李光平哈工大機(jī)械工程材料單元1課件

單元1金屬材料的力學(xué)性能與勤奮的人在一起，你就不會(huì)懶惰；與積極的人在一起，你就不會(huì)消沉。與智者同行，你會(huì)不同凡響；與高人為伍，你就能登上巔峰。和不一樣的人在一起，就會(huì)有不一樣的人生。所以讀好書、交好友，可以改變?nèi)松壽E。2021/10/10星期日1

強(qiáng)度與塑性目錄CONTNETS

硬度

沖擊韌性

疲勞強(qiáng)度2021/10/10星期日2學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握金屬材料拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度Rm、下屈服強(qiáng)度ReL、伸長率A、斷面收縮率Z，掌握布氏、洛氏硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度表示方法及符號(hào)。會(huì)作拉伸試驗(yàn)并用公式計(jì)算抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率；掌握布氏、洛氏硬度的應(yīng)用范圍；會(huì)作沖擊試驗(yàn)；掌握提高接觸疲勞抗力的主要途徑學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)技能目標(biāo)2021/10/10星期日3知識(shí)脈絡(luò)圖2021/10/10星期日41.1強(qiáng)度與塑性

工程材料是指在機(jī)械、船舶、化工、建筑、車輛、儀表、航空及航天等工程領(lǐng)域中,用于制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件的材料。工程材料按化學(xué)組成可分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料,在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的仍是金屬材料。鑄鐵、碳鋼及合金鋼稱為黑色金屬,除黑色金屬以外的金屬(合金)稱為有色金屬,如鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦合金、鎂合金等。金屬材料是現(xiàn)代制造業(yè)的基本材料,廣泛地用于制造生產(chǎn)和生活用品.金屬材料之所以能夠獲得廣泛的應(yīng)用,是由于其具有許多良好的性能。金屬材料的性能包含使用性能和工藝性能兩方面。使用性能是指金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能,包括物理性能(如密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性及磁性等)、化學(xué)性能(如耐腐蝕性、抗氧化性等)、力學(xué)性能等;工藝性能是指金屬在制造加工過程中反映出來的各種性能。在機(jī)械設(shè)備及工具的設(shè)計(jì)、制造中選用金屬材料時(shí),大多以其力學(xué)性能為主要依據(jù),因此熟悉和掌握金屬材料的力學(xué)性能是非常重要的。所謂力學(xué)性能是指金屬在外力作用下所表現(xiàn)出來的性能,力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、彈性模量和剛度、硬度、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度等。2021/10/10星期日5學(xué)習(xí)寄語我們一同走進(jìn)學(xué)校享受哺育，有他（她）、有我、還有你；校園留下了我們成長的足跡，歌聲、笑聲、讀書聲在這里傳遞；講臺(tái)上積攢了老師的汗水，課堂上開啟了我們的智慧；是誰凝結(jié)了我們的思緒？是誰點(diǎn)綴了我們的心扉？一根根白色的粉筆加深了我們腦海的記憶，一句句鼓勵(lì)的話語記錄了我們頑皮的陶醉；讓我們懂得了人生的真諦，令我們精力更加充沛；我們的臉上寫滿了喜悅與愜意，我們信心百倍、奮起直追；時(shí)間寶貴，珍惜，珍惜，再珍惜，勤奮學(xué)習(xí)，努力，努力，再努力；聽：前進(jìn)的號(hào)角已經(jīng)響起！看：前進(jìn)的路上早已燃起了希望的火炬！美好的未來等待我們描繪，來吧，讓我們一起飛！2021/10/10星期日61.強(qiáng)度金屬在靜載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強(qiáng)度，強(qiáng)度的大小通常用應(yīng)力來表示。材料強(qiáng)度越高，可承受的載荷越大。根據(jù)載荷作用方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度，一般情況下多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬強(qiáng)度高低的指標(biāo)。2021/10/10星期日72.拉伸試樣圓形拉伸試樣，d為試樣直徑，L0為標(biāo)距長度，試樣可分為短試樣（L0=5d）和長試樣（L0=10d）兩種。

