機(jī)械工程材料課件

機(jī)械工程材料課件.第一頁，共30頁。緒論第一章工程材料的力學(xué)性能第二章金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)第三章金屬的塑性變形與再結(jié)晶第四章鋼的熱處理第五章金屬材料第六章非金屬材料第七章機(jī)械零件的失效與選材第八章新材料和新工藝第二頁，共30頁。緒論1.1材料與人類文明1.2工程材料的分類1.3課程性質(zhì)與任務(wù)第三頁，共30頁?！?.1材料與人類文明

材料是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是先于人類存在的，是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。一、材料二、人類發(fā)展與材料人類按照在使用中占主導(dǎo)地位的材料劃分歷史：石器時(shí)代→陶器→青銅器→鐵器→鋼鐵（資本主義大工業(yè)時(shí)期）→合成材料（20世紀(jì)）→復(fù)合材料（20世紀(jì)40年代）第四頁，共30頁。三、材料科學(xué)技術(shù)――現(xiàn)代文明的支柱之一

支撐人類文明大廈的四大支柱技術(shù)：材料科學(xué)與技術(shù)生物科學(xué)與技術(shù)能源科學(xué)與技術(shù)信息科學(xué)與技術(shù)第五頁，共30頁?！?.2工程材料的分類一、按來源分為天然材料和人工材料二、按化學(xué)成分、結(jié)合鍵的特點(diǎn)分為：

第六頁，共30頁。1、金屬材料

（1）黑色金屬：是指鐵和以鐵為基的合金材料，即鋼鐵材料，它占金屬材料總量的95％以上。（2）有色金屬：是指除鐵基合金之外的所有金屬及其合金材料。2、非金屬材料（1）陶瓷材料：是指硅酸鹽、金屬與非金屬的氧化物、氮化物、碳化物等。（2）高分子材料：又稱聚合物材料，主要成分為碳和氫。主要有橡膠、塑料、合成纖維和膠粘劑等。3、復(fù)合材料

：是指把兩種或兩種以上具有不同性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而構(gòu)成的新型材料。有樹脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。第七頁，共30頁。

§1.3課程性質(zhì)與任務(wù)1、性質(zhì)在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中不可避免地要對(duì)工程材料的選擇、應(yīng)用與加工等問題進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的分析并予以全面正確的解決?！皺C(jī)械工程材料”課程是機(jī)械類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。2、任務(wù)通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生在獲得工程材料一般知識(shí)的基礎(chǔ)上，了解常用材料成分、組織、性能和加工工藝之間的關(guān)系及其用途，從而使其初步具備合理選擇材料和使用材料、正確選擇加工方法及安排制定加工工藝路線的能力，也為后繼有關(guān)課程的學(xué)習(xí)奠定必要的材料學(xué)基礎(chǔ)。第八頁，共30頁。第一章工程材料的力學(xué)性能

[本章內(nèi)容]1.1材料的強(qiáng)度與塑性1.2材料的硬度1.3材料的沖擊韌性1.4材料的疲勞強(qiáng)度1.5材料的斷裂韌度[重點(diǎn)掌握]

各種力學(xué)性能指標(biāo)（強(qiáng)度,塑性；沖擊韌性；硬度HB，HRC，HV；疲勞強(qiáng)度，斷裂韌性。）的物理意義和單位。第九頁，共30頁。§1.1材料的強(qiáng)度與塑性1.拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線2.拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義1.1材料的強(qiáng)度與塑性第十頁，共30頁。一、靜載單向靜拉伸應(yīng)力――應(yīng)變曲線1.拉伸試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d01.1材料的強(qiáng)度與塑性第十一頁，共30頁。

低碳鋼拉伸曲線ΔLF0

脆性材料拉伸曲線2.拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線：縱坐標(biāo)為應(yīng)力單位MPa(MN/mm)，橫坐標(biāo)為應(yīng)變.其中：σ=F/S

表示材料抵抗變形和斷裂的能力1.1材料的強(qiáng)度與塑性第十二頁，共30頁。3.曲線分為四階段：1）階段I（ope）――彈性變形階段p:Fp

，e:Fe（不產(chǎn)生永久變形的最大抗力）op段：△L∝P

直線階段pe段：極微量塑性變形（0.001--0.005%)2）階段II（ess’）段――屈服變形S:屈服點(diǎn)

Fs3）階段III（s’b）段――均勻塑性變形階段b:

Fb

材料所能承受的最大載荷

4）階段IV(bK)段――局部集中塑性變形－－頸縮

鑄鐵、陶瓷：只有第I階段中、高碳鋼：沒有第II階段

1.1材料的強(qiáng)度與塑性第十三頁，共30頁。二、拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義1．剛度

