第一章 工程材料基礎(chǔ)

1、 材料按材料按結(jié)合鍵結(jié)合鍵不同分不同分： 金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料 材料按材料按用途用途不同分不同分： 機(jī)械工程材料、土木工程材料、電工材料、電子機(jī)械工程材料、土木工程材料、電工材料、電子 材料材料 材料按材料按功能功能不同分不同分： 結(jié)構(gòu)材料、功能材料、磁性材料等結(jié)構(gòu)材料、功能材料、磁性材料等 材料分類材料分類 復(fù)合材料復(fù)合材料 金屬材料金屬材料 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 材料發(fā)展概括材料發(fā)展概括 石器時(shí)代石器時(shí)代 銅器時(shí)代：銅器時(shí)代：司母戊鼎司母戊鼎（公元前（公元前11161116世紀(jì)）世紀(jì)）11301130780780

2、11001100 戰(zhàn)國編鐘戰(zhàn)國編鐘（前前475221475221年）年）6565個(gè)個(gè) 總重總重2500Kg2500Kg 天然石，獸骨，樹枝天然石，獸骨，樹枝 泥巴（日曬泥巴（日曬原始陶器；火燒原始陶器；火燒瓷器用具瓷器用具） 鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代 滄州大獅滄州大獅（公元公元953953年年 ）重）重50T ,50T ,長長5.3m,5.3m,寬寬3m3m 人工復(fù)合材人工復(fù)合材 料料 塑料、橡膠、陶瓷、鈦合金、碳纖維、納米等塑料、橡膠、陶瓷、鈦合金、碳纖維、納米等 陶器時(shí)代陶器時(shí)代 滄州鐵滄州鐵 獅獅鑄造于鑄造于 公公 元元953953年。年。 鐵獅子通鐵獅子通 高高5.785.78米，米， 身長身

3、長6.56.5 米，體寬米，體寬 3.173.17米，米， 重約重約4040噸噸 1.2 1.2 工程材料的性能工程材料的性能 工程材料的性能工程材料的性能 使用性能使用性能力學(xué)、物理、化學(xué)力學(xué)、物理、化學(xué) 力學(xué)性能力學(xué)性能：指工程材料在不同環(huán)境下，承受各種外加載荷時(shí)所表指工程材料在不同環(huán)境下，承受各種外加載荷時(shí)所表 現(xiàn)出的性能現(xiàn)出的性能。不能說：機(jī)械性能不能說：機(jī)械性能 如：如： 強(qiáng)度、塑性、彈性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等強(qiáng)度、塑性、彈性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等 在靜載荷作用下：強(qiáng)度、塑性、彈性、硬度在靜載荷作用下：強(qiáng)度、塑性、彈性、硬度 在動載荷作用下：韌性在動載荷作用下：韌性 在交變載荷作

4、用下：疲勞強(qiáng)度在交變載荷作用下：疲勞強(qiáng)度 工藝性能工藝性能鑄造、鍛壓、焊接、切削加工鑄造、鍛壓、焊接、切削加工 研究力學(xué)性能意義研究力學(xué)性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依 據(jù) 載荷：金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。載荷：金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。 按作用性質(zhì)分：按作用性質(zhì)分： 靜載荷：指力大小不變或變化過程緩慢的載荷。如靜拉力、靜壓力靜載荷：指力大小不變或變化過程緩慢的載荷。如靜拉力、靜壓力 動載荷：指力的大小和方向隨時(shí)間而發(fā)生改變，如沖擊載荷、交變動載荷：指力的大小和方向隨時(shí)間而發(fā)生改變，如沖擊載荷、交變 載荷、循環(huán)載荷等載荷、循環(huán)載荷等 沖擊載荷：在短時(shí)間內(nèi)以較高速度

5、作用于零件上的載荷。沖擊載荷：在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。 循環(huán)載荷：指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷循環(huán)載荷：指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷 按作用形式不同分：按作用形式不同分： 1.3 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 1.拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn) （金屬的強(qiáng)度和塑性都是通過拉伸試驗(yàn)測定）（金屬的強(qiáng)度和塑性都是通過拉伸試驗(yàn)測定） （GB/T228-2002） 拉伸試樣（拉伸試樣（GB6397-86） 長試樣：長試樣：L0=10d0 短試樣：短試樣：L0=5d0 萬能材料試驗(yàn)機(jī) a) WE系列液壓式 b) WDW系列電子式 力伸長曲線力伸長曲線 彈性變形階段彈性變形階段

