機(jī)械工程材料課件

1、2022-7-71課程類型：本科學(xué)位課程類型：本科學(xué)位課課機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料MATERIALS FORMECHANICAL ENGINEERING教教 材：材： 呂燁呂燁 王麗鳳主編王麗鳳主編 機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料 高等教育出版社高等教育出版社參考教材：參考教材： 沈蓮主編沈蓮主編 機(jī)械工程材料（第機(jī)械工程材料（第3版）版） 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 朱張校主編朱張校主編 工程材料工程材料 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 學(xué)學(xué) 時(shí)：時(shí)：48 什么是材料？什么是材料？ 材料是人類社會(huì)所能接受的、可經(jīng)濟(jì)地制造材料是人類社會(huì)所能接受的、可經(jīng)濟(jì)地制造有用物品的物質(zhì)，它是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)

2、基礎(chǔ)。有用物品的物質(zhì)，它是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。其中用于機(jī)械工程領(lǐng)域的材料稱為機(jī)械工程材料。其中用于機(jī)械工程領(lǐng)域的材料稱為機(jī)械工程材料。機(jī)械工程固體材料的分類：機(jī)械工程固體材料的分類： 高分子材料高分子材料 High polymer 陶瓷材料陶瓷材料 Ceramics 復(fù)合材料復(fù)合材料 Compisites 金屬材料金屬材料 Metals 功能材料功能材料 Functional materials緒緒 論論工程材料的重要性工程材料的重要性1. 1. 社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志2. 2. 現(xiàn)代社會(huì)的重要支柱現(xiàn)代社會(huì)的重要支柱3. 3. 機(jī)械工程的物質(zhì)基礎(chǔ)機(jī)械工程的物質(zhì)基礎(chǔ)材料的發(fā)展

3、史，就是人類社會(huì)的發(fā)展史。材料的發(fā)展史，就是人類社會(huì)的發(fā)展史。石器時(shí)代石器時(shí)代 陶器時(shí)代陶器時(shí)代青銅器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代材料的發(fā)展史材料的發(fā)展史現(xiàn)代社會(huì)的三大支柱現(xiàn)代社會(huì)的三大支柱u能源能源 u信息信息 u材料材料u生物工程生物工程 u信息技術(shù)信息技術(shù) u新材料科學(xué)新材料科學(xué)2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代年代2121世紀(jì)初世紀(jì)初材料材料人類社會(huì)發(fā)展的里程碑人類社會(huì)發(fā)展的里程碑！新材料新材料現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和支柱！現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和支柱！學(xué)習(xí)本課程的目的學(xué)習(xí)本課程的目的u(1)(1)熟悉工程材料的基本知識(shí)、基本理論。熟悉工程材料的基本知識(shí)、基本理論。u(2)(2

4、)掌握材料的成分掌握材料的成分- -組織組織- -性能之間的關(guān)系及變化規(guī)律性能之間的關(guān)系及變化規(guī)律u(3)(3)掌握工程材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用場合。掌握工程材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用場合。u(4)(4)能夠在機(jī)械設(shè)計(jì)中合理地選擇材料。能夠在機(jī)械設(shè)計(jì)中合理地選擇材料。第第1章章 材料的性能材料的性能使用性能：材料在使用過程中使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過程中工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。所表現(xiàn)的性能。神舟一號(hào)飛船u 力學(xué)性能力學(xué)性能: : 強(qiáng)度和塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度強(qiáng)度和塑性

5、、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度; ;u 物理性能物理性能: : 密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性 和磁性；和磁性；u 化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性；化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性；u 工藝性能：鑄造特性、鍛壓特性、焊接性和切削加工工藝性能：鑄造特性、鍛壓特性、焊接性和切削加工 性能；性能；材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。 五

6、萬噸水壓機(jī)五萬噸水壓機(jī)低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l01.1 強(qiáng)度強(qiáng)度拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)OA：彈性變形：彈性變形ABC：屈服：屈服CD：塑性變形：塑性變形DE：斷裂：斷裂1.2 材料的強(qiáng)度材料的強(qiáng)度圖圖2-3 2-3 鋼液形成的彎月面鋼液形成的彎月面 (1)(1)比例極限；比例極限；(2)(2)彈性極限；彈性極限；(3)(3)屈服強(qiáng)度；屈服強(qiáng)度；(4)(4)抗拉強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度；(5)(5)斷裂強(qiáng)度；斷裂強(qiáng)度；退火低碳鋼的拉伸曲線退火低碳鋼的拉伸曲線1.3 1.3 彈性極限彈性極限圖圖2-5 2

7、-5 結(jié)晶器彎月面渣圈示意圖結(jié)晶器彎月面渣圈示意圖彈性變形的最大彈性變形的最大 拉力拉力0SFeeeF初始橫截面積初始橫截面積0S彈性變形能彈性變形能u1.4 剛度剛度材料受力時(shí)抵抗變形的能力材料受力時(shí)抵抗變形的能力如果零件剛度不足，在一定載荷下，零件的彈性變形如果零件剛度不足，在一定載荷下，零件的彈性變形值超過了規(guī)定值，將會(huì)發(fā)生失效。值超過了規(guī)定值，將會(huì)發(fā)生失效。可采取的措施：可采取的措施：(1)(1)選用彈性模量選用彈性模量E較高的材料。較高的材料。(2)(2)增大零件橫截面增大零件橫截面E值取決于材料的本性。隨溫值取決于材料的本性。隨溫度的升高而降低。（單位：度的升高而降低。（單位：MP

