机械工程材料课件

1课程类型：本科学位课机械工程材料MATERIALSFORMECHANICALENGINEERING教材：吕烨王丽凤主编机械工程材料高等教育出版社参考教材：沈莲主编机械工程材料（第3版）机械工业出版社朱张校主编工程材料清华大学出版社学时：48什么是材料？材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质，它是人类生产和生活的物质基础。其中用于机械工程领域的材料称为机械工程材料。机械工程固体材料的分类：高分子材料Highpolymer陶瓷材料Ceramics复合材料Compisites金属材料Metals功能材料Functionalmaterials绪论工程材料的重要性1.社会进步的重要标志2.现代社会的重要支柱3.机械工程的物质基础材料的发展史，就是人类社会的发展史。石器时代→陶器时代→青铜器时代→铁器时代材料的发展史现代社会的三大支柱能源信息材料生物工程信息技术新材料科学20世纪90年代21世纪初材料—人类社会发展的里程碑！新材料—现代科学技术和社会发展的基础和支柱！学习本课程的目的(1)熟悉工程材料的基本知识、基本理论。(2)掌握材料的成分-组织-性能之间的关系及变化规律(3)掌握工程材料的性能特点及应用场合。(4)能够在机械设计中合理地选择材料。第1章材料的性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。神舟一号飞船力学性能:强度和塑性、硬度、韧性和疲劳强度;物理性能:密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性；工艺性能：铸造特性、锻压特性、焊接性和切削加工性能；材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。五万吨水压机低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/F0应变=(l-l0)/l01.1强度拉伸实验OA：弹性变形ABC：屈服CD：塑性变形DE：断裂1.2材料的强度图2-3钢液形成的弯月面(1)比例极限；(2)弹性极限；(3)屈服强度；(4)抗拉强度；(5)断裂强度；退火低碳钢的拉伸曲线1.3弹性极限图2-5结晶器弯月面渣圈示意图—弹性变形的最大拉力0SFeeeF—初始横截面积0S弹性变形能u1.4刚度—材料受力时抵抗变形的能力如果零件刚度不足，在一定载荷下，零件的弹性变形值超过了规定值，将会发生失效。可采取的措施：(1)选用弹性模量E较高的材料。(2)增大零件横截面——E值取决于材料的本性。随温度的升高而降低。（单位：MPa）eeEEAF弹性模量1.5屈服强度和抗拉强度屈服强度0SFss抗拉强度0SFbb屈强比bs/屈强比越小，零件的可靠性越高；但太小，材料的有效利用率降低。s0.2条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。1.6材料的塑性—材料在断裂前产生最大塑性变形的能力断后伸长率；断面收缩率；一般断后伸长率和断面收缩率越大，材料的塑性越好。%1000ll%1000SS断裂后拉伸试样的颈缩现象说明：①用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。②直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0时，伸长率用表示；当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然5③时，无颈缩，为脆性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征1.7材料的硬度—材料抵抗局部变形、划痕或压痕的能力。测试材料硬度的常用方法布氏硬度；洛氏硬度；维氏硬度；布氏硬度HB布氏硬度计)(2102.022dDDDPHB压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HB钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计三、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板四、疲劳材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）材料的物理性能1、密度：重金属（铁、铅、钨）、轻金属（铝、镁、钛）。2、熔点：难熔金属（钨、钼、钒）、易熔金属（铅、锡）。3、导电性：金属的导电性较好，非金属的导电性较差。4、导热性：材料传导热量的能力。5、热膨胀性：材料随着温度的变化发生的体积变化的现象6、磁性：材料所具有的导磁性能。材料的化学性能1、耐腐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。。2、抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。3、化学稳定性：对材料耐腐蚀性和抗氧化性的综合评价。材料的工艺性能1、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。2、锻造性能：成型性与变形抗力。3、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性。4、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。5、热处理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。