工程材料課程講稿

1、工程材料 課程講稿授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題）： 第一章 金屬材料的性能授課方式（請(qǐng)打）理論課R 討論課 實(shí)驗(yàn)課 習(xí)題課 其他課時(shí)安排2學(xué)時(shí)教學(xué)要求（分掌握、熟悉、了解三個(gè)層次）：通過(guò)本章學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握金屬材料的主要力學(xué)性能（強(qiáng)度、剛度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度及疲勞強(qiáng)度）；了解金屬材料的物理性能、化學(xué)性能和工藝性能，為以后各章中研究結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系打下良好的基礎(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)：重點(diǎn)：金屬材料的主要力學(xué)性能（強(qiáng)度、剛度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度及疲勞強(qiáng)度）難點(diǎn)：各力學(xué)性能的含義及試驗(yàn)的方法。方法及手段以啟發(fā)式講授為主教學(xué)基本內(nèi)容（教學(xué)過(guò)程）改進(jìn)設(shè)想第一節(jié)

2、金屬材料的力學(xué)性能力學(xué)性能:是指材料在受力作用下所表現(xiàn)出的性能。常用的指標(biāo)有:剛度、強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度等。一、強(qiáng)度 金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力，材料的強(qiáng)度用拉伸試驗(yàn)測(cè)定。(拉伸加載速率較低，俗稱靜拉伸試驗(yàn)，) （a）原始試樣（b）拉伸后試樣 圖1-1 圓柱形拉伸試樣工程材料 課程講稿Ø 拉伸試驗(yàn)機(jī)帶有自動(dòng)記錄或繪圖裝置，記錄或繪制試件所受的載荷P和伸長(zhǎng)量l之間的關(guān)系曲線。圖1-2 低碳鋼的拉伸曲線應(yīng)力載荷除以試件的原始截面積即得應(yīng)力，應(yīng)變伸長(zhǎng)量除以原始標(biāo)距長(zhǎng)度即得應(yīng)變，金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)其變形特點(diǎn)分下列幾個(gè)：1彈性模量（） 彈性模量是指金屬材料在彈性狀態(tài)下的應(yīng)

3、力與應(yīng)變的比值。即 （工程上將材料抵抗彈性變形的能力稱為剛度）2. 彈性極限（e）     表示材料保持彈性變形，不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，是彈性零件的設(shè)計(jì)依據(jù)。 即 （MPa）-彈性極限載荷(N)，-試樣原始橫截面積(mm2)3. 屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度s）   表示金屬開(kāi)始發(fā)生明顯塑性變形的最低應(yīng)力值。 即 （MPa）工程材料 課程講稿-試樣屈服時(shí)的載荷(N)，-試樣原始橫截面積(mm2)特殊：鑄鐵等材料沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，則用條件屈服點(diǎn)（）來(lái)表示，即產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值。 即 （MPa）-試樣產(chǎn)生0.2%殘余伸長(zhǎng)時(shí)的載荷(N)，-試樣

4、原始橫截面積4. 強(qiáng)度極限(抗拉強(qiáng)度b )  表示金屬在破斷前所能承受的最大應(yīng)力。即 （MPa）-破斷前所能承受的最大載荷(N)，-試樣原始橫截面積(mm2)特別提示：金屬材料的s和b是兩項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)，是設(shè)計(jì)、 計(jì)算零件的依據(jù)。對(duì)于一般的機(jī)器零件來(lái)說(shuō)，不僅斷裂會(huì)使機(jī)器零件失效，即使產(chǎn)生小量的塑性變形，也會(huì)使精度降低或影響相對(duì)運(yùn)動(dòng)而試效，所以機(jī)器零件所受的應(yīng)力往往不能超過(guò)s（或）。屈強(qiáng)比：s/b，其比值越小，結(jié)構(gòu)零件可靠性越高，萬(wàn)一突然超載，也不致立刻破斷；但材料強(qiáng)度后備（b）發(fā)揮不夠，有效利用率太低。因此，在保證安全條件下，一般希望屈強(qiáng)比盡量高一些。不同材料具有不同的屈強(qiáng)比：

5、碳素結(jié)構(gòu)鋼為0.6；普通低合金鋼為0.650.75； 合金結(jié)構(gòu)鋼為0.85。二、塑性    塑性是指金屬材料在靜載荷作用下，產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力稱為塑性。伸長(zhǎng)率和斷面收縮率是表示材料塑性好壞的指標(biāo)。 1. 伸長(zhǎng)率（）      伸長(zhǎng)率是指在拉伸試驗(yàn)中, 試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比，即試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量，試樣原始標(biāo)距。工程材料 課程講稿2. 斷面收縮率（）      斷面收縮率是指試樣拉斷后, 縮頸處截面積的最大縮減量與原始橫斷面積的百分比，即試樣斷裂處的最小橫斷面積，試樣

