清華版第一章力學(xué)部分

1、2022/8/311化學(xué)與工程工程材料2022/8/312緒論材料的定義 -用于制造有用的機(jī)器、器件或其它物品的物質(zhì)。中華民族為材料的發(fā)展和應(yīng)用作出了重大的貢獻(xiàn) 最早的工具石器 新石器時(shí)代(公元前6000-5000年)陶器 東漢時(shí)期瓷器，成為最早生產(chǎn)瓷器的國(guó)家 青銅的冶煉始于夏朝(公元前2140年始) 2022/8/313 在新材料和材料加工新工藝的研究工作中取得卓有成效的重大成果 緒論研制成功性能優(yōu)越、用途廣泛的新型結(jié)構(gòu)鋼 在C60和碳納米管新型碳材料的研究方面取得許多新的成果 在當(dāng)代，科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)飛躍發(fā)展。材料、能源與信息作為現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，發(fā)展格外迅猛。 隨著航空、航天、

2、電子、通訊等技術(shù)以及機(jī)械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的性能提出越來越高、越來越多的要求復(fù)合材料的發(fā)展。 2022/8/314材料的分類按結(jié)合鍵分類 原子、離子或分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。 金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料等 按使用用途分 建筑材料、工程材料、包裝材料、信息材料、生物醫(yī)用材料等。2022/8/315材料的特點(diǎn)及使用金屬有良好的導(dǎo)電性，有高的塑性與韌性陶瓷材料則有高的硬度但很脆，且大多是電的絕緣材料而高分子材料的彈性模量、強(qiáng)度、塑性都很低，多數(shù)也是不導(dǎo)電的。這些材料的不同性能都是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。從使用的角度看，一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品，人們總是力求其使用性能優(yōu)異、質(zhì)

3、量可靠、制造方便、價(jià)格低廉。而產(chǎn)品的使用性能又與材料的成分和組織，以及加工工藝之間的關(guān)系非常密切。2022/8/316工程材料 具有一定性能，在特定條件下能夠具有某種功能、被用來制作零件和元件的材料。工程材料2022/8/317課程學(xué)習(xí)目的及內(nèi)容目的 通過學(xué)習(xí)了解工程材料的基本理論和基本知識(shí)，掌握常用的工程材料的種類、成分、組織、性能和改性方法，以具備合理選用常用工程材料的初步能力，為學(xué)習(xí)其它相關(guān)課程（如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械加工制造、土木工程等）奠定必要的基礎(chǔ)。課程的基本內(nèi)容 工程材料的基本理論（材料的性能、結(jié)構(gòu)、組成之間的關(guān)系、材料的加工原理等）， 典型工程材料的生產(chǎn)、應(yīng)用簡(jiǎn)介 機(jī)械零件的失效、強(qiáng)

4、化、選材原則等2022/8/318第一章 工程材料的分類及性能1.1 工程材料分類2022/8/319金屬材料分為黑色金屬材料（鋼和鑄鐵）和有色金屬材料兩大類 黑色金屬：鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)； 有色金屬：黑色金屬以外的所有金屬及其合金，主要包括鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳合金等。金屬材料具有許多優(yōu)良的使用性能 良好的機(jī)械性能、物理性能和加工工藝性能等。包括金屬和以金屬為基的合金。工程應(yīng)用的金屬材料，原子間的結(jié)合鍵基本上為金屬鍵。 2022/8/3110非金屬材料無機(jī)非金屬材料 玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料高分子材料 工程上通常根據(jù)機(jī)械性能和使用狀態(tài)將其分為四大類： 塑料 合成纖維

5、 橡膠 膠粘劑2022/8/3111復(fù)合材料金屬材料和非金屬材料在性能上各有特點(diǎn)，如把兩種材料組合在一起，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，又可在一定程度上克服它們各自固有的弱點(diǎn)，即形成復(fù)合材料。復(fù)合材料可分為三大類型 高分子基復(fù)合材料、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合軸承材料塑料-玻璃鋼復(fù)合填料陶瓷基海綿2022/8/31121.2 材料的性能材料的性能主要是指材料的使用性能和工藝性能：2022/8/3113工藝性能（一）鑄造性能金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力，稱為鑄造性能。用流動(dòng)度、收縮性和偏析來衡量。鑄造： 將金屬熔化成液態(tài)后澆注入與擬成形的零件形狀及尺寸相適應(yīng)的模型空腔中，帶液態(tài)金屬冷卻凝固后將鑄

