1.绪论、工程材料的主要性能.ppt

工程材料与热处理,主讲：盖雨聆gaiyulin绪论,机械制造的基本过程工程材料分类及应用本课程主要内容学习本课程要求参考书目,一、机械制造的基本过程,产品图纸工艺文件,材料,外购件,铸造,落料,锻造,剪裁/冲压/焊接,热处理,机加工,产品,装配,二、工程材料分类及应用,金属材料黑色金属：钢、铁有色金属：除钢铁以外的其它金属及合金。非金属材料高分子材料：塑料、橡胶陶瓷材料：碳化硅、氮化硅复合材料：玻璃钢,信息科学能源科学材料科学旧石器时代-新石器时代-青铜器时代-铁器时代-人工合成材料时代,现代科学技术的三大支柱,材料的发展与历史时代的划分,航空航天人造卫星通信技术,金属材料获得广泛的应用的原因,优良的机械性能优良的物理性能优良的工艺性能,三、本课程主要内容,工程材料的主要性能金属与合金的晶体结构与结晶金属的塑性变形与再结晶钢的热处理常用金属材料机械零件选材及工艺路线分析,四、学习本课程要求,上课认真听讲、做笔记；积极参加讨论、回答问题；独立完成作业，不要互相抄袭；认真完成实验，不缺勤。,五、参考书目,工程材料（第三版）朱彰校清华大学出版社2001年1月材料科学基础石德坷机械工业出版社1999年5月,第一章.工程材料的主要性能,内部结构与性能成分结构（组织）性能加工工艺与性能切削加工锻造铸造焊接使用行为橡胶暴露在空气中逐渐硬化金属在周期性载荷作用下会产生疲劳普通钢钻头不能象高速钢钻头那样飞快切削,工程材料的主要性能,力学性能物理性能化学性能工艺性能,1-1力学性能,材料在外力作用下所表现出的各种性能。强度硬度塑性冲击韧性断裂韧性,拉伸实验,拉伸试验,应力-应变曲线,应力=F/A0N/mm2(MPa),应变=L/L0,消除式样尺寸的影响!,一、弹性与刚度,弹性变形（不超过0.5%1%）塑性变形弹性极限e材料不产生塑性变形所能承受的最大应力。（精密弹性元件、炮筒）,弹性模量E=/衡量材料抵抗弹性变形的能力。表示材料的刚度。机器零件或构件刚度：EA,二、强度,在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力。屈服点s材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。,屈服强度0.2试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值。,抗拉强度b材料在断裂前所承受的最大应力值。,三、塑性,材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力。伸长率断面收缩率,伸长率试样在拉断后的相对伸长量。L0试样原始标距长度；L1试样拉断后的标距长度。,断面收缩率试样被拉断后横截面积的相对收缩量。A0试样原始横截面积；A1试样拉断处的横截面积。,塑性的意义：,1.零件在使用过程中偶然过载时，因发生塑性变形而不至于突然断裂；2.碰撞时吸收能量；3.塑性成形。,四、硬度,材料抵抗外加载荷压入表面的能力。（1）布氏硬度HBS（W）,布氏硬度的测量,压头为淬火钢球时，HBS小于450有效。压头为硬质合金时，HBW450-650有效。经验关系：低碳钢：b0.36HBS(W)高碳钢：b0.34HBS(W)灰铸铁：b0.10HBS(W),试验规范。见附录表示方法：120HBS压痕较大，只适用于毛坯检验，不适合成品。,（2）洛氏硬度HR,洛氏硬度的测量,试验规范。见附录表示方法：60HRC洛氏硬度操作迅速、简便，压痕小可在工件表面进行试验，可测各种金属。压痕较小，代表性差。由于材料成分偏析，组织不均匀，使硬度值分散性大，应在不同部位测量多次取平均值。,（3）维氏硬度(HV),载荷小，压入深度浅，适于测试零件表面淬硬层及化学热处理的表面层。连续一致的标尺，可测定从极软到极硬的各种金属材料。测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。,由于各种硬度试验的条件不同，因此相互间没有理论的换算关系，根据试验结果的粗略换算关系如下：硬度在200600HBS（W）HRC1/10HBS硬度小于450HBSHBSHV各种硬度间换算以及硬度与强度之间的换算可查表。,五、疲劳强度交变应力应力的大小、方向随时间变化。疲劳承受交变应力的零件在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。特征：无征兆突然断裂，造成严重事故。,据统计，在损坏的机器零件中，80%是由金属疲劳造成的！,（1）疲劳实验变动载荷：,载荷,时间,对称交变应力,脉动交变应力,无规则交变应力,主轴类,汽缸盖螺钉,农用挂车车轮,一组试样：疲劳实验对试样的表面质量很敏感，曲线上每一点最好取几个试样平均值。,疲劳曲线,107,N0,2,-1,N,最大应力max,循环周次N（对数坐标）,1一般钢铁材料2有色金属、高强度钢等。,钢铁N0=107次，有色金属N0=108次。对于实际机件，N0根据工作条件和使用寿命确定。例：火车轴N0=5107汽车发动机曲轴N0=12107气轮机叶片N0=251010,1,（2）疲劳原因表面是产生疲劳源部位（表面应力集中、刀痕、划伤等）。扩展时而停顿、时而向前发展，出现疲劳辉纹贝壳纹。剩余部分面积减小，应力增大，当b时，突然断裂。,（3）预防措施设计时表面圆滑过渡，减少应力集中。表面预制压应力（喷丸、表面淬火、化学热处理等）,六、韧性材料断裂时所需能量的度量。（1）冲击韧度ak冲击韧性在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，通常用冲击吸收功Ak和冲击韧度指标ak来度量。,一次冲击弯曲试验,冲击试验视频图象,指标冲击吸收功Ak(J)冲断标准试样所消耗的功。Ak=Gg(h-h1)其中G-摆锤质量g-重力加速度冲击韧度ak（J/cm2)试样单位截面积所消耗的冲击吸收功。ak=Ak/A0其中S-试样缺口处的截面积,冲击试验的应用评定材料的冶金质量和热加工后的产品质量。评定材料的低温变脆倾向。此试验有很多局限性。,（2）断裂韧度K1c断裂韧性材料抵抗裂纹扩张的能力。K1=Y其中K1应力场强度因子，单位为MNm-3/2;Y与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的系数；外加应力，单位为MPaa裂纹的半长，单位为mm。,断裂韧度应用：用无损探伤方法测出零件中最大裂纹长度，就可以算出使零件失稳扩展的临界载荷，既零件能承受的最大载荷。测得零件的工作应力，就可以确定材料在加工过程中允许存在的最大裂纹长度。,1-2物理性能,密度单位体积材料的质量。熔