機(jī)械工程材料基礎(chǔ)

第一篇機(jī)械工程材料基礎(chǔ)緒論

拉伸實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性硬度沖擊韌度

疲勞強(qiáng)度斷裂韌性第一頁(yè)，共二十三頁(yè)。鑄造性可鍛性可焊性切削加工性熱處理性工程材料的性能

使用性能力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性及疲勞強(qiáng)度）

物理性能（密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性等)

化學(xué)性能（耐蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性等）

工藝性能第一節(jié)拉伸實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性

第二頁(yè)，共二十三頁(yè)。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

1、拉伸試樣通常采用圓柱形拉伸試樣，D0為標(biāo)準(zhǔn)試樣的原始直徑；D1為試樣斷口處的直徑。L0為標(biāo)準(zhǔn)試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度；L1為拉斷試樣對(duì)接后測(cè)出的標(biāo)距長(zhǎng)度。長(zhǎng)試樣L0=10D0；短試樣L0=5D0。第一節(jié)拉伸實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性

第三頁(yè)，共二十三頁(yè)。２、實(shí)驗(yàn)方法—試驗(yàn)在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行第一節(jié)拉伸實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性

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

圓形拉伸試樣拉伸實(shí)驗(yàn)第四頁(yè)，共二十三頁(yè)。拉伸曲線

通常把拉伸力F作為縱坐標(biāo)，伸長(zhǎng)量△L作為橫坐標(biāo)。拉伸試驗(yàn)測(cè)得的力—伸長(zhǎng)曲線如下。從完整的拉伸試驗(yàn)和力—伸長(zhǎng)曲線可以看出，試樣從開始拉伸到斷裂要經(jīng)過彈性變形階段、屈服階段、冷變形強(qiáng)化階段、縮頸與斷裂階段。

第一節(jié)拉伸實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性

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

２、實(shí)驗(yàn)方法—試驗(yàn)在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行第五頁(yè)，共二十三頁(yè)。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?gòu)椥詷O限（σe）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)。

第一節(jié)拉伸實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性

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

２、實(shí)驗(yàn)方法—試驗(yàn)在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行第六頁(yè)，共二十三頁(yè)。②屈服點(diǎn)（σs）在拉伸過程中力不增加（保持恒定），試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力稱為材料的屈服點(diǎn)（過去曾稱屈服極限）。以σs表示，單位為Mpaσs=Fs/S0Fs——材料屈服時(shí)的拉伸力(N)。S0——試樣原始橫截面積(mm2)。原標(biāo)準(zhǔn)GB228-76曾將產(chǎn)生0.2%殘余伸長(zhǎng)率的規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力σ0.2稱為屈服強(qiáng)度，以σ0.2表示。第一節(jié)拉伸實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性

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

２、實(shí)驗(yàn)方法—試驗(yàn)在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行第七頁(yè)，共二十三頁(yè)。③強(qiáng)度極限(抗拉強(qiáng)度σb)拉伸過程中最大力Fb所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度（曾稱強(qiáng)度極限），以σb表示。

σb=Fb/S0

抗拉強(qiáng)度的物理意義是表征材料對(duì)最大均勻變形的抗力，表征材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值，它是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一，是工程技術(shù)上的主要強(qiáng)度指標(biāo)。

第一節(jié)拉伸實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性

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

２、實(shí)驗(yàn)方法—試驗(yàn)在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行第八頁(yè)，共二十三頁(yè)。二、塑性

常用的塑性指標(biāo)是材料斷裂時(shí)最大相對(duì)塑性變形，如拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

１、伸長(zhǎng)率（δ）在拉伸試驗(yàn)中,試樣拉斷后,標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比稱為伸長(zhǎng)率。以δ表示。δ=(L1-L0)/L0式中L1——試樣拉斷后的標(biāo)距（mm）；L0——試樣原始標(biāo)距（mm）。試樣的長(zhǎng)度和截面尺寸對(duì)δ是有影響的。第一節(jié)拉伸實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性

