工程材料_第1章工程材料力学性能

版权所有,1997(c)DaleCarnegie&Associates,Inc.工程材料前言工程材料是构成机械的物质基础。机械的性能取决于其使用的材料，机械的进步依赖于材料的进步。目前，用于机械制造的材料有上千种，常用的也有上百种，并且还有许多新的材料不断地被创造出来。要想在众多材料中作出正确的选择。既能保证使用性能、便于加工，经济性又好。只有了解这些材料，认识这些材料。工程材料的分类金属非金属复合材料碳钢合金钢铝合金铜合金钛合金钢铁有色金属塑料橡胶陶瓷聚合物聚合物基复合材料金属基复合材料碳钢碳钢又称碳素钢，其主要合金元素为碳，含量在0.1～1.3%之间。由于原料和冶炼工艺的限制，实际使用的钢中都含有硅、锰、硫、磷等杂质元素。碳钢分类碳钢常用的分类方法有三种：1.按碳含量进行分类可分为低碳钢(＜0.25%C)、中碳钢(0.25-0.55%C)、高碳钢(＞0.55%C)。2.按其用途进行分类可分为结构钢和工具钢两大类，前者用来制造各种金属构件和机械零件，后者用来制造各种刀具、模具和量具。3.按其质量等级分类可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。合金钢铁、碳和合金元素是合金钢的基本组元。或者说：合金钢是加入合金元素的钢。合金钢的强度高，塑韧性优于碳钢，抗腐蚀性和抗氧化性也好。合金钢分类1.按合金元素的含量分低合金钢合金元素总含量＜5%中合金钢合金元素总含量5-10%高合金钢合金元素总含量＞10%2.按主要用途分合金结构钢:渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢合金工具钢:刃具钢、模具钢、量具钢特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢有色金属材料除钢、铸铁之外的金属叫有色金属。工程中常用的有色金属有铝、铜、镁、钛金属及其合金等。有色金属材料（一）铝合金比重小，比强度高。在空气中的抗蚀性好。容易加工。用以制造飞行器各种承力构件，如蒙皮、壁板、桨叶、活塞及火箭上的液体燃料箱翼梁、螺旋桨叶、起落架等。也常用于汽车、摩托车、家用电器、建筑等。有色金属材料（二）铜合金机械性能好摩擦系数小在空气环境下具有良好的抗蚀性。容易加工。用途:制造滑动轴承、耐水蚀零件、导热零件等。有色金属材料（三）钛合金比强度高。抗蚀性好。耐高低温。难加工。价格昂贵。钛合金航空航天中，应用广泛。用于制造工作温度不超过400℃的各种飞机结构和发动机零部件。如发动机压气机盘、叶片，蒙皮等。液体燃料火箭的储氢罐也是钛合金制造的，其工作温度为-253℃。许多民用领域如氯碱化工业及海水用泵、阀、管道、换热器、冷凝器等，也广泛采用钛合金，并取得了良好的经济效益。铸铁铸铁是含碳量在2.11%以上，并含有硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。常见铸铁有灰口铸铁、可锻铸铁、合金铸铁和球墨铸铁。灰口铸铁应用较多，其的抗拉强度比钢低得多，但是铸铁中有石墨，能有效地吸收震动能量。因石墨有润滑作用，使铸铁有良好的耐磨性和减磨性。铸铁价格便宜，好加工。非金属材料（一）塑料-塑料是由聚合物为基础添加各种助剂而成的混合体系，塑料由组成树脂：树脂是塑料的主要成份，它联系和粘结其它组分，对塑料的性能起决定性作用。填充剂：弥补或改善树脂的性能不足，另外可以显著地降低成本。增塑剂:增加材料塑性。固化剂：使线型高分子交联成体型网络结构。稳定剂：用来抵抗老化延长塑料寿命物质。其它诸如发泡剂，抗静电剂，染料，润滑剂等等.非金属材料（二）橡胶橡胶也是以有机高分子化合物为基础的材料，它具有高弹性和蓄能作用，因此是工程制造中不可缺少的弹性材料、密封材料和减震材料。橡胶组成(1)生胶：未经硫化的橡胶叫生胶，是橡胶主要成份，对橡胶性能起决定作用，但单纯生胶高温发粘，低温性脆，常加入各种助剂并经硫化制成工业用橡胶。(2)硫化剂：提高橡胶的弹性和强度，常用的是硫磺。(3)软化剂：增加橡胶塑性、降低硬度。(4)补强剂：提高橡胶强度，耐磨性。目前效果最好的补强剂是碳黑。此外还有填充剂、防老化剂、着色剂等。