6、型打開（或破壞）取出所形成的鑄件毛坯。2022/8/31142022/8/3115（二）鍛造性能鍛造性能是指材料是否易于進(jìn)行壓力加工的性能。它取決于材料的塑性和變形抗力。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。2022/8/3116(三）焊接性能金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性稱為焊接性能鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素2022/8/3117（五）材料的熱處理性能通過加熱、保溫、冷卻的方法使材料在固態(tài)下的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。2022/8/31181.2.1 力學(xué)性能力學(xué)性能是指材料抵抗各種外加載荷的能力，包括剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。2022/8/3119彈性：如果一種材料在應(yīng)力

7、下發(fā)生形變，應(yīng)力撤銷后又恢復(fù)到原來的形狀，這種材料被稱為具有彈性。 剛度：材料抵抗彈性變形的能力。 彈性模量: 彈性狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變的 比值 (MPa) 彈性與剛度2022/8/31202022/8/3121彈性模量鋼鐵材料E 銅及銅合金E 鋁及鋁合金E金屬材料的彈性模量E 結(jié)構(gòu)不敏感性參數(shù)主要決定于材料的本身，是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一。注意：陶瓷材料，高分子材料，復(fù)合材料 E 結(jié)構(gòu)敏感 性參數(shù)實(shí)際上：機(jī)器零件或構(gòu)件的剛度= 截面積材料的剛度= AE值得注意的是材料的剛度和某個(gè)零件的剛度不是一回事。零件剛度的大小取決于零件的幾何形狀和材料的彈性模量2022/8/31222022/8/312

8、3強(qiáng)度強(qiáng)度：在外力作用下，材料抵抗變形和破壞的能力。 由拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定 根據(jù)外力作用的方法不同分為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等。其中屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)用最廣泛。 金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)其變形特點(diǎn)分下列幾個(gè)： 彈性極限(e) 表示材料保持彈性變形, 不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力, 是彈性零件的設(shè)計(jì)依據(jù)。 屈服點(diǎn)(s) 表示金屬開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力, 鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象, 則用條件屈服點(diǎn)(0.2)來表示: 產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值。 強(qiáng)度極限(抗拉強(qiáng)度b ) 表示金屬受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。2022/8/3124塑性：材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余

9、變形而不斷裂的能力。即材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。塑性 伸長(zhǎng)率() ：試樣拉斷后的相對(duì)伸長(zhǎng)量（伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距長(zhǎng)度之比）。 （L1L0）/L0100 斷面收縮率( )：試樣拉斷處橫截面積的相對(duì)收縮量（橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比。 （S0S1）/S01002022/8/3125硬度 布氏硬度（HB）：即用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓人試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后去除外力，在試樣表面留下球形壓痕。布氏硬度值是試驗(yàn)力除以壓痕球冠表面積（F/S）。在試驗(yàn)中硬度值不需計(jì)算，是用刻度放大鏡測(cè)出壓痕直徑d、然后對(duì)照查出相應(yīng)的布氏硬度值。 硬度：材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓

10、痕或劃痕的能力，用于衡量材料的軟硬程度。硬度測(cè)試方法（壓入法）：2022/8/3126布氏硬度指標(biāo)用符號(hào)：HB。HBS用淬火鋼球?yàn)閴侯^，適用于測(cè)量布氏硬度值在450以下的金屬材料；HBW用硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^適用于測(cè)量布氏硬度值在450650之間的金屬材料。硬度數(shù)值均標(biāo)寫在布氏硬度符號(hào)之前。如，230HBS、500HBw。特點(diǎn)：布氏硬度試驗(yàn)壓痕較大，試驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確。但試驗(yàn)結(jié)果的求得較麻煩，費(fèi)時(shí)間。主要用于測(cè)量布氏硬度值小于450的較軟金屬材料的硬度，如熱軋鋼材，經(jīng)退火、正火、調(diào)質(zhì)處理的鋼和有色金屬等；適用于原材料、鑄造和鍛造的毛坯件、半成品件；還適用于測(cè)定鑄鐵及滑動(dòng)軸承合金等軟且組織不均勻的材料布

