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1、機 械 工 程 材 料 教 材 ： 呂 燁 王 麗 鳳 主 編 機 械 工 程 材 料 高 等 教 育 出 版 社參 考 教 材 ： 沈 蓮 主 編 機 械 工 程 材 料 （ 第 3版 ） 機 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 ： 48 什 么 是 材 料 ？ 材 料 是 人 類 社 會 所 能 接 受 的 、 可 經(jīng) 濟 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 械 工 程 領(lǐng) 域 的 材 料 稱 為 機 械 工 程 材 料 。機 械 工 程 固 體

2、材 料 的 分 類 ： 高 分 子 材 料 High polymer 陶 瓷 材 料 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 進 步 的 重 要 標 志2. 現(xiàn) 代 社 會 的 重 要 支 柱3. 機 械 工 程 的 物 質(zhì) 基 礎(chǔ)材 料 的 發(fā) 展 史 ， 就 是 人 類 社 會 的 發(fā) 展 史 。石 器 時 代 陶 器 時 代 青 銅 器 時 代 鐵 器 時 代 材 料 的 發(fā) 展 史 現(xiàn) 代 社 會 的 三 大 支 柱 u能 源 u信

3、息 u材 料u生 物 工 程 u信 息 技 術(shù) u新 材 料 科 學(xué)20世 紀 90年 代21世 紀 初材 料 人 類 社 會 發(fā) 展 的 里 程 碑 ！新 材 料 現(xiàn) 代 科 學(xué) 技 術(shù) 和 社 會 發(fā) 展 的 基 礎(chǔ) 和 支 柱 ！ 學(xué) 習(xí) 本 課 程 的 目 的u(1)熟 悉 工 程 材 料 的 基 本 知 識 、 基 本 理 論 。u(2)掌 握 材 料 的 成 分 -組 織 -性 能 之 間 的 關(guān) 系 及 變 化 規(guī) 律u(3)掌 握 工 程 材 料 的 性 能 特 點 及 應(yīng) 用 場 合 。u(4)能 夠 在 機 械 設(shè) 計 中 合 理 地 選 擇 材 料 。 第 1章 材 料

4、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 。 神舟一號飛船 u 力 學(xué) 性 能 : 強 度 和 塑 性 、 硬 度 、 韌 性 和 疲 勞 強 度 ;u 物 理 性 能 : 密 度 、 熔 點 、 導(dǎo) 電 性 、 導(dǎo) 熱 性 、 熱 膨 脹 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 ；u 工 藝 性 能 ： 鑄 造 特 性 、 鍛 壓 特 性 、 焊 接

5、 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 能 恢 復(fù) 的 變 形 稱 為 塑 性 變 形 。 五 萬 噸 水 壓 機 低 碳 鋼 的 應(yīng) 力 -應(yīng) 變 曲 線拉 伸 試 樣 拉伸試驗機應(yīng) 力 = P/F0應(yīng) 變 = (l-l0)/l0 1.1 強 度拉 伸 實 驗 OA： 彈 性 變 形ABC： 屈 服CD： 塑 性 變 形DE： 斷 裂 1.2 材 料 的 強 度圖 2-3 鋼 液 形 成 的 彎 月 面

6、 (1)比 例 極 限 ；(2)彈 性 極 限 ；(3)屈 服 強 度 ；(4)抗 拉 強 度 ；(5)斷 裂 強 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 0SFee eF 初 始 橫 截 面 積 0S彈 性 變 形 能 u 1.4 剛 度 材 料 受 力 時 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 形值 超 過 了 規(guī) 定 值 ， 將 會 發(fā) 生 失 效 。可 采 取 的 措 施 ：(1)選 用

7、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）eeE EAF 彈 性 模 量 1.5 屈 服 強 度 和 抗 拉 強 度 屈 服 強 度 0SFss 抗 拉 強 度 0SFbb 屈 強 比 bs /屈 強 比 越 小 ， 零 件 的 可 靠 性 越 高 ； 但 太 小 ，材 料 的 有 效 利 用 率 降 低 。 s0.2 條 件 屈 服 強 度 0.2： 殘 余 變 形 量為 0.2%時 的 應(yīng) 力 值 。 1.6 材 料 的 塑 性 材 料 在 斷 裂 前 產(chǎn)

