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1、工程材料与成形工艺,材料科学与工程学院王振玲,一、教材与学时安排,教材 :机械工程材料及其成形技术 主编：赵程 机械工业出版社理论授课学时 : 40学时实验学时 : 4学时,二、考核方式,闭卷考试，满分100分，平时成绩占30（实验占10%，作业占10%，出勤占5%，课堂提问回答情况等占5%），卷面成绩占70，最后统一核定本门课程的成绩。,绪论,我国材料的发展历史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。课程的性质和任务课程教学的基本要求教学内容,我国材料的历史进程,漫长而又曲折的历程：,石斧,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,一 机械工程材料的定义和分类,1、定义 机械工程材
2、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 （高强、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）,二、机械工程材料的常用性能,包括两方面,材料使用性能,材料工艺性能,力学性能（强度、塑性韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）生物性能（相容性、自恢复性等）,加工性能（切削、锻造等）铸造性
3、能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）,三、学习本课程的目的,（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。,四、课程的性质和任务,工程材料是机械类、近机械类各专业学生必修的一门专业技术基础课。本课程的任务是:使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识；掌握常用工程材料成分组织性能应用之间关系的一般规律；熟悉常用工
4、程材料的生产工艺过程；具有根据机械零件的服役条件和失效形式、合理选用工程材料的初步能力。,五、本课程与相关课程的关系,本课程应安排在金属工艺学实习及应用力学课程之后进行,即学生应具有材料的机械性能和金属加工工艺方面的基本知识。为后续课程和毕业设计等打好选择材料和使用材料的基础。,六、课程的基本教学要求,本课程重点阐述工程材料的性能与其组织结构之间的联系;说明如何通过工艺手段改变材料的组织结构,以达到提高材料性能的目的;介绍常用工程材料及其应用等基本知识；为工程结构和机械零件的设计和制造提供合理选用材料的方法。,七、教学方法,本课程内容主要是建立在实验观察和工业实践基础之上,以实质性和规律性的描
5、述为主,涉及面较宽。*着重理解教学内容,尽量避免死记硬背。 *配合实验,帮助和加深理解教学内容。 *利用网络交流教学信息,如查阅资料、习题解答等。,八、课程教学形式,课程教学形式包括理论教学、实验教学、课堂讨论、自学、辅导等方式，其中理论教学以CAI为手段主要讲授重点和难点。,九、教学内容 - 理论教学,第一章 金属材料的力学性能第二章 金属的晶体结构第三章 材料凝固的基本过程 第四章 相图第五章 金属的塑性变形与再结晶 第六章 钢的热处理 第七章 合金钢第八章 有色金属及其合金第九章 机械零件材料的选用,教学内容 - 实验教学,实验一 ：观察铁 碳平衡组织实验二 ：热处理工艺,教学内容 -
6、课堂讨论,1.铁碳相图2.钢的热处理3.工程材料的选择和使用,第一章 金属材料的性能Performance of Metal Material,金属材料的力学性能金属材料的其他性能,第一节 金属材料的力学性能,一.定义 : 力学性能是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。二.指标 : 弹性 、 塑性 、 韧性 、 强度、 硬度和疲劳强度等。,三.拉伸试验,拉伸试样,拉伸试验机,拉伸试样的颈缩现象,四.拉伸曲线,1.弹性( elasticity ):金属材料受外力作 用时产生变形,当外力去掉后能恢复 到原来形状及尺寸的性能（可逆性）,2.弹性变形( elastic deformation ):
7、 随载荷撤除而消失的变形。,4.强度(strength): 材料在外力作用下抵抗 变形和破坏的能力。,种类: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。,(2)屈服强度( yield strength): 屈服点 S,(3)条件屈服强度( 塑性变形量为0.2%),(4)抗拉强度( tensile strength ): 试样在断裂前所能承受的最大应力。,5.塑性(plasticity):是指材料在外力作用下 产生塑性变形而不破坏的能力。,(1)断面收缩率(percentage reduction in area): 是指试样拉断处横截面积S k 的收缩量与原始横截面积S
8、0之比。,(2)伸长率(延伸率) specific elongation: 是指试样拉断后的标距伸长量L k与原始标距L 0之比。, 10% 属塑性材料,七.硬度( hardness ):是指材料对局部 塑性变形的抗力。,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 显微硬度HM,常用测量硬度的方法,(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),适用范围:,450HB,压头：淬火钢球,(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),符号HBS之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、
9、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ),三种标尺：HRA、HRB、HRC,HRA：测量硬质合金、表面淬火层和渗 碳层。HRB：测量有色金属和退火、正火钢 等。HRC：测量调质钢、淬火钢。,(3)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ),适用范围:,测量薄板类 ;,五.冲击韧性( notch toughness ):,材料的韧性是在冲击载荷作用下、抵抗冲击力的作用而不被破坏的
10、能力。,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k = m g H m g h (J),冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。,六.疲劳强度( fatigue strength ): 表示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值。,钢材的循环次数一般取 N = 107,有色金属的循环次数一般取 N = 108,八.断裂韧性,当 时，裂纹会失稳扩展而断裂。 是表示材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。以下是工程失效实例：,1943年美国T-2油轮发生断裂,泰坦尼克号（1912年大西洋）,苏州堰月桥断裂 （2002.4.7）,第二节 金属材料的其他性能,物理和化学性能：相对密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性、耐腐蚀性、高温抗氧化性工艺性能: 铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性,本章中所讲的材料的力学性能指标及应用,屈服强度和塑性：一般零件的抗断裂设计。,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,硬度：在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承等.,