11、氏硬度的壓痕大，不能測(cè)定成品件的硬度，不適于測(cè)太薄的材料硬度。2022/8/3127洛氏硬度（HR）：以一定尺寸的淬火鋼球或以頂角為120 的金剛石圓錐壓入試樣表面。試驗(yàn)時(shí)，先加初試驗(yàn)力，然后再加主試驗(yàn)力。壓入試樣表面之后經(jīng)規(guī)定時(shí)間去除主試驗(yàn)力，在保留初試驗(yàn)力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深度確定被測(cè)材料的洛氏硬度。 優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單、迅速，可測(cè)定軟硬不同、厚度不一的試樣，可在成品上測(cè)試； 缺點(diǎn)：精度差，數(shù)據(jù)重復(fù)性差。(a)加初始試驗(yàn)力F0 h02022/8/31282022/8/3129維氏硬度（HV)：以壓痕單位表面積所承受試驗(yàn)力大小來計(jì)算硬度值的。它是用對(duì)面夾角為136 的金剛石四棱錐體，在一

12、定試驗(yàn)力作用下，在試樣試驗(yàn)面上壓出個(gè)正方形壓痕。根據(jù)壓痕兩條對(duì)角線的長(zhǎng)度查出維氏硬度值。 優(yōu)點(diǎn)：精確度高，測(cè)量的硬度范圍寬，特別適用于測(cè)定工件表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度。 缺點(diǎn)：測(cè)試手續(xù)復(fù)雜。2022/8/3130各種硬度的硬度值之間不存在理論上的換算關(guān)系，它們之間不能用來直接比較材料的硬度高低。在要求不很精確時(shí)使用。 當(dāng)布氏硬度值在200600HBS(W)范圍時(shí)： HRC110HBS(W) 當(dāng)布氏硬度值小于450HBS時(shí)： HBSHV HS16HBS 硬度指標(biāo)的測(cè)定與其他力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)定相比較，其試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便、迅速、易掌握，不需要特殊加工試樣，試樣可以是大小、厚薄、形狀各異的原材料

13、，也可以是毛坯件或成品零件。 生產(chǎn)中常把硬度指標(biāo)作為技術(shù)條件之一標(biāo)注在圖樣中。表14所列是一些鋼件的硬度要求.2022/8/31312022/8/3132疲勞強(qiáng)度構(gòu)件常受低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力的反復(fù)作用。這種循環(huán)應(yīng)力常伴隨旋轉(zhuǎn)、彎曲、振動(dòng)而產(chǎn)生。這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，但如果工作時(shí)間較長(zhǎng)，在經(jīng)過多次加載-卸載后，材料仍有可能破壞。這種模式稱為疲勞。2022/8/3133疲勞失效與一次脆斷不同，其損傷是逐漸積累、逐漸發(fā)展的。疲勞是一種很危險(xiǎn)的也是工程構(gòu)件中最常見的失效形式。測(cè)量材料耐疲勞的通常方法是旋轉(zhuǎn)懸臂梁試驗(yàn)。圓柱形的試件一端固定在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的卡盤上，重物懸

14、掛在另一端。開始時(shí)試件的上表面承受拉力，下表面承受壓力。試件旋轉(zhuǎn)90度后，原來產(chǎn)生壓力和拉力的地方不再有應(yīng)力作用。旋轉(zhuǎn)180度時(shí)，原來承受拉力的地方承受壓力。因而，每一點(diǎn)的應(yīng)力都將從拉應(yīng)力最大轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力最大，其軌跡為完整的正弦曲線。2022/8/3134經(jīng)過數(shù)次循環(huán)后，試件或許會(huì)破壞。總體上，一系列試件需要在不同的荷載下進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果以-N曲線的形式給出，即應(yīng)力相對(duì)破壞時(shí)循環(huán)的次數(shù)N的曲線。由于N值的范圍較大，這就以為描繪-N曲線時(shí)，N值坐標(biāo)需要采用對(duì)數(shù)刻度鋼鐵材料：107次非鐵合金：108次2022/8/3135部分工程材料的疲勞極限-1（MPa）2022/8/3136提高材料疲勞極限的途

