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1、第一章 工程材料 材料、生物、能源、信息技术是现代文明的四大支柱，因 此，材料在人们的生活中起着十分重要的作用，可以说材料是 一切事物的物质基础；一种新技术的实现，往往需要新材料的 支持。 材料是人类从事生产和生活的物质基础，它直接用于制造 人类所需要的各种生产工具和生活用具。每一次人类使用的主 流材料的重大变化都会引起人类社会文明飞跃性的进步。 人们就是按照在使用中占主导地位的材料来划分历史： 石器时代陶器青铜器铁器钢铁（资本主义大工业 时期）合成材料（20世纪）复合材料（20世纪40年代） 从石器时代到青铜器时代、铁器时代，直至今天人类开始 进入的人工合成材料时代，可以说材料是人类社会文明
2、程度的 重要标志之一。,四种材料（金属、陶瓷、聚合手和复合材料）的相对重要性,机械工程材料,金属材料,非金属材料,黑色金属,碳素钢,有色金属,铸铁,合金钢,无机非金属材料,有机材料,塑料,橡胶,陶瓷,合成纤维,铝合金,铜合金,其他有色合金,复合材料,粉末冶金,上述各种材料中，金属材料是工程中应用最广泛的。,东汉晚期的青铜奔马（马踏飞燕）,河北沧州的铁狮子,第一节 金属材料的力学性能,铸造性 可锻性 可焊性 切削加工性 热处理性,金属材料的性能,使用性能,力学性能 物理性能 化学性能,工艺性能,工艺性能是指金属材料在加工制造中表现出的性能，显示 了金属材料加工制造的难易程度。 使用性能是指金属材
3、料在正常工作条件下，材料应具备的 性能，它包括力学性能、和物理性能化学性能，重点是力学性 能。金属材料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破 坏的能力，叫力学性能；是金属材料重要的指标。金属材料的 力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。 材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来确定合 适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的力学行为特 征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标是材料设计、材 料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。 C:Documents and SettingsAdministrator桌面二维动画材料所受外力的形式.swf 第一节 金属材料的力学性
4、能 一、强度 可通过金属拉伸试验来测定。,、拉伸试验及力伸长曲线 根据拉伸力与试样变形量之间的对应关系，可以绘制出力 伸长曲线图（一般由拉伸试验机自动绘出）如下图所示所示。通 过力伸长曲线，即可计算得出强度指标和塑性指标，这些指标 是评定材料质量的主要判据。,拉伸试样式,液压式万能电子材料试验机,拉伸试样的颈缩现象 C:Documents and SettingsAdministrator桌面二维动画低碳钢应力应变图.swf,伸长量度 L, 载荷F(N),Fb,Fs,Fe,Fp,p,弹性变形外力去除后能完全消失的变形； 塑性变形外力去除后不能消失的变形。,根据材料的拉伸曲线可知，不同的金属材料
5、有不同的拉伸 曲线，而即使同一材料，当直径不同时，位伸曲线也不一样， 为了比较不同材料的力学性能的大小，我们引入了强度和塑性 两个名词。 、强度 强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性（永久变形）和 断裂的能力,用；表示， O （ MPa兆帕）。 F-金属材料所受的外力，N； O -金属材料原始截面积，m2 。 根据金属材料所受载荷所产生的不同的变形情况，有三个 重要的强度参数，分别是弹性强度（弹性极限）、屈强度和抗 拉强度（强度极限）。 （）弹性强度 金属材料在载荷作用下产生弹性变形所能承受的最大应力 称为弹性强度，用e表示， e eO 单位 (MPa) 。,e -金属材料产生弹性变形所能承受
6、的最大外力，N； O -金属材料原始截面积，m2 。 （）屈服强度 金属材料在载荷作用下开始明显塑性变形时的最低应力称 为塑性强度，用s表示， s sO 单位 (MPa) 。 e -金属材料产生塑性变形所能承受的最低外力，N； O -金属材料原始截面积，m2 。 生产中使用的某些金属材料无明显的屈服现象时，不能确 定其屈服点时，国标中规定，有条件屈服强度来表示，即材料 变形时为试样标距长度的0.2%时，材料所能承受的应力，用 符号0.2表示。 （）抗拉强度 金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用 符号b表示， b bO 单位 (MPa) 。,b -金属材料在断裂前所能承受的最大外力
7、，N； O -金属材料原始截面积，m2 。 由于脆性材料没有屈服现象，用b作为设计依据。 二、塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的 能力，常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率 。 、伸长率 材料拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称 为伸长率，用表示； 式中，l0材料原标距原长度，mm； l1 材料断裂后标距长度，mm .,、断面收缩率 材料拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分 比称为断面收缩率，用字母表示； 式中，A0试样原始横截面积， mm2 ； A1拉断后最小的横截面积，mm2。 和 是衡量金属材料塑性变形能力大小的指标，和 越大，表示材料的塑性越好，
8、既能保证压力加工的顺利进行， 又保证机件工作时的安全可靠。,三、硬度 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是金属表面抵抗局 部塑性变形或破坏的能力。目前生产上应用最广的静载荷压入 法硬度试验有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1、布氏硬度 试验原理如图所示；用一定直径的钢球或硬质全金球，以,相应的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验 力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径，用试验力除以 压痕球形表面积所得到的商，就是布氏硬度值。当压头为淬火 钢球时，用HBS表示，它适用于硬度值在450以下材料，当压 头为硬质合金时，用HBW表示,适用 于硬度值在650以下。 对于不同的金属材料，只要保
9、 证F/A恒定，就可以保证压痕的几何 形状不同，则测试的结果就可以反 映出来不同材料的硬度值。 C:Documents and Settings Administrator桌面二维动画 布氏硬度1.swf,冲击试验原理,C:Documents and SettingsAdministrator桌面二维动画摆锤式冲击试验.swf,此时试样冲断时所消耗的冲击功Ak为: A k = m g H m g h (J) 而金属的冲击韧度a k就是冲断试样时在缺口处单位面积所 消耗的功，即： a k = (J/cm) 式中： a k冲击韧度， J/cm； A 试样缺口处原始截面积，cm； A k冲断试样所消
10、耗的功，J。 冲击吸收功A k的值可从试验机上的刻盘上直接读出，如 下图所示。,A k,A,五、疲劳强度 许多机械零件是在交变应力（循环应力）作用下工作的， 此时，虽然零件所承受的应力数值小于材料的屈服强度，但在 长时间运转后也会发生断裂，这种现象叫疲劳断裂。 交变应力的大小和断裂循环次数之间的关系通常用疲劳曲,疲劳曲线,线来来描述。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环 次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极 限，用符号-1表示。在疲劳强度测定中，不可能把循环次数 做到无穷大，而是规定一定的循环次数作国基数。 常用钢材的循环基数一般取 N = 107，有色金属的循环次 数一
11、般取 N = 108。,小资料金属的高温力学性能 金属材料随温度的升高，弹性模量E、屈服强度S、硬 度等值降低，而塑性增加 的现象称高温蠕变。 小资料：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；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。 这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35吨燃油，波音 767飞机可载51吨燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航 班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。第一波飞机撞击世贸 大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火燃烧了1小时43分钟后 世贸大楼北部塔楼才倒塌。第二波飞机于撞击世贸大楼的南部 塔楼。撞击位置较低，上层压力很大，大火燃烧了1小时零2分 钟后，后被撞击的南部塔楼反而率先倒塌。 C:Documents and SettingsAdministrator桌面录像911.rm,