6、原始橫斷面積。特別提示：或越大，表示材料的塑性越好。三、硬度硬度是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)，是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力，即受壓時(shí)抵抗局部塑性變形的能力。常用測(cè)量硬度的方法有布氏硬度（HB）、 洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）。 1.布氏硬度 HB一定直徑的球體(鋼球或硬質(zhì)合金球)在一定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，測(cè)量其壓痕直徑, 計(jì)算硬度值。布氏硬度值用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來(lái)表示。當(dāng)用淬火鋼球壓頭時(shí)，硬度符號(hào)為HBS，適用于布氏硬度450的金屬材料；壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，硬度符號(hào)為HBW，適用于布氏硬度為450650的金屬材料。符號(hào)HBS或HBW之

7、前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。 圖1-3 布氏硬度試驗(yàn)原理圖優(yōu)點(diǎn)：壓痕大，能反映出較大范圍內(nèi)被測(cè)試金屬的平均硬度，結(jié)果準(zhǔn)確；缺點(diǎn)：因壓痕大，不宜測(cè)試成品或薄片金屬的硬度。工程材料 課程講稿2.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)   將金剛石壓頭(或鋼球壓頭), 在先后施加兩個(gè)載荷(預(yù)載荷F0和總載荷F)的作用下壓入金屬表面?？傒d荷F為預(yù)載荷F0和主載荷F1之和。卸去主載荷F1后，

8、測(cè)量其殘余壓入深度h，用h與h0之差h來(lái)計(jì)算洛氏硬度值。h 越大, 表示材料硬度越低，實(shí)際測(cè)量時(shí)硬度可直接從洛氏硬度計(jì)表盤(pán)上讀得。根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三種。洛氏硬度值為一無(wú)名數(shù)，它置于符號(hào)HR之前，HR后面為使用的標(biāo)尺，如 50HRC 表示用C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為50。氏硬度值。h 越大, 表示材料硬度越低, 實(shí)際測(cè)量時(shí)硬度可直接從洛氏硬度計(jì)表盤(pán)上讀得。根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三種。 圖1-4 洛氏硬度測(cè)量原理圖優(yōu)點(diǎn)：操作迅速簡(jiǎn)便，由于壓痕小，故可在工件表面或較薄的金屬上進(jìn)行試驗(yàn)；同時(shí)，采

9、用不同標(biāo)尺，可測(cè)出從極軟到極硬材料的硬度。缺點(diǎn)：因壓痕較小，對(duì)組織比較粗大且不均勻的材料，測(cè)得的硬度不夠準(zhǔn)確。3.維氏硬度HV 用一個(gè)相對(duì)面夾角為1360的金剛石正四棱錐體壓頭，在規(guī)定載荷F作用下壓入被測(cè)試金屬表面，保持一定時(shí)間后卸出載荷。測(cè)量壓痕投影的兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d，進(jìn)而計(jì)算出壓痕的表面積S，最后求出壓痕的表面積上的平均壓力（F/S），稱為維氏硬度。如：640HV30 表示在30kgf載荷作用下，保持1015s測(cè)得的維氏硬度值為640。優(yōu)點(diǎn)：載荷小，壓入深度淺，可測(cè)零件表面淬硬層及化學(xué)熱處理的表面層；同時(shí)維氏硬度是一個(gè)連續(xù)一致的標(biāo)尺，試驗(yàn)時(shí)載荷可任意選擇，而不影響其硬度值的大小，因此可

10、測(cè)出從極軟到極硬材料的硬度。缺點(diǎn)：測(cè)定較麻煩，工作效率不如洛氏硬度高。特別提示：當(dāng)硬度小于450HBS時(shí) HBSHV當(dāng)硬度在200600HBS（HBW）時(shí)，HRC1/10HBS（或HBW）工程材料 課程講稿四、沖擊韌性（） 許多機(jī)械零件和工具在工作中, 往往要受到?jīng)_擊載荷的作用, 如活塞銷、錘桿、沖模和鍛模等。材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊韌性，常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。測(cè)得試樣沖擊吸收功,用符號(hào) Ak 表示。試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak = m g H - m g h (J)沖擊韌性值 就是試樣缺口處單位面積上所消耗的沖擊功。圖1-5試樣安裝及沖擊試驗(yàn)原理圖工程材料 課程講稿五、疲

11、勞強(qiáng)度軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等零件，在工作過(guò)程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力)。在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程稱為金屬的疲勞。材料承受的交變應(yīng)力()與材料斷裂前承受交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)(N)之間的關(guān)系可用疲勞曲線來(lái)表示。金屬承受的交變應(yīng)力越大, 則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí), 試樣可以經(jīng)受無(wú)限周期循環(huán)而不破壞, 此應(yīng)力值稱為材料的疲勞極限(亦叫疲勞強(qiáng)度)，用-1表示。   鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 107有色金屬的

