第1章 工程材料力學性能

1、機械工程材料任課教師：張陳辦公室：A301電 話：5601輔導地點：辦公室；時間：隨時 緒緒 論論第一章第一章 工程材料的力學性能工程材料的力學性能第二章第二章 工程材料的基礎知識工程材料的基礎知識第三章第三章 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶第四章第四章 鋼的熱處理鋼的熱處理第五章第五章 金屬材料金屬材料第六章第六章 非金屬材料和復合材料非金屬材料和復合材料第七章第七章 常用機械工程材料的選用常用機械工程材料的選用緒 論1.1 1.1 材料與人類文明材料與人類文明1.2 1.2 工程材料的分類工程材料的分類1.3 1.3 課程性質與任務課程性質與任務1.1 1.1 材料與人類文明

2、材料與人類文明 材料是人類作來制作各種產(chǎn)品的物質，是先于人類存在的，為材料是人類作來制作各種產(chǎn)品的物質，是先于人類存在的，為 人類生活和生產(chǎn)的物質基礎。人類生活和生產(chǎn)的物質基礎。一、材料一、材料二、二、人類發(fā)展與材料人類發(fā)展與材料人們按照在使用中占主導地位的材料劃分歷史：人們按照在使用中占主導地位的材料劃分歷史：石器時代石器時代陶器陶器青銅器青銅器鐵器鐵器鋼鐵（資本主義大工業(yè)時期）鋼鐵（資本主義大工業(yè)時期）合成材料（合成材料（2020世紀）世紀）復合材料（復合材料（2020世紀世紀4040年代）年代）三、三、材料科學技術材料科學技術現(xiàn)代文明的支柱之一現(xiàn)代文明的支柱之一 人與動物的區(qū)別：人與動物

3、的區(qū)別： 1 1、制造工具（本質）、制造工具（本質） 2 2、能源的利用、能源的利用 3 3、信息的傳播和保存、信息的傳播和保存支撐人類文明大廈的四大支柱技術：支撐人類文明大廈的四大支柱技術：材料科學與技術材料科學與技術生物科學與技術生物科學與技術能源科學與技術能源科學與技術信息科學與技術信息科學與技術1.2 1.2 工程材料的分類工程材料的分類一、按來源分為天然材料和人工材料一、按來源分為天然材料和人工材料二、接用途分為功能材料和結構材料二、接用途分為功能材料和結構材料 三、按化學性質分為三、按化學性質分為： 金屬材料金屬材料 陶瓷材料（離子鍵和共價鍵，離子鍵為主）陶瓷材料（離子鍵和共價鍵，

4、離子鍵為主）高分子材料（共價鍵、分子鍵和氫鍵，共價鍵高分子材料（共價鍵、分子鍵和氫鍵，共價鍵為主）為主）。四、工程材料的常見分類四、工程材料的常見分類 1 1 無機材料無機材料（金屬、（金屬、 金屬間化合物、無機非金屬材金屬間化合物、無機非金屬材料（料（ 玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷）玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷） 2 2 有機材料有機材料（有機天然材料、有機合成高分子材料）（有機天然材料、有機合成高分子材料） 3 3 復合材料復合材料 （金屬基、陶瓷基、樹脂基、金屬間化（金屬基、陶瓷基、樹脂基、金屬間化合物基）合物基） 1.3 1.3 課程性質與任務課程性質與任務1 1、性質、性質 在機械設計過程中不可避免

5、地要對工程材料的選在機械設計過程中不可避免地要對工程材料的選擇、應用與加工等問題進行科學系統(tǒng)的分析并予以擇、應用與加工等問題進行科學系統(tǒng)的分析并予以全面正確的解決。全面正確的解決。“機械工程材料機械工程材料”課程正是為實現(xiàn)課程正是為實現(xiàn)這一目標而設置的。這一目標而設置的。 2 2、任務、任務 通過本課程的學習使學生在獲得工程材料一般知通過本課程的學習使學生在獲得工程材料一般知識的基礎上，識的基礎上，了解常用材料成分、組織、性能和加了解常用材料成分、組織、性能和加工工藝之間的關系及其用途，從而使其初步具備合工工藝之間的關系及其用途，從而使其初步具備合理選擇材料和使用材料、正確選擇加工方法及安排理

6、選擇材料和使用材料、正確選擇加工方法及安排制定加工工藝路線的能力，制定加工工藝路線的能力，也為后繼有關課程的學也為后繼有關課程的學習奠定必要的材料學基礎。習奠定必要的材料學基礎。第一章第一章 工程材料的力學性能工程材料的力學性能 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 1.1 1.1 材料的強度與塑性材料的強度與塑性1.2 1.2 材料的硬度材料的硬度1.3 1.3 材料的沖擊韌性材料的沖擊韌性1.4 1.4 材料的疲勞強度材料的疲勞強度1.5 1.5 材料的斷裂韌度材料的斷裂韌度 重點掌握重點掌握 各種力學性能指標（強度各種力學性能指標（強度, , 塑性；沖擊韌性；硬度塑性；沖擊韌性；硬度HBHB，HRCHRC，