8、aMPa）eeEEAF彈性模量彈性模量1.5 1.5 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度0SFss抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度0SFbb屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比bs/屈強(qiáng)比越小，零件的可靠性越高；但太小，屈強(qiáng)比越小，零件的可靠性越高；但太小，材料的有效利用率降低。材料的有效利用率降低。s0.2 條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.2：殘余變形量：殘余變形量為為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。時(shí)的應(yīng)力值。 1.6 材料的塑性材料的塑性材料在斷裂前產(chǎn)生最大塑性材料在斷裂前產(chǎn)生最大塑性變形的能力變形的能力 斷后伸長率；斷后伸長率； 斷面收縮率；斷面收縮率； 一般一般斷后伸長率和斷面收縮率越大，斷后伸長率和斷面收縮率越大，

9、材料的塑性越好材料的塑性越好。%1000ll%1000SS斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象說明：說明： 用斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真實(shí)變用斷面縮率表示塑性比伸長率更接近真實(shí)變形。形。 直徑直徑d0 相同時(shí)，相同時(shí)，l0 ， 。只有當(dāng)。只有當(dāng)l0/d0 為常為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。當(dāng)當(dāng)l0=10d0 時(shí)，伸長率用時(shí)，伸長率用 表示；表示；當(dāng)當(dāng)l0=5d0 時(shí)，伸長率用時(shí)，伸長率用 5 表示。顯然表示。顯然 5 時(shí)，無頸縮，為脆性材料表征時(shí)，無頸縮，為脆性材料表征 時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征1.7 材料的硬度材料的硬度材料抵抗局

10、部變形、劃痕或壓痕的能力。材料抵抗局部變形、劃痕或壓痕的能力。測試材料硬度的常用方法測試材料硬度的常用方法布氏硬度；布氏硬度；洛氏硬度；洛氏硬度；維氏硬度；維氏硬度；布氏硬度布氏硬度HB布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì))(2102. 022dDDDPHB 壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布表示，適用于布氏硬度值在氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布表示，適用于布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示之前的數(shù)字表示硬度值硬度值, 符號(hào)后面的數(shù)字

11、按順序分符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑別表示球體直徑、載荷及載荷保載荷及載荷保持時(shí)間。如持時(shí)間。如 120HBS10/1000/30 表表 示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷）載荷作用下保持作用下保持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。硬的材料。適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, 鑄鐵及有色金屬的硬度。鑄鐵及有色金

12、屬的硬度。材料的材料的 b與與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 對于低碳鋼對于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對于高碳鋼：對于高碳鋼： b(MPa)3.4HB 對于鑄鐵：對于鑄鐵： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)洛氏硬度用符號(hào)洛氏硬度用符號(hào)HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為用的標(biāo)尺為A、B、C。 符號(hào)符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用

13、的標(biāo)尺。前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。lHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 如如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如如有色金屬和退火有色金屬和退火、正火鋼等。正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。壓痕小，適用范圍廣。l缺點(diǎn)：測量結(jié)果分散度大。缺點(diǎn)：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕維氏硬度維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原

14、理維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕維氏硬度用符號(hào)維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法維氏硬度維氏硬度試驗(yàn)試驗(yàn) 、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。維氏硬度保留了布氏硬度維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。 小負(fù)荷維氏硬度計(jì)小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)三、沖擊韌性三、沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而是指材料

15、抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。不破壞的能力。l指標(biāo)為沖擊韌指標(biāo)為沖擊韌性值性值a ak k( (通過沖通過沖擊實(shí)驗(yàn)測得擊實(shí)驗(yàn)測得) )。韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。屬?zèng)]有。TITANI

16、C建造中的建造中的Titanic 號(hào)號(hào)TITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)Titanic 號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板四、疲勞四、疲勞材料在低于材料在低于 s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用為疲勞極限。用 -1表示。表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為，有色金屬合金為1

17、08。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意疲勞曲線示意圖圖疲勞斷口疲勞斷口通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片）材料的物理性能材料的物理性能1 1、密度：重金屬（鐵、鉛、鎢）、輕金屬（鋁、鎂、密度：重金屬（鐵、鉛、鎢）、輕金屬（鋁、鎂、鈦）鈦） 。2 2、熔點(diǎn)：難熔金屬（鎢、鉬、釩、熔點(diǎn)：難熔金屬（鎢、鉬、釩 ）、易熔金屬（鉛、）、易熔金屬（鉛、錫）錫） 。3 3、導(dǎo)電性：金屬的導(dǎo)電性較好，非金屬的導(dǎo)電性較、導(dǎo)電性：金屬的導(dǎo)電性較好，非金屬的導(dǎo)電性較差。差。4 4、導(dǎo)熱性：材料傳導(dǎo)熱量的能力。、導(dǎo)熱性：材料傳導(dǎo)熱量的能力。5 5、熱膨脹性：材料隨著溫度的變化發(fā)生的體積變化、熱膨脹性：材料隨著溫度的變化發(fā)生的體積變化的現(xiàn)象的現(xiàn)象6 6、磁性：材料所具有的導(dǎo)磁性能。、磁性：材料所具有的導(dǎo)磁性能。材料的化學(xué)性能材料的化學(xué)性能1 1、耐腐蝕性：材料在介質(zhì)中抵抗腐蝕的能力。、耐腐蝕性：材料在介質(zhì)中抵抗腐蝕的能力。 。2 2、抗氧化性：材料在高溫下抵抗氧化作用的能力。、抗氧化性：材料在高溫下抵抗氧化作用的能力。3 3、化學(xué)穩(wěn)定性：對材