《机械创新设计》课件-项目3 机械工程材料基础

1.金属材料主要性能金属材料的主要性能两方面材料使用性能材料工艺性能力学性能（强度，塑性，韧性等）物理性能（导热、电，熔点，密度等）化学性能（耐酸、碱，氧化，腐蚀等）生物性能（相容性、自恢复性等）材料制成零件或构件后，为保证其正常工作和一定的工作寿命所必须具备的性能。材料在冷、热加工过程中，为保证加工过程的顺利进行材料所必须具备的性能。加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）力学性能：指材料抵抗各种外加载荷的能力，其中包括弹性、刚度、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。金属材料的主要性能力学性能金属材料的主要性能力学性能力学性能：是指金属材料在受外力作用时所反映出来的固有性能。金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。变形材料在使用过程中，在外力的作用下将发生形状和尺寸的变化；弹性变形：外力去除后能够恢复的变形；塑性变形：不能恢复的变形。应变在外力作用下引起的材料的原始尺寸或形状在单位长度上的变化。应力在外力作用下材料单位面积上承受的载荷。举例：弹簧、弯钢丝五万吨水压机金属材料的主要性能01.强度材料抵抗由外力载荷所引起的塑性变形或断裂的能力。工程中常用屈服和抗拉强度作为强度的判别依据。1）屈服强度

s在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号σs表示。屈服点应力σs可按下式计算σs=Fs/A0

(MPa)式中：Fs—试样屈服时的载荷（N）

A0—试样原始横截面积（mm2）

应用σs常作为零件选材和设计的依据。金属材料的主要性能01.强度2）抗拉强度

b材料断裂前所承受的最大应力值。抗拉强度

b可按下式计算σb=Fb/A0(MPa)式中：Fb—试样承受的最大载荷(N)A0—试样原始横截面积(mm2)屈服强度σs和抗拉强度σb在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义。由于机器零件在工作时，不允许产生塑性变形，因此机械零件多以σs作为强度设计的依据。对于脆性材料，因断裂前基本不发生塑性变形，因此在强度计算时以σb为依据。金属材料的主要性能02.塑性金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。用伸长率

和断面收缩率

表示。1）伸长率δ

式中：l0—试样原标距的长度（mm）

l1—试样拉断后的标距长度（mm）伸长率是指试样拉断前后的相对伸长值。2）断面收缩率

=(A0-A1)/A0×100%

式中：A0—试样的原始截面积（mm2）

A1—试样断面处的最小截面积（mm2）断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。金属材料的主要性能拉伸试样的缩颈现象说明、越大，材料塑性越好，是材料用于轧制、锻造、冲压、焊接的必要条件；而且在使用时万一超载，由于塑性变形，可避免突然断裂。用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。

