工程材料教案0緒論1金屬材料的機(jī)械性能

1、課程名稱：工程材料 第1周，第1講次摘 要授課題目（章、節(jié)）緒論第一章 金屬材料的機(jī)械性能本講目的要求及重點(diǎn)難點(diǎn)：【目的要求】通過(guò)本講課程的學(xué)習(xí)，了解金屬材料的發(fā)展歷史，熟悉金屬及合金的分類和機(jī)械性能，了解物理、化學(xué)性能和工藝性能的概念。【重 點(diǎn)】金屬材料的力學(xué)性能【難 點(diǎn)】力學(xué)性能指標(biāo)的表示方法內(nèi) 容【本講課程的引入】這學(xué)期同學(xué)們將接受一門新的課程工程材料。我們首先了解什么是工程材料，工程材料就是用于制造各類機(jī)械零件、構(gòu)件的材料和在機(jī)械制造過(guò)程中所應(yīng)用的工藝材料?！颈菊n程的內(nèi)容】緒 論我們?nèi)祟悈^(qū)別于其他動(dòng)物的根本原因就是能夠應(yīng)用和制造工具，特別是制造工具。雖然不斷的有報(bào)道說(shuō)人類的近親大猩猩能

2、夠使用簡(jiǎn)單的工具，比如樹枝、木棍等來(lái)獲得食物，但是至今為止還沒(méi)有報(bào)道說(shuō)大猩猩能夠制造工具。正是由于人類在同自然界的斗爭(zhēng)中，制造并使用工具，特別是不斷改進(jìn)用以制造工具的材料，促進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展，材料的使用也就成為人類文明的體現(xiàn)，據(jù)此，歷史學(xué)家根據(jù)制造生產(chǎn)工具的材料將人類生活的時(shí)代劃分為石器時(shí)代、青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。最早使用的工具材料是用天然的石頭和木材，比如我們歷史上曾經(jīng)學(xué)過(guò)的石制刀、斧等，以后逐步發(fā)現(xiàn)并使用了金屬。中國(guó)使用金屬材料的歷史悠久，在兩千多年前的考工記中就有”金之六齊”的記載，這是關(guān)于青銅合金成分配比規(guī)律最早的闡述。“金有六齊”是說(shuō)：六分其金，而錫居其一，謂之鐘、鼎之齊；五分其金

3、，而錫居一，謂斧、斤之齊；四分其金，而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金，而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金，而居二，謂之削殺矢之齊；金錫半，謂之鑒燧之齊。這里的所謂金就是銅，銅錫合金即青銅。所謂“金之六齊”，就是區(qū)分青銅品種的六種配方之分量，以制造各種用器。青銅中錫占的分量增多，光澤就會(huì)從青銅色轉(zhuǎn)為赤黃色、橙黃色、淡黃色。錫占到3040，青銅就 會(huì)變?yōu)榛野咨！扮?、鼎之齊”銅、 錫比例為六比一，即銅占85.71，錫占14.29，為了使它能呈現(xiàn)橙黃色較美觀，同時(shí)也為了能敲出美妙的聲音?！案镏R”的銅、 錫比例為五比一，即銅占83.33，錫占16.67，青銅中錫的成分占17到20最為堅(jiān)韌，斧、斤、戈

4、、戟都需堅(jiān)韌。”戈戟之齊”的銅、 錫比例為四比一，即銅占80，錫占20?！按笕兄R”所需銅、錫比 例為三比一，即銅占75，錫占25，?！跋鳉⑹钢R”銅、錫比例為五比二，即銅占71.43，錫占28.57，是因這類武器所需硬度高。“鑒燧之齊”銅、錫比例為1:1，即各占50，因?yàn)殂~鏡需要白色光澤。人類雖早在公元前已了解金、銀、銅、汞、錫、鐵、鉛等多種金屬，但由于采礦和冶煉技術(shù)的限制，在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)，很多器械仍用木材制造或采用鐵木混合結(jié)構(gòu)。說(shuō)到這里我們需要說(shuō)一下我國(guó)的光輝歷史，作為一個(gè)文明古國(guó)，是世界上最早使用金屬材料的國(guó)家之一。據(jù)考證研究，早在五千年前，我們的祖先已開(kāi)始使用天然紅銅；三千多年前

