21机械工程材料教案

孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-1-第一、二讲【课题】金属的力学性能【授课方法】讲授【目的要求】了解本课程所讲授内容及目的和任务。熟悉金属的力学性能及作用。理解力学性能的判据及定义。掌握力学性能的试验方式及应用【重点难点】强度和硬度【课时分布】绪论25分钟强度与塑性35分钟硬度40分钟韧性与疲劳强度40分钟小结20分钟讨论及答疑40分钟【教学过程】绪论课程性质：技术基础课。目的和任务：使学生获得常用工程材料的基础知识，为学习孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-2-其它有关课程和将来从事生产技术工作奠定必要的基础。内容：金属的力学性能、金属基本知识、钢的热处理、常用金属材料、非金属材料、复合材料，以及工程材料的选用。应达到的要求：1.熟悉常用机械工程材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系及变化规律。2.掌握常用机械工程材料的性能与应用，具有选用常用机械工程材料和改变材料性能方法的初步能力。3.了解与本课程有关的新材料、新技术、新工艺及其发展概况。第一章金属的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能：在使用过程中所表现出来的性能，主要有力学性能、物理性能、化学性能。工艺性能：加工过程中所表现出来的性能。铸造、锻造、焊接、热处理和切削加工性能。选材时，以力学性能为主要依据。力学性能：金属在外力作用下所表现出来的特性（金属在力作用下，显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力－应变关系的性能）。强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度。孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-3-第一节强度与塑性强度：金属抵抗塑性变形和断裂的能力。通过拉伸试验测得。塑性变形：在外力作用下，发生不能恢复原状的变形。也叫永久变形。一、强度1.拉伸试验标准试样：图1-1长度样：l0=10d0;短试样：l0=10d0拉伸试验得到拉伸图。FbBKFsSFeEOO到Fe：弹性变形阶段Fe到Fs：塑性变形S：屈服，水平线，此时力到Fs，不增加力但长度增加。Fs到Fb：局部收缩，产生缩颈。2.强度的主要判据金属材料的强度用应力度量（单位截面上的内力σ），所谓内力是内部产生阻止变形的抗力。1）弹性极限拉伸力F/N伸长量Δl/㎜孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-4-试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力。σeσe=Fe/A0（MP）2）屈服点试样在拉伸过程中，力不增加仍能继续伸长时的应力。σs=Fs/A0对有些材料无明显的屈服现象，规定：去掉拉伸力后，其标距部分的残余伸长量达到规定原始标距长度0.2%时的应力，为该材料的屈服点σr0.23）抗拉强度试样被拉断前所能承受的最大拉应力，σbσb=Fb/A0σb表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。σs与σb的比值称为屈强比，屈强比越小，零件工作时的可靠性越高，因为若超载也不会立即断裂。但太小则降低材料强度的有效利用率。二、塑性塑性是断裂前材料发生不可逆塑性变形的能力。1.断后伸长率试样被拉断后，标距伸长量与原始标距的百分比。δ=(lk-l0)/l0×100%孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-5-长试样用δ10表示，通常写成δ；短试样用δ5表示。2.断面收缩率试样被拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。ψ＝(A0-Ak)/A0×100%一般δ或ψ值越大，材料塑性越好。塑性好的材料可用轧制、锻造、冲压等方法加工成形。另超载时也可避免突然断裂，提高工作安全性。第二节硬度硬度是材料抵抗局部变形，尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力。是衡量金属软硬程度的判据。一定程度上反映了材料的综合力学性能，应用广泛，常作为技术条件标注在图上或工艺文件中。一、布氏硬度布氏硬度试验原理如图1-3。用直径为D的淬火钢球或硬质合金球做压头，以相应的试验力F将压头压入试件表面，经规定的保持时间后，去除试验力，在试件表面得到一直径为d的压痕。孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-6-用试验力除以压痕表面积A，所得值即为布氏硬度值。HB。淬火钢球为压头时为HBS；硬质合金球为压头时，HBW。实际实验时布氏硬度不需要计算，由d查表得值。表示方法：120HBS10/1000/30：直径为10㎜的淬火钢球做压头，1000kgf力作用下，保持30s，测得的布氏硬度值为120。特点：压痕面积大，测量结果准确、稳定，但操作不够简便，压痕大不宜测试薄件或成品。HBS适于测量硬度值小于450的材料；HBW适于测量硬度值小于650的材料。目前用的较多的是淬火钢球为压头，用来测定灰铸铁，有色金属及退火、正火和调质的钢材。二、洛氏硬度原理图如图1-4用顶角为120°金刚石圆锥体或直径为1.588mm淬火钢球为压头，在初试验力和总试验力先后作用下，将压头压入度件表面，经规定保持时间后，去除主试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验法。洛氏硬度常用的有三种HRA、HRB、HRC（最广），表1-2。特点：操作简便、迅速，测量硬度范围大，压痕小，无损于试件表面，可直接测量成品或较薄工件。测量结果不够准确，故常在试样的不同部位测定三点取平均值。孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-7-第三节韧性和疲劳强度一、韧性韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力，它表示了金属材料抗冲击的能力。判据是通过冲击试验确定的。