6、 屈服階段屈服階段 頸縮現(xiàn)象頸縮現(xiàn)象 拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。 強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段 (a)試樣 (b)伸長 (c)產(chǎn)生縮頸 (d)斷裂 拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象 L F 0 0 脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比） 脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。 2.應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 應(yīng)力應(yīng)力 = F/S0 應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l0 3.強(qiáng)度強(qiáng)度 概念：強(qiáng)度是指金屬材料抵抗永久變形（塑性變形強(qiáng)度是指金屬材料抵抗永久變形（塑性變形）或斷裂或

7、斷裂 的的 能力能力。通過拉伸試驗(yàn)測得大小。強(qiáng)度的大小通常用應(yīng)力來表示 1)彈性極限彈性極限 e e=Fe/S0 e-應(yīng)力 應(yīng)力 Pa 1 Pa=1N/m2 1M Pa=106Pa Fe材料開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)所承受的最大應(yīng)力值。材料開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)所承受的最大應(yīng)力值。 按載荷的作用方式不同，強(qiáng)度可分為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、按載荷的作用方式不同，強(qiáng)度可分為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、和抗扭強(qiáng)度。抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、和抗扭強(qiáng)度。 注意：一般多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬強(qiáng)度高低的指標(biāo)。注意：一般多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬強(qiáng)度高低的指標(biāo)。 工程上工程上常用常用的金屬材料的的金屬材料的強(qiáng)度強(qiáng)

8、度 指標(biāo)指標(biāo)： 屈服點(diǎn)（屈服點(diǎn)（ s ）或規(guī)定殘余）或規(guī)定殘余 伸長應(yīng)力（伸長應(yīng)力（ r） 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(b) 2）屈服點(diǎn)）屈服點(diǎn)（ s ）: 指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力 0.2 : r 規(guī)定殘余伸長率為0.2%時(shí)的應(yīng)力 0 s s F S 材料屈服時(shí)的拉力（N） 屈服點(diǎn) （屈服極限） 0.2 原標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）： 屈服強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度 對有明顯屈服現(xiàn)對有明顯屈服現(xiàn) 象的材料象的材料 3）抗拉強(qiáng)度）抗拉強(qiáng)度:材料在拉伸條件下所能承受最大 力的應(yīng)力值 0 b b F S 拉伸過程中最大的拉力（N） 4）強(qiáng)度的意義）強(qiáng)度的意義 強(qiáng)度強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能

9、力，一是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一 般鋼材的屈服強(qiáng)度在般鋼材的屈服強(qiáng)度在2001000MPa 之間。之間。 強(qiáng)度越高，表明材料在工作時(shí)越可以承受較高的載強(qiáng)度越高，表明材料在工作時(shí)越可以承受較高的載 荷。當(dāng)載荷一定時(shí)，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小荷。當(dāng)載荷一定時(shí)，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小 構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。 因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題， 稱之為材料的強(qiáng)化。稱之為材料的強(qiáng)化。 4.剛度 剛度是指金屬材料或構(gòu)件抵抗彈性變 形的能力 用彈性模量用彈性模量E表示，單位表示，單位Mpa

10、 E= / E越大，剛度越大越大，剛度越大 5、塑性、塑性 在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不 可逆永久變形的能力可逆永久變形的能力 常用的塑性判據(jù)常用的塑性判據(jù)： 拉伸時(shí)的拉伸時(shí)的斷后伸長率斷后伸長率和和斷面收縮率斷面收縮率 1）斷后伸長率）斷后伸長率 由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率數(shù)值不數(shù)值不 同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如: 10試樣試樣 L0=10d0 5 試樣試樣 L0=5d0 1 0 100% o LL L 試樣拉斷后的標(biāo)距（mm） 1 L o L 試樣原始標(biāo)距

