工程材料課程講稿

1、工程材料料 課程程講稿授課題目目（教學(xué)學(xué)章、節(jié)節(jié)或主題題）： 第一章章 金金屬材料料的性能能授課方式式（請打）理論課 討論論課 實實驗課 習(xí)習(xí)題課 其其他課時安排2學(xué)時教學(xué)要求求（分掌掌握、熟熟悉、了了解三個個層次）：通過本章章學(xué)習(xí)，使學(xué)生生掌握金屬屬材料的的主要力力學(xué)性能能（強(qiáng)度度、剛度度、彈性性、塑性性、硬度度、沖擊擊韌性、斷裂韌韌度及疲疲勞強(qiáng)度度）；了解金金屬材料料的物理理性能、化學(xué)性性能和工工藝性能能，為以以后各章章中研究究結(jié)構(gòu)與與性能關(guān)關(guān)系打下下良好的的基礎(chǔ)。教學(xué)重點點、難點點及關(guān)鍵鍵知識點點：重點：金金屬材料料的主要要力學(xué)性性能（強(qiáng)強(qiáng)度、剛剛度、彈彈性、塑塑性、硬硬度、沖沖擊韌性性

2、、斷裂裂韌度及及疲勞強(qiáng)強(qiáng)度）難點：各各力學(xué)性性能的含含義及試試驗的方方法。方法及手手段以啟發(fā)式式講授為為主教學(xué)基本本內(nèi)容（教學(xué)過過程）改進(jìn)設(shè)想想第一節(jié)金金屬材料料的力學(xué)學(xué)性能力學(xué)性能能:是指材材料在受受力作用用下所表表現(xiàn)出的的性能。常用的的指標(biāo)有:剛度、強(qiáng)強(qiáng)度、硬硬度、塑性、韌性和和疲勞強(qiáng)強(qiáng)度等。一、強(qiáng)度度 金屬材料料抵抗塑塑性變形形或斷裂裂的能力力，材料的的強(qiáng)度用用拉伸試試驗測定定。(拉伸加加載速率率較低，俗稱靜靜拉伸試試驗，)（a）原原始試樣樣（b）拉伸后后試樣 圖11-1 圓柱柱形拉伸伸試樣工程材料料 課程講講稿拉伸試驗驗機(jī)帶有有自動記記錄或繪繪圖裝置置，記錄錄或繪制制試件所所受的載載荷

3、P和和伸長量量l之間的的關(guān)系曲曲線。圖1-22 低低碳鋼的的拉伸曲曲線應(yīng)力載荷除除以試件件的原始始截面積積即得應(yīng)應(yīng)力，應(yīng)變伸長量量除以原原始標(biāo)距距長度即即得應(yīng)變變，金屬材料料的強(qiáng)度度指標(biāo)根根據(jù)其變變形特點點分下列列幾個：1彈性性模量（）彈性模量量是指金金屬材料料在彈性性狀態(tài)下下的應(yīng)力力與應(yīng)變變的比值值。即 （工程上上將材料料抵抗彈彈性變形形的能力力稱為剛剛度）2. 彈彈性極限限（e）表表示材料料保持彈彈性變形形，不產(chǎn)生生永久變變形的最最大應(yīng)力力，是彈性性零件的的設(shè)計依依據(jù)。即 （MPPa）-彈性性極限載載荷(N)，-試樣原原始橫截截面積(mm22)3. 屈屈服點（屈服強(qiáng)強(qiáng)度s） 表表示金屬屬開

4、始發(fā)發(fā)生明顯顯塑性變變形的最最低應(yīng)力力值。 即（MPaa）工程材料料 課程程講稿-試樣樣屈服時時的載荷荷(N)，-試樣樣原始橫橫截面積積(mmm2)特殊：鑄鑄鐵等材材料沒有有明顯的的屈服現(xiàn)現(xiàn)象，則用條條件屈服服點（）來表示示，即產(chǎn)生生0.22%殘余余應(yīng)變時時的應(yīng)力力值。 即 （MMPa）-試樣樣產(chǎn)生00.2%殘余伸長長時的載載荷(NN)，-試樣樣原始橫橫截面積積4. 強(qiáng)度度極限(抗拉強(qiáng)強(qiáng)度b ) 表表示金屬屬在破斷斷前所能能承受的的最大應(yīng)應(yīng)力。即 （MPaa）-破斷斷前所能能承受的的最大載載荷(NN)，-試樣樣原始橫橫截面積積(mmm2)特別提提示：金金屬材料料的s和b是兩項項重要的的力學(xué)性性

