機(jī)械工程材料第一章

1、機(jī)械工程材料機(jī)升12級(jí)緒論一、一、 材料的發(fā)展材料的發(fā)展 石器時(shí)代（石器、陶器 、瓷器） 青銅器時(shí)代 鐵器時(shí)代 新材料時(shí)代（人工合成材料、復(fù)合材料） 材料的制造與使用水平是材料的制造與使用水平是 人類文明進(jìn)步的劃分標(biāo)志人類文明進(jìn)步的劃分標(biāo)志材料、能源、信息是材料、能源、信息是 現(xiàn)代社會(huì)、現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱現(xiàn)代社會(huì)、現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱具有特殊物理性能或功能的材料（電、磁、熱、光等）用于制造各種結(jié)構(gòu)件（機(jī)械、工程）由兩種或兩種以上不同材料組合而成三、與三、與工程材料工程材料有關(guān)的基本概念有關(guān)的基本概念 工程材料工程材料：用于制造工程構(gòu)件、機(jī)械零件、工具等 機(jī)械工程材料：機(jī)械工程材料：機(jī)械工程中常用

2、的材料 工程材料的性能要求：工程材料的性能要求：使用性能：機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等加工工藝性能: 鑄、鍛、焊、熱處理、機(jī)械加工等礦藏豐富 定義：定義： 大型鑄鋼件熱處理爐真空淬火爐箱式電阻爐固態(tài)金屬材料加熱冷卻獲得所需要的組織和性能保溫 目的及重要性：目的及重要性：改善組織結(jié)構(gòu) 提高性能 提高使用壽命 減低成本 熱處理熱處理 四、本課程主要內(nèi)容、目的、要求四、本課程主要內(nèi)容、目的、要求u主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 金屬學(xué)原理、熱處理原理及工藝、常用鋼鐵材料u目的：目的： 重點(diǎn)掌握鋼鐵材料成分、組織、工藝與性能之間的關(guān)系 能夠合理選材、正確制定熱處理工藝第一章第一章 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的

3、力學(xué)性能金屬材料的性能：使用性能：材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。 金屬材料的力學(xué)性能是指材料在不同環(huán)境因素下，抵抗載荷引起的變形和斷裂的能力。 當(dāng)材料的抗力與服役條件不相適應(yīng)時(shí)，材料的功能即出現(xiàn)失效現(xiàn)象。 各種抵抗外加載荷失效的指標(biāo)即是材料的力學(xué)性能指標(biāo)五萬(wàn)噸水壓機(jī)五萬(wàn)噸水壓機(jī)第一節(jié)第一節(jié) 強(qiáng)度、剛度、彈性及塑性強(qiáng)度、剛度、彈性及塑性一、拉伸試驗(yàn)及曲線應(yīng)力應(yīng)力 = = F F/ /A A0 0應(yīng)變應(yīng)變 = ( = (l l- -l l0 0)/)/l l0 0低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的

4、應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力應(yīng)力 = F/A0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l0不受材料尺寸的影響，直接反應(yīng)材料本身的力學(xué)性能二、剛度和彈性l剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。剛度要求：絕大多數(shù)材料是在彈性變形的狀態(tài)下工作的，不允許有塑形變形。材料指標(biāo)：彈性模量E。 注意： 構(gòu)件的剛度取決于結(jié)構(gòu)和材料（即彈性模量），而彈性模量主要取決于材料本身的性質(zhì)，而熱處理、微合金化以及塑形變形等對(duì)此影響很小。 tgE 彈性指標(biāo)：彈性比功。是材料在彈性變形階段過(guò)程中吸收變形功的能力，一般可用材料彈性變形達(dá)到彈性極限時(shí)單位體積吸收的彈性變形功表示彈性的重要性：減振或儲(chǔ)能元件彈性極限e：是

5、材料不產(chǎn)生塑性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值。重要性：對(duì)于設(shè)計(jì)工作中不允許有微量變形的零件是一項(xiàng)重要依據(jù)三、強(qiáng)度與塑性 強(qiáng)度：材料在靜載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。屈服強(qiáng)度s：材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。條件屈服強(qiáng)度0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值?？估瓘?qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。l塑性塑性指標(biāo)：指標(biāo)：一般用伸長(zhǎng)率()或斷面收縮率()來(lái)反映材料塑性的好壞。伸長(zhǎng)率：%llkl10000%10000AAAK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 說(shuō)明： 用斷面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。 直徑d0 相同時(shí)，l0，。只有當(dāng)l0/d0 為常數(shù)時(shí)，塑

6、性值才有可比性。 當(dāng)l0=10d0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用10表示； 當(dāng)l0=5d0 時(shí)，伸長(zhǎng)率用5 表示。顯然5 10（20%） 時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征 1足夠的塑性、沖擊韌性 實(shí)際情況：經(jīng)過(guò)這種方法設(shè)計(jì)制造的一些大型工程構(gòu)件有的發(fā)生脆性斷裂事故。 原因：低應(yīng)力下材料宏觀裂紋的擴(kuò)展脆性斷裂（發(fā)生斷裂的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn) 小于材料的屈服強(qiáng)度）斷裂韌度的提出：材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。 一、裂紋擴(kuò)展的基本形式19431943年美國(guó)年美國(guó)T-2T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈北極星導(dǎo)彈裂紋擴(kuò)展的基本形式裂紋擴(kuò)展的基本形式二、裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K1l描述裂紋尖端場(chǎng)強(qiáng)弱的量Y：裂紋幾何形狀因子。 與裂紋

