机械工程材料第一章

1、机械工程材料机升12级绪论一、一、 材料的发展材料的发展 石器时代（石器、陶器 、瓷器） 青铜器时代 铁器时代 新材料时代（人工合成材料、复合材料） 材料的制造与使用水平是材料的制造与使用水平是 人类文明进步的划分标志人类文明进步的划分标志材料、能源、信息是材料、能源、信息是 现代社会、现代技术的三大支柱现代社会、现代技术的三大支柱具有特殊物理性能或功能的材料（电、磁、热、光等）用于制造各种结构件（机械、工程）由两种或两种以上不同材料组合而成三、与三、与工程材料工程材料有关的基本概念有关的基本概念 工程材料工程材料：用于制造工程构件、机械零件、工具等 机械工程材料：机械工程材料：机械工程中常用

2、的材料 工程材料的性能要求：工程材料的性能要求：使用性能：机械性能、物理性能、化学性能等加工工艺性能: 铸、锻、焊、热处理、机械加工等矿藏丰富 定义：定义： 大型铸钢件热处理炉真空淬火炉箱式电阻炉固态金属材料加热冷却获得所需要的组织和性能保温 目的及重要性：目的及重要性：改善组织结构 提高性能 提高使用寿命 减低成本 热处理热处理 四、本课程主要内容、目的、要求四、本课程主要内容、目的、要求u主要内容：主要内容： 金属学原理、热处理原理及工艺、常用钢铁材料u目的：目的： 重点掌握钢铁材料成分、组织、工艺与性能之间的关系 能够合理选材、正确制定热处理工艺第一章第一章 金属材料的力学性能金属材料的

3、力学性能金属材料的性能：使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。 金属材料的力学性能是指材料在不同环境因素下，抵抗载荷引起的变形和断裂的能力。 当材料的抗力与服役条件不相适应时，材料的功能即出现失效现象。 各种抵抗外加载荷失效的指标即是材料的力学性能指标五万吨水压机五万吨水压机第一节第一节 强度、刚度、弹性及塑性强度、刚度、弹性及塑性一、拉伸试验及曲线应力应力 = = F F/ /A A0 0应变应变 = ( = (l l- -l l0 0)/)/l l0 0低碳钢的应力低碳钢的

4、应力- -应变曲线应变曲线拉伸试验机拉伸试验机应力应力 = F/A0应变应变 = (l-l0)/l0不受材料尺寸的影响，直接反应材料本身的力学性能二、刚度和弹性l刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。刚度要求：绝大多数材料是在弹性变形的状态下工作的，不允许有塑形变形。材料指标：弹性模量E。 注意： 构件的刚度取决于结构和材料（即弹性模量），而弹性模量主要取决于材料本身的性质，而热处理、微合金化以及塑形变形等对此影响很小。 tgE 弹性指标：弹性比功。是材料在弹性变形阶段过程中吸收变形功的能力，一般可用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示弹性的重要性：减振或储能元件弹性极限e：是

5、材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力值。重要性：对于设计工作中不允许有微量变形的零件是一项重要依据三、强度与塑性 强度：材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。屈服强度s：材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。l塑性塑性指标：指标：一般用伸长率()或断面收缩率()来反映材料塑性的好坏。伸长率：%llkl10000%10000AAAK断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 说明： 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数时，塑

6、性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用10表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5 10（20%） 时，无颈缩，为脆性材料表征 1足够的塑性、冲击韧性 实际情况：经过这种方法设计制造的一些大型工程构件有的发生脆性断裂事故。 原因：低应力下材料宏观裂纹的扩展脆性断裂（发生断裂的应力远远 小于材料的屈服强度）断裂韧度的提出：材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 一、裂纹扩展的基本形式19431943年美国年美国T-2T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北极星导弹北极星导弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式二、裂纹尖端应力场强度因子K1l描述裂纹尖端场强弱的量Y：裂纹几何形状因子。 与裂纹

7、长度有关。：零件的工作应力a：裂纹尺寸；KI是力学参量aYKI三、断裂韧度 K KICICY-Y-与裂纹形状及加载方式有关的量c -c - 裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力；a ac c-裂纹扩展时的临界状态所对应的裂纹尺寸，称为临界裂纹尺寸； 材料的力学性能指标CCICaYKaYKIl应用（判断构件是否安全，合理选材）KIKIC 构件发生脆性断裂KIKIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件CCICaYK 1 1）测定了材料的的断裂韧度）测定了材料的的断裂韧度K K1C1C，并探伤测出零件（或构，并探伤测出零件（或构件）中裂纹尺寸件）中裂纹尺寸a a后，可确定零件（或构件）的最大承载后，可确定零

8、件（或构件）的最大承载能力能力 CC为载荷设计提供依据；为载荷设计提供依据； 2 2）已知材料的断裂韧度）已知材料的断裂韧度K K1C1C及零件（或构件）的工作应力，及零件（或构件）的工作应力，可确定其允许的最大裂纹尺寸可确定其允许的最大裂纹尺寸a ac c，为制定裂纹探伤标准提，为制定裂纹探伤标准提供依据；供依据； 3 3）根据零件（或构件）中工作应力极裂纹尺寸）根据零件（或构件）中工作应力极裂纹尺寸a a，确定材，确定材料应有的断裂韧度料应有的断裂韧度 K K1C1C，为正确选用材料提供依据。，为正确选用材料提供依据。 应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的应用场合：主要用于高

9、强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等转子等第五节第五节 疲劳疲劳一、疲劳现象一、疲劳现象l零件在变动载荷作用下经较长时间工作而发生突然断裂的现象(交变应力或重复应力交变应力或重复应力是指大小、方向随时间发生周期性循环变化的载荷)疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 几种常见的循环应力疲劳断裂的特点： (1)断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至屈服强度, 疲劳断裂属低应力脆断。 (2)断裂前无论是韧性材料还是脆性材料均无明显的塑性变形，是一种无预兆、突然发生的断裂，因此

10、危险性极大l疲劳断裂的原因： 应力集中处； 材料缺陷。 疲劳断裂的基本过程疲劳断裂的基本过程 (1)(1)裂纹的产生裂纹的产生：由于材料本身的各种缺陷和结构等原因，使零件受力时局部产生应力集中，形成疲劳裂纹源，达到一定条件时，产生裂纹。 (2)(2)裂纹扩展裂纹扩展：裂纹形成后，在交变应力作用下将不断扩展。一个疲一个疲劳源劳源两个疲两个疲劳源劳源微裂纹微裂纹疲劳疲劳条纹条纹 疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌疲劳断口轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳极限：材料在交变载荷的作用下而不破坏的最大应力。当交变应力循环对称时，疲劳极限用-1表示。 两种类型疲劳曲线：a)钢铁材料，存在一个疲劳极限b)部分有色金属(如铝合金等)、高强钢、腐蚀介质下。条件疲劳极限不存在疲劳极限时，规定循环基数N0时的断裂应力r(N0)一般钢铁材料：107，最大循环应力为疲劳极限；有色金属，高强度钢及腐蚀介质作用下的钢铁：规定一个疲劳极限循环基数N0，对应的应力“条件疲劳极限” r(N0)； 有色金属N0 108； 腐蚀介质N0 106循环周次N应力maxO107-1rN021图1-1