5、的殷商時(shí)代青銅的冶鑄技術(shù)已達(dá)到了很高的水平；春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就有了冶煉鑄鐵的記載，比歐洲最早使用鑄鐵的時(shí)間約早二千年。但是鋼鐵材料的大規(guī)模應(yīng)用是在1856年英國(guó)人H.貝塞麥發(fā)明轉(zhuǎn)爐煉鋼法，18561864年英國(guó)人K.W.西門子和法國(guó)人P.馬丁發(fā)明平爐煉鋼以后，大規(guī)模煉鋼工業(yè)興起，鋼鐵才成為最主要的機(jī)械工程材料。到20世紀(jì)30年代，鋁、鎂等輕金屬逐步得到應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)后，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了新型材料的發(fā)展，球墨鑄鐵、合金鑄鐵、合金鋼、耐熱鋼、不銹鋼、鎳合金、鈦合金和硬質(zhì)合金等相繼形成系列并擴(kuò)大應(yīng)用。同時(shí)，隨著石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了合成材料的興起，工程塑料、合成橡膠和膠粘劑等在機(jī)械工程材料中

6、的比重逐步提高。另外，有機(jī)材料、玻璃和特種陶瓷材料等也逐步擴(kuò)大在機(jī)械工程中的應(yīng)用。工程材料不僅廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代國(guó)防和科學(xué)技術(shù)等部門，而且還深入到人們的日常生活之中，人們的衣、食、住、行直至生活用品，都離不開(kāi)各種類型的工程材料。故而材料、能源、信息合稱為現(xiàn)代社會(huì)的三大支柱。在眾多的工程材料中，使用最廣泛的仍是金屬材料，其約占總量的90%左右。故本課程的重點(diǎn)是介紹金屬材料。遺憾的是，由于長(zhǎng)時(shí)期的封建統(tǒng)治，勞動(dòng)人民的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)得不到應(yīng)有的重視，不能及時(shí)總結(jié)提高，以至好多技藝失傳。加上近百年來(lái)帝國(guó)主義的侵略和壓迫，使我國(guó)的工業(yè)和技術(shù)處于極為落后的狀態(tài)。解放后，我國(guó)的勞動(dòng)人民和科學(xué)工作

7、者積極努力地工作，結(jié)束了科學(xué)技術(shù)長(zhǎng)期停滯不前的局面，在金屬材料的使用和研制方面取得了巨大的進(jìn)展。但必須指出，當(dāng)今世界各國(guó)的科學(xué)技術(shù)都在迅速發(fā)展，與先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)在金屬材料方面仍有一定的差距，故而我們應(yīng)加倍努力，盡量縮短這個(gè)差距，為趕超先進(jìn)國(guó)家做出自己的貢獻(xiàn)。我們將來(lái)的工作是從事機(jī)械制造，專業(yè)的性質(zhì)決定了我們和金屬材料有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。正確的選擇材料，并充分發(fā)揮材料性能的潛力，是每個(gè)工程技術(shù)人員的一項(xiàng)重要任務(wù)。為此，必須對(duì)金屬材料的成分、結(jié)構(gòu)、組織和性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律有深入的了解。首先我們從金屬材料的基本概念開(kāi)始研究和分析。一、金屬材料純金屬：?jiǎn)我唤饘僭厮M成的物質(zhì)。例：Fe A

8、l Cu Au合金：由兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素相互熔合且具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。如：鋼則是Fe、C的合金，且含有Mn、S、P、Si等元素；青銅則是Cu、Sn合金。在工業(yè)生產(chǎn)中很少使用純金屬來(lái)制造機(jī)器零件，機(jī)器零件乃至日常生活中的金屬用品大都是使用合金來(lái)制造的，其根本原因就在于合金有如下的優(yōu)點(diǎn)：合金的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械性能好（好用）； 加工性能好（好做）；價(jià)格便宜。工程上將材料細(xì)分為如下材料：復(fù)合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強(qiáng)體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合

9、材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強(qiáng)粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。20世紀(jì)40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強(qiáng)度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些

10、高強(qiáng)度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復(fù)合，構(gòu)成各具特色的復(fù)合材料。材料的性能表示如下：力學(xué)性能工程材料性能使用性能物理性能化學(xué)性能工藝性能鑄造性能可鍛性能可焊性能切削加工性能熱處理工藝性工程材料的加工方法：工程材料焊接型材毛坯鍛造粉末冶金鑄造熱處理切削加工零件二、本課程的內(nèi)容1、金屬材料的機(jī)械性能（第一章）不同的材料具有不同的性能，例如鑄鐵硬而脆，而鋼則堅(jiān)而韌。用什么指標(biāo)來(lái)衡量它們，這些指標(biāo)又是如何測(cè)定的？這就是這部分所要解決的問(wèn)題。2、金屬學(xué)基礎(chǔ)（第二到第五章）眾所周知，在鋼鐵材料中，隨著成分的不同，例如25鋼和45鋼，它們的性能上就表現(xiàn)出很