常用方法是摆锤式一次冲击试验法。试样见图1-6，原理见图1-7。冲击吸收功越大，材料韧性越好。冲击韧度不能真正代表材料的韧性，国标规定采用冲击吸收功AK作为材料韧性的判据。二、疲劳强度许多零件如轴、齿轮、连杆、弹簧等是在循环应力作用下工作的。按循环应力大小和方向不同，零件承受的应力分为交变应力和重复应力两种。零件在循环应力作用下，在一处或几处产生局部永久生累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳（疲劳断裂）。疲劳断裂前无明显塑性变形，因此危险性很大，常造成严重事故。金属能承受的交变应力σ与断裂前应力循环基数N有一定的关系，当σ低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无数次循环应力作用而不断，这一应力就是疲劳强度。σ-1一般，交变应力越小，断裂前所能承受的循环次数越多；交变应力越大，循环次数越少。工程上用的疲劳强度，是指在一定的循环基数下不发生断裂的最大应力，通常规定钢铁材料的循环孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-8-基数为107，有色金属为108材料存在气孔、微裂纹、夹杂物等缺陷，材料表面划痕、局部应力集中等因素，均可加快疲劳断裂。减小表面粗糙度值和进行表面淬火、喷丸处理、表面滚压等方法均可提高材料的疲劳强度。【本章小结】1.力学性能的定义及内容。2.强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度的意义及判据。3.各判据的意义及使用。【课后作业】P10：T1、T2、T3、T4、T5、T6、T10【课后记载】孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-9-第三讲【课题】纯金属与合金的晶体结构【授课方法】讲授【目的要求】了解金属的晶体结构形式。熟悉几种常用金属的晶体结构。理解晶体结晶常用名词的含义及相的意义。掌握晶格的类型、晶体中的缺陷、化合物的性能。【重点难点】晶体的缺陷、合金的结构【课时分布】复习5分钟纯金属的晶体结构25分钟纯金属的实际晶体结构30分钟合金的晶体结构20分钟小结10分钟答疑10分钟【教学过程】〖复习〗强度、塑性、硬度、韧性的意义及判据。按内部原子聚集状态不同有晶体和非晶体，固态金属与合金基本上都是晶体物质。孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-10-第一节纯金属的晶体结构一、晶体结构的基本知识1.晶体与非晶体晶体：原子按一定几何形状作有规则地重复排列。金刚石、石墨及固态金属与合金。。非晶体：无规则排列。沥青、玻璃、松香。无固定熔点，各向同性。2.晶格与晶胞晶格：将原子看成一个点，用假想的线条将原子中心连接起来，形成的一个空间格子。晶格中直线的交点称为结点。晶格是由一些最基本的几何单元周期重复排列而成的，这种最基本的几何单元称为晶胞。晶胞大小和形状可用晶胞的三条棱边长a,b,c（晶格常数）和棱边夹角α，β，γ来描述。各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同而呈现出不同的物理、化学及力学性能。二、常见的晶格类型1.体心立方晶格特点：立方体，八个顶角及中心各有一个原子，a=b=c，α铁，铬（Cr）、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)。图2-2孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-11-2.面心立方晶格特点：立方体，八个顶角及六个面的中心各有一个原子，γ铁，铝（Al）、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银（Ag）。图2-33.密排六方晶格特点：六方柱体，十二个顶角和上、下面中心各有一个原子，在上、下面之间还有三个原子。镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、α-Ti。晶格类型不同，原子排列的致密度不同，晶格类型发生变化就会引起体积和性能的变化。第二节纯金属的实际晶体结构一、多晶体结构单晶体：晶体内部晶格位向（原子排列方向）完全一致的晶体。具有各向异性。实际金属材料由许多小晶体组成，这些小晶体外形不规则，呈颗粒状，故称为晶粒。每个晶粒内的晶格位向一致，但各个晶料之间彼此位向都不相同。一般金属材料都是多晶体。多晶体由许多晶粒组成，多晶体材料中相邻晶粒的界面为晶界。多晶体是由许多位向不同的晶粒组成，其性能是位向不同晶粒的平均性能，故可认为金属是各向孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-12-同性的。在显微镜下观察到的各种晶粒的形态、大小和分布等情况称为显微组织或金相组织。有色金属的晶粒比钢铁的大。二、纯金属的实际晶体结构实际上，晶体的原子的排列并不像理想晶体那样规则和完整。由许多因素影响，使某些区域的原子排列受到干扰和破坏，这种区域称为晶体缺陷。1.点缺陷三个方向上的尺寸都很小，最常见的是晶格空位和间隙原子。点缺陷可使周围原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。2.线缺陷一个方向上较大，另两个较小。在晶体中呈线状分布。常见的是各种类型的位错。“刃型位错”是一种简单的位错。3.面缺陷两个方向上尺寸很大，第三个方向上尺寸很小。常见的是晶界和亚晶界。以上各种缺陷处及其附近晶格均处于畸变状态，直接影响到金属的力学性能，使金属的强度、硬度有所提高。孝感职业技术学院机电工程系科目：机械工程材料授课班级：02241、02242时间：2003.9－2004.1主讲教师陈志雄-13-第三节合金的晶体结构生产实际上使用的金属材料大多是合金。一、合金的基本概念合金是指由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）组成的，具有金属特性的新物质。组成合金最基本的、独立的物质称为组元（元）。通常组元就是指组成合金的元素。如黄铜的组元是铜和锌，铁碳合金的组元是铁和碳。按数目有二元合金、三元合金和多元合金。由给定组元按不同比例配制出一系列不同成分的合金，构成一个合金系。相：在纯金属或合金中，具有相同化学成分、晶体结构和相同物理性能的