天津科技大学机械工程材料

定义:材料在使用和加工过程中表现出来的特性。分类:,材料的性能,疲劳性能,使用性能,工艺性能,物理化学性能,力学性能,强度,塑性,硬度,韧性,耐磨性,铸造性能,锻造性能,焊接性能,切削加工性能,热处理性能,第一章材料的性能,在静载荷下强度、塑性硬度：布氏硬度、洛氏硬度等在冲击载荷下冲击韧性在交变载荷下疲劳强度,定义：指材料在外力的作用下所表现出来的特性。,载荷,1.1材料的使用性能一、材料的力学性能,拉伸试样,静载拉伸试验机,应力=P/F0应变=(l-l0)/l0,（一）弹性与刚度,几种材料典型的曲线,弹性模量E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。,弹性模量大小主要取决于材料的本性，强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量影响很小。可通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,（二）强度,强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。弹性极限e：试样保持纯弹性变形的最大应力值。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。（0.2与s的意义相同！）抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。,（三）塑性材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。,伸长率：,断面收缩率：,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,说明：和，材料的塑性直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0时，伸长率用或10表示；当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然55%时，有颈缩，为塑性材料用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。生产中，为了提高安全性，都要求零件具有一定的塑性。一般，伸长率达5或断面收缩率达10的材料，即可满足大多数零件的使用要求。,（四）硬度,材料抵抗表面局部塑性变形的能力。是表征材料力学性能的综合参数。一般，硬度强度耐磨性塑性1、布氏硬度HB,优点：重复性强，测量误差小。具有较高的测量精度。数据稳定。缺点：压痕大，测量费时，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于：较软材料，如铸铁、退火或正火钢及有色金属的硬度,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，并保持规定时间，卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,实验原理：用锥顶角为120的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力（预载荷主载荷）压入待测表面，保持规定时间,卸载后（卸除主载荷），测量的残余压痕深度增量，计算出硬度值。,2、洛氏硬度,HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小。,例如：50HRC40HRC,HRA：硬质合金、表面淬火层和渗碳层。HRB：有色金属、铸铁和退火、正火钢等。HRC：调质钢、淬火钢。优点：操作迅速、简便，由表盘直接读出硬度值；压痕小，适用范围广。缺点：精度较差，硬度值波动较大。不适于测量组织不均匀材料。,压头：锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体,试验原理：以一定的试验力，将压头压入试样表面，保持一定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。,3、维氏硬度HV,优点：维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。维氏硬度可测定从很软到很硬的各种材料，可测定较薄材料和各种表面渗层，且准确度高。广泛用于测量薄件、化学热处理件、表面硬化层的硬度（如渗层、表面淬硬层、电镀层等），以及微观组织的硬度。缺点：测试过程较繁琐。不宜用于成批生产时的常规检验。4、显微硬度显微硬度实验原理与维氏硬度完全相同，但精度要求高。可用于金相组织中相的硬度以及材料表层硬度大小的测量。,（五）韧性,1、冲击韧性材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。1)摆锤式一次冲击试验。2)小能量多次冲击试验。,多次冲击弯曲实验示意图,指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得，即为冲断单位面积所消耗的功)。,2、断裂韧性,Titanic号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果,（六）疲劳,材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限-1。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳寿命材料发生疲劳破坏时的应力循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称为该材料的疲劳寿命。（80%的断裂由疲劳造成）,主要性能指标的应用,弹性指标：设计弹性零件时，需考虑弹性极限e，如各类弹簧和弹性元件等。强度和塑性：一般零件的抗断裂设计。对工作条件不允许发生明显塑性变形的零件或构件，根据屈服强度值s(0.2)选材，大多数机器可以预防事故发生。对无明显屈服现象的脆性材料，依据抗拉强度b选材。硬度：设计耐磨零件时，必须考虑的性能指标，如滚动轴承等。冲击韧性：零件工作中，承受冲击载荷，如汽车齿轮、弹簧、冲压模具等。(参考指标),其中，对某一零件有力学性能要求时，一般在设计图纸上提出硬度技术要求，而不是强度和塑性。,二、材料的物理和化学性能,（一）物理性能,材料的腐蚀:材料受环境介质的化学、电化学作用而引起的变质或破环现象，分为化学腐蚀和电化学腐蚀。其它化学性能：抗氧化性、抗渗入性、高分子材料的老化等,(二)化学性能,1.2材料的工艺性能,金属材料的一般加工过程如下：,1.铸造性能2.锻造性能,万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环,精密铸件,3.切削加工性能4.焊接性能5.热处理性能,“维克斯”3坦克原型车，其炮塔前半部分铸造而成，后半部分则为焊接结构,一、填空1.机械设计时常用和两种强度指标。3.屈强比是指与之比。4.材料主要的工艺性能有、和。5.金属材料常用的机械性能指标有：抗拉强度用表示；屈服强度用表示；硬度常用和表示；常用塑性指标有和；冲击韧性用表示。二、判断题s和0.2都是材料的屈服强度。材料的弹性越好，其塑性也愈好。零件设计时，若对力学性能有要求，图纸上常对硬度提出技术要求。,三、选择题1.在低碳钢拉伸应力应变曲线上，对应的最大应力值称为。A.弹性极限B.屈服强度C.抗拉强度D.断裂强度2.材料开始发生塑性变形的应力值称为材料的。A.弹性极限B.屈服强度C.