L0=5d的短試樣，其斷后伸長率記為A；當(dāng)L0小于15mm時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用長試樣（L0=10d），其斷后伸長率記為A11.3。2021/10/10星期日83.力—伸長曲線縱坐標(biāo)表示力F、單位為Ｎ，橫坐標(biāo)表示伸長量△L、單位為mm，拉伸過程可分為彈性變形、屈服、強(qiáng)化和縮頸四個(gè)階段。

2021/10/10星期日94.屈服強(qiáng)度當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，材料在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)稱為屈服強(qiáng)度或屈服極限，用符號(hào)Re表示、單位為MPa。在金屬材料中，常用下屈服強(qiáng)度ReL代表其屈服強(qiáng)度。用試樣標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2℅塑性變形時(shí)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，可以替代ReL，稱為條件屈服強(qiáng)度或名義屈服強(qiáng)度，計(jì)為Rp0.2。屈服強(qiáng)度是工程技術(shù)中最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，設(shè)計(jì)零件時(shí)常以ReL或Rp0.2作為選用金屬材料的依據(jù)。2021/10/10星期日105.抗拉強(qiáng)度材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用符號(hào)Rm表示。零件在工作中所承受的應(yīng)力，不允許超過抗拉強(qiáng)度，否則會(huì)產(chǎn)生斷裂；Rm也是機(jī)械零件設(shè)計(jì)和選材的重要依據(jù)。Re/Rm的值稱為屈強(qiáng)比，屈強(qiáng)比越小，說明工程構(gòu)件的屈服點(diǎn)距離斷裂點(diǎn)越遠(yuǎn)，可靠性越高，也就是萬一超載也不至于馬上斷裂。但屈強(qiáng)比小，材料強(qiáng)度有效利用率也低。2021/10/10星期日116.伸長率試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距之比的百分率稱為伸長率，用符號(hào)A表示。A＝×100％

式中Lu——試樣拉斷后的標(biāo)距，mm；Lo——試樣的原始標(biāo)距，mm。2021/10/10星期日127.斷面收縮率試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的變化量與原始橫截面面積的百分比稱為斷面收縮率，用符號(hào)Z表示。Z＝×100％

式中S0——試樣原始橫截面面積，mm2；Su——試樣拉斷后縮頸處的橫截面面積，mm2。2021/10/10星期日138.彈性模量彈性模量表示金屬材料抵抗彈性變形的能力。彈性模量E值主要取決于各種金屬材料的本性，而與熱處理、微量合金化及塑性變形等對(duì)其影響很小，它是一個(gè)對(duì)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。彈性模量E是指金屬材料在彈性狀態(tài)下的軸向拉伸應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變的比值。

2021/10/10星期日149.剛度工程上將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度。零件的剛度除了與零件橫截面大小、形狀有關(guān)外，還主要取決于材料的性能（即材料的彈性模量E）。E越大，剛度越大。2021/10/10星期日151.2硬度

