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1、1,机 械 工 程 材 料 主 讲 刘玉高15954860873 机电工程学院,2,绪 论,机械工程材料的定义、分类和常用的性能指标； 学习本门课程的目的。,3,一 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。,4,2、 分类 （按化学成分分类） 金属材料 (综合性能好，用量最大、应用范围最广) 高分子材料 (质轻、 耐腐蚀，常用于化工、机械、航 空航天等) 陶瓷材料 （高硬度、耐腐蚀、绝缘，用于电器、化 工、航空航天等等） 复合材料 （轻、高的比强度、比刚度，结合两种材 料的性能优点，用于航空航天等领域）,5
2、,二 机械工程材料的常用性能,6,三、 学习机械工程材料的目的,（1） 获得常用的金属材料、非金属材料的基本理论知识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围； （2）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材； （3）能够根据结构、工艺、外界条件（温度、环境介质）改变对材料性能的影响，正确制定零件的冷、热加工工艺路线。,7,第一章 金属的力学性能,回主页,8,第一节 金属的力学性能,一、 强 度,四、 冲击韧性,三、 硬 度,二、 塑 性,上一页,下一页,回主页,9,（一）强度的概念,（二）强度的测定拉伸实验,（三）强度指标,一、 强 度,返 回
3、,上一页,下一页,回主页,10,指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂 的能力。,1. 定义,2. 应用,强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。,（一）强度的概念,返 回,上一页,下一页,回主页,11,（二）强度的测定拉伸实验,1. 拉伸试样（GB6397-86）,2. 力伸长曲线（以低碳钢试样为例）,3. 脆性材料的拉伸曲线,返 回,上一页,下一页,回主页,12,1. 拉伸试样（GB6397-86）,长试样：L0=10d0,短试样：L0=5d0,返 回,上一页,下一页,回主页,13,2. 力伸长曲线,弹性变形阶段,屈服阶段,颈缩现象
4、,拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。,强化阶段,返 回,上一页,下一页,回主页,14,3. 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）,脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。,返 回,上一页,下一页,回主页,15,（三）强度指标,1.屈服点,2.抗拉强度,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，用符号s表示。,材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号b表示。,脆性材料的屈服点：,试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力，用符号0.2表示。,返 回,上一页,下一页,回主页,16,1.屈服点,应用：s和0.2常作为零件选材和设计的依据。,脆性材料的
5、屈服点,L,F,0,F0.2,返 回,上一页,下一页,回主页,计算公式,17,2.抗拉强度,应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。,返 回,上一页,下一页,回主页,计算公式,18,（二）衡量指标,二、 塑 性,金属材料断裂前发生永久变形的能力。,断面收缩率：,伸长率：,试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。,试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。,返 回,上一页,下一页,回主页,（一） 定义,19,伸长率（ ）,l1试样拉断后的标距,mm;,l0试样的原始标距,mm。,返 回,上一页,下一页,回主页,20,断面收缩率（ ）,S0试样原始横截面积,m
6、m2；,S1颈缩处的横截面积,mm2 。,返 回,上一页,下一页,回主页,21,（一）布氏硬度,（二）洛氏硬度,三、 硬 度,1. 原理,2. 应用,3. 优缺点,1. 原理,2. 应用,3. 优缺点,4. 实验,4. 实验,返 回,上一页,下一页,回主页,22,1. 原理,（一）布氏硬度,返 回,上一页,下一页,回主页,23,测量比较软的材料。测量范围 HBS450、HBW650的金属材料。,3. 优缺点,2. 应用,压痕大，测量准确，但不能测量成品件。,返 回,上一页,下一页,回主页,24,1. 原理,（二）洛氏硬度,返 回,上一页,下一页,回主页,25,2. 应用范围,2067,1471
7、N,120金刚石圆锥体,HRC,25100,981N,1.588mm钢球,HRB,7085,588N,120金刚石圆锥体,HRA,返 回,上一页,下一页,回主页,常用洛氏硬度标度的试验范围,26,优点：操作简便、迅速，效率 高，可直接测量成品件 及高硬度 的材料。,3. 优缺点,缺点：压痕小，测量不准确， 需多次测量。,返 回,上一页,下一页,回主页,27,四、冲击韧性,金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。,（三）冲击试验原 理及方法,（一）定义,（二）冲击试样,返 回,上一页,下一页,回主页,28,计算公式 Ak=GH1 - GH2 =G（H1 - H2）,试验原理：试样被冲断过程中吸收
8、的能量即冲击吸收功（Ak ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。,返 回,上一页,下一页,回主页,试验过程如图所示。,冲击韧度（a k）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。,29,第二章 机械零件的失效分析,本章主要内容 零件的过量变形以及性能指标 零件的断裂及性能指标 零件在交变载荷下的疲劳断裂及性能指标 零件的磨损失效以及防止 零件在高温下的蠕变变形和断裂失效,30,关于失效的基本概念,1 零件（构件）的功能 （1）在一定的压力、温度、介质下，保持规定的形状和尺寸； （2）实现规定的机械运动； （3）传递力和能。,失效的定义和形式 定义: 零件失去设计所要求的效能（功能）称为失效。 常见的失效形式
9、：过量变形、断裂、磨损、腐蚀,31,第一节 零件在常温静载下的过量变形,32,一、材料的静载性能指标,刚度和强度指标 弹性和塑性指标 硬度指标 韧性指标（放在断裂中讲）,33,1、刚度,刚度：零构件载受力时抵抗弹性变形的能力。等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。,2、强度、弹性塑性指标,试样的静拉伸过程,34,（1）强度：材料抵抗变形或者断裂的能力,比例极限sp 弹性极限se 屈服强度ss 抗拉强度sb 断裂强度sk,35,（2）弹性和塑性指标弹性：材料发生弹性变形的大小。塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力,弹性指标：弹性能（弹性比功）m 塑性指标：断后伸长率d 断面收缩,36,硬度硬度：表
