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?gòu)?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(jī)械的物質(zhì)基礎(chǔ)。機(jī)械的性能取決于其使用的材料，機(jī)械的進(jìn)步依賴于材料的進(jìn)步。目前，用于機(jī)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(lái)。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(jì)性又好。只有了解這些材料，認(rèn)識(shí)這些材料。碳鋼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

2、間。由于原料和冶煉工藝的限制，實(shí)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(jìn)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(jìn)行分類可分為結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼兩大類，前者用來(lái)制造各種金屬構(gòu)件和機(jī)械零件，后者用來(lái)制造各種刀具、模具和量具。n3. 按其質(zhì)量等級(jí)分類可分為普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和高級(jí)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(shuō)：合金鋼是加入合金元素的鋼。n合金鋼的強(qiáng)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

3、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(qiáng)度高。n在空氣中的抗蝕性好。n容易加工。用以制造飛行器各種承力構(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

4、色金屬材料（二）n銅合金n機(jī)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(dòng)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(qiáng)度高。n抗蝕性好。n耐高低溫。n難加工。n價(jià)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(guò)400的各種飛機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。如發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片，蒙皮等。液體燃料火箭的儲(chǔ)氫罐也是鈦合金制造的，其工作溫度為-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(jì)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

5、。n常見(jiàn)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(qiáng)度比鋼低得多，但是鑄鐵中有石墨，能有效地吸收震動(dòng)能量。因石墨有潤(rùn)滑作用，使鑄鐵有良好的耐磨性和減磨性。鑄鐵價(jià)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(shù)脂：樹(shù)脂是塑料的主要成份，它聯(lián)系和粘結(jié)其它組分，對(duì)塑料的性能起決定性作用。n填充劑：彌補(bǔ)或改善樹(shù)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(lái)抵抗老化延長(zhǎng)塑料壽命物質(zhì)。n其它諸如發(fā)泡劑，抗靜電劑，染料，潤(rùn)滑劑等等.非金

6、屬材料（二）非金屬材料（二）橡膠 橡膠也是以有機(jī)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(duì)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：提高橡膠的彈性和強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)劑：提高橡膠強(qiáng)度，耐磨性。目前效果最好的補(bǔ)強(qiáng)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(lái)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

7、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(qiáng)、功能性等要求的特種陶瓷。常見(jiàn)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(xì)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(qiáng)作用的叫強(qiáng)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(qiáng)化相分：顆粒增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)、層疊復(fù)合材料牌號(hào)材料牌號(hào)牌號(hào)是代表材料的符號(hào)，牌號(hào)可表明材料的種類、成分、性能等。各類材料的編號(hào)方法是不同的。n鋼鐵材料的編號(hào)方法n有色金屬的編號(hào)

8、方法n其他材料的編號(hào)方法鋼鐵材料的編號(hào)方法（一）鋼鐵材料的編號(hào)方法（一）n普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)等四個(gè)部分組成。例：Q235 AF n其中Q表示屈服點(diǎn)“屈”字漢語(yǔ)拼音第一個(gè)字母；235表示鋼材厚度16mm時(shí)的屈服點(diǎn)值不小于235MPa；A表示質(zhì)量等級(jí)A、B、C、D四級(jí)中的A級(jí)，F(xiàn)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(hào)方法（二）鋼鐵材料的編號(hào)方法（二）n優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)以平均碳含量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，用兩位數(shù)字表示。例如平均碳含量為0.45%的鋼，其牌號(hào)表示為45。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼則在其后加一個(gè)“A”字。如

9、45A。鋼鐵材料的編號(hào)方法（三）鋼鐵材料的編號(hào)方法（三）n碳素工具鋼的牌號(hào)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(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則在數(shù)字之后再加一個(gè)“A”字，如T10A。鋼鐵材料的編號(hào)方法（四）鋼鐵材料的編號(hào)方法（四）n合金鋼編號(hào)方法用漢字或化學(xué)元素符號(hào)代表合金元素。碳含量與合金元素含量用數(shù)字表示。對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼，碳含量以萬(wàn)分一為單位，用兩位數(shù)字表示；對(duì)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(dāng)含量小于1.5%時(shí)，一般不標(biāo)出含量。例如：牌號(hào)為30CrMnSiA表示含0.30%C、0.

10、95%Cr、1.05% Mn、1%Si的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。有色金屬的編號(hào)方法（一）有色金屬的編號(hào)方法（一）-變形鋁合金：1. 防銹鋁合金LF：LF12. 硬鋁合金LY： LY113. 超硬鋁合金LC： LC94. 鍛造鋁合金LD：LD5-鑄造鋁合金：ZALSi12-含硅12%的鑄造鋁合金。-代號(hào)：ZL102有色金屬的編號(hào)方法（二）有色金屬的編號(hào)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(shí)別下列材料牌號(hào)牌號(hào)類別成分12Cr2Ni4A3Cr2W8V40CrNiMoW18Cr4V45T8 ,T12合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼合金結(jié)構(gòu)

11、鋼合金工具鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼識(shí)別下列材料牌號(hào)牌號(hào) 類別1Cr18Ni9TiLY12LC4LF11ZLSi12不銹鋼硬鋁超硬鋁防銹鋁鑄鋁第一章 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(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性等等。1.1 強(qiáng)度與塑性強(qiáng)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(cè)材料制成，有圓形、板形兩種：loLDdoaoloLbo(a)園試樣(b)板材試樣材料拉伸specimen2.1 材料拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變OA: 彈性變形elastic deformationABC: 屈服 yield CDE: 塑性變形plastic