7、HVHV；疲勞強度，斷裂韌性。）的物理意；疲勞強度，斷裂韌性。）的物理意義和單位。義和單位。1.1材料的強度與塑性材料的強度與塑性1.拉伸試驗及拉伸曲線2.拉伸曲線所確定的力學性能指標及意義一、靜載單向靜拉伸應力一、靜載單向靜拉伸應力應變曲線應變曲線 1.1.拉伸試樣拉伸試樣：長試樣：長試樣：L L0 0= =1010d d0 0短試樣：短試樣：L L0 0= =5 5d d0 0LF0 0低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線脆性材料拉伸曲線脆性材料拉伸曲線2.2.拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線：拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線：縱坐標為應力縱坐標為應力 單位單位 MPa(MN/mm )

8、MPa(MN/mm )， 橫坐標為應變橫坐標為應變 其中：其中：=F/S=F/S 表示材料抵抗變形和斷裂的能力表示材料抵抗變形和斷裂的能力（L L1 1-L-L0 0）/L/L0 03.3.曲線分為四階段：曲線分為四階段： 1 1）階段）階段I I（opeope）彈性變形階段彈性變形階段 p: Fpp: Fp ，e: Fe e: Fe （不產(chǎn)生永久變形的最大抗力）（不產(chǎn)生永久變形的最大抗力） opop段：段：L PL P 直線階段直線階段 pepe段：極微量塑性變形（段：極微量塑性變形（0.001-0.005%)0.001-0.005%) 2 2）階段）階段IIII（essess）段）段屈服變

9、形屈服變形 S: S: 屈服點屈服點 FsFs 3 3）階段）階段IIIIII（sbsb）段）段均勻塑性變形階段均勻塑性變形階段 b:b: Fb Fb材料所能承受的最大載荷材料所能承受的最大載荷 4 4）階段）階段IV(bK) IV(bK) 段段局部集中塑性變形頸縮局部集中塑性變形頸縮 鑄鐵、陶瓷：只有第鑄鐵、陶瓷：只有第I I階段階段 中、高碳鋼：沒有第中、高碳鋼：沒有第IIII階段階段二、拉伸曲線所確定的力學性能指標及意義二、拉伸曲線所確定的力學性能指標及意義1 1剛度和彈性剛度和彈性 剛度剛度材料在受力時，抵抗彈性變形的能力材料在受力時，抵抗彈性變形的能力。 E=/ E=/ 楊氏彈性模量

10、楊氏彈性模量 GPa, MPaGPa, MPa 本質是：反映了材料內(nèi)部原子結應力的大小，組本質是：反映了材料內(nèi)部原子結應力的大小，組織不敏感的力系指標?？棽幻舾械牧ο抵笜恕?彈性彈性：材料不產(chǎn)生塑性變形的情況下，所能承受材料不產(chǎn)生塑性變形的情況下，所能承受的最大應力。的最大應力。 比例極限比例極限：p=Fp/Aop=Fp/Ao 應力應力應變保持線性應變保持線性關系的極限應力值關系的極限應力值 彈性極限彈性極限：e=Fe/Ao e=Fe/Ao 不產(chǎn)永久變形不產(chǎn)永久變形的最大抗力。的最大抗力。2.2.強度：強度：材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。變形和破壞的能力。 屈服強度

11、屈服強度 s s：材料發(fā)生微量塑性變形：材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。即時的應力值。即在拉伸試驗過程中，載在拉伸試驗過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長時的應力。荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長時的應力。 條件屈服強度條件屈服強度 0.20.2：高碳鋼等無屈服點，高碳鋼等無屈服點，國家標準規(guī)定以國家標準規(guī)定以殘余變形量為殘余變形量為0.2%0.2%時的時的應力值作為它的條件屈服強度，以應力值作為它的條件屈服強度，以0.20.2來表示來表示 抗拉強度抗拉強度 b b：材料斷裂前所承受的最：材料斷裂前所承受的最大應力值。大應力值。（材料抵抗外力而不致斷裂（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應力值）。的極限應

12、力值）。 s0.2 延伸率延伸率 延伸率與試樣尺寸有關；延伸率與試樣尺寸有關；5 5、1010 (L (L0 0=5d,10d)=5d,10d) 斷面收縮率斷面收縮率 = =A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100%A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100% 時，無頸縮，為脆性材料表征；時，無頸縮，為脆性材料表征； KIC時，裂紋失穩(wěn)擴展，發(fā)生脆斷。時，裂紋失穩(wěn)擴展，發(fā)生脆斷。KIKIC時，裂紋處于臨界狀態(tài)時，裂紋處于臨界狀態(tài)KIKIC時，裂紋擴展很慢或不擴展，不發(fā)生脆斷。時，裂紋擴展很慢或不擴展，不發(fā)生脆斷。KIC可通過實驗測得，它是評價阻止裂紋失穩(wěn)擴展能力的力學性能可通過實驗測得，它是評價阻止裂紋失穩(wěn)擴展能力的力學性能指標。是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應指標。是材料的一種固有特性，與裂紋本身的大小、形狀、外加應力等無關，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關。力等無關，而與材料本身的成分、熱處理及加工工藝有關。4 4應用應用斷裂韌性是強度和韌性的綜合體現(xiàn)。斷裂韌性是強度和韌性的綜合體現(xiàn)。（1 1）探測出裂紋形狀和尺