10、征材料软硬程度的一种性能。硬度指标：物理意义与试验方法有关,滑痕法硬度值（莫氏硬度） 弹性回跳法硬度值（肖氏硬度） 压入法硬度值（工业中应用广泛） 布氏硬度（HBS)淬火钢球 洛氏硬度(HRC)（锥角为120的金刚石圆锥体） 维氏硬度(HV)（锥面角为136 的金刚石四棱锥体为压头,37,二、过量变形失效,过量弹性变形及抗力指标 （1）零构件发生过量弹性变形失效： DlDl (拉压或者弯曲条件下） 或者 q q （扭转条件下） （2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够 （3）抗力指标：弹性模量E或者切变模量G,38,过量塑性变形及抗力指标 （1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量 （2）原因
11、：偶而过载或者零构件本身抵抗塑性变形的能力不够 （3）抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服极限,39,总 结,零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足 抗力指标：弹性模量E或者切变模量G,强 调！ 金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、冷变形等方法改变。,40,本节中所讲的材料的力学性能指标及应用,刚度：刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件,弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等,屈服强度和塑性：一般零件的抗断裂设计。,硬度：在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承等.,41,第二节 零件
12、在静载和冲击载荷下的断裂,42,一、基本概念,静载荷和冲击载荷 断裂：材料在外力作用下分为两个或者两个以上部分的现象。 断裂的分类：韧性断裂和脆性断裂 断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展 韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。,43,韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌,韧性断口,脆性断口,44,二、冲击韧性及衡量指标,冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。 衡量指标：冲击吸收功Ak 冲击韧度ak(ak Ak/Fk ) 应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。 低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度TK),45,材料韧脆转变
13、温度TK的确定和应用,46,三、断裂韧性及衡量指标,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 3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。,47,四、影响脆性断裂的因素,温度和加载速度 应力集中 零件尺寸,48,总 结,材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂 材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧度、材料韧脆转变温度和断裂韧度
14、，前三个用于评价材料韧性的好坏；断裂韧度可用于材料抵抗低应力脆性断裂的设计。 材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方法改变。,49,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,50,一、基本概念,交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。 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、最后断裂。,51,二、疲劳断口的特点,疲劳断口,示意图,52,疲劳源区和疲劳扩展区的微观形貌,53,三、疲劳抗力指标,无裂纹构件的疲劳抗力指标：,疲劳极限 过载持久值,疲劳极限：材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分
15、对应的应力值。,疲劳曲线,54,图111 两种类型的疲劳曲线 a)钢铁材料 b)部分有色金属（如铝合金）,55,过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的循环周次。,高周疲劳：Nf105 低周疲劳: Nf105,2带裂纹构件的疲劳抗力指标,裂纹扩展速率（da/dN) 疲劳裂纹扩展门槛值(DKth）,56,四、影响疲劳抗力的因素,载荷类型 材料本质 零件表面状态 工作温度 腐蚀介质,57,58,总 结,疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种脆性断裂，危害很大。 无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。 工作应力s疲劳极限，构件在一定的周次下
16、断裂，该周次称为过载持久值。工作应力越大，过载持久值越低。 3疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否发生疲劳断裂。,59,第四节 零件的磨损失效,本节主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的发生过程、机理以及防止措施。,一、磨损的基本概念 产生磨损的条件 磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸变化和物质耗损的现象叫做磨损。,60,二、磨损的过程和机理,粘着磨损 （1）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。,（2）过程,61,（3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。,（4）防止措施 合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料； 提高表面硬度； 合理设计减小接触压应力； 减小表面粗糙度。,62,磨粒磨损 （1）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面
