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1、1,首页,2,第一章 工程材料 1.1 概述,材料是现代文明的三大支柱（材料、能源和信息）之一。是发展国民经济和机械工业的重要物质基础。是生产活动的基本投入之一。材料的利用标志着人类生活的进展 ，历史上有“石器时代 ”、“青铜器时代”和“铁器时代”。当前，材料总数有50万余种之多，而新材料每年以5%左右的速度递增。材料的质量、品种和数量已成为衡量一个国家科技、经济水平和国防力量的重要标志之一。,1,3,1）金属材料 2）有机高分子材料 3）无机非金属材料。 工程材料按其使用性能分可分为： 1）结构材料 2）功能材料。 结构材料：主要是强调强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，用来制造机器零件和工程
2、构件的材料。 功能材料：是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理化效应的各种新材料。用以对信息和能量的感受、计测、传导、显示、发射转换和变换的目的，是现代高新技术发展的物质基础。,2,工程材料按其化学组成分可分为：,4,1.1.2 非金属材料及复合材料的发展,人工合成高分子材料从20世纪20年代至今发展最快，其产量之大、应用之广可与钢铁材料相比。20世纪60年代到70年代，有机合成材料每年以14的速度增长，而金属材料年增长率仅为4。1970年世界高分子材料为4000万吨，其中3000万吨为塑料，橡胶为5000万吨，这已超过天然橡胶的产量；合成纤维400万吨。20世纪90年代，塑料产量
3、已逾亿吨，按体积计，已超过钢铁产量。2002年我国塑料产量1401万吨，到2005年我国塑料年需求量将超过2500万吨。,3,5,工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。,图1-1为材料强度与密度之比随时间的进展，指出今日先进材料强度比早期材料增长50倍。,1.1.3 新材料的发展趋势,4,6,1.2 固体材料的性能,固体材料主要性能,力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能,力学性能材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，常见的各种外载荷如图1-2所示。,5,7,6,载荷的形
4、式,8,1. 强度和塑性,强度材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，如弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。按外力作用的方式不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常用的强度指屈服强度和抗拉强度。,低碳钢拉伸试验,1）应力 =F/S0 (N /m2) ； F 作用力，(N) S0试样原始截面积(m2)。 剪应力F/So,7,9,应力 应变 P比列极限 e弹性极限 s屈服极限 b强度极限 E（E=/ ） 材料弹性模量,低碳钢拉伸试验原理,材料的强度、塑性指标可以通过实验测定。,8,10,9,一些材料的应力应变曲线,11,(%) 试样标距部分伸长量，(mm
5、)；L0 试样标距部分长度(mm)。=L/L0,剪应变 剪模量 G,且有,2)应变,10,12, 弹性变形：当产生变形的外力撤除后，变形随即消失。弹性模量E（ E=/ ）引起单位弹性变形所需要的应力。工程上把弹性模量E称为材料的刚度，表示材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量E主要取决于材料的化学成分，合金化、热处理、冷热加工对它的影响很小。弹性模量随温度的升高而逐渐降低。,3）弹性和弹性模量,11,13,外力撤除后，不可恢复的变形。载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余变形。产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性的大小用伸长率和断面收缩率表示。,（1-2）,（1-
6、3）,4) 塑性变形,12,14,所以，同一材料的短试样（,5do）比长试样（ 10do),(do为试样原标距直径）的伸长率大20左右。用短试样和长试样测得的伸长率分别用5和10表示。,金属材料因具有一定的塑性才能进行各种变形加工，并使零件在使用中偶然过载时，产生一定的塑性变形，而不致于突然断裂，提高零件使用的可靠性。,13,伸长率的值随试样原始长度增加而减小。,15,大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，按GB228-87要求，取规定非比例伸长与原标距长度比为0.2时的应力，记为p0.2，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，可用0.2表示。,（1-4）,14,5）条件屈服强度,16,s与
7、b的比值 称为屈强比，其值一般在0.650.75之间。屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，万一超载也不会马上断裂；屈强比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。抗拉强度是零件设计时的重要参数。合金化、热处理、冷热加工对材料的s与b均有很大的影响。,6）屈强比,15,17,2. 硬度, 硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。 硬度试验方法：以压入法最为普遍，它是表示材料抵抗更硬物体压入其内的能力。常见的硬度表示方法有：1、布氏硬度 2、洛氏硬度3、维氏硬度,1）布氏硬度压痕 单位面积上的试验力。 表示方法示例： 120HBS10/1000/30 450HBW5/1500,16,18,以主试验力下