8、 生 最 大 塑 性變 形 的 能 力 斷 后 伸 長 率 ； 斷 面 收 縮 率 ； 一 般 斷 后 伸 長 率 和 斷 面 收 縮 率 越 大 ，材 料 的 塑 性 越 好 。 %1000 l l %100 0 SS 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 率 更 接 近 真 實 變形 。 直 徑 d0 相 同 時 ， l0， 。 只 有 當 l0/d0 為 常數(shù) 時 ， 塑 性 值 才 有 可 比 性 。當 l0=10d0 時 ， 伸 長 率 用 表 示 ；當 l0=5d0 時 ， 伸 長 率 用 5 表 示 。 顯 然 5 時 ， 無

9、 頸 縮 ， 為 脆 性 材 料 表 征 時 ， 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 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)( 2102.0 22 dDDD PH B 壓 頭 為 鋼 球 時 ， 布 氏 硬 度 用 符 號 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 ， 用 符 號 HBW表 示 ， 適 用 于 布氏 硬 度 在

10、 650以 下 的 材 料 。l 符 號 HBS或 HBW之 前 的 數(shù) 字 表 示硬 度 值 , 符 號 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 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 得 的 布 氏 硬 度 值 為 120。布氏硬度壓痕 布 氏 硬 度 的 優(yōu) 點 ： 測 量 誤 差 小 ， 數(shù) 據(jù) 穩(wěn) 定 。缺 點 ： 壓 痕 大 ， 不 能 用 于 太 薄 件 、 成 品 件 及 比 壓 頭 還硬 的 材 料

11、。適 于 測 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 關(guān) 系 ： 對 于 低 碳 鋼 : b(MPa)3.6HB 對 于 高 碳 鋼 ： b(MPa)3.4HB 對 于 鑄 鐵 ： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40)HBb(MPa) 鋼黃 銅 球 墨 鑄 鐵 洛 氏 硬 度 h1-h0洛 氏 硬 度 測 試 示 意 圖 洛氏硬度計 洛 氏 硬 度 用 符 號 HR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 標 尺

12、， 常用 的 標 尺 為 A、 B、 C。 符 號 HR前 面 的 數(shù) 字 為 硬 度 值 ， 后 面 為 使 用 的 標 尺 。l HRA用 于 測 量 高 硬 度 材 料 , 如硬 質(zhì) 合 金 、 表 淬 層 和 滲 碳 層 。l HRB用 于 測 量 低 硬 度 材 料 , 如有 色 金 屬 和 退 火 、 正 火 鋼 等 。l HRC用 于 測 量 中 等 硬 度 材 料 ，如 調(diào) 質(zhì) 鋼 、 淬 火 鋼 等 。l 洛 氏 硬 度 的 優(yōu) 點 ： 操 作 簡 便 ，壓 痕 小 ， 適 用 范 圍 廣 。 l 缺 點 ： 測 量 結(jié) 果 分 散 度 大 。 鋼 球 壓 頭 與金 剛 石

13、壓 頭洛 氏 硬 度 壓 痕 維 氏 硬 度 維 氏 硬 度 計維 氏 硬 度 試 驗 原 理 維 氏 硬 度 壓 痕 維 氏 硬 度 用 符 號 HV表 示 ， 符 號 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 間 。根 據(jù) 載 荷 范 圍 不 同 ， 規(guī) 定 了 三 種 測 定 方 法 維 氏 硬 度試 驗 、 小 負 荷 維 氏 硬 度 試 驗 、 顯 微 維 氏 硬 度 試 驗 。維 氏 硬 度 保 留 了 布 氏 硬 度和 洛 氏 硬 度 的 優(yōu) 點 。 小負荷維氏硬度計顯 微 維 氏 硬 度 計 三 、 沖

14、 擊 韌 性是 指 材 料 抵 抗 沖 擊 載 荷 作 用 而不 破 壞 的 能 力 。 l 指 標 為 沖 擊 韌性 值 a k(通 過 沖擊 實 驗 測 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 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 沒 有 。 T

15、ITANIC 建 造 中 的 Titanic 號TITANIC的 沉 沒與 船 體 材 料 的 質(zhì) 量直 接 有 關(guān) Titanic 號 鋼 板 （ 左 圖 ） 和 近 代 船 用 鋼 板 （ 右 圖 ）的 沖 擊 試 驗 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 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 107， 有 色 金 屬 合 金 為 108。疲

16、 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 面 光 潔 度 ，進 行 表 面 強 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 ： 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

17、 ， 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 材 料 耐 腐 蝕 性 和 抗 氧 化 性 的 綜 合評 價 。 材 料 的 工 藝 性 能1、 鑄 造 性 能 ： 液 態(tài) 金 屬 的 流 動 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 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 。