11、（mm） 2)斷面收縮率斷面收縮率 01 0 100% SS L 試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2） 1 S o S 試樣原始截面積（mm2） . 塑性對材料的意義塑性對材料的意義: 1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件; 2.提高安全性提高安全性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬一超因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬一超 載，也會由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避載，也會由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避 免突然斷裂免突然斷裂 強(qiáng)度與塑性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材強(qiáng)度與塑性是一對相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材 料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部分塑料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部

12、分塑 性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強(qiáng)度。性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強(qiáng)度。 正所謂正所謂“魚和熊掌二者不能兼得魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細(xì)化金。但通過細(xì)化金 屬材料的顯微組織，可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑屬材料的顯微組織，可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑 性。性。 通常情況下金屬的伸長率不超過通常情況下金屬的伸長率不超過90% 90% ，而有些金屬，而有些金屬 及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達(dá)及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達(dá) 1000%1000%2000% 2000% ，個(gè)別的可達(dá)，個(gè)別的可達(dá)6000% 6000% ，這種現(xiàn)象稱，這種現(xiàn)象稱 為超塑性。由

13、于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極 小的流動應(yīng)力，極大的活性及擴(kuò)散能力，在壓力加小的流動應(yīng)力，極大的活性及擴(kuò)散能力，在壓力加 工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng) 域被中應(yīng)用。域被中應(yīng)用。 6、硬、硬 度度 硬度：硬度： 硬度試驗(yàn)方法硬度試驗(yàn)方法:壓入法壓入法 它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量。它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量。 (表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)金屬材料抵抗表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)金屬材料抵抗 局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力

14、） 硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能指標(biāo)。硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能指標(biāo)。 布氏硬度（布氏硬度（HB） 洛氏硬度（洛氏硬度（HR） 維氏硬度（維氏硬度（HV） 材料抵抗表面局部塑性變形的能力。材料抵抗表面局部塑性變形的能力。 1)布氏硬度 (1)測定原理 布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) 布氏硬度試驗(yàn)原理圖 )/( )( 2102. 0 102. 0)( 2 22 mmN dDDD F S F WHBS 壓 (2)計(jì)算公式 HBS：淬火鋼球作壓頭；適用于450HBS HBW：硬質(zhì)合金作壓頭；適用于650HBW 試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，球直

15、徑、試驗(yàn)力及試 驗(yàn)力保持時(shí)間按表驗(yàn)力保持時(shí)間按表1-1選擇選擇 材料材料 種類種類 布氏硬度范布氏硬度范 圍圍HBSHBS（HBWHBW ） 試樣厚試樣厚 度度/ /mmmm 0.1020.102球的直球的直 徑徑/ /mmmm 試驗(yàn)力試驗(yàn)力F/KNF/KN（k k g f)g f) 試驗(yàn)力試驗(yàn)力 保持時(shí)保持時(shí) 間間/ /s s 鋼、鋼、 鑄鐵鑄鐵 140-450140-4506 63 3 4 42 2 22 303010.010.0 5.05.0 2.52.5 29.42(3000)29.42(3000) 7.355(750)7.355(750) 1.839(187.5)1.839(187.

16、5) 1212 14066 6 63 3 101010.010.0 5.05.0 9.807(1000)9.807(1000) 2.452(250)2.452(250) 1212 非鐵非鐵 金屬金屬 1301306 63 3 4 42 2 2662.52.510.010.02.452(250)2.452(250)6060 表表1-1 布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范 (3)表示方法 XXX HBS(W) XX / XXX / XX 硬度值 壓頭直徑 （mm） 試驗(yàn)力保持 時(shí)間（s） 500HBW5/750 例： 表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗(yàn)力 作用下保持1015s測得的布氏硬度值