8、产生的塑性变形压痕深度来度量。 压头常用金刚石圆锥或钢球。 表示方法示例 ：68HRA、84HRB、60HRC。HRA测定硬质合金、表面淬火层HRB测定有色金属、退火钢、正火钢； HRC测定淬火钢、调质钢。,2）洛氏硬度,17,19,维氏硬度可采用统一的硬度指标，测量从很软到很硬的材料的硬度，但测量麻烦。 表示方法示例： 600HV30/20,以压痕单位面积上的试验力来度量。,3）维氏硬度,18,20,3. 冲击韧度,冲击韧度是评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标，通常采用一次摆锤冲击弯曲试验进行测定。将带有缺口的标准冲击试样，安放在冲击试验机的支座上（图1-4），把重量为G的摆锤从一定高度H
9、 落下，将试样冲断，之后摆锤仍继续摆动升至高度h。,S试样缺口处的原始截面积(cm2)。 冲击功Akv、Aku分别指冲断夏氏（缺口为U形）和梅氏（缺口为V形）冲击试样时所消耗的功。,AkG（Hh）。冲击韧度值为k=Ak/s (Jcm),19,21,材料的冲击韧度值主要取决于其塑性，并与温度有关。二战中，美国5000艘全焊接“自由轮”。在1942年1946年间发生破断的达1000艘，1946年1956年间发生破断的达200艘。1943年1月美国的一艘T-2y油船停泊在装货码头时断裂成两半截。当时甲板应力仅为7公斤力/毫米2，远远低于船板钢的强度极限。1945年至1948年美国国家标准局认真分析和
10、研究了第二次世界大战焊接船舶的破断事故，通过在不同的温度下对材料进行一系列冲击试验，可测得材料的冲击韧度值随温度的降低而减小（图1-5），当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变为脆性状态。这种现象称为,20,“冷脆”。,22,该温度范围称为“冷脆转变温度范围”。其数值愈低，表示材料的低温冲击性能愈好。这对于在低温下工作的零件具有重要的意义。,21,冷脆转变温度范围,23,22,温度和碳含量对冲击性能的影响,24, ak没有确切的力学意义，它表明在高应变速率时 ，材料的脆性发展趋势。 一次冲击试验能灵敏地揭示材料的冶金及加工缺陷和产生的脆性。 不同温度下的系列冲击试验，
11、可揭示材料的低温脆化倾向（冷脆转变）。 材料碳含量愈高脆性愈大。 冲击试验得到广泛应用，但Ak、ak不能直接用于计算。,冲击韧度小结：,23,25,4. 疲劳强度,许多机械零件如弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，既使交变应力低于屈服强度，但经一定循环次数后便发生断裂。,24,26,实验证明，金属材料能承受的交变应力与断裂前应力循环次数 N 有如图1-6所示的规律。,由图所知，当低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无限次循环而不断裂，这一应力称疲劳强度或疲劳极限。,用1表示光滑试样对称弯曲疲劳强度。一般钢的循环次数为107，有色金属为108。,25,交变应力与断裂前应力循环次数 N
12、的关系,27, 应力水平低,往往远低于S ； 断裂前无明显形变。 2) 疲劳极限r对称弯曲循环疲劳极限用-1表示。 疲劳曲线(N)有明显的水平线段，则水平线段对应的应力为-1 ； 疲劳曲线没有明显的水平线段，则在规定的疲劳寿命内不发生疲劳破坏所对应的最大应力。,1) 疲劳破坏的主要特点：,26,28,5. 断裂韧度,在生产实践中，一些大型、重型或高强度材料零件或构件的突然断裂事故，如大型铁桥、万吨轮船、飞机机翼突然断裂和高压容器突然爆炸等。这种在材料所承受的应力低于许用应力的情况下，突然发生的无明显塑性变形的脆性断裂，称为低应力脆断。研究表明，低应力脆断总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的。这种裂
13、纹可能是气孔、缩松、夹杂物等冶金缺陷，也可能是在加工和使用过程中形成，因而是难以避免的。材料在外力作用下，其中裂纹长度达到某一临界尺寸时，会发生突然失稳扩展，导致构件断裂。断裂韧度便是指材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗低应力脆断的能力。,27,29,低于许用应力的条件下工作的构件，产生无明显塑性变形的断裂，称为低应力脆断。低应力脆断是由于材料内部已存在的宏观裂纹失稳扩展引起的。如图1-7，材料中存在一条长度为2a的裂纹，在与裂纹方向垂直的外加拉应力作用下，裂纹尖端附近的应力分布不再均匀，存在严重的应力集中现象，形成裂纹尖端应力集中场，其大小可用应力强度因子K来描述。,28,低应力脆断,30,KI=
14、Nmm-2/3 (1-6),或a，K 。当K 到某一临界值时，裂纹失稳扩展，材料发生断裂。K的临界值，称为材料的断裂韧度，用Kc表示。它是材料本身的特性，与材料的成分、热处理及加工工艺等有关。,29,断裂韧度,31,6. 高温下的力学性能,材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。许多机械零件在高温下工作，在室温下测定的性能指标就不能代表其在高温下的性能。 一般来说，随着温度的升高，弹性模量E、屈服强度S、硬度等值都将降低，而塑性将会增加，除此之外，还会发生蠕变现象。蠕变是指金属在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂。有机高分子材料，即
15、使在室温下也会发生蠕变现象。,30,32,31,金属的典型蠕变示意图 应力对蠕变曲线形 状的影响,33,在9.11恐怖事件中，美国引以为傲的纽约世界贸易中心大楼完全倒塌。恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？大楼为何会垂直塌落而不是倾倒？这里可能部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题。,32,视频:世界贸易中心大楼倒塌,34,纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高411米，单个塔楼的重量约5万吨，美国凭借高强度的建筑钢材，和高水平的结构设计技术建成了这个庞然大物。事实证明纽约世界贸易中心大楼的建筑钢材和结构设计都是过得硬的，大楼不仅经历了近30年的风雨依然完好，甚至这次飞机的巨大撞击也未能使之立即倾倒。撞击大楼的波音757飞机起飞重量104吨，波音767飞机起飞重量156吨，它们的飞行速度大约是每小时1000公里。从速度比这小得多的汽车相撞事故，可以想象这次大型客机撞击大楼的冲击力有多么的巨大，但据幸存者描述，飞机的撞击使大楼虽然晃动了近1米，但无论是内部还是外部并没有严重塌落，这是大量楼内工作人员得以逃生的关键。,
