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1、,上海大学机自学院,“工程材料学B”讲稿,SHANGHAI UNIVERSITY,姚勤,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,绪 论,一、材料与人类社会发展的关系,材料是人类生存所必需的物质基础。 人的衣、食、住、行都离不开材料，从原始社会最简单的日常生活用具和手工劳动工具到如今高精尖的计算机、航天器、机器人等，都是用各种各样的材料加工而成的。 即使在科技如此发达的今天，我们也很难想象，如果没有了粮食、石油、煤炭等资源，人类将怎样生存。,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,材料是人类社会文明进步的重要标志。 石器时代青铜器时代钢铁时代 人类历史是按人类
2、所使用的材料种类划分的， 材料的利用和发展构成了人类文明史的里程碑。,材料工业是国民经济的支柱产业。 能源 信息 交通 材料,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,材料工业是生产力发展的基础和动力。,就制造业而言，材料是其必要的基础和 有力的保证，没有了材料工业的发展，制造 业也就成了“无米之炊”。同时，材料也是制造业发展的动力，不断涌现的新材料促进了制造新工艺的研究开发，反过来，新工艺又对材料提出了进一步的性能要求，又带动了新材料的出现。如此循环交替，推动了社会生产力的不断进步。,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,二、材料科学及其发展趋势 材料科学
3、-是研究材料的化学组成和微 观结构与材料宏观性能之间关系的一门科学，它同时还研究制取和使用材料的有关知识。 材料科学的发展趋势,新手段 新品种 新工艺,新 手 段,光学显微镜、电子显微镜等先进分析工具的 研制, 固体物理、量子力学等基础学科的发展, 将人们从宏观世界带入了微观世界，揭示了材 料的成分、结构、性能之间的相互关系。,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,高性能：低密度、高强度、耐高温、耐磨损、 耐腐蚀、 新功能：随着原子能、航天航空、电子技术、 生物医疗等现代工业的发展，对材料提出了许 多特殊的性能要求。如现代电子技术中的超导 材料；医学领域中的形状记忆材料；人
4、工器官、 生物传感器、血液代用品等等；以及现在非常 热门的纳米材料（1纳米=10-9米）,人们关注的 不仅是其尺寸的微细可以用来制造“微机械”， 更关注的是由此而来的一些奇特的性能，如纳 米陶瓷的塑性、导体变非导体、吸波性等。,新 品 种,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,三、“工程材料学B”课程简介 “工程材料学B”是机械类各专业的一门必修 的技术基础课。主要介绍工程材料的一般知识和 铸造成形、锻压成形及焊接等常用的成形方法和,低能耗、低污染，可持续发展等已成为现代工业生产的必然趋势。因此，铸、锻、焊等传统的材料成形技术也在不断地发展和进步。少、无切屑的精密铸造和精密
5、锻造以及计算机控制的机械化、自动化生产装备得到了广泛的应用，极大地提高了生产率，减轻劳动强度。,新 工 艺,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,工艺，使学生初步具备合理选择材料、选择毛坯 或零件的加工方法与加工工艺以及分析零件结构 工艺性的能力，了解本学科领域中的新技术。 本课程将分在两个学期完成，本学期的 “工程 材料学B（一）”着重介绍工程材料，秋季学期的 “工程材料学B（二）”主要介绍铸、锻、焊等材料 成形的方法。,四、评分方法及其他 平时成绩：30%（考勤与作业） 考试成绩：70%,第一章 工程材料,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,1-1
6、 概述,金属材料,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,黑色金属：铁、锰、铬及其合金。 主要指钢和铸铁。 有色金属：除黑色金属以外的金属 及其合金。如铜、铝等。 轻金属 重金属 贵金属 稀有金属 ,非金属材料,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,有机高分子材料：主要含碳和氢。 塑料 橡胶 合成纤维 无机非金属材料：不含碳和氢。 陶瓷 玻璃 ,复合材料,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,复合材料是由两种或两种以上的不同材料复合而成的材料。既保留原有材料各自的特性，又具有原有材料所没有的特殊的、优异的性能。 树脂基复合材料 金属基复
7、合材料 陶瓷基复合材料 ,1-2 固体材料的性能,一、物理性能,二、化学性能,三、力学性能,四、工艺性能,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,1-2 固体材料的性能,一、物理性能,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,密度 熔点 导电性 导热性 磁性 ,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,二、化学性能,指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 抗氧化性 耐腐蚀性（如耐油、耐酸、耐碱） ,三、力学性能,力学性能是指材料在承受外力后的表现。 常温静态 常温动态下 高低温下,SHANGHAI UNIVERSITY,载荷形式的影响,拉伸,压缩,弯曲