12、deformation E: 斷裂 fracture 拉伸曲線彈性變形階段0-p-e彈塑性變形階段（屈服-強(qiáng)化-縮頸）e-s s-s s-b b-k斷裂kos應(yīng)力MPabksspe應(yīng)變e =D L/Lb屈服強(qiáng)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(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量ne=DL/LDL 試樣的 伸長(zhǎng)， L- 試樣的原長(zhǎng)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(jì)時(shí)的依據(jù)，規(guī)定為強(qiáng)度指標(biāo)。1. 抗拉強(qiáng)度(b)n抗拉強(qiáng)度：指材料所能承受的最大應(yīng)力。 b=Fb/A

13、0nFb 試樣斷裂前承受的最大載荷。nA0 試樣原始截面積osMPabksspe e =D l/LbosMPabksspe e =D l/Lb2.屈服強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度：n指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力。 s=Fs/A0nFs 屈服時(shí)的載荷nA0 試樣原始截面積條件屈服強(qiáng)度(0.2)n殘余應(yīng)變量為0.2時(shí)的應(yīng)力值。nb0.20.2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(diǎn)。彈塑性變形階段去除外力，應(yīng)變不會(huì)完全恢復(fù)，應(yīng)變沿與線彈性階段斜率相同的直線卸載。os應(yīng)力MPabkb屈服強(qiáng)化縮頸彈性變形斷裂塑性變形s加工硬化n經(jīng)過(guò)塑性變形的金屬再次拉伸時(shí)，將產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力高于原來(lái)的屈服強(qiáng)度

14、。n這種現(xiàn)象叫做加工硬化或冷變形硬化。os應(yīng)力MPabkb屈服強(qiáng)化縮頸彈性變形斷裂塑性變形s3 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/AEo1 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/en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(zhǎng)率()n L1-L0n = 100n L0n斷面收縮率()。n F0-F1n y = 100 F0lodol1d1、值越大，表示金屬的塑性越好。 n4.按GB699規(guī)定,15號(hào)鋼材出廠時(shí),力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)不低于下列數(shù)

15、值:b=372MN/m2、s =225MN/m2、=27%、=55%?，F(xiàn)購(gòu)進(jìn)一批15號(hào)鋼材, 用它制成d0=10mm, L0=50mm拉伸試樣,作拉伸試驗(yàn)的結(jié)果是: Pb=33844N, Ps=20699N、d1=6mm, L1=65mm。試計(jì)算這批鋼材的力學(xué)性能是否合格。)/(9.43033844225mMNFoPbb=s)/(5.26352069922mMNFoPss=s%30505065%100001=lLLy%64535%10022010=FFFx=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(cè)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(jì)布

16、氏硬度計(jì) 硬物：球形壓頭(D = 10、5、2.5、2、1mm)載荷：PHBS: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)= PF2. 洛氏硬度(HR)載荷：初載荷98N并壓入深度h1主載荷(490N或882N 或1372N)使壓入深度達(dá)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(jì)算深度值h= h3 -h1。 HR = 01230 1 2 3 h1 h3 h2 K= 0.2壓頭被測(cè)材料硬物：頂角120金鋼石圓錐(或1.588mm淬火鋼球)K-h0.002幾種常用洛氏硬度標(biāo)度壓頭主載荷測(cè)量范圍應(yīng)用材料HRA金剛石490N2088表

17、面硬化層、硬質(zhì)合金等HRB淬火鋼球882N20100有色金屬，退火、正火鋼等HRC金剛石1372N2070淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)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(jí) (49,98,196,294,490,980N)。ddP136 PF1.3 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(huì)變脆。沖擊實(shí)驗(yàn)5510855108 240 3022橫梁式懸梁式試樣沖擊韌性Ak=G(H-h) ak= J/cm2)（AK）：沖斷試樣

18、所消耗的功(J)（aK）：沖擊韌性(J/cm2)AkF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(jì)計(jì)算沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖impact test1.4 疲勞斷裂和疲勞強(qiáng)度疲勞斷裂機(jī)械零件在交變載荷作用下，其工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度，甚至小于屈服強(qiáng)度時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞強(qiáng)度是指材料經(jīng)無(wú)限多次應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂時(shí)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(kuò)展最終破斷區(qū)疲勞機(jī)理缺陷處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應(yīng)力循環(huán)不斷擴(kuò)展，直至突然斷裂。疲勞試驗(yàn) 試樣負(fù)荷計(jì)數(shù)器電機(jī)軸承支座 疲勞曲線 107力應(yīng)-1疲勞曲線一般鋼鐵的循環(huán)基數(shù)N取107 次，有色金屬的循環(huán)基數(shù)N取108 次。材料承受對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度用-1 表示。鋼材的-1 只有b 的50左右。力學(xué)性能指標(biāo)的應(yīng)用n強(qiáng)度n塑性n硬度n沖擊韌性1。強(qiáng)度材料實(shí)際工作時(shí)允許承受的最大應(yīng)力：許用應(yīng)力n塑性材料使用時(shí)不允許產(chǎn)生塑性變形： = s /nsn脆性材料在使用時(shí)，不允許產(chǎn)生斷裂： = b /nb1.ns 、 nb為安全系數(shù)：ns =1.52， nb =25。重要零件或受力復(fù)雜、服役條件差，取較大的安全系數(shù)。常用材料的強(qiáng)度范圍n退火碳鋼（含C 0.