11、大差異，這是為什么？在這部分內(nèi)容中，將著重闡述金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，說(shuō)明金屬的成分、組織與性能間的關(guān)系。3、鋼的熱處理（第六章）鋼的熱處理是一種強(qiáng)化金屬材料的基本途徑，其不改變材料的成分，但可改變材料的性能，使硬的變軟，軟的變硬。為什么會(huì)這樣？這部分內(nèi)容將給出一個(gè)完滿的解釋。4、常用金屬材料介紹（七到九章）在這部分內(nèi)容中，將重點(diǎn)介紹各種常用金屬材料的牌號(hào)、成分、組織、性能和用途等。5、非金屬材料簡(jiǎn)介（第十章）隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及對(duì)材料的要求越來(lái)越高，越來(lái)越嚴(yán)格，金屬材料在某些性能上已不能滿足要求，機(jī)械制造業(yè)開(kāi)始使用非金屬材料，例如橡膠、塑料、陶瓷等。這部分內(nèi)容將簡(jiǎn)要介紹有關(guān)的非金屬材料。6、機(jī)械

12、零件材料的選用（第十一章）最后這部分內(nèi)容是本課程的落腳點(diǎn)，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，同學(xué)們應(yīng)初步具有合理選用常用金屬材料和正確選定一般機(jī)械零件熱處理方法的能力，這也是學(xué)習(xí)本課程的目的之一。三、目的1、掌握常用材料成分、組織、性能、用途之間相互關(guān)系的基本知識(shí)；2、掌握熱處理原理的基本概念；了解其在零件加工工藝中的位置和作用；3、解決生產(chǎn)中的一些實(shí)際問(wèn)題；4、為后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。第一章 金屬材料的機(jī)械性能金屬材料的種類繁多，性能各異，為了正確合理地選用它們，人們給出一系列指標(biāo)，來(lái)衡量比較它們的性能。材料性能內(nèi)容：使用性能：機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等。加工性能：亦稱工藝性能。上述性能中，作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具

13、備的最主要的性能是材料的機(jī)械性能。機(jī)械性能：也稱作力學(xué)性能，指材料抵抗外力的能力。常用的機(jī)械性能指標(biāo)有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性等，下面我們將分別簡(jiǎn)略介紹這性能及其測(cè)定方法。一、強(qiáng)度1、概念：金屬材料在靜載荷的作用不，抵抗變形和斷裂的能力。抵抗能力越大，則材料的強(qiáng)度越高。所謂靜載荷，是指對(duì)材料緩慢地加載。2、強(qiáng)度的種類：由于材料所受外力的形式不同，故而強(qiáng)度也分為如下幾種：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。這幾種強(qiáng)度常有一定的聯(lián)系，使用最廣泛的是抗拉強(qiáng)度，故我們主要討論抗拉強(qiáng)度。3、抗拉強(qiáng)度的測(cè)定靜拉伸試驗(yàn)及強(qiáng)度的衡量指標(biāo)強(qiáng)度的測(cè)定是在專門的拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，其測(cè)定步驟如下：a按

14、規(guī)定將欲測(cè)材料制成拉伸試樣，如圖1-1所示；圖1-1 拉伸試樣試驗(yàn)前和拉伸后示意圖b將其裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上緩慢加載，直至拉斷，如圖1-2所示。同時(shí)記錄載荷與變形量的數(shù)值；c畫出拉伸曲線，如圖1-3所示。PP圖1-2 拉伸試驗(yàn)機(jī)及過(guò)程示意圖 FLbLuFs g f FeSbkpeL圖1-3 拉伸曲線在拉伸曲線上橫坐標(biāo)表示材料的變形量L（或應(yīng)變=L/L0），縱坐標(biāo)表示靜載荷F（或拉應(yīng)力=F/A0）。在拉伸曲線上有這樣幾個(gè)階段：OP段：彈性變形階段；形變量與載荷成正比，去除載荷變形消失，試樣恢復(fù)原狀，這種變形叫彈性變形。Fe是材料保持僅發(fā)生彈性變形的最大載荷。稱之為彈性極限：材料不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)

15、力。其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別為： ， OP斜率為材料試樣的彈性模量，即工程上亦把此項(xiàng)指標(biāo)稱為材料的剛度，來(lái)表示材料彈性變形抗力的大小。彈性模量E主要決定材料本身，是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一，加工處理對(duì)它的影響不大。PE段：微量塑性變形階段；應(yīng)力超出e之后，材料進(jìn)一步變形，但如此時(shí)去除載荷，絕大多數(shù)變形消失，但仍有微量變形不能消失而保留下來(lái)，這種變形叫塑性變形。SE段：屈服階段；應(yīng)力增大到S時(shí)，保持載荷不變而試樣的塑性變形卻繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象叫屈服現(xiàn)象。屈服強(qiáng)度有些材料的拉伸曲線上沒(méi)有明顯地屈服點(diǎn)，故規(guī)定試樣產(chǎn)生0.2%的殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力做為該材料的條件屈服強(qiáng)度，以0.2表示。SB段：隨載荷的增加

