机械工程材料讲义资料

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1、1,机械工程材料,Materials For Mechanical Engineering,2,第2章 材料的性能与力学行为,本章目录 2.1 材料的静态力学性能 2.2 材料的动态力学性能 2.3 材料的物理、化学性能 2.4 材料的工艺性能 2.5 金属的塑性变形及强化 2.6 金属的再结晶与变形加工,3,材料的性能,使用性能,工艺性能,力学性能 物理性能 化学性能,铸造性能 可锻性能 可焊性能 切削加工性能 热处理性工艺性,工程材料的性能,5,2.1 材料的静态力学性能,2.1.1 材料的强度与塑性 拉伸实验 拉伸试样：GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法，规定有圆形、矩形、

2、多边形、环形等试样。常用标准圆截面试样。 长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0,圆形标准拉伸试样,6,拉伸试验机,拉伸试样的颈缩现象,将标准圆形拉伸试样装夹在拉伸试验机上，缓慢地加载（静载荷），随着载荷的增加，试样逐渐伸长，直至拉断。在试验过程中，试验机自动记录每一瞬间载荷和伸长量，并绘出它们之间的关系曲线，称为拉伸曲线。,拉伸试验,7,拉伸曲线 op段：比例弹性变形阶段 pe段：非比例弹性变形阶段 s段：屈服阶段，呈平台或锯齿状 sb段：均匀塑性变形阶段，是强化 阶段 b点：形成了“缩颈” bk段：非均匀变形阶段，承载下降， 到k点断裂,低碳钢的拉伸曲线,8,强度：金属抵抗永久变形和

3、断裂的能力。 比例极限：是应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力值，用p表示，单位为MPa。 弹性极限：是材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，用e表示，单位为MPa。 屈服强度：是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。常以下屈服强度ReL作为屈服强度的值，单位为MPa。对于高碳钢、铸铁等材料，以试样拉伸时产生0.2% 残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度，记为Rr0.2，即所谓的“条件屈服强度”。 抗拉强度：是试样拉断前所能承受的最大应力值，用Rm 表示，单位为MPa。,强 度,9,刚度与塑性,刚度：是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。 弹性模量：是指材料在弹性范围内的应力与应变的

4、比值，用E 表示，单位为MPa。 塑性：是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。 断后伸长率：是指试样拉断后标距长度的残余伸长（断后标距Lu与原始标距L0之差）与原始标距长度L0的百分比，用符号A表示（相当于旧国家标准的5）。 断面收缩率：是指断裂后试样横截面积的最大缩减量(原始横截面积So与断后最小横截面积Su之差)与原始横截面积 So之比的百分率，用符号Z表示。,10,2.1.2 材料的硬度,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，它是衡量材料软硬程度的指标。 特点：硬度是通过硬度试验测得的。硬度试验方法简单、迅速、不需要专门的试样、不损坏工件，因此在生产和科研中得

5、到广泛应用。 分类：测定硬度的方法很多，压入法测定的硬度值表征材料表面抵抗硬物侵入的能力，常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验方法。,11,（1）布氏硬度,测定原理：用直径为D的淬火钢球或硬质合金球做压头，在试验力F的作用下压入被测金属表面，保持规定的时间后卸除试验力，则在金属表面留下一压坑（压痕），用读数显微镜测量其压痕直径d，求出压痕表面积，用试验力F除以压痕表面积所得的商作为被测金属的布氏硬度值，用符号HB表示。,布氏硬度试验原理示意图,12,表示方法：当压头为淬火钢球时,布氏硬度用符号HBS表示，适合于测定布氏硬度值在450以下的材料，如：320HBS；压头为硬质合金压头时，用HB

6、W表示，适用于布氏硬度大于450且小于650的材料，如：540HBW。,应用范围：适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。,特点：测量误差小、数据稳定，适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度(如铸铁、轴承合金等) 。但试验较费时，压痕较大，不宜用于测太薄件或成品，也不能用来测太硬的材料。,（1）布氏硬度,13,（2）洛氏硬度,测定原理：用一个顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球为压头，在规定载荷F作用下压入被测试材料表面，通过测定压头压入的深度来确定其硬度值。实测时，硬度值的大小由硬度计的指示器上直接读出。,洛氏硬

7、度试验原理示意图,表示方法：洛氏硬度用符号HR表示，最常用的标尺为HRA、 HRB、 HRC；符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺，如55HRC表示用C标尺测定的材料洛氏硬度值为55。,14,常用的三种洛氏硬度试验规范,特点：试验操作简便迅速，测量硬度值范围大，压痕小，可直接测量成品或较薄工件的硬度。但测定结果不够准确。,15,（3）维氏硬度,将顶部两相对面具有规定角度（136）的正四棱锥体金刚石压头，在载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，在试样表面压出一个四方锥形压痕，试验载荷P除以压痕表面积所得的商即为维氏硬度，用符号HV表示。,维氏硬度试验原理示意图,16,（3）

