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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,*,課程類型：本科學(xué)位課,機(jī)械工程材料,MATERIALS FOR,MECHANICAL ENGINEERING,教 材：呂燁 王麗鳳主編 機(jī)械工程材料 高等教育出版社,參考教材：沈蓮主編 機(jī)械工程材料（第,3,版）,機(jī)械工業(yè)出版社,朱張校主編 工程材料 清華大學(xué)出版社,學(xué) 時(shí)：,48,什么是材料？,材料是人類社會(huì)所能接受的、可經(jīng)濟(jì)地制造,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。,機(jī)械工程固體材料的分類：,高分子材料,High polymer,陶瓷材料,

2、Ceramics,復(fù)合材料,Compisites,金屬材料,Metals,功能材料,Functional materials,緒 論,工程材料的重要性,1.,社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志,2.,現(xiàn)代社會(huì)的重要支柱,3.,機(jī)械工程的物質(zhì)基礎(chǔ),材料的發(fā)展史，就是人類社會(huì)的發(fā)展史,。,石器時(shí)代 陶器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代,材料的發(fā)展史,現(xiàn)代社會(huì)的三大支柱,能源,信息,材料,生物工程,信息技術(shù),新材料科學(xué),20,世紀(jì),90,年代,21,世紀(jì)初,材料,人類社會(huì)發(fā)展的里程碑,！,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！,學(xué)習(xí)本課程的目的,(1),熟悉工程材料的基本知識(shí)、基本理論。,(2),掌握材料的成分,-,組

3、織,-,性能之間的關(guān)系,及變化規(guī)律,(3),掌握,工程材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合,。,(4),能夠在機(jī)械設(shè)計(jì)中合理地選擇材料。,第,1,章 材料的性能,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、物理性能和化學(xué)性能。,工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。,神舟一號(hào)飛船,力學(xué)性能,:,強(qiáng)度和塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度,;,物理性能,:,密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性 和磁性；,化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性；,工藝性能：鑄造特性、鍛壓特性、焊接性和切削加工 性能；,材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。,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

4、能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。,五萬噸,水壓機(jī),低碳鋼的應(yīng)力,-,應(yīng)變曲線,拉伸試樣,拉伸試驗(yàn)機(jī),應(yīng)力,=,P,/,F,0,應(yīng)變,=(,l,-,l,0,)/,l,0,1.1,強(qiáng)度,拉伸實(shí)驗(yàn),OA,：彈性變形,ABC,：屈服,CD,：塑性變形,DE,：斷裂,1.2,材料的強(qiáng)度,圖,2-3,鋼液形成的彎月面,(1),比例極限；,(2),彈性極限；,(3),屈服強(qiáng)度；,(4),抗拉強(qiáng)度；,(5),斷裂強(qiáng)度；,退火低碳鋼的拉伸曲線,1.3,彈性極限,圖,2-5,結(jié)晶器彎月面渣圈示意圖,彈性變形的最大 拉力,初始橫截面積,彈性變形能,u,1.4,剛度,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

5、，零件的彈性變形值超過了規(guī)定值，將會(huì)發(fā)生失效。,可采取的措施：,(1),選用彈性模量,E,較高的材料。,(2),增大零件橫截面,E,值取決于材料的本性。隨溫度的升高而降低。（單位：,MPa,）,彈性模量,1.5,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度,屈強(qiáng)比,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。,s,0.2,條件屈服強(qiáng)度,0.2,：,殘余變形量為,0.2%,時(shí)的應(yīng)力值。,1.6,材料的塑性,材料在斷裂前產(chǎn)生最大塑性變形的能力,斷后伸長(zhǎng)率；,斷面收縮率；,一般,斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率越大，材料的塑性越好,。,斷裂后,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,說明：,用斷面縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更