第九頁(yè)，共二十三頁(yè)。2、斷面收縮率（ψ）

試樣拉斷后,縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，以ψ表示。其數(shù)值按下式計(jì)算：ψ=(S0-S1)/S0

式中S0——試樣原始截面積（mm2）；S1——試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）。

二、塑性

常用的塑性指標(biāo)是材料斷裂時(shí)最大相對(duì)塑性變形，如拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

第一節(jié)拉伸實(shí)驗(yàn)及強(qiáng)度和塑性

第十頁(yè)，共二十三頁(yè)。第二節(jié)

硬度1、硬度是衡量金屬軟硬程度的一種性能指標(biāo)，是指金屬抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。2、硬度法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便、無需專門試樣、不損壞工件、測(cè)試方便、迅速、硬度值與材料機(jī)械性能其它指標(biāo)有一定相應(yīng)關(guān)系。

硬度測(cè)定方法有壓入法、劃痕法、回跳法等，其中壓入法的應(yīng)用最為普遍。壓入法是在規(guī)定的靜態(tài)試驗(yàn)力作用下，將壓頭壓入金屬材料表面層，然后根據(jù)壓痕的面積大小或深度測(cè)定其硬度值。在壓入法中根據(jù)試驗(yàn)力、壓頭和表示方法的不同，常用的硬度測(cè)試方法有布氏硬度、洛氏硬度、和維氏硬度。第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)。一、布氏硬度（HB)1、布氏硬度的測(cè)定原理：用一定大小的試驗(yàn)力P（N），把直徑D（mm）的淬火鋼球或硬治合金球壓入被測(cè)金屬的表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕平均直徑d（mm），然后按公式求出布氏硬度（HB）值，或者根據(jù)d從已備好的布氏硬度表中查出（HB）值。第二節(jié)

硬度第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)。第二節(jié)

硬度

2、布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB231-84）規(guī)定布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，常用的0.102F/D2的比例為30、10、2.5三種，根據(jù)金屬材料種類、試樣硬度范圍和厚度的不同，按照布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范選擇試驗(yàn)壓頭（鋼球）直徑D、試驗(yàn)力F及保持時(shí)間。3、表示方法：淬火鋼球作壓頭測(cè)得的硬度值以符號(hào)HBS表示，用硬質(zhì)合金作壓頭測(cè)得的硬度值以符號(hào)HBW表示。4、特點(diǎn)：重復(fù)性好，但不簡(jiǎn)便，常用于測(cè)試非鐵金屬、鑄鐵、鋼鐵原材料，也用于硬度低于450HBS的調(diào)質(zhì)鋼或HBW＜650的材料。第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)。第二節(jié)

硬度二、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)

1、原理：根據(jù)壓痕深度確定硬度值它是用頂角為120o金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，先施加的初始試驗(yàn)力F1（10kg），再加上主試驗(yàn)力F2，其總試驗(yàn)力為F=F1+F2（60kg、100kg、150kg）。此時(shí)壓頭受主試驗(yàn)力作用壓入的深度為h，金屬越硬，h值越小。2、洛氏硬度標(biāo):我國(guó)常用的是HRA、HRB、HRC三種3、洛氏硬度值標(biāo)注方法：例如52HRC、70HRA等。4、特點(diǎn)：可直接讀數(shù)，操作簡(jiǎn)單，重復(fù)性差，損傷工件表面第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)。第三節(jié)

沖擊韌度（ak）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)來測(cè)定。測(cè)得試樣沖擊吸收功,用符號(hào)Ak表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積S0,即得到材料的沖擊韌度ak

。（一）試驗(yàn)原理第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)。第三節(jié)