17、為500 120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗(yàn)力 作用下保持30s測得的布氏硬度值為120 習(xí)慣上布氏硬度值不標(biāo)出試驗(yàn)規(guī)范，如 170HBS。 (4)適用范圍 常用于測小于450HBS的原材料或零件毛坯的 硬度，不能測淬火鋼件的硬度。 優(yōu)點(diǎn)：測值重復(fù)優(yōu)點(diǎn)：測值重復(fù) 性強(qiáng)、測量結(jié)果性強(qiáng)、測量結(jié)果 準(zhǔn)確準(zhǔn)確 缺點(diǎn)：壓痕大，不缺點(diǎn)：壓痕大，不 適合成品檢驗(yàn)適合成品檢驗(yàn) 2)洛氏硬度 測 定 原 理 硬度硬度 符號符號 壓頭類壓頭類 型型 總實(shí)總實(shí) 驗(yàn)力驗(yàn)力 F/N 硬度值有效范圍硬度值有效范圍應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 HRA金剛石金剛石 圓錐體圓錐體 58870 085

18、85適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬硬適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬硬 層或滲碳層層或滲碳層 HRB直徑為直徑為 1.588m m鋼球鋼球 98025100100適用于測量非鐵金屬適用于測量非鐵金屬,退火、退火、正正 火鋼等火鋼等 HRC金剛石金剛石 圓錐體圓錐體 1470206767適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等 試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表1-2 選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為選擇，對應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種三種 表表1-2 常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)

19、用范圍 (2)符號 002. 0 hk HR (3)表示方法 硬度值+HR 52HRC 70HRA 例： 洛氏硬度洛氏硬度HRC可以可以 用于硬度很高的材料用于硬度很高的材料 ，在鋼件熱處理質(zhì)量，在鋼件熱處理質(zhì)量 檢查中應(yīng)用最多。檢查中應(yīng)用最多。 (4)適用范圍 優(yōu)點(diǎn)：測量迅速簡便 ，壓痕小，可在成品 零件上檢測 。 3)維氏硬度 (1)測定原理 用一定的試驗(yàn)力F，將頂角為 1360的金剛石四棱錐壓入金屬 表面，保持一定時(shí)間后卸去試 驗(yàn)力，然后測出壓痕對角線長 度d1、d2（mm），并求出壓痕 對角線的平均值d。 (2)計(jì)算公式 2 1891. 0 d F HV (3)表示方法 硬度值+HV+

20、試驗(yàn)力/保持時(shí)間 如：640HV30/20 (4)適用范圍 適用于測量零件薄的表面硬化層的硬度。 7、沖擊韌性 強(qiáng)度、硬度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)都是材料在靜載荷作 用下的表現(xiàn)。 材料在工作時(shí)還經(jīng)常受到動載荷的作用，沖擊載荷就 是常見的一種。 在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床 、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料除具有足夠的靜載荷 作用下得力學(xué)性能指標(biāo)外，還必須具有足夠的抵抗沖擊載 荷的能力。 沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時(shí)間短、加 載速率高、應(yīng)力集中。由于加載速率提高，金屬形 變速率也隨之增加。 沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷 。 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能

21、力，稱為沖擊 韌性。 示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明 其沖擊韌性很低。 1)沖擊試驗(yàn) 沖擊試樣 沖擊試驗(yàn)原理 一次擺錘沖擊試驗(yàn) 沖擊韌性的表示方法 2) 原理 沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測定，試驗(yàn) 時(shí)將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗(yàn)機(jī)架 的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢能 mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷 ，并向另一方向升高至H2，這時(shí)擺錘的勢能為 mgH2。 所以，擺錘用于沖斷試樣的能量 AK=mg（H1-H2），即為沖擊功（焦耳/J）。 1、試樣沖斷時(shí)所消耗的、試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功沖擊功A k為為: A k = m g H m g h

22、(J) 2、沖擊韌度沖擊韌度a k AK a k = (J/cm) Sk 沖擊吸收功和沖擊韌度 就是試樣缺口處單位截面積上就是試樣缺口處單位截面積上 所消耗的沖擊功。所消耗的沖擊功。 沖擊吸收功 Ak 作為材料韌性判據(jù)，與溫度、試樣形狀、尺寸、 表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷有關(guān)。 1.沖擊韌度對材料內(nèi)部缺陷反映很敏感沖擊韌度對材料內(nèi)部缺陷反映很敏感 能夠靈敏地顯示材料的宏觀缺陷和組織微小變化，因 此在生產(chǎn)中可用來檢驗(yàn)材料的冶金質(zhì)量,熱加工質(zhì)量 沖擊韌度對材料的 意義: 2.沖擊韌度隨溫度下降越?jīng)_擊韌度隨溫度下降越 來越低來越低冷脆現(xiàn)象冷脆現(xiàn)象 在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料由 韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。