16、，材料開(kāi)始發(fā)生大量塑性變形，試樣均勻伸長(zhǎng)，直到B點(diǎn)。Fb 是材料所能承受的最大載荷。故其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為材料的強(qiáng)度極限，又叫做材料的抗拉強(qiáng)度，。比值稱為屈強(qiáng)比。材料的屈強(qiáng)比愈小，構(gòu)件的可靠性愈高，但材料的利用率愈低，材料的屈強(qiáng)比可通過(guò)合金化、熱處理等手段加以調(diào)整（一般情況下選0.85左右）。上述三種強(qiáng)度指標(biāo)是機(jī)器零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是材料的主要性能之一，下面繼續(xù)介紹材料的其它性能。二、塑性及其衡量指標(biāo)材料在外力的作用下，發(fā)生不能恢復(fù)原狀的變形叫做塑性變形。材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力稱為塑性。它的衡量指標(biāo)有兩個(gè)：1、伸長(zhǎng)率：材料伸長(zhǎng)率的大小不僅取決于材料本身，還受到試樣標(biāo)距L0影響，故短試

17、樣的伸長(zhǎng)率記為5 ，長(zhǎng)試樣的伸長(zhǎng)率記為10 。對(duì)于同一種材料5 102、斷面收縮率： 、 則塑性越好。斷面收縮率與試樣尺寸無(wú)關(guān)。三、硬度1、概念：金屬材料表面抵抗硬物壓入的能力。即材料對(duì)局部塑性變形的抵抗能力。2、種類：根據(jù)使用條件的不同，所用的硬度指標(biāo)有多種，如布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）和肖氏硬度（HS）等，常用的有前兩種。各種硬度間的粗略換算關(guān)系如下：HBHV10HRC，HB6HS。（1）布氏硬度：用一定直徑D的淬火鋼球（或硬質(zhì)合金球）在規(guī)定載荷F的作用下，壓入被測(cè)材料的表面，并保持一定時(shí)間，然后測(cè)量壓痕面積，計(jì)算硬度值。壓痕面積越小則材料越硬。在硬度低時(shí)用淬火鋼

18、球作為壓頭，布氏硬度值用HBS表示，其最大有效測(cè)量值是450HBS；在硬度較高時(shí)用硬質(zhì)合金球作為壓頭，布氏硬度值用HBW表示，其最大有效測(cè)量值是650HBW。鋼球壓入被測(cè)材料表面，如圖1-4所示，材料發(fā)生了局部的塑性變形，而強(qiáng)度則是抵抗塑性變形的能力，故二者之間有著一定的聯(lián)系，即 HB 經(jīng)驗(yàn)公式：低碳鋼 b=0.36HB 高碳鋼 b=0.34HB 鑄鐵 b=0.1HB布氏硬度測(cè)量準(zhǔn)確，但測(cè)量范圍有限，太薄、太硬（650HBW）材料不宜采用布氏硬度。（2）洛氏硬度：洛氏硬度有多種測(cè)量指標(biāo)，最常用的是HRC。其測(cè)量方法是用150Kgf的載荷把頂角為120度的金剛石圓錐壓頭壓入被測(cè)材料的表面，如圖1

19、-5所示，然后測(cè)量壓痕的深度，換算成洛氏硬度值，其有效值范圍是20HRC67HRC，低于此值的用HRB測(cè)量，高于此值的用HRA測(cè)量。洛氏硬度測(cè)量簡(jiǎn)單迅速，但不夠準(zhǔn)確。其和布氏硬度的換算關(guān)系大約是1HRC=10HB。（3）維氏硬度：維氏硬度采用相對(duì)面夾角為136的四棱錐金剛石壓頭，配以適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)力，壓入被測(cè)材料的表面，通過(guò)測(cè)量壓痕面積，計(jì)算出所測(cè)的硬度值。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍可從最軟到最硬，數(shù)值連續(xù)，且壓痕較小，對(duì)工件的損壞不大。維氏硬度的符號(hào)記為HV。圖1-4 布氏硬度儀及工作原理 圖1-5 洛氏硬度儀及工作原理四、沖擊韌度在工程上，沖擊載荷是一類重要的動(dòng)載形式，材料受沖擊而不破壞的能力，稱之為沖擊韌度。常用符號(hào)ak表示，它是一個(gè)能量指標(biāo)，其測(cè)定過(guò)程如圖1-6所示。 （J/cm2）。圖1-6