5、能指標(biāo)標(biāo)，是設(shè)設(shè)計、 計算零件件的依據(jù)據(jù)。對于于一般的的機(jī)器零零件來說說，不僅僅斷裂會會使機(jī)器器零件失失效，即即使產(chǎn)生生小量的的塑性變變形，也也會使精精度降低低或影響響相對運(yùn)運(yùn)動而試試效，所所以機(jī)器器零件所所受的應(yīng)應(yīng)力往往往不能超超過s（或）。屈強(qiáng)比：s/b，其比比值越小小，結(jié)構(gòu)構(gòu)零件可可靠性越越高，萬萬一突然然超載，也不致致立刻破破斷；但但材料強(qiáng)強(qiáng)度后備備（b）發(fā)揮揮不夠，有效利利用率太太低。因因此，在在保證安安全條件件下，一一般希望望屈強(qiáng)比比盡量高一一些。不同材料料具有不不同的屈屈強(qiáng)比：碳素結(jié)結(jié)構(gòu)鋼為為0.66；普通低合合金鋼為為0.6650.775； 合金結(jié)結(jié)構(gòu)鋼為為0.885。二、塑性

6、性 塑塑性是指指金屬材材料在靜靜載荷作作用下，產(chǎn)生永永久變形形而不破破壞的能能力稱為為塑性。伸長率率和斷面面收縮率率是表示材料塑性性好壞的的指標(biāo)。1. 伸長率率（） 伸伸長率是是指在拉拉伸試驗驗中, 試樣拉拉斷后標(biāo)標(biāo)距的伸伸長量與原始始標(biāo)距的的百分比比，即試樣拉拉斷后的的標(biāo)距伸伸長量，試樣原原始標(biāo)距距。工程材料料 課程程講稿2. 斷斷面收縮縮率（） 斷面面收縮率率是指試樣樣拉斷后后, 縮縮頸處截截面積的的最大縮縮減量與與原始橫斷面面積的百百分比，即試樣斷斷裂處的的最小橫橫斷面積積，試樣原原始橫斷面面積。特別提示示：或越大，表示材材料的塑塑性越好好。三、硬度度硬度是衡衡量材料料軟硬程程度的指指標(biāo)

7、，是是指材料料抵抗其其他硬物物體壓入入其表面面的能力力，即受壓壓時抵抗抗局部塑塑性變形形的能力力。常用用測量硬硬度的方方法有布氏硬硬度（HB）、洛氏硬硬度（HR）、維氏硬硬度（HV）。1.布氏氏硬度 HB一定直徑徑的球體體(鋼球球或硬質(zhì)質(zhì)合金球球)在一一定載荷荷作用下下壓入試試樣表面面，保持持一定時時間后卸卸除載荷荷，測量量其壓痕痕直徑, 計算算硬度值值。布氏氏硬度值值用球面面壓痕單單位表面面積上所所承受的的平均壓壓力來表表示。當(dāng)用淬淬火鋼球球壓頭時時，硬度符號號為HBBS，適適用于布布氏硬度度4550的金金屬材料料；壓頭為為硬質(zhì)合合金球時時，硬度符號號為HBBW，適用于于布氏硬硬度為4450

8、6500的金屬屬材料。符號HBBS或HBWW之前的的數(shù)字表表示硬度度值，符符號后面面的數(shù)字字按順序序分別表示示球體直直徑、載載荷及載載荷保持持時間。如:1120HHBS110/110000/300表示直直徑為110mmm的鋼球球在10000kkgf（9.8807kkN）載載荷作用用下保持持30ss測得的的布氏硬硬度值為為1200。圖1-33 布布氏硬度度試驗原原理圖優(yōu)點：壓壓痕大，能反映映出較大大范圍內(nèi)內(nèi)被測試試金屬的的平均硬硬度，結(jié)結(jié)果準(zhǔn)確確；缺點：因因壓痕大大，不宜宜測試成成品或薄薄片金屬屬的硬度度。工程材料料 課程程講稿2.洛氏氏硬度(HRAA、HRRB、HHRC)將將金剛石石壓頭(或鋼

