机械工程材料第一章

机械工程材料机升12级绪论一、

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

人类文明进步的划分标志材料、能源、信息是

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、与工程材料有关的基本概念

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：机械工程中常用的材料

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：

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：改善组织结构提高性能提高使用寿命减低成本热处理四、本课程主要内容、目的、要求主要内容：

金属学原理、热处理原理及工艺、常用钢铁材料目的：

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金属材料的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第一节

强度、刚度、弹性及塑性一、拉伸试验及曲线应力=F/A0应变=(l-l0)/l0低碳钢的应力-应变曲线拉伸试验机应力=F/A0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。

。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σe：是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。塑性指标：一般用伸长率(δ)或断面收缩率(Ψ)来反映材料塑性的好坏。伸长率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象说明：①用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。②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10表示；当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然5>10（20%）③

>时，无颈缩，为脆性材料表征

<时，有颈缩，为塑性材料表征第二节硬度定义：是衡量金属材料软硬程度的指标；反映了材料表面抵抗其他硬物压入的能力。意义：硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，与强度、耐磨性以及冷成型性、可加工性以及焊接性等工艺性能往往存在一定对应关系，故可用来检验原材料和控制冷热加工质量。测量方法：静载压入法根据压头和载荷的不同，主要有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)等。布氏硬度计一、布氏硬度：1900年瑞典工程师布利涅尔（Brinell）提出方法：将一直径D的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷F下压入被测金属的表面，并保持一定时间，然后卸除载荷，以金属表面球形压痕单位面积上所承受载荷的大小来表示被测金属材料的硬度，载荷单位为N时：

标注压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。之前的数字表示硬度值,布氏硬度的单位为MPa，一般不标出；符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。选用：按材料种类和试样厚度选择F/D2

布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)钢黄铜球墨铸铁二、洛氏硬度：1919年美国洛克威尔提出。方法：用锥顶角120°的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头，在一定试验力的作用下，将压头压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除主试验力，根据残余压痕深度计算被测材料的硬度。洛氏硬度值可直接从硬度计读取。h3-h1洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计表示和标注洛氏硬度用符号HR表示，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大、标尺不同、不能测量化学处理表面。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕二、维氏硬度：英国的维克斯Vickers公司维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，但维氏硬度试验是用两面夹角为136°的金刚石四棱锥体作为压头。试验时测出压痕对角线长度以计算压痕的表面积，以F/A的数值表示维氏硬度值。

当载荷的单位为N时HV=0.1891F/d2(MPa)

维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。640HV30/20维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。

小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计维氏硬度载荷小，压痕深度浅，适应于测量较薄的材料或表面硬化层的硬度，所以维氏硬度广泛用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理后的表面硬度。标尺一致；工作效率不如洛氏硬度。第三节冲击韧性冲击载荷的概念冲击韧性：材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。实质是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。评定：一次冲击实验一、冲击实验方法与原理指标为冲击功Ak或冲击韧度值ak(通过冲击实验测得)。Ak=Ggh－Ggh′=Gg（h－h′）

ak=Ak/Fk

二、冲击实验的意义和应用1、用来反映材料对一次或少次数大能量冲击破坏的抵抗能力和在此工作条件下材料对缺口的敏感性。2、确定材料韧、脆转变温度Tk，为工程构件的选材提供依据。（构件工作温度T高于材料的韧脆转变温度Tk，冷脆现象）3、反应材料的冶金质量和热加工质量：冲击吸收功对内部结构、缺陷等有较大的敏感性如晶粒粗化、冷脆、回火脆性、夹渣、气孔、偏析等。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板第四节断裂韧度传统的设计方法：零件工作应力σ,材料屈服强度σ0.2σ≤[σ]=σ0.2/kk:安全系数，k>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1943年美国T-2油轮发生断裂北极星导弹裂纹扩展的基本形式二、裂纹尖端应力场强度因子K1描述裂纹尖端场强弱的量Y：裂纹几何形状因子。与裂纹长度有关。σ：零件的工作应力a：裂纹尺寸；KI是力学参量三、断裂韧度KICY-与裂纹形状及加载方式有关的量σc-

裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力；ac-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应用（判断构件是否安全，合理选材）KI<KIC构件安全KI>KIC构件发生脆性断裂KI＝KIC构件发生低应力脆性断裂的临界条件1）测定了材料的的断裂韧度K1C，并探伤测出零件（或构件）中裂纹尺寸a后，可确定零件（或构件）的最大承载能力σC为载荷设计提供依据；2）已知材料的断裂韧度K1C及零件（或构件）的工作应力，可确定其允许的最大裂纹尺寸ac，为制定裂纹探伤标准提供依据；3）根据零件（或构件）中工作应力极裂纹尺寸a，确定材料应有的断裂韧度K1C，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、大型发电机转子等第五节疲劳一、疲劳现象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，因此危险性极大疲劳断裂的原因：应力集中处；材料缺陷。疲劳断裂的基本过程(1)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)裂纹扩展：裂纹形成后，在交变应力作用下将不断扩展。(3)断裂：随着疲劳裂纹的扩展，有效承载面逐渐减小，当应力达到材料的断裂强度或断裂韧度时，发生快速断裂。一个疲劳源两个疲劳源微裂纹疲劳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σ-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σr(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，