金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力稱為硬度。它是各種零件和工具必須具備的性能指標(biāo)，是衡量金屬材料軟硬程度的一種指標(biāo)。通常材料越硬，其耐磨性越好。機(jī)械制造業(yè)所用的刀具、量具、模具等，都應(yīng)具備足夠的硬度，才能保證使用性能和壽命。有些機(jī)械零件如齒輪等，也要求有一定的硬度，以保證足夠的耐磨性和使用壽命。因此，硬度是金屬材料一項(xiàng)重要的力學(xué)性能。與拉伸試驗(yàn)相比，硬度試驗(yàn)簡便易行，因而硬度試驗(yàn)應(yīng)用十分廣泛。硬度測(cè)試的方法很多，最常用的有布氏硬度試驗(yàn)法、洛氏硬度試驗(yàn)法和維氏硬度試驗(yàn)法三種。2021/10/10星期日16綻放夢(mèng)想學(xué)習(xí)駛載著我們的愿望揚(yáng)帆遠(yuǎn)航，歌聲傳遞著我們的夢(mèng)想延伸綻放；為了抓住寶貴時(shí)光，為了使自己能力更強(qiáng)；我們一起發(fā)奮在技校課堂，在這里我們茁壯成長。知識(shí)給了我們騰飛的翅膀，讓我們?cè)谒{(lán)天上翱翔；知識(shí)給了我們智慧和力量，讓我們把家鄉(xiāng)裝扮得更加美麗漂亮；請(qǐng)相信我們一定會(huì)把滿意的答卷交上，我們一定會(huì)做得更好更棒！2021/10/10星期日171.布氏硬度布氏硬度是通過測(cè)量試樣表面壓痕直徑來計(jì)算布氏硬度值，其單位為MPa，一般均不標(biāo)出，用符號(hào)HBW來表示。布氏硬度主要適用于測(cè)定灰鑄鐵、有色金屬、以及退火、正火、調(diào)質(zhì)處理后的各種軟鋼等硬度不是很高的材料；不宜于測(cè)量成品及薄件。2021/10/10星期日182.洛氏硬度洛氏硬度是通過直接測(cè)量的壓痕深度來計(jì)算洛氏硬度值，用符號(hào)HR表示，沒有單位，通常以0.002為一個(gè)硬度單位；可測(cè)定成品及較薄工件；常用的洛氏硬度標(biāo)尺是A、B、C三種，其中C標(biāo)尺應(yīng)用最為廣泛。2021/10/10星期日193.維氏硬度維氏硬度是通過測(cè)量壓痕投影的兩對(duì)角線平均長度來計(jì)算維氏硬度值，用符號(hào)HV表示，不標(biāo)注單位?？蓽y(cè)量較薄的材料及表面滲碳、滲氮層的硬度。2021/10/10星期日201.3沖擊韌性

許多機(jī)械零件在工作中，往往要受到?jīng)_擊載荷的作用，如活塞銷、鍛錘桿、沖模和鍛模等。制造這類零件所用的材料，其性能指標(biāo)不能單純用靜載荷作用下強(qiáng)度、塑性、硬度等性能指標(biāo)來衡量，而必須考慮其抵抗沖擊載荷的能力，即必須具備足夠的沖擊韌性。沖擊韌性是指金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力；沖擊韌性的主要判斷依據(jù)是沖擊吸收能量。沖擊吸收能量越大，說明材料的韌性越好。2021/10/10星期日21明天更好再龐大的機(jī)器我們也能雙手制造，再復(fù)雜的設(shè)備我們也能操作得了；為了讓明天飛得更高，我們一起發(fā)奮在技工學(xué)校。此時(shí)我們正在專心繪描，此刻我們也在用心思考。因?yàn)槲覀冎溃阂欢ㄒ褜I(yè)知識(shí)記牢，用知識(shí)武裝自己的頭腦；這樣我們才能做得比別人更好，有付出就一定會(huì)有回報(bào)！我們堅(jiān)信明天會(huì)更加美好！2021/10/10星期日221.沖擊試樣沖擊試樣常用的有U形缺口和V形缺口兩種試樣，其外形尺寸為10mm×10mm×55mm。一般情況下，尖銳缺口和深缺口試樣適用于韌性較好的材料。2021/10/10星期日232.沖擊吸收能量沖擊吸收能量是試樣在沖擊試驗(yàn)力作用下折斷時(shí)所吸收的能量，用符號(hào)K表示，單位為J。用U形和V形缺口試樣測(cè)得的沖擊吸收能量分別用KU和KV表示。如KU2就表示U形沖擊試樣在2mm刀刃下的沖擊吸收能量。2021/10/10星期日243.夏比擺錘沖擊試驗(yàn)材料的沖擊韌性用夏比擺錘沖擊試驗(yàn)來測(cè)定。夏比擺錘沖擊試驗(yàn)是將規(guī)定幾何形狀的缺口試樣置于試驗(yàn)機(jī)兩支座之間，缺口背向打擊面放置，實(shí)質(zhì)上就是通過能量轉(zhuǎn)換過程，測(cè)量試樣在這種沖擊下折斷時(shí)所吸收的能量。讓擺錘從一定高度落下，將試樣一次沖斷。在這一過程中，用試樣所吸收的能量K的大小作為衡量材料韌性的指標(biāo)。

