002压头类型：淬火钢球压头多用于测定退火件、有色金属等较软材料的硬度，压入深度较深；金刚石压头多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度，压入深度较浅。采用不同的压头与总试验力，组合成几种不同的洛氏硬度标尺。我国常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HRC应用最广。其试验规范见表1-2。洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如58HRC、76HRA。试验规范及表示方法:洛氏硬度试验的优缺点：优点是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。(3)维氏硬度维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号HV表示。维氏硬度表示方法：在符号HV前方标出硬度值，在HV后面按试验力大小和试验力保持时间（10～15s不标出）的顺序用数字表示试验条件。例如：640HV300。维氏硬度试验的优缺点：优点是可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度。缺点是硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，因此不太适合成批生产的常规检验。外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。1.2.2其他载荷作用下的力学性能冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。1冲击韧度根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功AK=mgh1-mgh2。AK称为冲击吸收功，单位焦耳（J），用AK除以试样缺口处的横截面积Ｓ所得的商即为该材料的冲击韧度，用符号αK表示，即：20(/)kkAJcmS韧脆转变温度℃k材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。体心立方：Cr铬Mo钼W钨V钒面心立方：Al铝Cu铜Ni镍Pb铅2疲劳强度疲劳破坏——材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。tσtσ疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）实际上，材料的组织远非是均匀、各向同性的，组织中有微裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺陷，这些缺陷可看成是材料中的裂纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，形成一个裂纹尖端的应力场。断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂能力的性能指标。3.断裂韧度断裂韧度是材料固有的力学性能指标，是强度和韧性的综合体现。它与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要取决于材料的成分、内部组织和结构。4.磨损机器运转时，任何零件在接触状态下的相对运动都会产生摩擦，导致零件磨损，最后失效。按磨损的破坏机理，磨损可分为：（1）黏着磨损（2）磨粒磨损（3）腐蚀磨损高温对材料的力学性能有很大影响1.温度对材料力学性能指标影响较大。随着温度升高，强度、刚度、硬度要下降，塑性要增加。2.在较高温度下，载荷的持续时间对力学性能也有影响，会产生明显的蠕变。金属的蠕变是指在长时间的恒温、恒应力作用下即使应力小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生塑性变形的现象。因此，对材料在高温下的力学性能的评定还需要建立另外的一些力学性能指标。主要有蠕变极限和持久强度。1.2.3材料的高温和低温性能1.高温性能蠕变极限是指在高温下载荷长期作用时，材料对蠕变的抵抗能力。持久强度是指在高温下载荷长期作用时材料对断裂的抵抗能力。应力松弛是指承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力