机械工程材料第一章

机械工程材料及热处理佛山科学技术学院机电系主讲：周应龙绪论第一章工程材料的力学性能第二章工程材料的基础知识第三章金属的塑性变形与再结晶**第四章钢的热处理第五章金属材料第六章非金属材料第七章机械零件的失效与选材**第八章新材料与新工艺带**不是考试的内容，但很重要的绪论1.1材料与人类文明1.2工程材料的分类1.3课程性质与任务§1.1材料与人类文明材料是人类作来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，为人类生活和生产的物质基础。一、材料二、人类发展与材料人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：石器时代→陶器→青铜器时代→铁器时代→钢铁（资本主义大工业时期）→合成材料（20世纪）→复合材料（20世纪40年代）三、材料科学技术――现代文明的支柱之一四、支撑人类文明大厦的四大支柱技术：人与动物的区别：1、制造工具（本质）2、能源的利用3、信息的传播和保存材料科学与技术生物科学与技术能源科学与技术信息科学与技术§1.2工程材料的分类一、按来源分为天然材料和人工材料二、接用途分为功能材料和结构材料三、按化学性质分为金属材料和非金属材料。金属材料(金属键为主):黑色金属和有色金属非金属材料：1、陶瓷材料（离子键和共价键，离子键为主）2、高分子材料（共价键、分子键和氢键，共价键为主）。3、复合材料（把两种或两种以上具有不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构成的新型材料）1、黑色金属：指铁和铁基的合金材料。2、有色金属：除铁基合金之外的所有金属及其合金。§1.3课程性质与任务1、性质在机械设计过程中不可避免地要对工程材料的选择、应用与加工等问题进行科学系统的分析并予以全面正确的解决。“机械工程材料”课程正是为实现这一目标而设置的。2、任务通过本课程的学习使学生在获得工程材料一般知识的基础上，了解常用材料成分、组织、性能和加工工艺之间的关系及其用途，从而使其初步具备合理选择材料和使用材料、正确选择加工方法及安排制定加工工艺路线的能力，也为后继有关课程的学习奠定必要的材料学基础。第一章工程材料的力学性能[本章内容]1.1材料的强度与塑性1.2材料的硬度1.3材料的冲击韧性1.4材料的疲劳强度1.5材料的断裂韧度[重点掌握]各种力学性能指标（强度,塑性；冲击韧性；硬度HB，HRC，HV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。一、静载单向静拉伸应力―应变曲线1.拉伸试样：长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0§1.1材料的强度与塑性ΔLF0低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：Oabcdesbpe二、拉伸曲线所确定的力学性能指标与意义试件在拉伸过程中经历了四个阶段，有两个重要的强度指标。ob段—弹性阶段(比例极限σp、弹性极限σe)bc段—屈服阶段屈服点scd段—强化阶段抗拉强度bde段—缩颈断裂阶段塑性指标：延伸率和断面收缩率式中l1—试件拉断后的标距，l—是原标距，A1—试件断口处的最小横截面面积，A—原横截面面积。和值越大，其塑性越好。一般把≥5％的材料称为塑性材料如钢材、铜、铝等；把5％的材料称为脆性材料，如铸铁、混凝土、石料等。伸长率:%1001lll断面收缩率:%1001AAA试件拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保留下来。工程上用试件拉断后遗留下来的变形表示材料的塑性指标。常用的塑性指标有两个:§1.2材料的硬度分类：1、布氏硬度定义：抵抗外物压入的能力，材料最常用的性能指标之一。222102.0dDDDFAFHBW一般说来，材料的硬度越高，其耐磨性越好。测定原理：用载荷除以压痕表面积所得的商，作为被测材料的硬度值。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。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)2、洛氏硬度原理：依据压痕深度(h1-h0)，确定被测材料的硬度，常用三种h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计①HRA硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。②HRB轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等。③HRC较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。维氏硬度试验原理维氏硬度计3、维氏硬度测定原理：基本上与布氏硬度的测定原理相同。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。§1.3材料的冲击韧度定义：是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值k。k=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S(J/cm)•k值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。韧脆转变：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。•k值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。韧脆转变温度：发生韧脆转变的温度范围。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。§1.4疲劳强度交变应力：应力的大小和方向随时间作周期性变化。疲劳断裂：材料在交变应力作用下发生的断裂现象。疲劳强度σ-1：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。at疲劳断裂的特点：1）破坏时最大应力低于材料的抗拉强度极限b，有时远远低于b。应力集中对疲劳破坏有显著影响。2）塑性构件与脆性构件一样，在无明显塑性变形的情况下，突然发生脆性断裂，破坏没有征兆，危险大。影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。3）疲劳破坏的断口有独特的形态：具有光滑区和颗粒状粗糙区两个明显不同的区域。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）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。§1.5材料的断裂韧度1．问题的提出一般认为，只要构件的工作应力小于或等于许用应力就不会发生塑性变形，更不会发生断裂。2．断裂力学的诞生传统的材料力学都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的微裂纹，或者它们在使用过程中扩展成为裂纹。近代断裂力学认为：低应力断裂正是由于这些微裂纹在外力的作用下扩展造成的。一旦裂纹长度达到某一临界尺寸时，裂纹的扩展速度就会加剧，从而导致断裂。但是，一些高强度钢制造的构件或大型焊接件会在工作应力远低于材料屈服强度，甚至低于许用应力的条件下突然发生脆性脆断，这就是低应力断裂。应力强度因子K1：反应裂纹尖端附近各应力的强弱，与裂纹尺寸、形状和外加应力的大小有关。当外加应力增大或者裂纹长度增长时，K1也相应增大，当达到某一临界值时，裂纹前端的内应力将大到足以使裂纹失稳扩展，从而发生断裂。这个应力强度因子的临界值称为断裂韧度K1C，反应了材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。KIKIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KI＝KIC时，裂纹处于临界状态KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。K1C可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。式中，：外加应力；a：裂纹半长。应用1：判断带裂纹的构件在外力作用下，是否发生裂纹失稳而断裂。CKaK11带裂纹的设计准则：应用2：依据工作应力估算材料中允许存在而不会发生失稳扩展的最大裂纹长度。应用3：依据材料中已存在的裂纹长度，估算出材料不造成断裂的最大应力（载荷）。低温脆性断裂的实例：Titanic的沉没I