机械制造行业机械工程材料的定义和分类

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1、机械制造行业机械工程材料的定 义和分类 机械制造行业机械工程材料的定 义和分类 绪论 一、机械工程材料的定义和分类 1 定义：机械工程材料主要指用于机械工程、电器工程、建筑工程、化工工 程、航空航天工程等领域的材料。 2、分类 按化学成分分为: 金属材料(用量最大、应用范围最广) 高分子材料(质轻、 耐腐蚀、化工、机械、航空航天 等) 陶瓷材料（高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘、勇于电 器化工等） 复合材料（轻、高强度、结合两种材料的性能优点， 用于航空航天等领域） 二 （机械）工程材料的性能 力学性能 （ ）保证构件安全 可靠 （1）材料的使用性能 物理性能 包括两方面 化学性能 切削加工性能

2、保证构件容易 制备 铸造性能 材料的工艺性能 焊接性能 热处理性能 ： 实际进行机械设计时：主要考虑的是材料的使用性能，其中有以力学性能最 为重要。 原因：如果力学性能不能瞒住工作的要求时，将引起重大事 故，带来灾难。 （如泰坦尼克巨轮的沉没，哥伦比亚号航天 分级的解体和坠毁等）这些都是由于零件（部件）的失效引 起的。 第一章机械零件的失效分析 简介：一 失效的定义 1任何一个机械零件或部件都要具有一定的功能：（零 件设计功能） （1）P、T、M 下，保持一定的几何形状和尺寸(最基 本的要求，桥梁，钢轨等) （2）实现规定的机械运动（发动机中的活塞和衢州， 把直线运动转换成沿圆周运动） （3）

3、传递力和能（齿轮，传递力矩，水轮机江水能转变成电能） 2 失效： 零件失去设计要求的效能（功能）-失效 形式多样，常见的分为以下几种方式。 过量变形 断裂 磨损 腐蚀 2引起失效的原因： 外界载荷、温度、介质等材料又损害作用（外界对材 料的损害） 材料本身：抵抗损害的能力。 （这种能力是有限的） 若：前者大于后者-失效 前者等于后者-临界状态 前者小于后者-正常工作 二 研究失效的意义 1 通过失效分析-找出失效原因-确定相应 的抗力指标-为选材和制定工艺提供依据； 2 通过失效分析-减少和预防机械产品类事故的重 复发生，提高产品质量、减少经济损失； 3 失效分析工作是机械产品维修工作的基础,

4、确定维 修 的技术和方法,提高维修工作的质量和效益； 4 失效分析可以为人仲裁事故责任、侦破犯罪等提高 可靠的技术依据。 第一节零件在常温静载下的过量变形 一、工程材料在静拉伸时的应力应变行为 (一) 低碳钢的应力 -应变 行为（塑性好，大多数金属材料） 试样形状： 工程应力：p/A (MPa) 工程应变： 材料在外力作用下会产生变形， 分为弹性变形和塑性变形。 研究材料变形常用 的方法有静拉伸、压缩、弯曲、扭转、硬度等。其中静拉伸最为常用。 随着载荷的增加， 曲线如图所示 曲线上一些转折点是材料的各种力学性能指标。 1、 p: 比例极限 含义：p 时，E应力-应变成正比，服从虎克定律 2 e

5、: 弹性极限 含义：不产生塑性变形的最大应力（或者只发生弹性变形的最大应力） 3 s: 屈服极限（屈服强度） 含义：开始产生塑性变形的应力 s, ，p， 即：塑性变形需要不断的增加外力才 能进行。-加工硬化 4 b: 抗拉强度 含义 ： 材料在拉伸过程中承受的最大工程应力，也是材料产生最大均匀变形 的应力 5k: 断裂强度 含义：材料发生断裂时的应力. p、e、s、b、k的单位：Mpa （与应力的相同） 分析： （1） 、P只有弹性变形E （2）ES 段：城屈服，应力不增加而应变增加 （3） 、s 弹性变形 塑性变形 （4）SB 段：均匀变形阶段 (5)b 发生颈缩，集中变形，承载能力下降，直