23、材 料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說明 低溫沖擊性能越好 低溫脆性隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?脆性狀態(tài)的現(xiàn)象 。 冷脆：材料因溫度降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并 引起脆性破壞的現(xiàn)象。 對壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。 體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變 溫度，而大多數(shù)面心立方金溫度，而大多數(shù)面心立方金 屬沒有。屬沒有。 沖擊韌性與溫度有密切的關(guān)系，溫度降低，沖 擊韌性隨之降低。當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí)材料的韌 性急劇下降，材料將由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀?態(tài)。這一溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）。 轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）越低，表明材料的低溫韌性 越好，對于在寒冷地區(qū)使用的材料要十分重要 。 金

24、屬材料的成分對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響很 大，一般的碳素鋼，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）大約為-20，某些合金鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫 度（ Tt ）可達(dá)-40以下。 1912年4月號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒于冰海，成了 20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。20世紀(jì)80年代后，材料科學(xué)家通過對打 撈上來的泰坦尼克號船板進(jìn)行研究，回答了80年的未解之謎。由于Titanic 號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，當(dāng)船在 冰水中撞擊冰山時(shí)，脆性船板使船體產(chǎn)生很長的裂紋，海水大量涌入使船 迅速沉沒。下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號，沖擊試樣是典型的脆 性斷口，右面的是近

25、代船用鋼板的沖擊試樣。 想想 一一 想想想想 一一 想想 人工作久了就會感人工作久了就會感 到疲勞，難道金屬到疲勞，難道金屬 工作久了也會疲勞工作久了也會疲勞 嗎？嗎？ 金屬的疲勞能得到金屬的疲勞能得到 恢復(fù)嗎？恢復(fù)嗎？ 金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，往往在金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，往往在 工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱 為疲勞。為疲勞。 8、疲勞強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度 1)疲勞現(xiàn)象疲勞現(xiàn)象 1998年年6月月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通 事故。一列高速列車脫軌，

26、造成事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。多人遇難。 事故的原因已經(jīng)查清，是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪事故的原因已經(jīng)查清，是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪“內(nèi)部疲內(nèi)部疲 勞斷裂勞斷裂”引起的。首先是一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導(dǎo)引起的。首先是一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導(dǎo) 致車輪脫軌，進(jìn)而造成車廂橫擺，此時(shí)列車正好過橋，致車輪脫軌，進(jìn)而造成車廂橫擺，此時(shí)列車正好過橋， 橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌 ，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5 節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動下節(jié)車

27、廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動下 接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導(dǎo)致了這場近接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導(dǎo)致了這場近50年年 來德國最慘重的鐵路事故。來德國最慘重的鐵路事故。 （1）交變載荷 引起疲勞破壞的外力，指載荷大小、甚至方 向均隨時(shí)間變化的載荷，其在單位面積上的平均 值即為變動應(yīng)力。 變動應(yīng)力可分為規(guī)則周期變動應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力 )和無規(guī)則隨機(jī)變動應(yīng)力兩種。 金屬疲勞產(chǎn)生的原因 （ 2）疲勞斷裂）疲勞斷裂 零件在循環(huán)應(yīng)力作用下零件在循環(huán)應(yīng)力作用下,在一處或幾處產(chǎn)生在一處或幾處產(chǎn)生 局部永久性累積損傷局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn)經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn) 生斷

28、裂的過程生斷裂的過程,稱為疲勞斷裂稱為疲勞斷裂. 疲勞斷裂由疲勞裂紋產(chǎn)生疲勞斷裂由疲勞裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展擴(kuò)展瞬時(shí)斷瞬時(shí)斷 裂三個(gè)階段組成。裂三個(gè)階段組成。 盡管疲勞失效的最終結(jié)果是部 件的突然斷裂,但實(shí)際上它們是 一個(gè)逐漸失效的過程，從開始 出現(xiàn)裂紋到最后破斷需要經(jīng)過 很長的時(shí)間。 疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三 個(gè)區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生 區(qū)（裂紋源）、裂紋擴(kuò)展區(qū)和 最后斷裂區(qū)。 （3）疲勞斷口）疲勞斷口 （3）疲勞斷口）疲勞斷口 軸的疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片） 2）疲勞曲線：）疲勞曲線：實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)

