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1、机械工程材料机械工程材料任课教师：谢文玲任课教师：谢文玲绪论绪论一、学习本门课程的目的一、学习本门课程的目的1.2008第第29届奥林匹克运动会奖牌届奥林匹克运动会奖牌“金金镶玉镶玉”“金镶玉金镶玉”说法由来说法由来-“有眼不识金镶玉有眼不识金镶玉”-源自源自“和氏壁和氏壁”传说传说最早的最早的“金镶玉金镶玉”“镶镶”金蝉玉叶（明）金蝉玉叶（明）2.奥运会采用奥运会采用“金镶玉金镶玉”的意义的意义玉在中国人心目中的地位很高，代表美好、玉在中国人心目中的地位很高，代表美好、尊敬、相爱相助的内涵，也诠释团结友爱尊敬、相爱相助的内涵，也诠释团结友爱的奥林匹克精神。将玉用在金属奖牌上，的奥林匹克精神。
2、将玉用在金属奖牌上，喻示中国传统文化中的喻示中国传统文化中的“金玉良缘金玉良缘”，表达，表达我们对奥运精神的礼赞，对运动员的尊重。我们对奥运精神的礼赞，对运动员的尊重。3.工艺难题工艺难题1）银、玉两种材料的特性）银、玉两种材料的特性银：强度、硬度低，塑性、韧性好，软，银：强度、硬度低，塑性、韧性好，软，极易成型极易成型玉：硬而脆，难以加工，加工方法复杂玉：硬而脆，难以加工，加工方法复杂2）“金镶玉金镶玉”方案方案玉方案分解为两个小的方案：一个是纯金玉方案分解为两个小的方案：一个是纯金属的玉璧形状；一个是在金属中间镶嵌一属的玉璧形状；一个是在金属中间镶嵌一块玉心块玉心这个就是今天北京奥运奖牌这
3、个就是今天北京奥运奖牌“金金镶玉镶玉”的雏形。关于这个玉心方案，也有一的雏形。关于这个玉心方案，也有一番波折。就是玉心跟周围金属面积大小的番波折。就是玉心跟周围金属面积大小的比例问题。玉心面积过大，给人的感觉是比例问题。玉心面积过大，给人的感觉是个玉牌，不是金银铜牌。如果过小，又体个玉牌，不是金银铜牌。如果过小，又体现不出玉的感觉。现不出玉的感觉。3）如何保证其强度、抗冲击？）如何保证其强度、抗冲击？国际奥组委的官员们要求：当奖牌在国际奥组委的官员们要求：当奖牌在两米高度以内两米高度以内掉在地上掉在地上时，要保证玉不碎。时，要保证玉不碎。奖牌的厚度是奖牌的厚度是6毫米，玉石的厚度是毫米，玉石的
4、厚度是3毫米，石头高于金属毫米，石头高于金属1毫米。就是说，在玉石后边毫米。就是说，在玉石后边2毫米的空间，是解决玉石不毫米的空间，是解决玉石不碎的空间。碎的空间。玉石后面直接就是金属，要防止它掉在地上不碎，就必须玉石后面直接就是金属，要防止它掉在地上不碎，就必须将振动的波消除掉。那就只有在玉和金属之间加上缓冲材将振动的波消除掉。那就只有在玉和金属之间加上缓冲材料。料。缓冲材料过硬，金属硬碰硬，直接就会把力量用在玉上；缓冲材料过硬，金属硬碰硬，直接就会把力量用在玉上；如果过软，起不了缓冲的作用。最后大量的试验是在找软如果过软，起不了缓冲的作用。最后大量的试验是在找软硬适中的缓冲材料。硬适中的缓
5、冲材料。4.学习本门课程的学习本门课程的目的目的掌握各种材料的成分、组织、结构与性能掌握各种材料的成分、组织、结构与性能掌握各种材料的热处理工艺掌握各种材料的热处理工艺了解产品性能要求了解产品性能要求产品、材料、热处理的结合，能为产品选产品、材料、热处理的结合，能为产品选择正确的材料和热处理工艺路线择正确的材料和热处理工艺路线二、学习本门课程的方法二、学习本门课程的方法1.主线：主线：材料的成分材料的成分-加工工艺加工工艺-组织结构与性能组织结构与性能2.理论联系实际理论联系实际3.创新创新材料的结构、组织与性能含义结构组织构成材料的基本质点(离子、原子或分子等)是如何结合与排列的，它表明材料
6、的构成方式。指借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌-通常称为显微组织。性能使使用用性性能能工工艺艺性性能能 指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能。力学性能力学性能 物理性能物理性能 化学性能化学性能 强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳 熔点、密度以及电、磁、光和热 耐腐蚀和抗老化 性能使使用用性性能能工工艺艺性性能能 铸造铸造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流动性指材料的可加工性 。热处理热处理 粉末冶金粉末冶金 机械加工机械加工 性能使使用用性性能能工工艺艺性性能能 铸造铸造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流动性锻、拉、挤、轧、弯 ；延展性 ；变形抗力、变形开裂倾向热处理热