6、接近真實(shí)變形。,直徑,d,0,相同時(shí)，,l,0,，,。,只有當(dāng),l,0,/d,0,為常數(shù)時(shí)，塑性值才有可比性。,當(dāng),l,0,=10d,0,時(shí)，伸長(zhǎng)率用,表示；,當(dāng),l,0,=5d,0,時(shí)，伸長(zhǎng)率用,5,表示。顯然,5,時(shí)，無頸縮，為脆性材料表征,時(shí)，有頸縮，為塑性材料表征,1.7,材料的硬度,材料抵抗局部變形、劃痕或壓痕的能力。,測(cè)試材料硬度的常用方法,布氏硬度；,洛氏硬度；,維氏硬度；,布氏硬度,HB,布氏硬度計(jì),壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào),HBS,表示，適用于布氏硬度值在,450,以下的材料。,壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào),HBW,表示，適用于布氏硬度在,650,以下的材料。,符號(hào),HBS

7、,或,HBW,之前的數(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,。,布氏硬度壓痕,布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。,缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。,適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。,材料的,b,與,HB,之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：,對(duì)于低碳鋼,:,b,(MPa),3.6HB,對(duì)于高碳鋼：,b,(MPa),3.4HB,對(duì)于鑄鐵：,b,(MPa),1HB,或,b,

8、(MPa,),0.6(HB-40),HB,b,(MPa,),鋼,黃銅,球墨鑄鐵,洛氏硬度,h,1,-,h,0,洛氏硬度測(cè)試示意圖,洛氏硬度計(jì),洛氏硬度用符號(hào),HR,表示，,HR=,k,-(,h,1,-,h,0,)/0.002,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,A,、,B,、,C,。,符號(hào),HR,前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。,HRA,用于測(cè)量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層,。,HRB,用于測(cè)量低硬度材料,如有色金屬和退火,、,正火鋼等。,HRC,用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。,洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。,缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大

9、。,鋼球壓頭與金剛石壓頭,洛氏硬度壓痕,維氏硬度,維氏硬度計(jì),維氏硬度試驗(yàn)原理,維氏硬度壓痕,維氏硬度用符號(hào),HV,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。,根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法,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,和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。,小負(fù)荷維氏硬度計(jì),顯微維氏硬度計(jì),三、沖擊韌性,是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。,指標(biāo)為沖擊韌性值,a,k,(,通過,沖擊實(shí)驗(yàn),測(cè)得,),。,韌脆轉(zhuǎn)變溫度,材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱

10、韌脆轉(zhuǎn)變,溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。,韌,體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。,TITANIC,建造中的,Titanic,號(hào),TITANIC,的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān),Titanic,號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果,Titanic,近代船用鋼板,四、疲勞,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。,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,-1,表示。,鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為,10,7,，有色金屬合金為,10,8,。,疲勞應(yīng)力示意圖,疲勞曲線示意圖,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

11、面光潔度，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,疲勞輝紋（掃描電鏡照片,）,材料的物理性能,1,、密度：重金屬（鐵、鉛、鎢）、輕金屬（鋁、鎂、鈦）。,2,、熔點(diǎn)：難熔金屬（鎢、鉬、釩）、易熔金屬（鉛、錫）。,3,、導(dǎo)電性：金屬的導(dǎo)電性較好，非金屬的導(dǎo)電性較差。,4,、導(dǎo)熱性：材料傳導(dǎo)熱量的能力。,5,、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,6,、磁性：材料所具有的導(dǎo)磁性能。,材料的化學(xué)性能,1,、耐腐蝕性：材料在介質(zhì)中抵抗腐蝕的能力。,2,、抗氧化性：材料在高溫下抵抗氧化作用的能力。,3,、化學(xué)穩(wěn)定性：對(duì)材料耐腐蝕性和抗氧化性的綜合評(píng)價(jià)。,材料的工藝性能,1,、鑄造性能：液態(tài)金屬的流動(dòng)性、填充性、收縮率、偏析傾向。,2,、鍛造性能：成型性與變形抗力。,3,、切削性能：對(duì)刀具的磨損、斷屑能力及導(dǎo)熱性。,4,、焊接性能：產(chǎn)生焊接缺陷的傾向。,5,、熱處理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。,