沖擊韌度（ak）

在試樣上開缺口的作用是：在缺口附近造成應(yīng)力集中，是塑性變性局限在缺口附近，并保證在缺口處發(fā)生破裂，以便正確測(cè)定金屬承受沖擊載荷的能力。同一中金屬的試樣缺口愈深、愈尖銳，沖擊吸收功愈小，金屬表現(xiàn)脆性就愈顯著。（二）沖擊試樣夏氏V型缺口試樣第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)。第三節(jié)

沖擊韌度（ak）（三）影響沖擊韌度的因素(1)試樣的形狀、尺寸:V型缺口試樣比U型缺口試樣更容易沖斷，因此，不同類型的沖擊試樣，測(cè)定出的沖擊吸收功不能直接比較。(2)材料的缺陷:

能有效的檢驗(yàn)金屬材料在冶煉、加工、熱處理工藝等方面的質(zhì)量。(3)試驗(yàn)溫度:

在進(jìn)行不同溫度的一系列沖擊試驗(yàn)時(shí)，隨試驗(yàn)溫度的降低，沖擊吸收功總的變化趨勢(shì)是隨溫度降低而降低的。當(dāng)溫度降至某一數(shù)值時(shí)，沖擊吸收功急劇下降，金屬由韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?，這種現(xiàn)象稱為冷脆轉(zhuǎn)變。金屬由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)。第三節(jié)

沖擊韌度（ak）（三）影響沖擊韌度的因素(4)材料的纖維方向:第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)。第四節(jié)

疲勞強(qiáng)度一、疲勞現(xiàn)象1．交變載荷載荷的大小與方向隨時(shí)間發(fā)生周期性的變化。2．疲勞指材料在循環(huán)載荷作用下，即使所受應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度也常發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。二、疲勞強(qiáng)度通常材料疲勞性能的測(cè)定是在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，常見的疲勞曲線和對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力圖如下圖。第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)。第四節(jié)

疲勞強(qiáng)度1、疲勞的危險(xiǎn)性疲勞破壞的突然性，故造成得大的危險(xiǎn)。2、疲勞機(jī)理生成裂紋源→裂紋擴(kuò)展→最后脆斷。三、提高材料疲勞強(qiáng)度的措施（1）合理的結(jié)構(gòu)形狀，防止表面損傷，避免應(yīng)力集中。（2）表面強(qiáng)化。第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)。第五節(jié)

斷裂韌性一、斷裂韌度概念的建立低應(yīng)力脆斷特點(diǎn)：（1）不論脆性材料或塑性材料，斷裂前均無塑性變性，斷口平直光亮；（2）斷裂時(shí)工作應(yīng)力很低，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力。低應(yīng)力脆斷與材料內(nèi)部的裂紋及裂紋擴(kuò)展有關(guān)。由此發(fā)展出一門新的學(xué)科——斷裂力學(xué)。它提出了一些新的強(qiáng)度、韌性指標(biāo)。第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)。二、斷裂韌度（引入的參數(shù)）（1）應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ：用來表示裂紋尖端附近某點(diǎn)處的實(shí)際應(yīng)力值。與施加的應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度、距裂紋尖端的距離有關(guān)。（2）斷裂韌性KⅠc：裂紋由正常擴(kuò)展過度過到失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的臨界值。它表示了材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂的能力，只與材料的成份、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。（3）斷裂韌度是用來反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，即抵抗脆性斷能力的性能指標(biāo)。當(dāng)KⅠ＜KⅠC時(shí)，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展；當(dāng)KⅠ＞KⅠC時(shí)，則材料發(fā)生失穩(wěn)脆斷。第五節(jié)

斷裂韌性第二十二頁(yè)，共二十三頁(yè)。內(nèi)容總結(jié)第一篇機(jī)械工程材料基礎(chǔ)。Fs——材料屈服時(shí)的拉伸力(N)。原標(biāo)準(zhǔn)GB228-76曾將產(chǎn)生0.2%殘余伸長(zhǎng)率的規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力σ0.2稱為