8、,剪切,扭转,工作温度的影响,运动状态的影响,材料完整性的影响,四、工艺性能,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY, 热处理性能, 铸造性能, 锻压性能, 焊接性能, 切削加工性能,工艺性能是指材料加工时的性能。,1.强度,SHANGHAI UNIVERSITY, 弹性极限e - 发生最大弹性变形时的应力。 屈服强度s - 开始出现明显塑性变形时的应力。 条件屈服强度0.2 - 产生0.2%塑性变形时的应力。 抗拉强度b -拉断前所承受的最大应力。,应力- 单位面积上所承受的内力，以 表示。 （MPa） 应变-单位尺寸上的变形量，以表示。 （%） 弹性变形-受力后立即发生，
9、并随力的消失而消失的变形。 塑性变形-应力超过一定数值后才发生的并将永久保留的变形。,在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。,三、力学性能,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,拉伸试验,l 0,l,S 0,S,拉伸前,拉断后,b 缩颈点,s,e,e,s,b,e - 最大弹性变形时的应力,s - 开始塑性变形时的应力,b - 拉断前所承受的最大应力,应力 （MPa）,应变（%）,刚度- 材料抵抗弹性变形的能力。用弹性 模量E（弹性范围内，应力与应变的比例） 表示（E=tg），E越大刚性越好。,拉伸 试样,拉 伸 曲 线,屈服点,k 拉断点,上海大学机自学院,SHANGHA
10、I UNIVERSITY,对那些没有明显屈服现象的材料，一般规定以试样产生0.2%残余伸长率时的应力作为其屈服强度，称为条件屈服强度0.2,应变（%）,应力 （MPa）,0.2%,0.2,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,2.塑性, 延伸率 - 试样断裂前后的长度变化率。 断面收缩率 - 试样断裂前后的面积变化率。,在外力作用下，材料产生塑性变形而不发生断裂的能力。,l l 0,l 0, =, 100 %,=,S 0 S, 100 %,S 0,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,4,3,2,1,例题：图示1-4为四种不同材料的应力-应变曲线， 请比
11、较这四种材料的抗拉强度、屈服强度、 刚度和塑性。,应力 ,应变 ,1,2,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,4,3,2,1,应力 ,应变 ,0. 2,0. 2,s3,s2,0. 2,b1,b2,b3,b4,抗拉强度：2 1 3 4 （根据拉断前的最大应力）,屈服强度：1 3 2 4 （根据屈服点或条件屈服点）,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,4,3,2,1,应力 ,应变 ,1,4,2,3,塑性：3 2 4 1 （根据断裂时的应变 ）,刚度：1 3 2 4 （根据弹性模量 E） 直线斜率,总=弹+塑,= 塑,上海大学机自学院,SHANGHAI U
12、NIVERSITY,4,3,2,1,应力 ,应变 ,塑性：3 2 4 1 （根据试样的延伸率）,刚度：1 3 2 4 （根据弹性模量 E） 直线斜率,总=弹+塑,= 塑,1,2,3,4,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,3.硬度,布氏硬度： 用淬火钢球或硬质合金球作 压头，以压痕直径来衡量材料硬度。 压痕大，不适宜测薄片或成品，主要用于测较软的 原材料、半成品的硬度，如有色合金、软钢、铸铁等。 注意：压头为钢球时表示成数字+ HBS ，如450HBS， 用硬质合金球时表示为数字+ HBW ，如650HBW,洛氏硬度： 用金刚石圆锥或淬火钢球作压 头，以压痕深度来衡量材料
13、的硬度 。,F,F,材料抵抗更硬物体压入的能力。,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,由压头和载荷的不同，洛氏硬度分成 HRA、HRB、HRC三种，以HRC应用最广。,洛氏硬度压痕小，不损伤工件，常用于测硬 材料、薄试样及成品零件。,三种洛氏硬度的试验规范和应用范围,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY, 维氏硬度： 用136度金刚石四棱锥作压头。 维氏硬度法载荷小、压痕浅，可测量各种软 硬程度的材料，但测量过程较麻烦。主要用于测 极薄的表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。,另外，强度和硬度都能反映材料抵抗塑性变形的能力， 两者之间有一定的关系，可近
14、似换算： 低碳钢轧材或锻件：b 0.36 HB； 灰铸铁件： b 0.1 HB； 高碳钢轧材或锻件：b 0.34 HB； 铸铝件： b 0.26 HB； 调质合金钢： b 0.325 HB,特别提醒：不同硬度试验法所获得的硬度值是不能直接进行比较的，必须通过换算成同一硬度指标后才能比较。,课堂练习题: 1.某工厂欲制造一批钢制拉杆，此拉杆的最大 工作应力为350MPa，且工作时不允许产生明 显的塑性变形。工厂仓库中有一种钢材，将 其制成直径为d0 = 10 m m 标准拉伸试样后进行 拉伸试验，测得 Fs = 21500 N，Fb = 35100 N。 试判断该钢材是否适合做拉杆？为什么？ 2.请判断下列说法是否正确： 材料的强度越高就越不容易变形。因此和高 强度材料相比，低强度材料一定会变形。 硬度高的材料，其强度和刚度也一定会大。 弹性模量大的材料，其弹性极限就高。,上海大学机自学院,SHANGHAI UNIVERSITY,4.冲击韧度,通常采用一次摆锤冲击弯曲试验进行测定，用摆锤冲击缺口试样时单位截面所消耗的冲击功k 表示冲击韧度。,材料抵抗一次或数次大能量 冲击的能力。,k =,G（H - h）,S,其中： G -摆锤质量, Kg