29、力最大值 max與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命） N的曲線關(guān)系。的曲線關(guān)系。 當(dāng)應(yīng)力低于某值時(shí)，材料經(jīng)受無限次循環(huán) 應(yīng)力也不發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱為材料 的疲勞極限，記作R（R為應(yīng)力比），就 是S-N曲線中的平臺位置對應(yīng)的應(yīng)力。 通常，材料的疲勞極限是在對稱彎曲疲勞 條件下（R1）測定的，對稱彎曲疲 勞極限記作-1。 疲勞極限疲勞極限 若疲勞曲線上沒有水平部分，常以規(guī)定斷 裂循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的應(yīng)力為條件疲勞極限。 對一般低、中強(qiáng)度鋼：107周次 對高強(qiáng)度鋼：108周次 對鋁合金，不銹鋼：108周次 對鈦合金：107周次 在工程中，有時(shí)根據(jù)零件壽命的要求， 在

30、規(guī)定的某一循環(huán)周次下，測出max，并 稱之為疲勞強(qiáng)度，實(shí)際上就是條件疲勞 極限。 3)3)提高疲勞極限的途徑提高疲勞極限的途徑 (1)(1)在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免尖角、缺口在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免尖角、缺口 和截面突變。和截面突變。 (2) (2) 提高零件表面加工質(zhì)量。提高零件表面加工質(zhì)量。 (3) (3) 對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。 1.4 金屬的工藝性能 金屬材料對加工工藝的適應(yīng)性稱為工藝金屬材料對加工工藝的適應(yīng)性稱為工藝 性能性能 。 一、鑄造性能 二、鍛壓性能 三、焊接性能 四、切削加工性能 金屬（材料）及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄 件的能力稱為鑄造性能。 1

31、、流動性：熔融金屬的流動能力稱為流動性。 主要受金屬化學(xué)成份和澆注溫度等的影響。 2、收縮性：鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積 和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性。 3、偏析傾向：金屬凝固后，內(nèi)部化學(xué)成分和組 織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。 鑄造性能： 鍛造性能： 用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良鍛件的 難易程度稱為鍛造性能。 鑄鐵不能鍛壓 。 焊接性能： 焊接性能是指金屬材料對焊接加工 的適應(yīng)性。 切削加工性能：切削加工（性能） 金屬材料的難易程度稱為切削加工 性能。 1.斷裂韌度斷裂韌度 低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí)工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí) 發(fā)生脆性斷裂發(fā)生脆性斷裂 由由裂紋裂紋引起引起 形式有張開型、

32、滑開型、撕開型形式有張開型、滑開型、撕開型 其中其中張開型張開型最危險(xiǎn)最危險(xiǎn) 斷裂韌度斷裂韌度K c表示金屬材料抵抗脆性斷裂 表示金屬材料抵抗脆性斷裂 的能力的能力 q1.5 金屬材料的其他性能金屬材料的其他性能 2.高溫下的力學(xué)性能高溫下的力學(xué)性能 特點(diǎn)特點(diǎn) （1）強(qiáng)度溫度升高而降低，鋼鐵材料工）強(qiáng)度溫度升高而降低，鋼鐵材料工 作溫度一般不超過作溫度一般不超過550 （2）發(fā)生蠕變現(xiàn)象）發(fā)生蠕變現(xiàn)象 材料高溫力學(xué)性能的表示方法材料高溫力學(xué)性能的表示方法 蠕變極限蠕變極限T/t 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度Tt 3.3.金屬的物理性能金屬的物理性能 指金屬在重力、電磁指金屬在重力、電磁 場、熱力（溫度）等

