天津科技大学机械工程材料1PPT课件

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1、1u 定义定义: : 材料在材料在使用使用和和加工加工过程中表现出来的特性。过程中表现出来的特性。u 分类分类: :材料的性能材料的性能疲劳性能疲劳性能使用性能使用性能工艺性能工艺性能物理化学性能物理化学性能力学性能力学性能强度强度 塑性塑性硬度硬度韧性韧性耐磨性耐磨性铸造性能铸造性能锻造性能锻造性能焊接性能焊接性能切削加工性能切削加工性能热处理性能热处理性能第一章第一章 材料的性能材料的性能2u 在在静载荷静载荷下下 强度、塑性强度、塑性 硬度硬度：布氏硬度、洛氏硬度等：布氏硬度、洛氏硬度等u 在在冲击载荷冲击载荷下下 冲击韧性冲击韧性u在在交变载荷交变载荷下下 疲劳强度疲劳强度定义定义：指

2、材料在：指材料在外力外力的作用下所表现出来的特性。的作用下所表现出来的特性。载荷载荷1.11.1材料的使用性能材料的使用性能一、一、 材料的力学性能材料的力学性能3拉伸试样拉伸试样静载拉伸试验机静载拉伸试验机应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l0（一）（一）弹性与刚度弹性与刚度4几种材料典型的几种材料典型的曲线曲线 （a a）无塑性变形的脆性材料（如铸铁、陶瓷）无塑性变形的脆性材料（如铸铁、陶瓷）（b b）有明显屈服点的塑性材料（如低碳钢）有明显屈服点的塑性材料（如低碳钢）（c c）没有明显屈服点的塑性材料（如退火铝合金、高碳钢）没有明显屈服点的塑性材料（如退火铝合金、高碳钢）

3、s(a)(b)(c)5弹性模量弹性模量E E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。 弹性模量大小主要取决于弹性模量大小主要取决于材料的本性材料的本性，强化材料的手段如热处理、冷热加，强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量影响很小。工、合金化等对弹性模量影响很小。可通过增加横截面积或改变截面形状可通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。来提高零件的刚度。 )(MPatgE6（二）强度（二）强度n强度强度：材料在外力作用下抵抗变形和破：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。坏的能力。弹性极限弹性极限 e ：试样保持试样

4、保持纯弹性变形纯弹性变形的的 最大应力值。最大应力值。 屈服强度屈服强度 s：材料发生微量塑性变形时的：材料发生微量塑性变形时的应力值。应力值。 条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形量为：残余变形量为0.2%时时的应力值。（的应力值。（0.2 与与s 的意义相同！的意义相同！） 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受的最大应：材料断裂前所承受的最大应力值。力值。7（三）塑性（三）塑性材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 伸长率：伸长率：%100001 lll %100010AAA断面收缩率：断面收缩率：断裂后断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈

5、缩现象8说明：说明： 和和，材料的塑性，材料的塑性 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。n当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 或或 10表示；表示；n当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 5% 时，有颈缩，为塑性材料时，有颈缩，为塑性材料用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。生产中，为了提高安全性，都要求零件具有一定的塑性。一生产中，为了提高安全性，都要求零件具有一定的塑性。一般，般，伸长率达伸长率达5 5或或断

6、面收缩率达断面收缩率达1010的材料的材料，即可满足大，即可满足大多数零件的使用要求。多数零件的使用要求。9（四）硬度（四）硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。是表征材料力学性能的综合参数。是表征材料力学性能的综合参数。 一般，硬度一般，硬度强度强度耐磨性耐磨性塑性塑性1 1、布氏硬度、布氏硬度HBHB 优点优点：重复性强，测量误差小：重复性强，测量误差小。具有较高的测量精度。数据稳定。具有较高的测量精度。数据稳定。 缺点缺点：压痕大，测量费时，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。压痕大，测量费时，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适于适于：较软

7、材料较软材料，如铸铁、退火或正火钢及有色金属的硬度，如铸铁、退火或正火钢及有色金属的硬度压头压头淬火钢球淬火钢球硬质合金球硬质合金球符号符号 HBS HBW范围范围HB450450HB650应用应用 退火和正火钢、铸铁、有色金属等软材料退火和正火钢、铸铁、有色金属等软材料 布氏硬度值在布氏硬度值在450650HB的材料的材料10v用一定直径的压头（球体），用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，以相应试验力压入待测表面，并保持规定时间，卸载后，并保持规定时间，卸载后，测量材料表面压痕直径测量材料表面压痕直径，以，以此计算出硬度值。此计算出硬度值。压头压头工件工件)(222dDDDP