7、处理 粉末冶金粉末冶金 机械加工机械加工 性能使使用用性性能能工工艺艺性性能能 铸造铸造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流动性锻、拉、挤、轧、弯 ；延展性 ；变形抗力、变形开裂倾向可焊性 热处理热处理 粉末冶金粉末冶金 机械加工机械加工 性能使使用用性性能能工工艺艺性性能能 铸造铸造 塑性加工塑性加工焊接焊接 液固；流动性锻、拉、挤、轧、弯 ；延展性 ；变形抗力、变形开裂倾向可焊性 热处理热处理 粉末冶金粉末冶金 机械加工机械加工 热诱发组织转变； 经压制、烧结成固体 切削加工组织结构组织结构性能性能热加工工艺锻造铸造焊接热处理三 本门课程的学习要求及考核 学习要求熟悉常用术语和基本概念熟悉
8、常用术语和基本概念 牢固建立材料的性能决定于材料牢固建立材料的性能决定于材料的组织、结构这一概念的组织、结构这一概念 掌握金属材料主要热加工工艺原掌握金属材料主要热加工工艺原理理, 并能制定常规热处理工艺。并能制定常规热处理工艺。 平时平时30实验实验10期末期末60 考核参考资料：潘金生，仝健民，田民波潘金生，仝健民，田民波.材料科学基础，材料科学基础，清华大学出版社，清华大学出版社，1998刘国勋，金属学原理，冶金工业出版社，刘国勋，金属学原理，冶金工业出版社，1980储凯，许斌，李先民等，机械工程材料，储凯，许斌，李先民等，机械工程材料，重庆大学出版社，重庆大学出版社，1998王晓敏，工
9、程材料学，哈尔滨工业大学，王晓敏，工程材料学，哈尔滨工业大学，2002第一章第一章机械工程对材料性能的机械工程对材料性能的要求要求1.1工程构件与机器零件所受各工程构件与机器零件所受各种负荷概述种负荷概述零件或构件在工作中所受三种负荷：零件或构件在工作中所受三种负荷：力学负荷力学负荷-引起变形、断裂引起变形、断裂热负荷热负荷-造成尺寸或体积改变，并造成尺寸或体积改变，并产生热应力产生热应力环境介质环境介质-对零件表面造成化学腐对零件表面造成化学腐蚀、电化腐蚀、摩擦磨损等蚀、电化腐蚀、摩擦磨损等载荷载荷动载荷动载荷冲击载荷冲击载荷交变载荷交变载荷静载荷静载荷剪切剪切扭转扭转拉伸拉伸/压缩压缩弯曲
10、弯曲(a)拉伸拉伸（b)压缩压缩（c)弯曲弯曲（d)剪切剪切（e)扭转扭转静载荷的形式静载荷的形式高温下高温下, ,温度温度强度强度 高温下高温下, ,加载时间加载时间材料的强度材料的强度金属材料在长时间金属材料在长时间恒温、恒应力恒温、恒应力作用下，即使作用下，即使应力应力低于低于屈服点也会缓慢产生塑性变形，这种屈服点也会缓慢产生塑性变形，这种现象称为蠕变现象称为蠕变引起热应力引起热应力交变的热应力引起材料的热疲劳交变的热应力引起材料的热疲劳腐蚀作用腐蚀作用化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀摩擦磨损作用摩擦磨损作用粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点磨粘着磨损、磨粒磨
11、损、腐蚀磨损、麻点磨损损(即接触疲劳即接触疲劳)老化作用老化作用1.2工程设计与加工工艺所需要工程设计与加工工艺所需要的材料性能的材料性能机器的整机性能除与机器构造、加工、制造等因素有关外，主要机器的整机性能除与机器构造、加工、制造等因素有关外，主要取决于零部件的取决于零部件的结构与性能结构与性能，尤其是，尤其是关键件关键件的性能。的性能。在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由零部件在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由零部件的的强度及其他相关性能强度及其他相关性能来决定。来决定。机器零件的强度一般表现为短时承载能力和长期使用寿命，主要机器零件的强度一般表现为短时承载能
