第1章_工程材料力學(xué)性能

1、版權(quán)所有, 1997 (c) Dale Carnegie & Associates, Inc. 工程材料工程材料 工程材料的分類工程材料的分類 金 屬 非 金 屬 復(fù)合材料 碳鋼 合金鋼 鋁合金 銅合金 鈦合金 鋼鐵 有色金屬 塑料 橡膠 陶瓷 聚合物 聚合物基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 前言前言 工程材料是構(gòu)成機械的物質(zhì)基礎(chǔ)。機械 的性能取決于其使用的材料，機械的進步依 賴于材料的進步。目前，用于機械制造的材 料有上千種，常用的也有上百種，并且還有 許多新的材料不斷地被創(chuàng)造出來。要想在眾 多材料中作出正確的選擇。既能保證使用性 能、便于加工，經(jīng)濟性又好。只有了解這些 材料，認識這些材料。 碳鋼

2、碳鋼 碳鋼又稱碳素鋼，其主要合金元 素為碳，含量在0.11.3%之間。 由于原料和冶煉工藝的限制，實際 使用的鋼中都含有硅、錳、硫、磷 等雜質(zhì)元素。 碳鋼分類碳鋼分類 n碳鋼常用的分類方法有三種： n1. 按碳含量進行分類 可分為低碳鋼(0.25%C)、中碳鋼(0.25- 0.55%C)、高碳鋼(0.55%C)。 n2. 按其用途進行分類 可分為結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼兩大類，前者用來制造各 種金屬構(gòu)件和機械零件，后者用來制造各種刀 具、模具和量具。 n3. 按其質(zhì)量等級分類 可分為普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和高級優(yōu)質(zhì)碳素 鋼。 合金鋼合金鋼 n鐵、碳和合金元素是合金鋼的基本組元。 或者說：合金鋼是加入合金

3、元素的鋼。 n合金鋼的強度高，塑韌性優(yōu)于碳鋼，抗腐 蝕性和抗氧化性也好。 合金鋼分類合金鋼分類 1. 按合金元素的含量分 低合金鋼 合金元素總含量5% 中合金鋼 合金元素總含量5-10% 高合金鋼 合金元素總含量10% 2. 按主要用途分 合金結(jié)構(gòu)鋼:滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼 合金工具鋼:刃具鋼、模具鋼、量具鋼 特殊性能鋼:不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼 有色金屬材料有色金屬材料 除鋼、鑄鐵之外的金屬叫有色金屬。 工程中常用的有色金屬有鋁、銅、鎂、 鈦金屬及其合金等。 有色金屬材料（一）有色金屬材料（一） n鋁合金 n比重小，比強度高。 n在空氣中的抗蝕性好。 n容易加工。 用以制造飛行器

4、各種承 力構(gòu)件，如蒙皮、壁板 、槳葉、活塞及火箭上 的液體燃料箱翼梁、螺 旋槳葉、起落架等。 也常用于汽車、摩托車 、家用電器、建筑等。 有色金屬材料（二）有色金屬材料（二） n銅合金 n機械性能好 n摩擦系數(shù)小 n在空氣環(huán)境下 具有良好的抗 蝕性。 n容易加工。 用途:制造滑動軸承、耐水 蝕零件、導(dǎo)熱零件等。 有色金屬材料（三）有色金屬材料（三） 鈦合金 n比強度高。 n抗蝕性好。 n耐高低溫。 n難加工。 n價格昂貴。 鈦合金航空航天中，應(yīng)用廣泛。用 于制造工作溫度不超過400的各 種飛機結(jié)構(gòu)和發(fā)動機零部件。如發(fā) 動機壓氣機盤、葉片，蒙皮等。液 體燃料火箭的儲氫罐也是鈦合金制 造的，其工作

5、溫度為-253。許多 民用領(lǐng)域如氯堿化工業(yè)及海水用泵 、閥、管道、換熱器、冷凝器等， 也廣泛采用鈦合金，并取得了良好 的經(jīng)濟效益。 鑄鐵鑄鐵 n鑄鐵是含碳量在2.11%以上，并含有硅、錳、 硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。 n常見鑄鐵有灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵和 球墨鑄鐵。 n灰口鑄鐵應(yīng)用較多，其的抗拉強度比鋼低得多， 但是鑄鐵中有石墨，能有效地吸收震動能量。 因石墨有潤滑作用，使鑄鐵有良好的耐磨性和 減磨性。鑄鐵價格便宜，好加工。 非金屬材料（一）非金屬材料（一） 塑料- 塑料是由聚合物為基礎(chǔ)添加各種助劑而 成的混合體系， 塑料由組成 n樹脂：樹脂是塑料的主要成份，它聯(lián)系和粘結(jié)其 它組分，對