8、HB11v实验原理：实验原理：用锥顶角为用锥顶角为120的的金刚金刚石圆锥石圆锥或或直径直径1.588mm的的淬火钢球淬火钢球，以以相应试验力（预载荷主载荷）压入待相应试验力（预载荷主载荷）压入待测表面，保持规定时间测表面，保持规定时间,卸载后（卸除卸载后（卸除主载荷），测量的残余压痕深度增量，主载荷），测量的残余压痕深度增量，计算出硬度值。计算出硬度值。压头、压头、硬度符号硬度符号120120金刚石圆锥体金刚石圆锥体钢球：钢球： HRAHRCHRB2、洛氏硬度、洛氏硬度12v HRA、HRB、HRC分别测得的分别测得的硬度，硬度，不可直接比较大小不可直接比较大小。例如：例如： 50HRC 4

9、0HRC HRA：硬质合金、表面淬火层和渗碳层。硬质合金、表面淬火层和渗碳层。HRB：有色金属、有色金属、铸铁铸铁和退火、正火钢等。和退火、正火钢等。HRC：调质钢、淬火钢。调质钢、淬火钢。优点：优点：操作迅速操作迅速、简便，由表盘直接读出硬度值；简便，由表盘直接读出硬度值； 压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。缺点：缺点：精度较差，硬度值波动较大。精度较差，硬度值波动较大。 不适于不适于测量组织不均匀材料测量组织不均匀材料。13u 压头：压头：锥面夹角为锥面夹角为136 的金刚石正四棱锥体的金刚石正四棱锥体v试验原理试验原理：以一定的以一定的试验力试验力，将压头压入，将压头压入试样表面，

10、试样表面，保持一定保持一定时间时间卸载后，在试样卸载后，在试样表面留下一个四方锥表面留下一个四方锥形的压痕，测量形的压痕，测量压痕压痕两对角线长度两对角线长度，以此，以此计算出硬度值。计算出硬度值。3、维氏硬度、维氏硬度HV14优点：维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。优点：维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。维氏硬度可测定从很软到很硬的各种材料，可测定较薄材料和各种表面渗层，维氏硬度可测定从很软到很硬的各种材料，可测定较薄材料和各种表面渗层，且准确度高。且准确度高。广泛用于测量薄件、化学热处理件、表面硬化层的硬度（广泛用于测量薄件、化学热处理件、表面硬化层的硬度（如渗层、表面淬硬如渗

11、层、表面淬硬层、电镀层等），以及微观组织的硬度。层、电镀层等），以及微观组织的硬度。缺点：缺点：测试过程较繁琐。测试过程较繁琐。不宜用于不宜用于成批生产时的常规检验。成批生产时的常规检验。 4、显微硬度、显微硬度 显微硬度实验原理与维氏硬度完全相同，但精度要求高。可用于金相组显微硬度实验原理与维氏硬度完全相同，但精度要求高。可用于金相组织中相的硬度以及材料表层硬度大小的测量。织中相的硬度以及材料表层硬度大小的测量。15（五）（五）韧性韧性 1 1、冲击韧性、冲击韧性 材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。 1)1)摆锤式一次冲击试验。摆锤式一次

12、冲击试验。 2)2)小能量多次冲击试验。小能量多次冲击试验。试样锤头橡胶夹头多次冲击弯曲实验示意图多次冲击弯曲实验示意图SAakk指标为指标为冲击韧性值冲击韧性值ak(通过冲击实验测得，即为冲断单位面积所消耗的功通过冲击实验测得，即为冲断单位面积所消耗的功)。2、断裂韧性、断裂韧性16Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板17（六）疲劳（六）疲劳n材料在低于材料在低于 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。n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材料在规定次数应

13、力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限疲劳极限 -1 。 钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。 疲劳寿命疲劳寿命材料发生疲劳破坏时的应力循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称为该材料的疲劳寿命。（80%的断裂由疲劳造成）的断裂由疲劳造成）疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图18 主要性能指标的应用主要性能指标的应用l弹性指标弹性指标：设计弹性零件时，需考虑设计弹性零件时，需考虑弹性极限弹性极限e ，如各，如各类弹簧和弹性元件等。类弹簧和弹性元件等。l强度和塑性强度和塑性：一般零件的抗断裂设计。一般零件的抗断裂设计。