橡胶分类橡胶种类繁多，若以原料来区分，有天然橡胶与合成橡胶，按合成橡胶性能及用途又可分为通用橡胶及特种橡胶。非金属材料（三）陶瓷用纯度较高的人工合成原料制造的，能满足高温、高强、功能性等要求的特种陶瓷。常见的有氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，而特种陶瓷除烧结体外还包括单晶(晶须)、纤维、薄膜及超细粉体等。复合材料由两种或更多材料经人工复合而成的，性能优于单一材料的合成材料。如玻璃钢。复合材料中主要起增强作用的叫强化相；主要起粘接作用的叫基体。按基体分：聚合物基、金属基、陶瓷基按强化相分：颗粒增强、纤维增强、层叠复合材料牌号牌号是代表材料的符号，牌号可表明材料的种类、成分、性能等。各类材料的编号方法是不同的。钢铁材料的编号方法有色金属的编号方法其他材料的编号方法钢铁材料的编号方法（一）普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分组成。例：Q235A·F其中Q表示屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母；235表示钢材厚度≤16mm时的屈服点值不小于235MPa；A表示质量等级A、B、C、D四级中的A级，F表示沸腾钢。除此以外b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。钢铁材料的编号方法（二）优质碳素结构钢的牌号以平均碳含量的万分数，用两位数字表示。例如平均碳含量为0.45%的钢，其牌号表示为45。高级优质钢则在其后加一个“A”字。如45A。钢铁材料的编号方法（三）碳素工具钢的牌号是以其平均含碳量的千分之几表示，并在数字之前冠以“T”字。例如：T10钢表示平均含碳量为1.0%的碳素工具钢。如为高级优质钢，则在数字之后再加一个“A”字，如T10A。钢铁材料的编号方法（四）合金钢编号方法用汉字或化学元素符号代表合金元素。碳含量与合金元素含量用数字表示。对于结构钢，碳含量以万分一为单位，用两位数字表示；对于工具钢和不锈钢，碳含量以千分之一为单位，用一位数字表示。合金元素以百分之一为单位，当含量小于1.5%时，一般不标出含量。例如：牌号为30CrMnSiA表示含0.30%C、0.95%Cr、1.05%Mn、1%Si的高级优质钢。识别下列材料牌号牌号类别成分12Cr2Ni4A3Cr2W8V40CrNiMoW18Cr4V45T8,T12合金结构钢合金工具钢合金结构钢合金工具钢碳素结构钢碳素工具钢第一章工程材料的性能材料的性能中最主要的是力学性能，包括：强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等等。1.1强度与塑性强度MPa(MN/m2)在外力作用下材料抵抗塑性变形和断裂的能力。试件用被测材料制成，有圆形、板形两种形状，有大小不同的一系列尺寸：如圆形试样d0:5、10、…loLDdoaoloLbo(a)园试样(b)板材试样应力、应变应力：试样单位面积上所承受的平均力σσ=F/A。F--力，A。--试样的面积应变：试样单位长度的伸长量e=DL/LDL–试样的伸长，L-试样的原长材料拉伸specimen2.1材料拉伸时的应力-应变OA:弹性变形elasticdeformationABC:屈服yieldCDE:塑性变形plasticdeformationE:断裂fracture拉伸曲线﹡弹性变形阶段0-p-e﹡弹塑性变形阶段（屈服-强化-缩颈）e-ss-s’s’-bb-k﹡断裂koσs应力MPabkss’pe应变e=DL/Lσb屈服强化颈缩断裂材料承受载荷的限度是多大？不允许断裂（特殊情况除外）允许塑性变形么？允许弹性变形么？材料承受载荷的限度是设计时的依据，规定为强度指标。1.抗拉强度(σb)抗拉强度：指材料所能承受的最大应力。σb=Fb/A0Fb－试样断裂前承受的最大载荷。A0－试样原始截面积oσsMPabkss’pee=Dl/LσboσsMPabkss’pee=Dl/Lσb2.屈服强度屈服强度：指材料产生屈服时的应力。σs=Fs/A0Fs－屈服时的载荷A0－试样原始截面积条件屈服强度(σ0.2)残余应变量为0.2％时的应力值。