6、塑料的性能起決定性作用。 n填充劑：彌補或改善樹脂的性能不足，另外可以 顯著地降低成本。 n增塑劑:增加材料塑性。 n固化劑：使線型高分子交聯(lián)成體型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 n穩(wěn)定劑：用來抵抗老化延長塑料壽命物質(zhì)。 n其它諸如發(fā)泡劑，抗靜電劑，染料，潤滑劑等等. 非金屬材料（二）非金屬材料（二） 橡膠 橡膠也是以有機高分子化合物為基礎(chǔ)的材料， 它具有高彈性和蓄能作用，因此是工程制造中不可 缺少的彈性材料、密封材料和減震材料。 n橡膠組成 n(1)生膠：未經(jīng)硫化的橡膠叫生膠，是橡膠主要成份， 對橡膠性能起決定作用，但單純生膠高溫發(fā)粘，低溫 性脆，常加入各種助劑并經(jīng)硫化制成工業(yè)用橡膠。 n(2)硫化劑：提高橡膠

7、的彈性和強度，常用的是硫磺。 n(3)軟化劑：增加橡膠塑性、降低硬度。 n(4)補強劑：提高橡膠強度，耐磨性。目前效果最好的 補強劑是碳黑。 n此外還有填充劑、防老化劑、著色劑等。 橡膠分類橡膠分類 n橡膠種類繁多，若以原料來區(qū)分，有天 然橡膠與合成橡膠，按合成橡膠性能及 用途又可分為通用橡膠及特種橡膠。 非金屬材料（三）非金屬材料（三） 陶瓷 用純度較高的人工合成原料制造的， 能滿足高溫、高強、功能性等要求 的特種陶瓷。常見的有氧化物、氮 化物、碳化物、硼化物等，而特種 陶瓷除燒結(jié)體外還包括單晶(晶須)、 纖維、薄膜及超細粉體等。 復(fù)合材料復(fù)合材料 n由兩種或更多材料經(jīng)人工復(fù)合而成的，性 能

8、優(yōu)于單一材料的合成材料。如玻璃鋼。 n復(fù)合材料中主要起增強作用的叫強化相； 主要起粘接作用的叫基體。 按基體分：聚合物基、金屬基、陶瓷基 按強化相分：顆粒增強、纖維增強、層疊復(fù)合 材料牌號材料牌號 牌號是代表材料的符號，牌號可表明材料的 種類、成分、性能等。 各類材料的編號方法是不同的。 n鋼鐵材料的編號方法 n有色金屬的編號方法 n其他材料的編號方法 鋼鐵材料的編號方法（一）鋼鐵材料的編號方法（一） n普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈 服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四個 部分組成。例：Q235 AF n其中Q表示屈服點“屈”字漢語拼音第一個字母； 235表示鋼材厚度16mm

9、時的屈服點值不小于 235MPa；A表示質(zhì)量等級A、B、C、D四級中的A級， F表示沸騰鋼。除此以外b表示半鎮(zhèn)靜鋼，Z表示 鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。 鋼鐵材料的編號方法（二）鋼鐵材料的編號方法（二） n優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號以平均碳含量的萬分 數(shù)，用兩位數(shù)字表示。 例如平均碳含量為0.45%的鋼，其牌號表示為 45。高級優(yōu)質(zhì)鋼則在其后加一個“A”字。如45A。 鋼鐵材料的編號方法（三）鋼鐵材料的編號方法（三） n碳素工具鋼的牌號是以其平均含碳量的千分 之幾表示，并在數(shù)字之前冠以“T”字。例如： T10鋼表示平均含碳量為1.0%的碳素工具鋼。如 為高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在數(shù)字之后再加一個“A”字， 如