9、球球壓頭), 在在先后施施加兩個個載荷(預(yù)載荷荷F0和總載載荷F)的作作用下壓壓入金屬屬表面。總載荷荷F為預(yù)載載荷F0和主載載荷F1之和。卸去主主載荷FF1后，測量其其殘余壓壓入深度度h，用h與h0之差h來計算算洛氏硬硬度值。h 越大大, 表表示材料料硬度越越低，實際測測量時硬硬度可直直接從洛洛氏硬度度計表盤盤上讀得得。根據(jù)據(jù)壓頭的的種類和和總載荷荷的大小小洛氏硬硬度常用用的表示示方式有有HRAA、HRRB、HHRC三三種。洛洛氏硬度度值為一一無名數(shù)數(shù)，它置置于符號號HR之之前，HHR后面面為使用用的標(biāo)尺尺，如 50HHRC 表示用用C標(biāo)尺尺測定的的洛氏硬硬度值為為50。氏硬度值值。h 越大大

10、, 表表示材料料硬度越越低, 實際測測量時硬硬度可直直接從洛洛氏硬度度計表盤盤上讀得得。根據(jù)據(jù)壓頭的的種類和和總載荷荷的大小小洛氏硬硬度常用用的表示示方式有有HRAA、HRRB、HHRC三三種。圖1-44 洛洛氏硬度度測量原原理圖優(yōu)點：操操作迅速速簡便，由于壓壓痕小，故可在在工件表表面或較較薄的金金屬上進(jìn)進(jìn)行試驗驗；同時時，采用用不同標(biāo)標(biāo)尺，可可測出從從極軟到到極硬材材料的硬硬度。缺點：因因壓痕較小，對組組織比較較粗大且且不均勻勻的材料料，測得得的硬度度不夠準(zhǔn)準(zhǔn)確。3.維氏氏硬度HHV 用用一個相相對面夾夾角為113600的金剛剛石正四四棱錐體體壓頭，在規(guī)定定載荷FF作用下下壓入被被測試金金屬

11、表面面，保持持一定時時間后卸卸出載荷荷。測量量壓痕投投影的兩兩對角線線的平均均長度dd，進(jìn)而而計算出出壓痕的的表面積積S，最最后求出出壓痕的的表面積積上的平平均壓力力（F/S），稱為維維氏硬度度。如：6400HV330 表表示在330kggf載荷荷作用下下，保持持1015ss測得的的維氏硬硬度值為為6400。優(yōu)點：載載荷小，壓入深深度淺，可測零零件表面面淬硬層層及化學(xué)學(xué)熱處理理的表面面層；同同時維氏氏硬度是是一個連連續(xù)一致致的標(biāo)尺尺，試驗驗時載荷荷可任意意選擇，而不影影響其硬硬度值的的大小，因此可可測出從從極軟到到極硬材材料的硬硬度。缺點：測測定較麻麻煩，工工作效率率不如洛洛氏硬度度高。特別提

12、示示：當(dāng)硬硬度小于于4500HBSS時 HBSSHV當(dāng)硬度在在20006000HBSS（HBBW）時時，HRRC1/110HBBS（或或HBWW）工程材料料 課程程講稿四、沖擊擊韌性（）許多機(jī)械械零件和和工具在在工作中中, 往往往要受受到?jīng)_擊擊載荷的的作用, 如活活塞銷、錘桿、沖模和和鍛模等等。材料抵抵抗沖擊擊載荷作作用的能能力稱為為沖擊韌韌性，常常用一次次擺錘沖沖擊彎曲曲試驗來來測定。測得試試樣沖擊擊吸收功功,用符符號 AAk 表表示。試試樣沖斷斷時所消消耗的沖沖擊功Ak = m g HH - m g hh (JJ)沖擊韌性性值就是是試樣缺缺口處單單位面積積上所消消耗的沖沖擊功。圖1-55試

