機(jī)械工程材料第一章

第一章材料的性能使用性能：材料在使用過程中所表現(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。神舟一號(hào)飛船材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。五萬(wàn)噸水壓機(jī)一、彈性和剛度彈性：指標(biāo)為彈性極限

e，即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E。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、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小。可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。

二、強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強(qiáng)度

s：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。

s

0.2

低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力

=F/S應(yīng)變

=(l-l0)/l0條件屈服強(qiáng)度

0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。

抗拉強(qiáng)度

b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。

指標(biāo)為：

伸長(zhǎng)率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象說(shuō)明：①用面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。②直徑d0相同時(shí)，l0

，

。只有當(dāng)l0/d0為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。當(dāng)l0=10d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用

表示；當(dāng)l0=5d0時(shí)，伸長(zhǎng)率用

5表示。顯然

5>

③

>

時(shí)，無(wú)頸縮，為脆性材料表征

<

時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征三、硬度硬度—金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力。硬度直接影響到材料的耐磨性和切削加工性。①布氏硬度HB布氏硬度計(jì)

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)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如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。布氏硬度壓痕布氏硬度的優(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。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

b(MPa)≈0.6(HB-40)HB

b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵②洛氏硬度根據(jù)壓頭形式和載荷不同有三種標(biāo)度（HRA,HRB,HRC），能夠測(cè)試從軟到硬各種硬度的材料，HRC應(yīng)用最廣，可用于測(cè)硬度很高的材料。

h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h2-h1)/0.002符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。HRA用于測(cè)量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測(cè)量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。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)：測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕③維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號(hào)HV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。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法—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)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)四、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(通過沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。:沖擊韌度（沖擊值）:沖斷試樣所消耗的沖擊功，J:試樣缺口處的截面積，韌脆轉(zhuǎn)變溫度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。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。TITANIC建造中的Titanic號(hào)TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板五、疲勞材料在低于

s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。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)力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞斷口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。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）六、斷裂韌性（裂紋）五十年代，美國(guó)北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體試驗(yàn)，發(fā)生爆炸。高強(qiáng)度合金，傳統(tǒng)強(qiáng)度和韌性指標(biāo)合格