6、至断裂。 图中三条曲线： 1低碳钢（多数线金属材料） 。 2脆性材料。 3高弹性材料。 二、过量变形失效 （一）过量弹性变形失效及抗力指标 1 定义： 零件的弹性变形超过了允许的弹性变形量，发生过量弹性变形失效。 如镗床的镗杆，允许的弹性变形量很小，若超过，导致镗的孔的尺寸偏差过 大报废； 弹簧， 其主要作用是减振和储能驱动， 工作中产生的弹性变形超过允许值时 也会失效。如弹簧秤，汽车板簧等。 变形有弹性变形和塑性变形， 所以过量变形可分为过量弹性变形和过量塑性 变形，下面分别讨论。 2 产生原因：零件刚度不够 由虎克定律：E=（单向拉伸或压缩） p/E*A (E:杨氏模量，即弹性模量 A：零

7、件横截面积) p(载荷)已定，EA,. EA：零件的刚度，指零件受力时抵抗弹性变形的能力。 大小等于材料弹性模量与零件横截面积的乘积。 所以，刚度越大，零件越不易产生弹性变形。 3 过量弹性变形的抗力指标 弹性模量（E,G） E: 拉伸杨氏模量 拉什、压缩 G: 切变弹性模量 纯剪切 （P5 页中表 1-1 给出了各类材料室温下的弹性模量 E， 金刚石-硬质金属-陶瓷-金属-高分子材料(E 逐渐降低) 钢铁材料应用最多。 性能指标应去除与零件形状大小尺寸等因素的影响，因此，过量弹性变形的 抗力指标是弹性模量。当零件的横截面 A 一定时，弹性模量（E,G）就代表了零 件的刚度。 4 弹性模量的变

8、化 (1)温度：T, E 弹性模量只对温度敏感。 （2） 、材料熔点高 TM , E （3）弹性模量(E)不能通过合金化、热处理、冷变形的方法改变。 弹性模量只取决于材料原子本性和原子间的结合力。 材料确定，弹性模量也定了。 二、过量塑性变形及抗力指标： 1、定义： 零件的塑性变形量超过允许的塑性变形时，就会产生失效。 2、抗力指标 实际中不同的零件对发生塑性变形的允许量不同，所以应选择不同的抗力 指标。 根据零件的工作条件决定。 举例 要求 指标 炮筒或弹簧 严格服从虎克定律 p 汽车板簧 只弹性变形 e 精密机床丝杠 不允许出现塑性变形 s 机座、机架等 不产生明显的塑性变形 桥梁、容器

9、- 根据以上分析，比例极限，弹性极限，屈服极限都是材料抵抗过量塑性 变形失效的抗力指标。 实际中的材料是弹塑性材料，弹性变形和塑性变形之间无明显界限（分界 点）很难测出p e s的准确值。因此，工程上采用人为规定的方法，把 生产规定的微量塑形神长率的应力称为 “条件比例极限” ， “条件弹性极限” ， 河“条件屈服极限”. p 0.001-0.01 e 0.005-0.05 s 0.01-0.5 （1）炮筒:要求炮弹通过时， 炮筒内壁产生弹性变形， 变形与应力之间必须严 格保持正比关系，否则，射击精度降低。 （2） 汽车板簧：只允许发生弹性变形，否则弹力不够，承载能力下降。 （3） 精密机床丝

10、杠：不允许发生塑性变形，否则加工精度降低。 第二节断裂（零件在静载荷和冲击载荷下的断裂） 一、基本概念 1 静载荷和冲击载荷 静载荷：加在速率较低（起重机吊重物，静拉伸试验） 冲击载荷：加在速率高.10 米每秒 (飞机起飞和降落，锻压及锻造等) 二、断裂： （1） 定义：材料在应力作用下分为两个或两个以上部分的现象。 （2） 分类; 根据断裂前产生的宏观变形量的大小，可以把断裂分为： 韧性断裂 脆性断裂 韧性断裂： 变形量 端口形貌 外观 大 粗糙、灰暗 杯形 脆性断裂： 没有 光滑、发亮 平齐 无征兆 （3） 断裂过程 无论是韧性断裂还是脆性断裂，断裂过程都包括两个阶段：一是裂纹形 成；二是