12、循環(huán)次數(shù)一般取 N = 108鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系:-1 = (0.450.55)圖1-6疲勞曲線（SN曲線）示意圖1.一般鋼鐵材料2.有色金屬、高強(qiáng)度鋼等六、斷裂韌性 橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時(shí)會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷，這種斷裂的名義斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度。盡管在設(shè)計(jì)時(shí)保證了足夠的延伸率、韌性和屈服強(qiáng)度，但仍不免破壞。究其原因是構(gòu)件或零件內(nèi)部存在著或大或小、或多或少的裂紋和類似裂紋的缺陷造成的。裂紋在應(yīng)力作用下可失穩(wěn)而擴(kuò)展，導(dǎo)致機(jī)件破斷。材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力叫斷裂韌性。  工程材料 課程講稿第二節(jié) 金屬材料的其他性能一、金屬的物理性能1.密度：

13、單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度。密度小于5×103 kg/m3 的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、鈦及它們的合金。密度大于5×103 kg/m3的金屬稱為重金屬，如鐵、鉛、鎢等。輕金屬多用于航天航空器上。2.熔點(diǎn)： 金屬?gòu)墓虘B(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)，純金屬都有固定的熔點(diǎn)。熔點(diǎn)高的金屬稱為難熔金屬，如鎢、鉬、釩等，可以用來(lái)制造耐高溫零件，如在火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛機(jī)等方面得到廣泛應(yīng)用。熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬如錫、鉛等，可用于制造保險(xiǎn)絲和防火安全閥零件等。3.導(dǎo)熱性： 導(dǎo)熱性通常用熱導(dǎo)率來(lái)衡量。熱導(dǎo)率越大，導(dǎo)熱性越好。金屬的導(dǎo)熱性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導(dǎo)熱性比

14、純金屬差。在熱加工和熱處理時(shí)，必須考慮金屬材料的導(dǎo)熱性，防止材料在加熱或冷卻過(guò)程中形成過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力，以免零件變形或開(kāi)裂。導(dǎo)熱性好的金屬散熱也好，在制造散熱器、熱交換器與活塞等零件時(shí)，要選用導(dǎo)熱性好的金屬材料。4.導(dǎo)電性： 傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性，用電阻率來(lái)衡量。電阻率越小，金屬材料導(dǎo)電性越好，金屬導(dǎo)電性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導(dǎo)電性比純金屬差。電阻率小的金屬(純銅、純鋁)適于制造導(dǎo)電零件和電線。電阻率大的金屬或合金(如鎢、鉬、鐵、鉻、鋁)適于做電熱元件。5.熱膨脹性： 金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。由膨脹系數(shù)大的材料制造的零件, 在溫度變化時(shí), 尺寸和形狀變化較大。

15、軸和軸瓦之間要根據(jù)其膨脹系數(shù)來(lái)控制其間隙尺寸；在熱加工和熱處理時(shí)也要考慮材料的熱膨脹影響, 以減少工件的變形和開(kāi)裂。6.磁性： 鐵磁性材料  在外磁場(chǎng)中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鈷等。順磁性材料 在外磁場(chǎng)中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等。 抗磁性材料  能抗拒或削弱外磁場(chǎng)對(duì)材料本身的磁化作用，如銅、鋅等。鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動(dòng)機(jī)、測(cè)量?jī)x表等。抗磁性材料則用于要求避免電磁場(chǎng)干擾的零件和結(jié)構(gòu)材料，如航海羅盤(pán)。鐵磁性材料當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點(diǎn)，如鐵的居里點(diǎn)是770 。工程材料 課程講稿二、金屬的化學(xué)性能 主要指耐腐蝕性和抗氧化性

16、。金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性統(tǒng)稱化學(xué)穩(wěn)定性。在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱為熱穩(wěn)定性。 1.耐腐蝕性： 金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力稱耐腐蝕性，碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差；鈦及其合金、不銹鋼的耐腐蝕性好；鋁合金和銅合金有較好的耐腐蝕性。   2.抗氧化性： 金屬材料在加熱時(shí)抵抗氧化作用的能力稱抗氧化性。加入Cr、Si等元素, 可提高鋼的抗氧化性。如4Cr9Si2可制造內(nèi)燃機(jī)排氣閥及加熱爐爐底板、料盤(pán)等。 三、金屬材料的工藝性能 1.鑄造性能：金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能，用流動(dòng)性、收縮性和偏析來(lái)衡量。 2鍛造性能： 金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應(yīng)能力稱鍛造性。鍛造性能主要取決于金屬材料的塑性和變形抗力。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。 3焊接性能： 金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性稱焊接性。也就是在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。低碳鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.18 %的合金鋼有較好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。   4