第1章-金属材料的力学性能

浙江师范大学工程材料及成形技术基础上一张下一张绪论一、材料和材料科学二、材料的分类三、工程材料的应用和发展四、材料的成形简介五、机械制造基础课程的性质和任务一、材料和材料科学1、材料哥伦比亚号航天飞机材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”四号飞船成功返回国产涡喷-7涡轮喷气发动机石器铁器象形尊(西周)石器时代青铜器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发展与人类社会简图龙芯联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术需要先进材料的支持。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。早在公元前6000~5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高133厘米重875kg饰纹优美越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图黄石铜矿遗址春秋晚期矿井深达50m炼铜炉渣多达40万吨实属罕见我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。生铁炒熟铁图宋应星鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由49年的15.8万吨上升到现在的一亿吨。中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。中国的航天事业天宫二号神州十一号1863年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。灰铸铁的显微组织光学显微镜Pb-Sn共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。Si表面的重构图象X-射线衍射仪1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m）透射电子显微镜扫描电子显微镜光镜下电镜下1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义。金属钛中的位错材料发展的历程示意图2、材料科学主要研究内容：⑴研究材料的化学组成、结构与性能的关系；⑵研究材料的形成机理和制取方法；⑶研究材料物理性能的测试方法和技术；⑷分析材料的损坏机理；⑸研究材料的合理加工方法和最佳使用方案材料科学是以材料为研究对象的一门科学。挑战者号爆炸瞬间二、工程材料的分类工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。按组成与结合键分：1、金属材料2、高分子材料3、陶瓷材料4、复合材料金属材料以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛黑色金属有色金属—轻金属,重金属,贵金属,稀有金属铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。带材异形材板材管材金属材料制品陶瓷材料以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷发动机高分子材料以分子键和共价键为主塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小包括塑料、橡胶及合成纤维等分子键共价键高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。烯丙酰氯-苯乙烯复合材料包括：金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料新材料在不断地涌现。2020年6月3日星期三第1章金属材料的力学性能1.1强度与塑性1.2硬度1.3冲击韧性1.4疲劳强度2020年6月3日星期三强度：金属在静载荷作用下，抵抗塑变（永久）和断裂的能力；包括：拉伸、压缩、弯曲、扭转等强度。塑性：金属在静载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。静载荷:载荷从0逐渐增加到max测定：拉伸强度和塑性都是通过拉伸试验测定的。第1章金属材料的力学性能1.1强度与塑性2020年6月3日星期三（1）设备（2）试样（3）试样材料退火低碳钢铸铁WE-300kN万能材料试验机1.1.1拉伸试验长试样(l0=10d0)短试样(l0=5d0)2020年6月3日星期三图1-5铸铁拉伸曲线1.1.1拉伸试验——（4）拉伸曲线韧性断口脆性断口图1-4低碳钢的F-ΔL曲线2020年6月3日星期三弹性变形阶段——（op、pe段）屈服阶段——（es段）强化阶段——（sb段）缩颈阶段——（bk段）退火低碳钢拉伸曲线1.1.1拉伸试验低碳钢拉伸过程中的变形阶段2020年6月3日星期三（1）屈服强度——试样产生屈服现象时的最小应力。ReL=(MPa)脆性材料的屈服强度表示为：Rr0.2（2）抗拉强度——试样被拉断前所承受的最大应力。Rm=(MPa)（3）意义——金属材料的强度越高，则越结实。在承受相同载荷的条件下，零件的尺寸减小，重量减轻，可实现汽车的轻量化——节油、环保。退火低碳钢拉伸曲线2.强度指标0SFs0SFb铸铁拉伸曲线强度和塑性二、塑性在拉伸时指标为：伸长率断面收缩率二者的值越大塑性越好1000100%100%lAllll金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。伸长率——试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比，用符号A表示。试样拉断后的标距原始标距断面收缩率——试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，用符号Z表示。0100100%100%SZSSSS试样断裂处截面积原始横截面积2020年6月3日星期三（3）意义——塑性好的材料A.万一超载，有一定的安全储备，避免突然断裂、安全；B.能通过塑变实现成型加工。汽车车身覆盖件、油箱等大多是采用塑性好的冷轧钢板冲压而成。车身油箱1.1.3塑性指标塑性材料：δ＞5%，低碳钢脆性材料：δ＜5%，铸铁、高碳钢2020年6月3日星期三表1-1金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照GB/T228.1-2010新标准GB/T228-1987旧标准名称符号名称符号屈服强度Re屈服点σs上屈服强度ReH上屈服点σsU下屈服强度ReL下屈服点σsL规定残余伸长强度Rr，如Rr0.2规定残余伸长应力σr，如σr0.2抗拉强度Rm抗拉强度σb断后伸长率A和A11.3断后伸长率δ5和δ10断面收缩率Z断面收缩率ψ2020年6月3日星期三1.布氏硬度……重点2.洛氏硬度……重点3.维氏硬度……了解第1章金属材料的力学性能1.2硬度2020年6月3日星期三)(222dDDDFDhFAF试验原理：将直径为D的硬质合金球作为压头，以规定的试验载荷F压入被测金属表面，保持规定时间后卸除载荷，此时在被测金属表面上会留下直径为d的球形压痕。计算压痕单位面积上所受的平均压力，即为该金属布氏硬度值。用符号HBW表示。HBW=读数显微镜表示方法：120HBS/10/3000/30500HBW5/750布氏硬度计1.布氏硬度§1.2硬度一、布氏硬度测定试验试验时应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选择不同大小的球体直径D、试验载荷F和载荷保持时间。1、球体直径有10mm、5mm、2.5mm和1mm四种；2、试验力与球体直径平方的比值（0.102F/D2）有30、15、10、5、2.5和1共6种；3、试验力的保持时间为10～15s。根据压痕查表即可得出硬度值优点：因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，故试验结果较精确。缺点：但因压痕较大，所以不宜测试成品或薄片金属的硬度。§1.2硬度一、布氏硬度标注——用符号HBW表示，习惯上只写明硬度的数值而不标出单位如：422HBW10/30/20硬度值HBW球体直径试验力大小试验力时间//硬度值试验球直径为10mm试验力为30kgf试验力作用时间为20s若时间为10-15则不注2020年6月3日星期三附录A压痕直径与布氏硬度对照表压痕直径d/㎜HBWD=10F=30D2压痕直径d/㎜HBWD=10F=30D2压痕直径d/㎜HBWD=10F=30D22.402.422.442.462.482.502.522.542.562.582.602.622.642.662.682.702.722.742.762.782.802.822.842.862.882.902.922.942.962.983.003.023.043.063.083.103.123.143.166536436326216116015925825735645555475385305225145074994924854774714644574514444384324264204154094043983933883833783733.183.203.223.243.263.283.303.323.343.363.383.403.423.44.3.463.483.503.523.543.563.583.603.623.643.663.683.703.723.743.763.783.803.823.843.863.883.903.923.943683633593543503453413373333293253213173133093063022982952922882852822782752722692662632602572552522492462442412392363.963.984.004.024.044.064.084.104.124.144.164.184.204.224.244.264.284.304.324.344.364.384.404.424.444.464.484.504.524.544.564.584.604.624.644.664.684.704.722342312292262242222192172152132112092072042022001981971951931911891871851841821801791771751741721701691671661641631612020年6月3日星期三试验原理：用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588㎜的淬火钢球作为压头，先施加初始载荷F0，压入金属表面的深度为h1（图中1—1），然后施加主载荷F1，在总载荷F的作用下，压入金属表