15、徑1、設(shè)計(jì)方面 盡量使用零件避免交角、缺口和截面突變，以避免應(yīng)力集中及其所引起的疲勞裂紋。2、材料方面 通常應(yīng)使晶粒細(xì)化，減少材料內(nèi)部存在的夾雜物和由于熱加工不當(dāng)引起的缺陷。如疏松、氣孔和表面氧化等。3、機(jī)械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。4、零件表面強(qiáng)化方面 可采用化學(xué)熱處理、表面淬火、噴丸處理和表面涂層等，使零件表面造成壓應(yīng)力，以抵消或降低表面拉應(yīng)力引起疲勞裂紋的可能性。2022/8/3137金屬材料的80%斷裂屬于疲勞斷裂疲勞斷裂的原因是表面或內(nèi)部存在著缺陷，這些部位的局部應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度，從而產(chǎn)生局部的塑性變形而引起開裂，這些開裂口的尺寸隨著循環(huán)次數(shù)的增加，而不斷擴(kuò)展，使承受應(yīng)力的面

16、積大大減少，而不能承受載荷力而發(fā)生突然的斷裂。2022/8/3138疲勞斷裂的基本過程:(1)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)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。(3) 斷裂：隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，有效承載面逐漸減小，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度或斷裂韌度時(shí)，發(fā)生快速斷裂。2022/8/3139韌性韌性：材料斷裂時(shí)所需能量的量度。沖擊韌度(ak )：材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為沖擊韌性。 常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來測(cè)定。測(cè)得試樣沖擊吸收功,用符號(hào) Ak 表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口

17、處截面積 S0 , 即得到材料的沖擊韌度 ak。 斷裂韌度：材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力叫斷裂韌性。 應(yīng)力強(qiáng)度因子：K=Ya1/2 K 應(yīng)力強(qiáng)度因子（MNm-3/2）； Y 與裂紋形狀、試樣幾何形狀有關(guān)的參數(shù)； 外加應(yīng)力 （MPa） a 裂紋半長(zhǎng) （mm） 臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kc：材料本身的特性，是一個(gè)反映材料性能的常數(shù)。2022/8/3140擺錘式一次沖擊試驗(yàn)原理2022/8/3141液壓式萬能電子材料試驗(yàn)機(jī)2022/8/3142低碳鋼- 曲線分析Oabcde試件在拉伸過程中經(jīng)歷了四個(gè)階段，有兩個(gè)重要的強(qiáng)度指標(biāo)。 ob段彈性階段(比例極限p彈性極限e )bc段屈服階段屈服點(diǎn) scd段強(qiáng)化階段

18、 抗拉強(qiáng)度 bde段縮頸斷裂階段 b eps2022/8/3143工程實(shí)踐中,常按材料在拉伸斷裂前是否發(fā)生塑性變形,將材料分為塑性材料和脆性材料兩大類。從理論上講,脆性材料在拉伸斷裂前僅發(fā)生彈性變形，不產(chǎn)生塑性變形 (5%)。塑性材料在拉伸斷裂前不僅產(chǎn)生均勻伸長(zhǎng),而且發(fā)生頸縮現(xiàn)象.且塑性變形量大(5%) 。低碳鋼是典型的塑性材料( 20%-30%)，鑄鐵是典型的脆性材料(1%)2022/8/31441.2.2 材料的物理性能密度 單位體積的物質(zhì)的質(zhì)量。熔點(diǎn) 材料的熔化溫度。陶瓷的熔點(diǎn)一般都顯著高于金屬及合金的熔點(diǎn)，而高分子材料一般不是完全晶體，所以沒有固定的熔點(diǎn)。導(dǎo)熱性 材料傳導(dǎo)熱量的性能。一般來說金屬及合金的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于非金屬材料。導(dǎo)電性 材料傳導(dǎo)電流的能力。金屬及其合金具有良好的導(dǎo)電性，高分子材料都是絕緣體； 陶瓷材料雖是良好的絕緣體，但某些成分的陶瓷卻是半導(dǎo)體。 2022/8/3145熱膨脹性 材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性一般，陶瓷的熱脹系數(shù)最低，金屬次之，高分子材料的線脹系數(shù)最高。磁性材料 能導(dǎo)磁的性能磁性材料分軟磁材料和永磁材料。 軟磁材料易磁化、導(dǎo)磁性良好，外磁場(chǎng)去除后，磁性基本消失，如電工純鐵 、硅鋼片等。 永磁材料是經(jīng)磁化，保持磁場(chǎng)，磁性不易消