14、对工作条件对工作条件不允许发生明显塑性变形不允许发生明显塑性变形的零件或构件，根据的零件或构件，根据屈服强度值屈服强度值s s( (0.2) )选材，大多数机器可以预防事故发生。选材，大多数机器可以预防事故发生。对无明显屈服现象的对无明显屈服现象的脆性材料脆性材料，依据，依据抗拉强度抗拉强度b b选材。选材。l硬度硬度：设计耐磨零件时，必须考虑的性能指标，如滚动轴承等。设计耐磨零件时，必须考虑的性能指标，如滚动轴承等。l冲击韧性冲击韧性：零件工作中，承受冲击载荷，如汽车齿轮、弹簧、冲压零件工作中，承受冲击载荷，如汽车齿轮、弹簧、冲压模具等。模具等。( (参考指标参考指标) )其中，其中，对某一

15、零件有力学性能要求时，一般在设计图纸上提出硬度技术对某一零件有力学性能要求时，一般在设计图纸上提出硬度技术要求，而不是强度和塑性。要求，而不是强度和塑性。19 二、材料的物理和化学性能二、材料的物理和化学性能 （一）物理性能（一）物理性能 导电性能导电性能折射、反射、吸折射、反射、吸收光及声学性能收光及声学性能密度、熔点密度、熔点磁性磁性热效应及导热性能热效应及导热性能20材料受环境介质的化学、电化学作用而引起的变质 或破环现象，分为化学腐蚀和电化学腐蚀。抗氧化性、抗渗入性、高分子材料的老化等(二)化学性能21 1.21.2材料的工艺性能材料的工艺性能 金属材料的一般加工过程如下：金属材料的一

16、般加工过程如下： 1.1.铸造性能铸造性能2.2.锻造性能锻造性能 万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环精密铸件223.3.切削加工性能切削加工性能4.4.焊接性能焊接性能5.5.热处理性能热处理性能 “维克斯”3坦克原型车，其炮塔前半部分铸造而成，后半部分则为焊接结构23一、填一、填 空空1. 机械设计时常用机械设计时常用 和和 两种强度指标。两种强度指标。3. 屈强比是指屈强比是指 与与 之比。之比。4. 材料主要的工艺性能有材料主要的工艺性能有 、 、 、 和和 。5.金属材料常用的机械性能指标有：抗拉强度用金属材料常用的机械性能指标有：抗拉强度用 表示；屈服强度用表示；屈服强度用 表

17、示；硬度常用表示；硬度常用 和和 表示；常用塑性指标有表示；常用塑性指标有 和和 ；冲击；冲击韧性用韧性用 表示。表示。 二、判断题二、判断题 s和和 0.2都是材料的屈服强度。都是材料的屈服强度。 材料的弹性越好，其塑性也愈好。材料的弹性越好，其塑性也愈好。1. 零件设计时，若对力学性能有要求，图纸上常对硬度提出技术要求。零件设计时，若对力学性能有要求，图纸上常对硬度提出技术要求。24三、选择题三、选择题1. 在低碳钢拉伸应力在低碳钢拉伸应力应变曲线上，对应的最大应力值称为应变曲线上，对应的最大应力值称为 。 A.弹性极限弹性极限 B.屈服强度屈服强度 C.抗拉强度抗拉强度 D.断裂强度断裂

18、强度2. 材料开始发生塑性变形的应力值称为材料的材料开始发生塑性变形的应力值称为材料的 。 A. 弹性极限弹性极限 B. 屈服强度屈服强度 C. 抗拉强度抗拉强度 D. 断裂强度断裂强度四、简答题四、简答题1.检测淬火钢检测淬火钢成品成品件一般用件一般用 硬度。检测退火和正火钢件的硬度常用硬度。检测退火和正火钢件的硬度常用 硬度，检测渗碳件、渗氮件等薄层的硬度常采用硬度，检测渗碳件、渗氮件等薄层的硬度常采用 硬度。硬度。2.有一碳钢制支架刚性不足，有人要用热处理强化方法；有人要另选合金钢；有有一碳钢制支架刚性不足，有人要用热处理强化方法；有人要另选合金钢；有人要改变零件的截面形状来解决。哪种方法合理？为什么？人要改变零件的截面形状来解决。哪种方法合理？为什么？