7、長(zhǎng)度有關(guān)。：零件的工作應(yīng)力a：裂紋尺寸；KI是力學(xué)參量aYKI三、斷裂韌度 K KICICY-Y-與裂紋形狀及加載方式有關(guān)的量c -c - 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力，即斷裂應(yīng)力；a ac c-裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸，稱為臨界裂紋尺寸； 材料的力學(xué)性能指標(biāo)CCICaYKaYKIl應(yīng)用（判斷構(gòu)件是否安全，合理選材）KIKIC 構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂KIKIC 構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件CCICaYK 1 1）測(cè)定了材料的的斷裂韌度）測(cè)定了材料的的斷裂韌度K K1C1C，并探傷測(cè)出零件（或構(gòu)，并探傷測(cè)出零件（或構(gòu)件）中裂紋尺寸件）中裂紋尺寸a a后，可確定零件（或構(gòu)件）的最大承載后，可確定零

8、件（或構(gòu)件）的最大承載能力能力 CC為載荷設(shè)計(jì)提供依據(jù)；為載荷設(shè)計(jì)提供依據(jù)； 2 2）已知材料的斷裂韌度）已知材料的斷裂韌度K K1C1C及零件（或構(gòu)件）的工作應(yīng)力，及零件（或構(gòu)件）的工作應(yīng)力，可確定其允許的最大裂紋尺寸可確定其允許的最大裂紋尺寸a ac c，為制定裂紋探傷標(biāo)準(zhǔn)提，為制定裂紋探傷標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)；供依據(jù)； 3 3）根據(jù)零件（或構(gòu)件）中工作應(yīng)力極裂紋尺寸）根據(jù)零件（或構(gòu)件）中工作應(yīng)力極裂紋尺寸a a，確定材，確定材料應(yīng)有的斷裂韌度料應(yīng)有的斷裂韌度 K K1C1C，為正確選用材料提供依據(jù)。，為正確選用材料提供依據(jù)。 應(yīng)用場(chǎng)合：主要用于高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的應(yīng)用場(chǎng)合：主要用于高

9、強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，或者是用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)零件，或者是用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)子等第五節(jié)第五節(jié) 疲勞疲勞一、疲勞現(xiàn)象一、疲勞現(xiàn)象l零件在變動(dòng)載荷作用下經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象(交變應(yīng)力或重復(fù)應(yīng)力交變應(yīng)力或重復(fù)應(yīng)力是指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性循環(huán)變化的載荷)疲勞應(yīng)力示意圖疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖 幾種常見的循環(huán)應(yīng)力疲勞斷裂的特點(diǎn)： (1)斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料靜載下的抗拉強(qiáng)度，甚至屈服強(qiáng)度, 疲勞斷裂屬低應(yīng)力脆斷。 (2)斷裂前無(wú)論是韌性材料還是脆性材料均無(wú)明顯的塑性變形，是一種無(wú)預(yù)兆、突然發(fā)生的斷裂，因此

10、危險(xiǎn)性極大l疲勞斷裂的原因： 應(yīng)力集中處； 材料缺陷。 疲勞斷裂的基本過(guò)程疲勞斷裂的基本過(guò)程 (1)(1)裂紋的產(chǎn)生裂紋的產(chǎn)生：由于材料本身的各種缺陷和結(jié)構(gòu)等原因，使零件受力時(shí)局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成疲勞裂紋源，達(dá)到一定條件時(shí)，產(chǎn)生裂紋。 (2)(2)裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展：裂紋形成后，在交變應(yīng)力作用下將不斷擴(kuò)展。一個(gè)疲一個(gè)疲勞源勞源兩個(gè)疲兩個(gè)疲勞源勞源微裂紋微裂紋疲勞疲勞條紋條紋 疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌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）疲勞極限：材料在交變載荷的作用下而不破壞的最大應(yīng)力。當(dāng)交變應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱時(shí)，疲勞極限用-1表示。 兩種類型疲勞曲線：a)鋼鐵材料，存在一個(gè)疲勞極限b)部分有色金屬(如鋁合金等)、高強(qiáng)鋼、腐蝕介質(zhì)下。條件疲勞極限不存在疲勞極限時(shí)，規(guī)定循環(huán)基數(shù)N0時(shí)的斷裂應(yīng)力r(N0)一般鋼鐵材料：107，最大循環(huán)應(yīng)力為疲勞極限；有色金屬，高強(qiáng)度鋼及腐蝕介質(zhì)作用下的鋼鐵：規(guī)定一個(gè)疲勞極限循環(huán)基數(shù)N0，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力“條件疲勞極限” r(N0)； 有色金屬N0 108； 腐蝕介質(zhì)N0 106循環(huán)周次N應(yīng)力maxO107-1rN021圖1-1