13、樣安安裝及沖沖擊試驗驗原理圖圖工程材料料 課程程講稿五、疲勞勞強(qiáng)度軸、齒輪輪、軸承承、葉片片、彈簧簧等零件件，在工工作過程程中各點點的應(yīng)力力隨時間間作周期期性的變變化，這這種隨時時間作周周期性變變化的應(yīng)應(yīng)力稱為為交變應(yīng)應(yīng)力(也也稱循環(huán)環(huán)應(yīng)力)。在交交變應(yīng)力力作用下下，雖然然零件所所承受的的應(yīng)力低低于材料料的屈服服點，但但經(jīng)過較較長時間間的工作作而產(chǎn)生生裂紋或或突然發(fā)發(fā)生完全全斷裂的的過程稱稱為金屬屬的疲勞勞。材料料承受的的交變應(yīng)應(yīng)力()與材材料斷裂裂前承受受交變應(yīng)應(yīng)力的循循環(huán)次數(shù)數(shù)(N)之間的的關(guān)系可可用疲勞勞曲線來來表示。金屬承承受的交交變應(yīng)力力越大, 則斷斷裂時應(yīng)應(yīng)力循環(huán)環(huán)次數(shù)NN越少。當(dāng)

14、應(yīng)力低低于一定定值時, 試樣樣可以經(jīng)經(jīng)受無限限周期循循環(huán)而不不破壞, 此應(yīng)應(yīng)力值稱稱為材料料的疲勞勞極限(亦叫疲疲勞強(qiáng)度度)，用用-1表示示。鋼材的的循環(huán)次次數(shù)一般般取 NN = 1077有色金屬屬的循環(huán)環(huán)次數(shù)一一般取 N = 1008鋼材的疲疲勞強(qiáng)度度與抗拉拉強(qiáng)度之之間的關(guān)關(guān)系:-1 = (00.4550.55)圖1-66疲勞勞曲線（SNN曲線）示意圖圖1.一般般鋼鐵材材料22.有色色金屬、高強(qiáng)度度鋼等六、斷裂裂韌性 橋梁、船舶、大型軋軋輥、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子等有有時會發(fā)發(fā)生低應(yīng)應(yīng)力脆斷斷，這種種斷裂的的名義斷斷裂應(yīng)力力低于材材料的屈屈服強(qiáng)度度。盡管管在設(shè)計計時保證證了足夠夠的延伸伸率、韌韌性和屈屈服強(qiáng)

15、度度，但仍仍不免破破壞。究究其原因因是構(gòu)件件或零件件內(nèi)部存存在著或或大或小小、或多多或少的的裂紋和和類似裂裂紋的缺缺陷造成成的。裂裂紋在應(yīng)應(yīng)力作用用下可失失穩(wěn)而擴(kuò)擴(kuò)展，導(dǎo)導(dǎo)致機(jī)件件破斷。材料抵抵抗裂紋紋失穩(wěn)擴(kuò)擴(kuò)展斷裂裂的能力力叫斷裂裂韌性。工程材料料 課程程講稿第二節(jié)金金屬材料料的其他他性能一、金屬屬的物理理性能1.密度度： 單位位體積物物質(zhì)的質(zhì)質(zhì)量稱為為該物質(zhì)質(zhì)的密度度。密度度小于55103 kgg/m3 的金金屬稱為為輕金屬屬，如鋁、鎂、鈦鈦及它們們的合金金。密度度大于55103 kgg/m3的金屬屬稱為重重金屬，如鐵、鉛、鎢鎢等。輕輕金屬多多用于航航天航空空器上。2.熔點點： 金屬屬從固

16、態(tài)態(tài)向液態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)變時時的溫度度稱為熔熔點，純純金屬都都有固定定的熔點點。熔點點高的金金屬稱為為難熔金金屬，如如鎢、鉬鉬、釩等等，可以以用來制制造耐高高溫零件件，如在在火箭、導(dǎo)彈、燃?xì)廨嗇啓C(jī)和噴噴氣飛機(jī)機(jī)等方面面得到廣廣泛應(yīng)用用。熔點點低的金金屬稱為為易熔金金屬如錫錫、鉛等等，可用用于制造造保險絲絲和防火火安全閥閥零件等等。3.導(dǎo)熱熱性： 導(dǎo)熱熱性通常常用熱導(dǎo)導(dǎo)率來衡衡量。熱熱導(dǎo)率越越大，導(dǎo)熱性性越好。金屬的的導(dǎo)熱性性以銀為為最好，銅、鋁鋁次之。合金的的導(dǎo)熱性性比純金金屬差。在熱加加工和熱熱處理時時，必須須考慮金金屬材料料的導(dǎo)熱熱性，防防止材料料在加熱熱或冷卻卻過程中中形成過過大的內(nèi)內(nèi)應(yīng)力，以免零