>时，无缩颈，为脆性材料表征；

<时，有缩颈，为塑性材料表征。这两个指标反映的物理意义是一样的（塑性）。常用的是伸长率，但有时也用断面收缩率。金属材料的主要性能硬度概念：固体材料抵抗局部塑性变形、压入或划痕的能力。（局部抵抗能力）材料的硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。不管是刀具、量具、刃具还是工件都要有足够的硬度才能保证他们的使用性能和寿命。刀具的硬度要大大高于材料的硬度，才能进行正常的切削加工。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。不同的硬度指标，其试验方法和适用范围不同。金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机和维氏硬度机等。金属材料的主要性能力学性能——硬度种类布氏硬度HB，Brinellhardness洛氏硬度HR，Rockwellhardness维氏硬度HV，Vickershardness金属材料的主要性能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。符号HBS或HBW之前的数字——表示硬度值；符号后面的数字分别表示：球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30（原表示HB120）钢球直径为10mm，作用载荷1000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值。布氏硬度压痕金属材料的主要性能洛氏硬度符号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、表面淬火层和渗碳层。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。洛氏硬度是由美国的洛克威尔（S.P.Rockwell和H.M.Rockwell）于1919年提出来的。洛氏硬度的优点操作简便，压痕小，适用范围广，可用于成品检验。洛氏硬度的缺点测量结果分散度大，重复性较差。金属材料的主要性能力学性能——硬度——维氏硬度与布氏法相似；金刚石四棱锥体；正方形压痕；根据对角线平均长度查表，获得硬度值。优点：可用同一标尺测定从极软到极硬的材料，可测较薄材料和各种表面渗层，且准确度高；缺点：需测量压痕对角线长度，测试手续相对较繁。工程中有些机件在工作时要受到瞬间大能量的冲击载荷；如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。金属材料的主要性能韧性（与脆性相反）概念：材料断裂前吸收的变形能量的能力称为韧性。它是材料抵抗冲击荷载而不破坏的能力，或说材料断裂前吸收能量的能力。是材料强度和塑性的综合指标。金属材料的主要性能材料的ak值愈大，韧性就愈好；材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。通常把ak值小的材料称为脆性材料。研究表明，材料的ak值随温度的降低而降低。当温度降至某一数值或范围时，ak值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必须作低温（一般为–40℃）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂。温度的影响金属材料的主要性能疲劳强度工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，如：曲轴、齿轮、连杆、弹簧等，即使工作应力低于材料的屈服强度

s，但经过一定循环次数N后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。01.疲劳的概念交变应力（或循环应力）——随时间而（循环）变化的应力；应力循环次数N——结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。火车轮轴齿轮根部金属材料的主要性能疲劳强度02.疲劳断裂原因零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段；材料内部杂质、缺陷、表面划痕、应力集中等在交变载荷的作用下产生微裂纹，并扩展导致断裂。疲劳辉纹（扫描电镜照片）03.提高疲劳强度的措施除改善材料的形状结构，减少应力集中外，还要采取进行表面强化措施。如提高零件的表面质量（表面粗糙度）、喷丸处理等，同时应减少材料的内部缺陷，控制材料的内部质量。轴的疲劳断口金属材料的主要性能金属材料的工艺性能工艺性能是材料物理、化学、力学性能的综合反映。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等。01.铸造性能金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。02.锻造性能金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。金属材料的主要性能金属材料的工艺性能工艺性能是材料物理、化学、力学性能的综合反映。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、可锻性、焊接性和切削加工性等。03.焊接性能焊接性能是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。04.切削加工性能切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。材料的力学性能有哪些指标？3.常见工程材料的类型材料的发展史，就是人类社会的发展史。人类历史的划分石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代现代社会三大支柱能源、信息和材料生物工程，信息技术和新材料材料的发展史，就是人类科技的发展史信息、材料、能源、生物技术社会文明支柱，科技创新的重要标志！现代高科技材料—人类社会发展的里程碑！新材料—现代科学技术和社会发展的基础和支柱！材料的发展史，就是人类科技的发展史工程材料的分类金属材料非金属材料黑色金属有色金属高分子材料陶瓷材料复合材料铸铁碳钢合金钢铝合金铜合金其它有色金属塑料橡胶合成纤维材料的发展史，就是人类科技的发展史（一）有色金属——指黑色金属（钢铁）以外的所有金属及其合金，也称为非铁金属。常用的有色金属有铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金、轴承合金等。材料的发展史，就是人类科技的发展史（一）有色金属01.铜及铜合金①纯铜纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。纯铜呈紫红色，又称为紫铜。②铜合金铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了强度，又保持了纯铜特性。常用的铜合金可分为：黄铜、青铜和白铜。材料的发展史，就是人类科技的发展史（一）有色金属01.铜及铜合金1）黄铜——以锌为主加元素的铜合金。黄铜普通黄铜特殊黄铜——在普通黄铜中加入其他合金元素所组成的合金。2）青铜——除黄铜和白铜外的其他铜合金。常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。锡青铜锭材料的发展史，就是人类科技的发展史（一）有色金属01.铜及铜合金锡青铜管锡青铜主要用于耐蚀承载件，如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。船用青铜软管快速接头阀（锡青铜阀体、阀盖）材料的发展史，就是人类科技的发展史（一）有色金属01.铜及铜合金铍青铜用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件。以铍为主加元素的铜合金，铍含量为1.7~2.5%。铍青铜制品材料的发展史，就是人类科技的发展史（一）有色金属01.铜及铜合金3）白铜——以镍为主要合金元素的铜合金。用于在蒸汽和海水环境下工作的精密机械，仪表零件及冷凝器，蒸馏器，热交换器等。白铜可分普通白铜和特殊白铜。1>普通白铜具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能及优良的冷热加工性能。白铜件材料的发展史，就是人类科技的发展史（一）有色金属01.铜及铜合金3）白铜——以镍为主要合金元素的铜合金。2>特殊白铜：——在普通白铜基础上添加Zn、Mn、AI等元素形成的，分别称锌口铜、锰白铜、铝口铜等。白铜型材康铜热偶材料的发展史，就是人类科技的发展史（一）有色金属02.铝及铝合金①纯铝纯铝具有银白色金属光泽，密度小，熔点低,导电、导热性能优良；耐大气腐蚀，易于加工成形；无磁性。②铝合金铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性。铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr

等辅加元素。铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两类。材料的发展史，就是人类科技的发展史（一）有色金属02.铝及铝合金铝合金制造的机翼铝铸件铝合金型材材料的发展史，就是人类科技的发展史（二）黑色金属工业用钢按化学成分分：碳素钢、合金钢两大类。按用途分：结构钢、工具钢和特殊性能钢三类。按质量分：普通钢，优质钢和高级优质钢三类。按脱氧程度分：镇静钢，沸腾钢等。一、钢的分类材料的发展史，就是人类科技的发展史（二）黑色金属碳素钢合金钢碳素结构钢优质碳素结构钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢低合金结构钢渗碳钢调质钢刃具钢模具钢量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢钢碳素工具钢弹簧钢滚动轴承钢其它材料的发展史，就是人类科技的发展史（二）黑色金属严格地说，钢是含碳量在0.0218%-2.11%之间的铁碳合金。我们通常将其与铁合称为钢铁，为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。其它成分是为了使钢材性能有所区别。按化学成分分：（1）碳素钢是指钢中除铁、碳外，还含有少量锰、硅、硫、磷等元素的铁碳合金。按其含碳量的不同，可分为：1）低碳钢——含碳量wc≤0.25%；2）中碳钢——含碳量wc0.25%~0.60%；3）高碳钢——含碳量wc>0.60%高碳钢一般在军工业和工业医疗业比较多。材料的发展史，就是人类科技的发展史（二）黑色金属（2）合金钢为了改善钢的性能，在冶炼碳素钢的基础上，加入一些合金元素而炼成的钢，如铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢等。按其合金元素的总含量，可分为：1）低合金钢——合金元素的总含量≤5%；2）中合金钢——合金元素的总含量5%~10%；3）高合金钢——合金元素的总含量>10%。按质量分为优质合金钢、特质合金钢；按特性和用途又分为合金结构钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、合金工具钢、合金弹簧钢和特殊性能钢等。材料的发展史，就是人类科技的发展史铸铁铸铁是含碳量2.11％<Wc<6.69％的铁碳合金。工业上常用的铸铁，含碳量一般在2.5％~4.0％的范围内，此外还含有硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）等元素。力学性能中抗拉强度、塑性、韧性均远不如钢，而抗压强度和硬度并没有明显降低。切削性能良好，刀具使用寿命高。良好的铸造性能、耐磨性能、消音减震性能以及较低的缺口敏感性等优异性能。材料的发展史，就是人类科技的发展史生铁、熟铁和钢是三种金属材料的名称。1>生铁是指在高炉中通过热还原反应从铁矿石或废铁里提取出来的粗铁，成分主要是铁、碳、硅、锰、磷等元素。2>熟铁是指经过连铸或锻