8、维氏硬度,17,2.2 材料的动态力学性能,2.2.1 材料的冲击韧度 韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。,摆锤式冲击试验原理示意图,一次冲击弯曲试验 ：试样摆放在试验机的支座上，将质量为G的摆锤安放到规定的高度H，然后下落将试样打断，并摆过支点升到某一高度h，试样在冲击试验力一次作用下，折断时所吸收的功为冲击吸收功为AK ，AK数值在试验机的刻度盘上直接读出。,18,2.2.1 材料的冲击韧度,冲击韧度：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。冲击韧度值就是试样缺口处单位横截面积上的冲击吸收功，即将冲击吸收功AK除以试样断口处的横截面积。 冲击韧度用符号aK表示，单位为J/cm2。

9、,韧脆转变温度：在某一温度范围内冲击韧度值发生急剧下降的现象称为韧脆转变（或冷脆），发生韧脆转变的温度范围称为韧脆转变温度。,韧脆转变温度曲线示意图,19,2.2.2 材料的多冲抗力,多次冲击弯曲试验是将材料制成专用试样，放在多冲击试验机上，试样受到试验机锤头较小能量（1500J）多次冲击，测定在一定冲击能量下材料断裂前的冲击次数（N），经受的冲击次数N代表金属的抗冲击能力。,金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其多冲抗力主要取决于材料的强度和塑性。,20,2.2.3 材料的疲劳强度,交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。

10、 疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。 疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、断裂。,一个疲劳源,两个疲劳源,断口示意图,21,疲劳极限-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值。单位为MPa。通常规定钢铁材料的循环基数N=107；非铁金属的循环基数N=108；腐蚀介质作用下的循环基数N=106。,疲劳曲线示意图,提高疲劳抗力的方法：设计上减小应力集中；强化表面。,22,2.2.4 材料的断裂韧度,断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：MPam 1/2 或者 MN m-3/2。 应用（判断构件是否安

11、全，合理选材） KI KIC 构件发生脆性断裂 KI KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件 应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等。,23,2.3 材料的物理、化学性能,2.3.1 材料的物理性能 密度 熔点 热膨胀性 导电性 导热性 磁性 2.3.2 材料的化学性能 耐腐蚀性 抗氧化性 化学稳定性,24,2.4 材料的工艺性能,2.4.1 材料的铸造性能 2.4.2 材料的锻造性能 2.4.3 材料的焊接性能 2.4.4 材料的切削加工性能 2.4.5 材料的热处理性能,25,塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显

12、著影响。 了解塑性变形的本质、塑性变形及加热时组织的变化,有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。,5万吨水压机,2.5 金属的塑性变形及强化,26,金属在外力作用下会发生塑性变形。塑性变形是强化金属的重要手段之一。 金属材料在熔炼浇注成铸锭后，通常要进行各种压力加工，如轧制、挤压、冷拔、锻造及冲压等。,27,通过压力加工既可将金属材料加工成各种形状和尺寸的制品，还可改变材料的组织和性能。 经过冷塑性变形的金属会产生组织和性能的变化，在加热过程中，又会使其组织发生回复、再结晶和晶粒长大等一系列变化。 了解上述过程的实质，了解各种影响因素及规律，对掌握和改进金属材料的压力加工工艺，控制材料的

13、组织和性能，具有重要意义。,28,2.5.1 单晶体的塑性变形及强化,外力使金属发生两类变形： 弹性变形：可逆，外力去除后 变形可完全恢复。 塑性变形：不可逆，为永久变形。 单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。 正应力：只能引起弹性变形及 解理断裂。 切应力：使金属晶体塑性变形。,29,塑性变形的形式：滑移和孪生。 金属常以滑移方式发生塑性变形。 滑移:晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。,30,滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大

14、，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。,31,滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。 滑移后在晶体表面形成的台阶称为滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。,铜拉伸试样表面滑移带,一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。,32,滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。,晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于

15、一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。,33,孪生,孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。 发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称为孪生面。 孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。,34,与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。,35,密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。 面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排

16、而产生的，称退火孪晶。,36,2.5.2 实际金属的塑性变形及强化,单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形比单晶体复杂。 （1）多晶体塑性变形的特点 晶界阻碍位错运动 当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。,37,晶粒间的协调性 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。 由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。 各晶粒变形不同时 处于软位向的晶粒先发生滑移，处于硬位向的晶粒通过晶粒转动形成软位向后发生滑移。,38,（2）晶粒大小对金属力学性能的影响（细晶强韧化） 金属的晶粒越细，其强度、硬度、塑性、韧性越高。 因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高，总的塑性变形量越大。,39,（3）合金的塑性变形与强化,合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物