剛度：材料在受力時(shí)，抵抗彈性變形的能力。E=σ/ε彈性模量

GPa,MPa

本質(zhì)是：反映了材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度，組織不敏感的力學(xué)指標(biāo)。

2.強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。

屈服強(qiáng)度s：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。即在拉伸試驗(yàn)過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長時(shí)的應(yīng)力。1.1材料的強(qiáng)度與塑性第十四頁，共30頁。條件屈服強(qiáng)度0.2：對(duì)于屈服現(xiàn)象不明顯的材料（高碳鋼等），國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值作為它的條件屈服強(qiáng)度，以σ0.2來表示。抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值）。

s0.21.1材料的強(qiáng)度與塑性第十五頁，共30頁。3.塑性：塑性是一種在某種給定載荷下,材料產(chǎn)生永久變形的材料特性。延伸率斷面收縮率

=△A/Ao=(Ao-Ak)/Aox100%

>時(shí)，無頸縮，為脆性材料表征；

<時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征。斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象1.1材料的強(qiáng)度與塑性第十六頁，共30頁。§1.2材料的硬度抵抗外物壓入的能力，稱為硬度――綜合性能指標(biāo)。1．布氏硬度（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球）1.2材料的硬度第十七頁，共30頁。壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。1.2材料的硬度第十八頁，共30頁。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：對(duì)于低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB對(duì)于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB對(duì)于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。硬度表示：120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。1.2材料的硬度第十九頁，共30頁。2．洛氏硬度120°圓錐常用標(biāo)尺有：A、B、C三種①HRA硬、薄試件，如硬質(zhì)合金、表面淬火層和滲碳層。③HRC較硬，淬硬鋼制品；如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。②HRB輕金屬，未淬火鋼，如有色金屬和退火、正火。1.2材料的硬度洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。缺點(diǎn)：易受材料不均勻的影響，重復(fù)性差。洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)第二十頁，共30頁。維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度計(jì)3.維氏硬度1.2材料的硬度維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：既可測(cè)量由極軟到極硬的材料的硬度，又能互相比較。既可測(cè)量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測(cè)量金相組織中不同相的硬度。

由于各種硬度的試驗(yàn)條件不同，它們之間沒有直接的換算關(guān)系。標(biāo)注某種材料的硬度值必須說明它們的硬度測(cè)試方法。第二十一頁，共30頁?！?.3沖擊韌性韌性：指材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸收能量的能力。是材料的塑性和強(qiáng)度的綜合表現(xiàn)。沖擊韌性：是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo)為沖擊韌性值ak。影響因素：材料本身特性式樣尺寸缺口形狀加工粗糙度試驗(yàn)環(huán)境。1.3沖擊韌性第二十二頁，共30頁。ak=沖擊破壞所消耗的功Ak/標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口截面積S(J/cm2)ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時(shí)無明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料。1.3沖擊韌性第二十三頁，共30頁。材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。1.3沖擊韌性第二十四頁，共30頁。交變應(yīng)力：力的大小和方向都隨時(shí)間呈周期性的循環(huán)變化的應(yīng)力。§1.4疲勞強(qiáng)度（80%的斷裂由疲勞造成）疲勞：承受載荷的大小和方同隨時(shí)間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。疲勞強(qiáng)度σ-1：材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。條件疲勞極限：經(jīng)受107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強(qiáng)度較高，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也有較好的抗疲勞性能。影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。1.4疲勞強(qiáng)度第二十五頁，共30頁。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。1.4疲勞強(qiáng)度第二十六頁，共30頁。1．問題的提出低應(yīng)力脆斷――斷裂力學(xué)

斷裂韌性是量度材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展阻力的物理量,是材料抵抗應(yīng)力脆性斷裂的韌性參數(shù).2．應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K前面所述的力學(xué)性能，都是假定材料內(nèi)部是完整、連續(xù)的，實(shí)際上，內(nèi)部不可避免的存在各種缺陷（夾雜、氣孔等），由于缺陷的存在，使材料內(nèi)部不連續(xù)，這可看成材料的裂紋，在裂紋尖端前沿有應(yīng)力集中產(chǎn)生，形成一個(gè)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)。表示應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的參數(shù)——“應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子”。I1.5材料的斷裂韌性第二十七頁，共30頁。3．?dāng)嗔秧g性對(duì)于一個(gè)有裂紋的試樣，在拉伸載荷作用下，當(dāng)外力逐漸增大，或裂紋長度逐漸擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子也不斷增大，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI增大到某一值時(shí)，就可使裂紋前沿某一區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力大到足以使材料產(chǎn)生分離，從而導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展，即發(fā)生脆斷。這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌性，用KIC表示，它表明了材料有裂紋存在時(shí)抵抗脆性斷裂的能力。1.5材料的斷裂韌性：外加應(yīng)力：裂紋的