17、零件變形形或開裂裂。導(dǎo)熱熱性好的的金屬散散熱也好好，在制制造散熱熱器、熱熱交換器器與活塞塞等零件件時，要要選用導(dǎo)導(dǎo)熱性好好的金屬屬材料。4.導(dǎo)電電性： 傳導(dǎo)電電流的能能力稱導(dǎo)導(dǎo)電性，用電阻阻率來衡衡量。電電阻率越越小，金金屬材料料導(dǎo)電性性越好，金屬導(dǎo)導(dǎo)電性以以銀為最最好，銅銅、鋁次次之。合合金的導(dǎo)導(dǎo)電性比比純金屬屬差。電電阻率小小的金屬屬(純銅銅、純鋁鋁)適于于制造導(dǎo)導(dǎo)電零件件和電線線。電阻阻率大的的金屬或或合金(如鎢、鉬、鐵鐵、鉻、鋁)適適于做電電熱元件件。5.熱膨膨脹性： 金屬屬材料隨隨著溫度度變化而而膨脹、收縮的的特性稱稱為熱膨膨脹性。由膨脹脹系數(shù)大大的材料料制造的的零件, 在溫溫度變化

18、化時, 尺寸和和形狀變變化較大大。軸和和軸瓦之之間要根根據(jù)其膨膨脹系數(shù)數(shù)來控制制其間隙隙尺寸；在熱加加工和熱熱處理時時也要考考慮材料料的熱膨膨脹影響響, 以以減少工工件的變變形和開開裂。6.磁性性：鐵磁性材材料 在外外磁場中中能強(qiáng)烈烈地被磁磁化，如如鐵、鈷鈷等。順磁性材材料 在在外磁場場中只能能微弱地地被磁化化，如錳錳、鉻等等。 抗磁性材材料 能抗抗拒或削削弱外磁磁場對材材料本身身的磁化化作用，如銅、鋅等。鐵磁性材材料可用用于制造造變壓器器、電動動機(jī)、測測量儀表表等?？箍勾判圆牟牧蟿t用于要要求避免免電磁場場干擾的的零件和和結(jié)構(gòu)材材料，如如航海羅羅盤。鐵鐵磁性材材料當(dāng)溫溫度升高高到一定定數(shù)值時時

19、，磁疇疇被破壞壞，變?yōu)闉轫槾朋w體，這個個轉(zhuǎn)變溫度稱為為居里點點，如鐵鐵的居里里點是7770 。工程材料料 課程程講稿二、金屬屬的化學(xué)學(xué)性能 主要指指耐腐蝕蝕性和抗抗氧化性性。金屬屬材料的的耐腐蝕蝕性和抗抗氧化性性統(tǒng)稱化化學(xué)穩(wěn)定定性。在在高溫下下的化學(xué)學(xué)穩(wěn)定性性稱為熱熱穩(wěn)定性性。1.耐腐蝕蝕性： 金屬材材料在常常溫下抵抵抗氧、水蒸氣氣及其它它化學(xué)介介質(zhì)腐蝕蝕破壞作作用的能能力稱耐耐腐蝕性性，碳鋼鋼、鑄鐵鐵的耐腐腐蝕性較較差；鈦鈦及其合合金、不不銹鋼的的耐腐蝕蝕性好；鋁合金金和銅合合金有較較好的耐耐腐蝕性性。2.抗氧化化性： 金屬材材料在加加熱時抵抵抗氧化化作用的的能力稱稱抗氧化化性。加加入Crr、Sii等元素素, 可可提高鋼鋼的抗氧氧化性。如4CCr9SSi2可可制造內(nèi)內(nèi)燃機(jī)排排氣閥及及加熱爐爐爐底板板、料盤等等。 三、金屬屬材料的的工藝性性能1.鑄造造性能：金屬材