12、力和长期使用寿命，主要由三个主要因素决定，即由三个主要因素决定，即结构因素结构因素、加工工艺因素加工工艺因素、材料因素材料因素。在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、重量、性能和寿命主要由积、重量、性能和寿命主要由材料因素材料因素(即主要由材料的强度及其即主要由材料的强度及其他力学性能他力学性能)所决定。所决定。在设计机械产品时，主在设计机械产品时，主要根据零件要根据零件失效的方式失效的方式正确选择材料。正确选择材料。1.2.1整机性能、零部件性能与材料性能整机性能、零部件性能与材料性能失失效效分分类类 变形失效：如
13、果材料的变形量和变形特变形失效：如果材料的变形量和变形特性超过原来规定的程度，而致影响构件的规性超过原来规定的程度，而致影响构件的规定功能定功能 断裂失效：断裂是金属材料在应力的作用断裂失效：断裂是金属材料在应力的作用下分为互不相连的两个部分或两个以上部分下分为互不相连的两个部分或两个以上部分 表面损伤表面损伤：主要指腐蚀失效及磨损失效主要指腐蚀失效及磨损失效丧失其规定功能的现象称为失效丧失其规定功能的现象称为失效失效列管照片图 厚壁容器韧性断裂外观厚壁容器脆性断裂外观材料的力学性能材料的力学性能(机械性能机械性能)是指材料在不同是指材料在不同的环境因素的环境因素(温度、介质温度、介质)下，承
14、受外加载荷下，承受外加载荷作用时所表现的行为，通常表现为材料的作用时所表现的行为，通常表现为材料的变形变形和和断裂断裂。室温下常用的力学性能：室温下常用的力学性能：强度、塑性、刚性、弹性、硬度、冲强度、塑性、刚性、弹性、硬度、冲击韧性、断裂韧性、疲劳极限等击韧性、断裂韧性、疲劳极限等1)拉伸试验与拉伸曲线拉伸试验与拉伸曲线弹性段弹性段屈服段屈服段强化段强化段三个阶段断裂阶段断裂阶段p、e、s、b、拉伸曲线相关指标a弹性模量弹性模量-材料刚度材料刚度b弹性极限（弹性极限（e）表示材料保持弹性变形表示材料保持弹性变形,不不产生永久变形的最大应力产生永久变形的最大应力,是是弹性零件弹性零件的的设计设
15、计依据。依据。2)弹性和刚度弹性和刚度弹性阶段弹性阶段3)强度、塑性和粘弹性a屈服强度（屈服强度（s）-金属开始发生明显塑性变形的抗金属开始发生明显塑性变形的抗力力,铸铁等材料没有明显的屈服现象铸铁等材料没有明显的屈服现象,则用条件屈服点则用条件屈服点（0.2）来表示）来表示:产生产生0.2%塑性变形时的应力值。塑性变形时的应力值。屈服强度是零件设计的屈服强度是零件设计的主要依据主要依据，也是材料，也是材料最重要最重要的的强度指标强度指标。b强度极限强度极限(抗拉强度抗拉强度b)表示金属抵抗均匀变形和断表示金属抵抗均匀变形和断裂所能承受的最大应力裂所能承受的最大应力也是零件设计和评定材料的也是
16、零件设计和评定材料的重要指标重要指标。比强度比强度-材料的强度指标与密度的比值材料的强度指标与密度的比值b/屈强比屈强比s s /b表征材料强度潜力的发挥、利用程度以表征材料强度潜力的发挥、利用程度以及和该种材料所制零件工作时的及和该种材料所制零件工作时的安全程度安全程度。屈服阶段c塑性塑性断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性,用伸长率和断面收缩率来表示。用伸长率和断面收缩率来表示。伸长率（伸长率（）在拉伸试验中在拉伸试验中,试样拉断后试样拉断后,标距标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。断面收缩率（断面收缩率（）试样拉
17、断后试样拉断后,缩颈处截面积缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。缩率。d粘弹性粘弹性塑性指标塑性指标l1l0F1F0强化阶段强化阶段脆性材料的抗拉曲线脆性材料的抗拉曲线4) 硬度 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度硬度，即受压时抵，即受压时抵抗抗局部塑性变形局部塑性变形的能力的能力金属材料的硬度以金属材料的硬度以压入法压入法测定最多测定最多 布氏硬度布氏硬度(HBS、HBW) 洛氏硬度洛氏硬度(HRA、HRB、HRC) 维氏硬度维氏硬度(HV)不同的硬度指标适合不同的场合不同的硬度指标适合不