10、T10A。 鋼鐵材料的編號方法（四）鋼鐵材料的編號方法（四） n合金鋼編號方法用漢字或化學(xué)元素符號代表合 金元素。碳含量與合金元素含量用數(shù)字表示。 對于結(jié)構(gòu)鋼，碳含量以萬分一為單位，用兩位 數(shù)字表示；對于工具鋼和不銹鋼，碳含量以千 分之一為單位，用一位數(shù)字表示。合金元素以 百分之一為單位，當含量小于1.5%時，一般不 標出含量。 例如：牌號為30CrMnSiA表示含0.30%C、 0.95%Cr、1.05% Mn、1%Si的高級優(yōu)質(zhì)鋼。 有色金屬的編號方法（一）有色金屬的編號方法（一） -變形鋁合金： 1. 防銹鋁合金LF：LF1 2. 硬鋁合金LY： LY11 3. 超硬鋁合金LC： LC9

11、 4. 鍛造鋁合金LD：LD5 -鑄造鋁合金： ZALSi12-含硅12%的鑄造鋁合金。 -代號：ZL102 有色金屬的編號方法（二）有色金屬的編號方法（二） -銅合金： -1. 紫銅（純銅）T1，T2， -2. 黃銅：銅鋅合金。H62 -3. 青銅：其他銅合金。QSn10-1。 識別下列材料牌號 牌號類別成分 12Cr2Ni4A 3Cr2W8V 40CrNiMo W18Cr4V 45 T8 ,T12 合金結(jié)構(gòu)鋼 合金工具鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 合金工具鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素工具鋼 識別下列材料牌號 牌號 類別 1Cr18Ni9Ti LY12 LC4 LF11 ZLSi12 不銹鋼 硬鋁 超硬鋁 防銹鋁

12、 鑄鋁 第一章 工程材料的性能 材料的性能中最主要的是力學(xué)性 能，包括：強度、硬度、塑性、沖 擊韌性、疲勞強度、斷裂韌性等等。 1.1 強度與塑性 強度MPa (MN/m2 ) 在外力作用下材料抵抗塑性變形 和斷裂的能力。 試件 用被測材料制成，有圓形、板形兩種： lo L D do ao lo L bo (a)園試樣 (b)板材試樣 材料拉伸 specimen 2.1 材料拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變 OA: 彈性變形 elastic deformation ABC: 屈服 yield CDE: 塑性變形 plastic deformation E: 斷裂 fracture 拉伸曲線 彈性變形階段 0

13、-p-e 彈塑性變形階 段（屈服-強化 -縮頸）e-s s-s s-b b-k 斷裂k o s 應(yīng)力 MPa b k ss p e 應(yīng)變 e =D L/L b 屈服 強化 縮頸 彈性變形 斷裂 應(yīng)力、應(yīng)變 n應(yīng)力：試樣單位面積上所承受的平均力 n=F/A。 F-力， A。-試樣的面積 應(yīng)變：試樣單位長度的伸長量 ne=DL/L DL 試樣的 伸長， L- 試樣的原長 材料承受載荷的限度是多大？ n不允許斷裂（特殊情況除外） n允許塑性變形么？ n允許彈性變形么？ 材料承受載荷的限度是設(shè)計時的依據(jù)， 規(guī)定為強度指標。 1. 抗拉強度(b) n抗拉強度：指材 料所能承受的最 大應(yīng)力。 b=Fb/A

14、0 nFb 試樣斷裂 前承受的最大載 荷。 nA0 試樣原始 截面積 o s MPa b k ss p e e =D l/L b o s MPa b k s s p e e =D l/L b 2.屈服強度 n屈服強度： n指材料產(chǎn)生屈服 時的應(yīng)力。 s=Fs/A0 nFs 屈服時的載 荷 nA0 試樣原始截 面積 條件屈服強度(0.2) n殘余應(yīng)變量為 0.2時的應(yīng) 力值。 nb 0.2 0.2 卸載曲線 彈性變形階段去 除外力，則應(yīng)變 隨應(yīng)力下降沿著 拉伸曲線回到原 點。 彈塑性變形階段 去除外力，應(yīng)變 不會完全恢復(fù)， 應(yīng)變沿與線彈性 階段斜率相同的 直線卸載。 o s 應(yīng)力 MPa b k

15、 b 屈服 強化 縮頸 彈性變形 斷裂 塑性變形 s 加工硬化 n經(jīng)過塑性變形的 金屬再次拉伸時， 將產(chǎn)生塑性變形 的應(yīng)力高于原來 的屈服強度。 n這種現(xiàn)象叫做加 工硬化或冷變形 硬化。 o s 應(yīng)力 MPa b k b 屈服 強化 縮頸 彈性變形 斷裂 塑性變形 s 3 剛度與彈性模量 剛度是指零件或構(gòu)件抵抗彈性變 形的能力。 取決于材料的彈性模量與結(jié)構(gòu)形狀。 L=PL/AE o 1 2 彈性模量 n是指在比例極 限(p )范圍內(nèi)， 材料所受的應(yīng)力 與產(chǎn)生的應(yīng)變之 比。 nE=s/e n材料1的彈性模 量大于材料2。 4. 塑性 n在外力作用下材料產(chǎn)生永 久變形而不被破壞的能力。 n 伸長率