33、物理因素作用下，所表現(xiàn)出場、熱力（溫度）等物理因素作用下，所表現(xiàn)出 的性能或固有屬性。的性能或固有屬性。 包括包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和 磁性磁性等等 1 1）密度密度指在一定溫度下單位體積金屬的質(zhì)量指在一定溫度下單位體積金屬的質(zhì)量 2 2）熔點(diǎn)熔點(diǎn)金屬和合金從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫金屬和合金從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫 度。度。 純金屬有固定的熔點(diǎn)，合金的熔點(diǎn)決定于它的化純金屬有固定的熔點(diǎn)，合金的熔點(diǎn)決定于它的化 學(xué)成分。學(xué)成分。 3）導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性金屬傳導(dǎo)熱量的能力。金屬傳導(dǎo)熱量的能力。 常用熱導(dǎo)率表示常用熱導(dǎo)率表示 4）導(dǎo)電性導(dǎo)電性金屬能夠傳導(dǎo)

34、電流的性能。金屬能夠傳導(dǎo)電流的性能。 常用電阻率表示常用電阻率表示 5）熱膨脹率熱膨脹率金屬隨著溫度的變化而膨脹、金屬隨著溫度的變化而膨脹、 收縮的特性。收縮的特性。 熱脹冷縮熱脹冷縮 6）磁性磁性金屬在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強(qiáng)金屬在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強(qiáng) 弱的性能。弱的性能。 分為鐵磁性、順磁性、抗磁性金屬分為鐵磁性、順磁性、抗磁性金屬 4、金屬的化學(xué)性能、金屬的化學(xué)性能 1）耐腐蝕性耐腐蝕性金屬在常溫下抵抗氧、水及其金屬在常溫下抵抗氧、水及其 他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力。他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力。 2）抗氧化性抗氧化性金屬在加熱時(shí)抵抗氧化作用的金屬在加熱時(shí)抵抗氧化作用的 能力。能力

35、。 3）化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性是金屬的耐腐蝕性與抗氧化是金屬的耐腐蝕性與抗氧化 性的總稱。性的總稱。 一、判斷題一、判斷題 1.1.有些沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料其屈服點(diǎn)可用符號有些沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料其屈服點(diǎn)可用符號r0.2 r0.2表 表 示示 2.2.一般來說硬度高的金屬材料耐磨性也好。一般來說硬度高的金屬材料耐磨性也好。 3.3.壓痕直徑越大，材料硬度越高。壓痕直徑越大，材料硬度越高。 4.4.甲零件的硬度為甲零件的硬度為250HBS250HBS，乙零件的硬度為，乙零件的硬度為52HRC52HRC，則甲比乙的，則甲比乙的 硬度高。硬度高。 5.5.材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為

36、剛度。材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛度。 6.6.材料在多次交變載荷作用下的破壞現(xiàn)象稱為疲勞。材料在多次交變載荷作用下的破壞現(xiàn)象稱為疲勞。 7.7.強(qiáng)度高的材料，韌性都低。強(qiáng)度高的材料，韌性都低。 8.8.沖擊吸收功是機(jī)械零件設(shè)計(jì)選材的主要依據(jù)。沖擊吸收功是機(jī)械零件設(shè)計(jì)選材的主要依據(jù)。 9.9.某些機(jī)械零件工作時(shí)承受應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服點(diǎn)，也能發(fā)某些機(jī)械零件工作時(shí)承受應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服點(diǎn)，也能發(fā) 生突然性斷裂。生突然性斷裂。 10.10.拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣的伸長量與拉伸力總成正比。拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣的伸長量與拉伸力總成正比。 11.11.屈服點(diǎn)代表試樣在試驗(yàn)過程中力不增加，而仍能繼續(xù)伸長（屈服點(diǎn)代表試樣在試驗(yàn)過程中力不增加，而仍能繼續(xù)伸長（ 變形）時(shí)的應(yīng)力。變形）時(shí)的應(yīng)力。 12.12.金屬材料的硬度越高，其抵抗局部彈性變形能力越強(qiáng)。金屬材料的硬度越高，其抵抗局部彈性變形能力越強(qiáng)。 二、選擇題二、選擇題 1 1、拉伸試驗(yàn)可測定材料的（、拉伸試驗(yàn)可測定材料的（ ）。）。 A.A.強(qiáng)度強(qiáng)度 B.B.硬度硬度 C.C.塑性塑性 D.D.韌性韌性 2 2、材料在動