機(jī)械工程材料課件__幻燈片

1、緒緒 論論 材料是人類社會(huì)生活中廣泛應(yīng)用的物材料是人類社會(huì)生活中廣泛應(yīng)用的物質(zhì)，它是社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的標(biāo)志。質(zhì)，它是社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的標(biāo)志。 歷史學(xué)家根據(jù)制造生產(chǎn)工具的材料將歷史學(xué)家根據(jù)制造生產(chǎn)工具的材料將人類生活的時(shí)代分為：人類生活的時(shí)代分為： 石器時(shí)代石器時(shí)代青銅器青銅器時(shí)代時(shí)代鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代 研究材料的研究材料的成分成分-組織組織-性能性能之間關(guān)系的一門學(xué)科之間關(guān)系的一門學(xué)科基本理基本理 論論 材料科材料科 學(xué)學(xué) 金屬學(xué)金屬學(xué) 高分子高分子 學(xué)學(xué) 陶瓷陶瓷 學(xué)學(xué) 復(fù)合材料復(fù)合材料工程材料工程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 近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，同樣與材料緊密相連，近

2、代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，同樣與材料緊密相連，“能源、信息、材料能源、信息、材料”已成為現(xiàn)代技術(shù)的三已成為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，而前二者的發(fā)展均離不開材料。大支柱，而前二者的發(fā)展均離不開材料。 金屬材料金屬材料 黑色金屬黑色金屬有色金屬有色金屬 鑄鐵鑄鐵 碳鋼碳鋼 合金鋼合金鋼 鋁合金鋁合金 銅合金銅合金 其它有色金屬其它有色金屬 非金屬材料非金屬材料 高分子材料高分子材料 陶瓷材料陶瓷材料 復(fù)合材料復(fù)合材料 塑料塑料 橡膠橡膠 合成纖維合成纖維第一章 材料的性能n使用性能：使用性能：材料在使用過(guò)材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。程中所表現(xiàn)的性能。包括包括力學(xué)性能、物理性能力學(xué)性能、物理性能和和化化學(xué)性能。

3、學(xué)性能。神舟一號(hào)飛船n工藝性能：工藝性能：材料在加工過(guò)材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。程中所表現(xiàn)的性能。包括包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處鑄造、鍛壓、焊接、熱處理理和和切削性能等切削性能等。n材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形?；?，稱為變形。五萬(wàn)噸水壓機(jī)五萬(wàn)噸水壓機(jī)n外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。n外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。 低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/

4、l0一、彈性和剛度一、彈性和剛度n彈性：彈性：指標(biāo)為彈性極限指標(biāo)為彈性極限 e e，即即材料承受最大彈性變形時(shí)材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。的應(yīng)力。）（MPatgE e彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^(guò)熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。 n剛度：剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。變形

5、的能力。指標(biāo)為彈性模指標(biāo)為彈性模量量E E。 二、強(qiáng)度與塑性二、強(qiáng)度與塑性n強(qiáng)度：強(qiáng)度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。抵抗變形和破壞的能力。 s0.2n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s s：材料發(fā)生微材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。 條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.20.2：殘余變殘余變形量為形量為0.2%0.2%時(shí)的應(yīng)力值。時(shí)的應(yīng)力值。 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b b：材料斷裂前所材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。承受的最大應(yīng)力值。塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標(biāo)為：指標(biāo)為： 伸長(zhǎng)率：伸長(zhǎng)率：%100001

6、 lll %100010 FFF 斷面收縮率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象三、沖擊韌性三、沖擊韌性n是指材料抵抗沖擊載荷是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。作用而不破壞的能力。l指標(biāo)為沖擊韌指標(biāo)為沖擊韌性值性值ak( (通過(guò)沖通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得) )。韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度n材料的沖擊韌性隨溫材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。度下降而下降。在某在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象性值急劇下降的現(xiàn)象稱稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變溫度。溫度。材料材料的使用溫度應(yīng)高于韌的使用溫度應(yīng)高于

7、韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。心立方金屬?zèng)]有。TITANIC建造中的建造中的Titanic Titanic 號(hào)號(hào)TITANICTITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質(zhì)與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)量直接有關(guān)Titanic Titanic 號(hào)鋼板號(hào)鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用鋼板近代船用鋼板（右（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板四、疲勞四、疲勞n材料在低于材料在低于 s s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞

8、應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖n材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為最大應(yīng)力稱為疲勞極限疲勞極限。用。用 -1-1表示。表示。n鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為10107 7，有色金屬合金為，有色金屬合金為10108 8。疲勞斷口疲勞斷口通過(guò)通過(guò)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷減少表面缺陷，提高表面光潔度提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提等方法可提高材料疲勞抗力。高材料疲勞抗力。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）五、硬度五、硬度n材料抵抗表面局部塑性變材料

9、抵抗表面局部塑性變形的能力。形的能力。n布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)五、硬度五、硬度 n壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBSHBS表示，適用于表示，適用于布氏硬度值在布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。l符號(hào)符號(hào)HBSHBS或或HBWHBW之前的數(shù)字表之前的數(shù)字表示硬度值示硬度值, , 符號(hào)后面的數(shù)字按順?lè)?hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑序分別表示球體直徑、載荷及載載荷及載荷保持時(shí)間。荷保持時(shí)間。如如 120HBS10/1000/30120HBS10/1000/30 表表 示示直徑直徑為為10mm10

10、mm的鋼球在的鋼球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）載荷載荷作用下作用下保持保持30s30s測(cè)得的測(cè)得的布氏硬度布氏硬度值為值為120120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕n壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBWHBW表示，適用于表示，適用于布氏硬度在布氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。n布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。HB b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。還硬的材料。n適于測(cè)量適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼

11、退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, , 鑄鐵及有色金屬的硬度。鑄鐵及有色金屬的硬度。n材料的材料的 b b與與HBHB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 對(duì)于低碳鋼對(duì)于低碳鋼: : b b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 對(duì)于高碳鋼：對(duì)于高碳鋼： b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HB 對(duì)于鑄鐵：對(duì)于鑄鐵： b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或 b b(MPa)(MPa) 0.6(HB-40) 0.6(HB-40)洛氏硬度洛氏硬度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)n洛氏硬度用符號(hào)洛氏硬度用符號(hào) HRHR表 示 ，表 示 ， HR=HR=k k-(-(h h

12、1 1- -h h0 0)/0.002)/0.002n根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為常用的標(biāo)尺為A A、B B、C C。 n符號(hào)符號(hào)HRHR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。lHRAHRA用于測(cè)量高硬度材料用于測(cè)量高硬度材料, , 如如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕lHRBHRB用于測(cè)量低硬度材料用于測(cè)量低硬度材料, , 如如有色金屬和退火有色金屬和退火、正火鋼等。正火鋼等。lHRCHRC用于測(cè)量中等硬度材料

13、，用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。壓痕小，適用范圍廣。l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。測(cè)量結(jié)果分散度大。維氏硬度維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕n維氏硬度用符號(hào)維氏硬度用符號(hào)HVHV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。小負(fù)荷維氏硬度計(jì)小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)n根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法維氏硬度維氏硬度試驗(yàn)試驗(yàn) 、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)顯微維氏硬度試驗(yàn)。n維氏硬度保留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。 六、斷裂韌性六、斷裂韌性油輪斷裂和北極星導(dǎo)油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸與彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)材料中存在缺陷有關(guān) 1943年美國(guó)年美國(guó)T-2油輪