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1、,机械工程材料及热处理,主编：赵 程 杨建民,机械电子工程学院 王凤芹,山东科技大学 机械类专业基础课,绪 论,第一章 工程材料的力学性能,第二章 金属材料的基础知识,第三章 金属的塑性变形与再结晶,第四章 钢的热处理,第五章 金属材料,第六章 非金属材料,第七章 机械零件的失效与选材,第八章 新材料和新工艺,绪 论,1.1 材料与人类文明,1.2 工程材料的分类,1.3 课程性质与任务,1.1 材料与人类文明,材料是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础。,一、材料,二、人类发展与材料,人类按照在使用中占主导地位的材料划分历史： 石器时代陶器青铜器铁器钢铁（
2、资本主义大工业时期）合成材料（20世纪）复合材料（20世纪40年代）,三、材料科学技术现代文明的支柱之一,支撑人类文明大厦的四大支柱技术： 材料科学与技术 生物科学与技术 能源科学与技术 信息科学与技术,1.2 工程材料的分类,一、按来源分为天然材料和人工材料 二、按化学成分、结合键的特点分为：,1、金属材料 （1）黑色金属：是指铁和以铁为基的合金材料，即钢铁材料，它占金属材料总量的95以上。 （2）有色金属：是指除铁基合金之外的所有金属及其合金材料。,2、非金属材料 （1）陶瓷材料：是指硅酸盐、金属与非金属的氧化物、氮化物、碳化物等。 （2）高分子材料：又称聚合物材料，主要成分为碳和氢。主要
3、有橡胶、塑料、合成纤维和胶粘剂等。,3、复合材料 ：是指把两种或两种以上具有不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构成的新型材料。有树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。,1.3 课程性质与任务 1、性质 在机械设计过程中不可避免地要对工程材料的选 择、应用与加工等问题进行科学系统的分析并予以 全面正确的解决。“机械工程材料”课程是机械类专业 的一门重要的专业基础课。 2、任务 通过本课程的学习使学生在获得工程材料一般知 识的基础上，了解常用材料成分、组织、性能和加 工工艺之间的关系及其用途，从而使其初步具备合 理选择材料和使用材料、正确选择加工方法及安排 制定加工工艺路线的能力
4、，也为后继有关课程的学 习奠定必要的材料学基础。,第一章 工程材料的力学性能,本章内容 1.1 材料的强度与塑性 1.2 材料的硬度 1.3 材料的冲击韧性 1.4 材料的疲劳强度 1.5 材料的断裂韧度,重点掌握 各种力学性能指标（强度, 塑性；冲击韧性；硬度HB，HRC，HV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。,1.1 材料的强度与塑性,1.拉伸试验及拉伸曲线,2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义,1.1 材料的强度与塑性,一、静载单向静拉伸应力应变曲线,1.拉伸试样：,长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0,1.1 材料的强度与塑性,2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲
5、线：,纵坐标为应力单位 MPa(MN/mm )， 横坐标为应变.其中：=F/S 表示材料抵抗变形和断裂的能力,1.1 材料的强度与塑性,3.曲线分为四阶段： 1）阶段I（ope）弹性变形阶段 p: Fp ，e: Fe （不产生永久变形的最大抗力） op段：L P 直线阶段 pe段：极微量塑性变形（0.001-0.005%) 2）阶段II（ess）段屈服变形 S: 屈服点 Fs 3）阶段III（sb）段均匀塑性变形阶段 b: Fb 材料所能承受的最大载荷,4）阶段IV(bK) 段局部集中塑性变形颈缩 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 中、高碳钢：没有第II阶段,1.1 材料的强度与塑性,二、拉伸曲线所确
6、定的力学性能指标及意义 1刚度 刚度：材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。 E=/ 弹性模量 GPa, MPa 本质是：反映了材料产生弹性变形的难易程度，组织不敏感的力学指标。,2.强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。 屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。,1.1 材料的强度与塑性,条件屈服强度0.2：对于屈服现象不明显的材料（高碳钢等），国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以0.2来表示。 抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。,1.1 材料的强度
7、与塑性,3.塑性：塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性。 延伸率 断面收缩率 =A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100% 时，无颈缩，为脆性材料表征； 时，有颈缩，为塑性材料表征。,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,1.1 材料的强度与塑性,1.2 材料的硬度 抵抗外物压入的能力，称为硬度综合性能指标。,1布氏硬度 （淬火钢球或硬质合金球）,1.2 材料的硬度,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。,1.2 材料的硬度,材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(M
8、Pa)3.6HB 对于高碳钢： b(MPa)3.4HB 对于铸铁： b(MPa)1HB或0.6(HB-40),布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。,硬度表示：120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,1.2 材料的硬度,2洛氏硬度 120圆锥,常用标尺有：A、B、C三种 HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。, HRC 较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。, HRB 轻
9、金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火。,1.2 材料的硬度,洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：易受材料不均匀的影响，重复性差。,洛氏硬度测试示意图,洛氏硬度计,维氏硬度 试验原理,维氏硬度计,3.维氏硬度,1.2 材料的硬度,维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。,由于各种硬度的试验条件不同，它们之间没有直接的换算关系。标注某种材料的硬度值必须说明它们的硬度测试方法。,1.3 冲击韧性 韧性：指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力。是材料的塑性和强
10、度的综合表现。 冲击韧性：是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 指标为冲击韧性值ak 。,影响因素： 材料本身特性 式样尺寸 缺口形状 加工粗糙度 试验环境。,1.3 冲击韧性,a k =冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S (J/cm2) ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状 。 ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。,1.3 冲击韧性,材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。 材料的使用温度应高于韧脆转变温度。,1.3 冲击韧性,交变应力：力的大小和方
11、向都随时间呈周期性的循环变化的应力。,1.4 疲劳强度（80%的断裂由疲劳造成）,疲劳：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。,疲劳强度-1 ：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。,条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。,影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。,1.4 疲劳强度,通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲
12、劳抗力。,1.4 疲劳强度,1问题的提出 低应力脆断断裂力学 断裂韧性是量度材料抵抗裂纹失稳扩展阻力的物理量,是材料抵抗应力脆性断裂的韧性参数. 2应力场强度因子K 前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续，这可看成材料的裂纹，在裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数“应力场强度因子”。,I,1.5 材料的断裂韧性,3断裂韧性 对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时，
13、就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。 这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。,1.5 材料的断裂韧性,：外加应力,：裂纹的半长,I,KIC可通过实验测得。是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。 是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。,1.5 材料的断裂韧性,当KI KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。 KI KIC时，裂纹处于临界状态 K I KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。,4应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。 （1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC ，制定零件工作是否安全KKIC，失稳扩展。 （2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。 （3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。,I,1.5 材料的断裂韧性,