σb0.2σ0.2卸载曲线﹡弹性变形阶段去除外力，则应变随应力下降沿着拉伸曲线回到原点。﹡弹塑性变形阶段去除外力，应变不会完全恢复，应变沿与线弹性阶段斜率相同的直线卸载。oσs应力MPabkσb屈服强化颈缩断裂塑性变形σ’s加工硬化经过塑性变形的金属再次拉伸时，将产生塑性变形的应力高于原来的屈服强度。这种现象叫做加工硬化或冷变形硬化。oσs应力MPabkσb屈服强化颈缩断裂塑性变形σ’s3刚度与弹性模量★刚度是指零件或构件抵抗弹性变形的能力。取决于材料的弹性模量与结构形状。ΔL=PL/AEo12★弹性模量是指在比例极限(σp)范围内，材料所受的应力与产生的应变之比。E=s/e材料1的弹性模量大于材料2。4.塑性在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力。伸长率(δ)L1-L0δ=———×100％L0断面收缩率(Ψ)。F0-F1y=———×100％F0lodol1d1＊δ、Ψ值越大，表示金属的塑性越好。4.按GB699规定,15号钢材出厂时,力学性能指标应不低于下列数值:σb=372MN/m2、σs=225MN/m2、δ=27%、=55%。现购进一批15号钢材,用它制成d0=10mm,L0=50mm拉伸试样,作拉伸试验的结果是:Fb=33844N,Fs=20699N、d1=6mm,L1=65mm。试计算这批钢材的力学性能是否合格。)/(9.43033844225mMNFoPbb===s)/(5.26352069922mMNFoPss===s%30505065%100001===lLLy%64535%10022010==FFFx=1.2硬度材料抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力。常用硬度测定方法:•硬物压入法•划痕法工业常用压入法。1.布氏硬度(HB)布氏硬度计硬物：球形压头(D=10、5、2.5、2、1mm)载荷：PHBS:普通淬火钢球硬度值在450以下HBW:硬质合金球硬度值在450～650HBS(HBW)=———PF2.洛氏硬度(HR)载荷：▲初载荷98N并压入深度h1▲主载荷(490N或882N或1372N)使压入深度达h2；▲卸除主载荷、保留初载荷，压入深度减小为h3。洛氏硬度的计算深度值△h=h3-h1。HR=———01230123h1h3h2K=0.2压头被测材料硬物：顶角120°金钢石圆锥(或Φ1.588mm淬火钢球)K-△h0.002几种常用洛氏硬度标度压头主载荷测量范围应用材料HRA金刚石490N20～88表面硬化层、硬质合金等HRB淬火钢球882N20～100有色金属，退火、正火钢等HRC金刚石1372N20～70淬火钢、调质钢等h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计3.维氏硬度(HV)压头：顶角为136°的金刚石正四棱锥体HV=———载荷P：分为六级(49,98,196,294,490,980N)。P136PF1.3冲击韧性•冲击韧性是材料在冲击力作用下抵抗断裂的能力。•脆性材料冲击韧性值很低。•面心立方晶格金属低温下会变脆。冲击实验55108551082403022横梁式悬梁式试样冲击韧性Ak=G(H-h)ak=——J/cm2)（AK）：冲断试样所消耗的功(J)（aK）：冲击韧性(J/cm2)AkF冲击h试样摆锤H注：金属材料的ak不能直接应用于零件的设计计算冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图impacttest1.4疲劳断裂和疲劳强度疲劳断裂机械零件在交变载荷作用下，其工作应力远小于抗拉强度，甚至小于屈服强度时，在长时间工作后发生突然断裂的现象称为疲劳断裂。疲劳强度是指材料经无限多次应力循环仍不断裂时的最大应力。它表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。疲劳源裂纹扩展最终破断区疲劳机理缺陷处首先产生疲劳裂纹，并随应力循环不断扩展，直至突然断裂。疲劳试验试样负荷计数器电机轴承支座疲劳曲线107σ力应σ-1疲劳曲线一般钢铁的循环基数N取107次，有色金属的循环基数N取108次。材料