16、() n L1-L0 n = 100 n L0 n斷面收縮率()。 n F0-F1 n y = 100 F0 lo do l1 d1 、值越大，表示金屬的塑 性越好。 n4.按GB699規(guī)定,15號鋼材出廠時,力學(xué)性能 指標應(yīng)不低于下列數(shù)值:b=372MN/m2、 s =225MN/m2、=27%、=55%。現(xiàn)購 進一批15號鋼材, 用它制成d0=10mm, L0=50mm拉伸試樣,作拉伸試驗的結(jié)果是: Pb=33844N, Ps=20699N、d1=6mm, L1=65mm。試計算這批鋼材的力學(xué)性能是 否合格。 )/(9.430 33844 2 2 5 mMN Fo Pb b= = s )/

17、(5.263 5 20699 2 2 mMN Fo Ps s= = s %30 50 5065 %100 0 01 = = = l LL y %64 5 35 %100 2 2 0 10 = = F FF x= 1.2 硬度 材料抵抗表面局部塑性變形及破 壞的能力。 常用硬度測定方法: 硬物壓入法 劃痕法 工業(yè)常用壓入法。 1. 布氏硬度(HB) 布氏硬度計布氏硬度計 硬物：球形壓頭(D = 10、5、2.5、2、1mm) 載荷：P HBS:普通淬火鋼球 硬度值在450以下 HBW:硬質(zhì)合金球 硬度值在450650 HBS(HBW)= P F 2. 洛氏硬度(HR) 載荷： 初載荷98N并壓入

18、深度h1 主載荷(490N或882N 或1372N)使壓入深度達h2 ； 卸除主載荷、保留初載荷， 壓入深度減小為h3 。 洛氏硬度的計算深度值 h= h3 -h1。 HR = 0 1 2 3 0 1 2 3 h1 h3 h2 K= 0.2 壓頭 被測材料 硬物：頂角120金鋼石圓錐(或1.588mm淬火鋼球) K-h 0.002 幾種常用洛氏硬度標度 壓頭主載荷測量 范圍 應(yīng)用材料 HRA 金剛石 490N 20 88 表面硬化層、 硬質(zhì)合金等 HRB 淬火鋼 球 882N 20 100 有色金屬，退 火、正火鋼等 HRC 金剛石 1372N 20 70 淬火鋼、調(diào)質(zhì) 鋼等 h1-h0 洛氏

19、硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖 洛氏硬度計洛氏硬度計 3. 維氏硬度(HV) 壓頭：頂角為136的 金剛石正四棱錐體 HV = 載 荷 P ： 分 為 六 級 (49,98,196,294,490, 980N)。 d d P 136 P F 1.3 沖擊韌性 沖擊韌性是材料在沖擊力作用下抵 抗斷裂的能力。 脆性材料沖擊韌性值很低。 面心立方晶格金屬低溫下會變脆。 沖擊實驗 55 10 8 5510 8 2 40 30 22 橫梁式懸梁式 試樣 沖擊韌性 Ak=G(H-h) ak= J/cm2) （AK）：沖斷試樣所消耗的功(J) （aK）：沖擊韌性(J/cm2) Ak F 沖擊 h 試樣 擺錘 H 注：金屬材料的 ak不能直接應(yīng)用 于零件的設(shè)計計 算 沖擊試驗機沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖 impact test 1.4 疲勞斷裂和疲勞強度 疲勞斷裂 機械零件在交變載荷作用下，其工作應(yīng)力 遠小于抗拉強度，甚至小于屈服強度時， 在長時間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象稱為 疲勞斷裂。 疲勞強度 是指材料經(jīng)無限多次應(yīng)力循環(huán)仍不斷 裂時的最大應(yīng)力。它表征了材料抵抗疲勞 斷裂的能力。 疲勞源 裂 紋 擴 展 最終破斷區(qū) 疲勞機理 缺陷處首先產(chǎn)生疲 勞裂紋，并隨應(yīng) 力循環(huán)不斷擴展， 直