2021/10/10星期日251.4疲勞強(qiáng)度

許多機(jī)械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。疲勞破壞（又稱為金屬的疲勞）是指在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象。疲勞破壞前沒有明顯的變形，斷裂前沒有預(yù)兆。疲勞破壞的原因：機(jī)械零件之所以產(chǎn)生疲勞斷裂，是由于材料表面或內(nèi)部有缺陷（夾雜、劃痕、顯微裂紋等），這些地方的局部應(yīng)力大于屈服點(diǎn)，從而產(chǎn)生局部塑性變形而導(dǎo)致開裂。這些微裂縫隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，直至最后承載的截面減小到不能承受所加載荷而突然斷裂。2021/10/10星期日26成長搖籃花燦爛，歌燦爛，學(xué)習(xí)圣殿美校園。書相伴，技能添，捷報(bào)頻傳，歡呼一片?？矗】?！看！文也練，武也練，職場(chǎng)英才德為先。好習(xí)慣，好理念，厚德強(qiáng)能，全面發(fā)展。贊！贊！贊！2021/10/10星期日271.疲勞破壞疲勞破壞（又稱為金屬的疲勞）是指在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象。疲勞破壞前沒有明顯的變形，斷裂前沒有預(yù)兆。2021/10/10星期日282.疲勞破壞產(chǎn)生的原因機(jī)械零件之所以產(chǎn)生疲勞斷裂，是由于材料表面或內(nèi)部有缺陷（夾雜、劃痕、顯微裂紋等），這些地方的局部應(yīng)力大于屈服點(diǎn)，從而產(chǎn)生局部塑性變形而導(dǎo)致開裂。這些微裂縫隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，直至最后承載的截面減小到不能承受所加載荷而突然斷裂。2021/10/10星期日293.疲勞曲線疲勞曲線是指交變應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。當(dāng)應(yīng)力降到某個(gè)數(shù)值時(shí)，曲線與橫坐標(biāo)平行，表示應(yīng)力低于此值時(shí)，試樣可以經(jīng)受無數(shù)次周期循環(huán)而不被破壞，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞強(qiáng)度值。2021/10/10星期日304.疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度或疲勞極限，是金屬材料在無限多次交變應(yīng)力作用下而不破壞的最大應(yīng)力。當(dāng)交變應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)，疲勞強(qiáng)度用符號(hào)R-1表示。對(duì)于黑色金屬，一般規(guī)定應(yīng)力循環(huán)107周次而不斷裂的最大應(yīng)力為疲勞強(qiáng)度；有色金屬、不銹鋼等取108周次而不斷裂的最大應(yīng)力為疲勞強(qiáng)度。2021/10/10星期日315.提高疲勞強(qiáng)度的措施金屬的疲勞強(qiáng)度受到很多因素的影響，如工作條件、表面狀態(tài)、材料成分、組織及殘余內(nèi)應(yīng)力等。合理選材，改善零件的結(jié)構(gòu)形式，減少開孔、挖槽、切口等，避免應(yīng)力集中，減小材料和零件的缺陷，降低零件表面粗糙度數(shù)值，采取各種表面強(qiáng)化的方法，避免表面劃傷、腐蝕等，都能提高零件的疲勞強(qiáng)度。2021/10/10星期日326.低周疲勞工程中有些機(jī)件是在承受交變應(yīng)力（或重復(fù)應(yīng)力）較高（接近或超過材料的屈服強(qiáng)度），加載頻率較低，并經(jīng)受循環(huán)周次較低（102～105周次）時(shí)發(fā)生了疲勞斷裂，這種疲勞稱為低周疲勞。低周疲勞的壽命與材料的強(qiáng)度及各種表面強(qiáng)化處理關(guān)系不大，它主要取決于材料的塑性。因而，當(dāng)機(jī)件在低調(diào)疲勞下服役時(shí)，應(yīng)在滿足強(qiáng)度要求下，選用塑性較高的材料。2021/10/10星期日337.沖擊疲勞

承受小能量沖擊載荷的零件，在經(jīng)過千百萬次沖擊