工程材料的分类与性能

机械制造基础任务1工程材料的分类与性能教学内容学习要求能力要求1.材料的强度、塑形2.材料的硬度、韧性、疲劳强度3.材料的物理、化学性能1.掌握材料硬度的测量方法及表示方法2.理解工程材料的强度、塑形、韧性及疲劳强度3.了解材料的物理化学性能的应用初步具有工程材料硬度测试的能力项目一材料学课前案例分析承载减震传载、防裂箱体底座齿轮传动轴轴、齿轮、箱体应具备何种性能才能满足使用要求这些性能用什么指标衡量怎样衡量课前思考工程材料金属材料复合材料陶瓷和高分子材料金属材料性能使用性能工艺性能力学性能、物理性能、化学性能铸、锻、焊及切削加工性能1.1金属材料的力学性能定义:金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。指标:弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。强度材料在外力作用，抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度(σs)和抗拉强度(σb)等；金属材料的强度是通过拉伸实验测定出来的一、拉伸实验与拉伸曲线1.拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d02.拉伸过程（录像）拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机op段：比例弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。ΔlbΔluΔlFbbkFssogfeFepFpΔlF屈服点与屈服强度Fs当载荷增大到Fs时，拉伸曲线呈直线状，即试样所承受的载荷几乎不变，但产生了较为明显的塑形变形，材料的这种现象称为屈服现象屈服强度是指在外力作用下开始产生明显塑形变形的应力，用σs表示。σs=FsA0（MPa)Fs——试样产生塑形变形时的载荷，即拉伸曲线中s点所对应的外力（N）A0——试样的原始横截面积（mm2）s屈服强度是指在外力作用下开始产生明显塑形变形的应力，用σs表示。抗拉强度σbσsσeFb抗拉强度是指金属材料断裂前所承受的最大应力，又称强度极限，常用σb表示。σb=FbA0（MPa)Fs——试样被拉断前所承受的最大外力，即拉伸曲线中b点所对应的外力（N）sbA0——试样的原始横截面积（mm2）屈服强度和抗拉强度，在选择金属材料和机械设计时有重要意义，金属材料必须在小于其σs的条件下工作，否则会引起零件的塑形变形；金属材料也不能在超过其σb的条件工作，否则会导致零件的毁坏。塑形：材料在载荷作用下，产生塑形变形而不被破坏的能力。1.断后伸长率断后伸长率是指试样拉断后，标距的伸长量与原标距长度的百分比，用符号δ表示。ψ=S1-S0S0L0—试样的原始标距（mm）L1—试样拉断后的标距（mm）2.断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。δ=L1-L0L0S0—试样的原始横截面积（mm2）S1—试样拉断后的横截面积（mm2）塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。δ2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑形变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据。材料的硬度越高，则耐磨性越好，故将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV1.布氏硬度(1)试验原理用直径为D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的实验力P压入试样表面，保持规定的实验时间后卸载实验力，在试样表面留下球形压痕，布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示。用淬火钢球做压头时，布氏硬度符号用HBS表示；用硬质合金球做压头时，布氏硬度用符号HBW表示。式中：HBS(HBW)——淬火钢球（硬质合金球）试验的布氏硬度值Ｆ——试验力（N）；d——压痕平均直径（mm）；Ｄ——淬火钢球（硬质合金球）直径（mm）。布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写明硬度值而不标出单位（试验录像）（2）硬度表示方法及应用符号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1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。淬火钢球用于测定HBS450的金属材料，如灰铸铁、有色金属以及退火、正火和调质处理的钢材。硬质合金钢球用于测定HBW650的金属材料。布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品及性能不均匀材料（如铸铁）的硬度。布氏硬度值与抗拉强度之间有近似的正比关系：σb=K·HBS(或HBW）（低碳钢K=0.36，合金调质钢K=0.325；灰铸铁K=0.1）2.洛氏硬度（1）实验原理用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。HR=c-h0.002获得的洛氏硬度HR为无量纲数值，试验时由试验机指示器上直接读出。（试验录像）洛氏硬度计（2）洛氏硬度试验规范标度符号压头总载荷kg表盘上刻度颜色有效范围应用举例HRA金刚石圆锥60黑色70~85碳化物、硬质合金、表面硬化工件HRB1.588mm钢球100红色25~100软钢、退火钢、铜合金等HRC金刚石圆锥150黑色20~67淬火钢、调质钢等(3)洛氏硬度的特点操作简单、效率高，数值可直接从指示器上读出。压痕小，可直接测量成品或较薄工件的硬度。HRC和HRA采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层材料。中等硬度情况下，10HRC≈1HBS。韧性材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的重用指标为冲击韧度。冲击韧度通常采用摆锤冲击试验机测定。（试验录像）试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧度ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。2(/)kkAJcmAA—试样缺口处的横截面积（cm2）疲劳极限零件在循环应力的作用，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的应力循环后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。当应力下降到某值后，疲劳曲线成为水平线，这表示该材料可经受无数次应力循环而不发生疲劳断裂，这个应力值称为疲劳极限或疲劳强度。即：疲劳强度（σ-1）是指金属材料在无数次循环载荷作用下不至于引起断裂的最大应力。-1Nn21N1N2NnNc钢材N=107有色金属N=108σ-1=(0.45～0.55)σb1.2金属材料的物理和化学性能1.物理性能材料固有的一些属性称为物理性能密度单位体积的质量kg/m3。轻金属＜5×103kg/m3重金属＞5×103kg/m3熔点金属由固态转变为液态的温度。易熔金属＜700℃难熔金属＞700℃导电性传动电流的能力。Ag＞Cu＞Al导热性传动热量的能力。Ag＞Cu＞Al2.化学性能金属与周围介质接触时，抵抗发生化学或电化学反应的性能。耐腐蚀性能金属材料在常温下抵抗周围介质侵蚀的能力。抗氧化性金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮的能力1.某室温下使用的一紧固螺栓在工作时发现紧固力下降，试分析材料的何种性能指标没有达到要求？提出主要的可能解决措施。2.对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？3.实际生产中，为什么零件设计图上一般是提出硬度技术要求而不是强度或塑性值？低碳钢拉伸实验AddYourTitle返回布氏硬度返回洛氏硬度试验返回维氏硬度试验返回冲击试验返回