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1、机械制造工程精品课程小组,第一篇 工 程 材 料,一、材料的分类 二、材料的应用情况； 三、材料的重要性。,概 述,第一章 金属材料的性能,机械制造工程精品课程小组,教学目的与要求： 1.了解材料性能的分类。 2.掌握性能参数的获得方法。 3.掌握金属材料常用性能指标的名称、代表 符号、单位、数值含义。,教学内容：1.材料性能与应用的关系。2.性能的分类。3.常用机械性能指标的基本概念。4.常用机械性能参数的测试方法。5.拉伸，冲击，硬度实验。,重点： 常用机械性能指标的名词、代表符号、单位、数值含义。 难点： 常用机械性能参数的测试原理。,本章主要阅读文献：,1、周凤云主编. 工程材料及应用
2、. 武汉：华中科技大学出 版社，2002。 2、于永泗主编.机械工程材料. 大连：大连理工大学出版 社，2003。 3、卢秉恒主编. 机械制造技术基础. 北京：机械工业出 版社，1999 。,第一节 金属材料的机械性能,定义：金属材料的机械性能又称为力学性能，表示材料承受外力作用的能力。,金属材料的机械性能实验有：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、硬度、疲劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，最常见的是拉伸实验、硬度实验和冲击实验。,机械性能指标包括四大项：强度、硬度、塑性和韧性。 性能指标：定义、符号、单位、数值含义。,一、强度,力学拉伸试验： 图中d0和l0分别 为试样在拉伸前
3、的计算直径和计 算长度，d和l分 别为试样在拉断 后的断口直径和 计算长度。,图1-1 标准拉伸试样示意图,k,b,b 极限载荷点,力学拉伸试验,F,e,e 弹性极限点,s,S 屈服点,K 断裂点,拉伸曲线,缩颈,o,F,F,L,3、屈服强度（屈服极限）,概念：材料抵抗应力作用下，开始发生明显塑性变形，拉力不增加，应力增加，产生屈服现象的最小应力值称为屈服强度。 单位：MPa（N/mm2）; 表示符号：s,当材料单位面积上所受的应力es时，材料将产生明显的塑性变形。,它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。,屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。,*条件屈服强度 概念：实际上，某些材料（铸铁、铸铝
4、等）在做拉伸曲线时和低碳钢不一样，并没有明显的屈服现象(低碳钢和铸铁的应力应变曲线比较)。为此人为的专门规定，把当试样产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值(0.2)定为该材料的屈服强度（条件屈服强度）。 单位：MPa(N/mm2) ; 表示符号：0.2 实际意义：一些工程零件(如紧固螺栓)在使用时是不允许发生塑性变形的，因此屈服强度是工程设计与选材的重要依据之一。,低碳钢和铸铁的应力应变曲线比较,疲劳极限获得方法：通过旋转弯曲试验方法,3、条件疲劳极限,对于钢铁材料，取N=107的循环周次所对应的最大应力为它的-1。 对于大多数非铁金属及其合金的疲劳曲线上没有水平直线部分。
5、如图曲线2所示 这种情况要根据零件的工作条件及使用寿命确定一个疲劳极限的循环周次，并以此所对应的应力N作为疲劳极限，亦称条件疲劳极限。 一般规定：铸铁取N=107，非铁金属取N=108,金属的疲劳曲线,二、塑性,（一）布什硬度 如图所示：布氏硬度测试原理图,三、硬度,概念：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，是衡量金属软硬的判据。 常用方法：通常用布氏硬度、洛氏硬度、李氏硬度、肖氏硬 度、维氏硬度等来表示材料的硬度。,布 氏 硬 度 计,布什硬度的表示方法,硬度值的标注方法如下： 硬度值 硬度代号 压头直径D/载荷P/保荷时间T 如：150HBS10/3000/30
6、表示用直径10mm的淬火 钢球压头，在3000kgf载荷作用下保荷时间为30秒 所测得的布氏硬度值为150。,（二）洛氏硬度,如图所示为洛氏硬度测试原理图。 HR=K-e/0.002 式中：HR为洛氏硬度代号；K为常数，当采用金刚石圆锥压头时K=100，用淬钢球压头时K=130。,洛 氏 硬 度 计,洛氏硬度的表示方法,硬度值 硬度代号 如：60HRC 金刚石圆锥压头 载荷为150 kgf 所测得的硬度值为60。 洛氏硬度值没有单位， 硬度值越大材料硬度越高， 材料的耐磨性越好。,（三）布氏硬度与洛氏硬度的比较与选用,共同点与不同点,布什硬度和洛氏硬度特点比较：,1、测定准确性 布什大于洛氏
7、2、测量范围 洛什大于布氏 3、测量效率 洛什大于布氏 4、应用对象 布什硬度：主要用于原材料、毛坯和半成品的硬度的单件、小批测量。不适合于测量厚度太小和成品零件的硬度。 洛氏硬度：不仅可以用于测量原材料、毛坯和半成品的硬度，也可以用于测量成品的硬度，不仅可以用于单件、小批测量，也可以用于大批量测量。,四、冲击韧度,概念：冲击韧度表示材料抵抗冲击载荷作用的能力，并以冲断试样每单位面积所消耗的功来表示。冲击韧度值k愈大，材料韧性愈好，抵抗冲击载荷作用的能力愈强。 k=Ak/F=G(H-h)/F (J/m) 式中：k冲击韧度值；Ak冲击吸收功；G实验机摆锤质量；H摆锤原始高度；h冲断试样后摆锤的终
8、止摆动高度F试样断口处的横截面积。,一、物理性能 金属材料的物理性能主要是指其密度、熔点、导电性、导热性及热胀冷缩性等 。 1、导热性 金属的导热性常用导热系数（W/( m*K)）来评价，值愈大，导热性愈好。材料的导热性对加工和使用都有很大的影响。 2、热胀冷缩性 材料的热胀冷缩性用线膨胀系数（1/）或体积膨胀系数来评价。线膨胀系数或体积膨胀系数愈大，材料的尺寸或体积随温度升高而增大愈多，随温度降低而减少愈多，不仅对零件的使用有很大影响，而且影响零件的加工。,第二节 金属的物理性能和化学性能,二、化学性能 化学性能是指金属在室温或者高温抵抗各种介质化学作用的能力，即化学稳定性。主要化学性能有抗氧化性和抗腐蚀性。 1. 抗氧化性 材料在使用过程中，尤其是在高温下使用要考虑材料的抗氧化性。 2. 抗腐蚀性 腐蚀也是零件失效的一个主要原因，根据零件的工作环境的不同，要考虑材料耐不同介质腐蚀的能力。,本章小节：,本章的主要内容为三个实验：拉伸实验、硬度测试、冲击实验；通过三个实验可以掌握材料主要性能指标：强度、硬度、塑性、韧性的基本概念、单位及其获得方法。通过本章的学习，学生应了解材料性能的分类、掌握性能参数的获得方法以及金属材料常用性能指标的名称、代表符号、单位、数值含义。,