11、裂纹扩展。 准备两个断口，一个韧性断裂，一个脆性断裂，让同学边看边总结两种 断裂的差别！ 既然断裂都包括两个阶段，为什么有韧性断裂和脆性断裂的差异？ 如果更深入地研究，发现两者的裂纹扩展过程是不同的 （1） 裂纹形成阶段：（相同） 外力作用下形成微裂纹 a0 材料原有的缺陷（微裂纹、孔洞、杂质） 裂纹源 裂纹一旦形成就要扩展，两种断裂的裂纹扩展阶段是不同的 （2） 裂纹扩展阶段： 韧性断裂： 微裂纹 裂纹亚稳扩展阶段 失稳扩展阶段 a0 a0Tk,韧性断裂； TTk 时，发生脆性断裂。 把这种现象称为低温脆变。 不希望材料（零件）在工作温度下发生脆性断裂，选材时材料的韧脆转变温度 Tk 必须低

12、于工作时的最低温度。 选材举例：由以构件工作中的最低温度-200C,现有两种材料： A: Tk=-500C B: Tk=-100C 选那种材料更安全？ （A） 四、断裂韧性及衡量指标 1 传统的设计方法： 零件工作应力材料屈服强度s 要求：（1）s/k k:安全系数， k1 (2)足够的塑性、冲击韧性（实际情况并非如此，经过这种方法设计制造的一 些大型工程构件有的发生脆性断裂事故。 尽管如此，也发生了脆性断裂，为什么？ 因为:在传统的设计思想中认为材料是完整的、连续的 ； 而实际上的材料存 在一些微小的裂纹，正是这些裂纹引起了低应力脆性断裂（发生断裂的应 力远远 小于材料的屈服强度） 那么，为

13、什么含有微裂纹的材料容易发生低应力（s）脆性断裂？ 前面讲了，脆性断裂是一种危险的断裂方式，在设计零件时总是千方百计地避 免它。那么我们怎么做的呢？首先，看一下传统的的做法。 由生活中的两个例子开始引出： 撕布 裁玻璃 说明材料中有裂纹时， 使它断裂的应力会大大降低， 断裂力学就是在这种背景下 产生的， 它的发展为我们提供了评定材料抵抗脆性断裂的一种力学性能指标- 断裂韧度 KIC 2、 断裂韧度 KIC的提出 （1）定义：是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 KIC,抵抗裂纹失稳扩展的能力 单位：MPa*m1/2 或 MN*m-3/2 (3)脆性断裂的判据 1）裂纹尖端应力场强度因子 KI 描述裂

14、纹尖端场强弱的量 KI = Y 图 Y:裂纹几何形状因子。 愈烈文昌都有关。1-2 ：零件的工作应力 ：裂纹的半长度；（裂纹长度的一半 Y， KI； 裂纹尖端应力场强度因子主要和外应力,裂纹长度有关。 2）判据： KIKIC 发生脆断； KI=KIC 临界状态； KIKIC 发生脆断 选材不当 Y KIC 安全 选材合适 2） 、材料给定 KIC确定，裂纹半长度一定，如何确定零件的最大承载能力？ 临界状态：YIC KIC/Y 所以零件承受的最大应力 c=KIC/Y 如果 c 发生低应力脆断 c 安全 3)、材料一定（KIC固定） ,工作应力一定，如何确定零件中存在的最大裂纹 尺寸？ 临界状态： Yc1/2=KIC c=(KIC/Y工作中允许存在的最大裂纹尺寸 如果：c 发生低应力脆断 c 安全 书中 P9 页表 12 给除了常见工程材料的