18、同的场合布氏硬度布氏硬度 布氏硬度试验原理图布氏硬度计洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度测量原理图洛氏硬度计5)冲击韧性冲击韧性-在一定温度下，材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。是强度和塑性的综合指标。冲击试样冲击试样6)疲劳强度疲劳强度疲劳强度-应力低于一定值时，试样可以应力低于一定值时，试样可以经受经受无限周期循环无限周期循环而而不破坏不破坏，该应力值称，该应力值称为材料的疲劳强度为材料的疲劳强度.7)断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂材料断裂材料抵抗裂纹失稳扩展抵抗裂纹失稳扩展的能力的能力.加工工艺性能是指制造工艺过程中材料加工工艺性能是指制造工艺过程中材料适适应加工应加工的性能，反映材料加
19、工的难易程度。的性能，反映材料加工的难易程度。1 金属材料的加工工艺性能铸造性能铸造性能可锻性可锻性焊接性能焊接性能切削加工性能切削加工性能热处理工艺性热处理工艺性2 塑料和陶瓷材料的加工性能塑料材料加工工艺性比金属和陶瓷好。塑料材料加工工艺性比金属和陶瓷好。陶瓷硬而脆，不好焊接和切削加工。陶瓷硬而脆，不好焊接和切削加工。1.3 工程材料类型及主要特征按零件在机械或机器中实现的功能，分按零件在机械或机器中实现的功能，分为为结构材料结构材料和和功能材料功能材料按化学成分分为四大类：按化学成分分为四大类：金属材料金属材料高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料材料的分类结构材料结构材料
20、 功能材料功能材料 强调利用材料的力强调利用材料的力学性能来满足工程学性能来满足工程结构上的需要结构上的需要 强调材料具有光、强调材料具有光、电、磁、热等特殊电、磁、热等特殊的物理性能的物理性能 性能特点和用途 材料的分类金属材料金属材料 复合材料复合材料 材料中原子之间的键合特点 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 金属是具有正的电阻温度系数的物质, 通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽 材料的分类金属材料金属材料 复合材料复合材料 材料中原子之间的键合特点 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 非金属原子共有电子而构成大分子材料称为高分子材料。每个大分子由许多结构
21、相同的单元相互连接而成，因此高分子材料又称为聚合物。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。 材料的分类金属材料金属材料 复合材料复合材料 材料中原子之间的键合特点 陶瓷材料陶瓷材料 高分子材料高分子材料 复合材料是由两种或两种以上材料组成的，其性能是它的组成材料所不具备的。复合材料可能具有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性。 1金属材料金属材料优点优点：良好的综合力学性能、导电性、导热：良好的综合力学性能、导电性、导热性、工艺性能性、工艺性能缺点缺点：特别高温及特殊介质中，化学稳定性：特别高温及特殊介质中，化学稳定性差，资源有限差，资源有限2高分子材料高分
22、子材料优点优点：高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、：高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量轻，易于成型，材料来源丰富重量轻，易于成型，材料来源丰富缺点缺点：耐热差、尺寸稳定性低、强硬度低、：耐热差、尺寸稳定性低、强硬度低、易老化，易燃易老化，易燃3陶瓷材料陶瓷材料优点优点：熔点高、硬度高、化学稳定性高、耐：熔点高、硬度高、化学稳定性高、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小缺点缺点：脆性大，不易加工：脆性大，不易加工4复合材料复合材料优点优点：能充分发挥其组成材料的各自长处，：能充分发挥其组成材料的各自长处，又在一定程度上克服自身的弱点，可按要求人为又在一定程度上克服自身的弱点，可按要求人为设计设计缺点缺点：价贵：价贵1.1弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形比强度比强度比刚度比刚度冲击韧性冲击韧性疲劳极限疲劳极限1.9作业
