工程材料讲稿0902.ppt
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1、工 程 材 料, 罗烽 主讲,绪 论,材料的重要性 科学研究和技术发展的目的 改变人类生活 材料对我们的生活产生着重大影响 过去的、现在的、未来的影响 材料也是制造工程师们实现产品制造的原料 产品功能的载体、制造加工的对象,推荐课外读物 宗培言、丛东华主编,机械工程概论,机械工业出版社,2004年2月第1版,16开268页,TH-43/Z93 这是一本介绍机械设计制造及其自动化专业的书。它解答了同学们最为关心的一些问题,包括:本专业涵盖哪些知识范围,大学阶段要学些什么,以及将来能做哪些方面的工作等,对刚刚进入专业学习的同学了解本专业,给自己未来的学习和事业定位都具有很好的指导意义。建议每个同学
2、都认真读一读。另外,同名的书籍还有另外一些,内容大同小异。 郝应其编著,缤纷多彩的材料世界, 北京工业大学出版社,1993年5月第1版,32开119页,TB3/H24a 这是一本介绍各种材料及它们的应用的小册子。内容精彩生动,对大家了解各种材料,增强对材料课程学习的兴趣,十分有益。内容简单,大家基本上都能读懂,而且不用花太多的时间,建议每个同学都找来读读。此外,图书馆类似的小册子还有很多,不妨根据自己的兴趣选看12本。,为什么要学习工程材料课程 工程上使用哪些材料,工程材料研究哪些问题 材料的结构、性能(第一、二、三章) 金属材料的结晶过程及组织成分分析 (第二章) 金属材料的塑性变形机理(第
3、三章) 改变材料性能的方法(第四章) 各种材料的牌号、用途、如何选择材料(第五、六、七章) 材料失效分析(第七章),如何学好工程材料课程 本课程的重点与难点 本课程的学习方法与教学要求,本课程的推荐参考书目 张继世主编,机械工程材料基础, 高等教育出版社 ,2002年4月第1版,小16开243页,TH14-43/Z32 储凯主编,机械工程材料,重庆大学出版社,1998年6月第1版,16开214页,TH14/C73 詹武主编,工程材料,机械工业出版社,1997年10月第1版,16开354页,TB3-43/Z26 以上3本书内容与我们使用的教材相仿,难度按上面由上到下的排列顺序由浅入深。对某些我们
4、教材上说的不太清楚明白的内容,可查阅这些参考书。 潘强、朱美华、童建华编著,工程材料,上海科学技术出版社,2005年9月第2版,16开311页,TB3-43/P18(2) 王晓敏编著,工程材料学,哈尔滨工业大学出版社 ,2002年8月第2版,16开292页,TB3/W37b(2) 以上2本书比我们使用的教材稍深,但都是非常好的教材。对程度较高希望学习更深入一些内容的同学,可以参看,不懂的地方可以与老师讨论。,第一章:材料的性能,什么是材料的性能 材料在使用和加工过程中所表现出来的各种性能,材料包括哪些性能 材料的力学性能和工艺性能是我们关注的重点,材料的力学性能 力学性能又称为机械性能 1.
5、材料的强度与塑性 强度 强度的概念:材料在外力作用下抵 抗变形和断裂的能力 强度可分为:抗拉强度、抗压强度 、抗弯强度、抗剪强 度疲劳强度等等,塑性 塑性的概念:材料在外力作用下呈 现出的不可恢复到原 状的变形而不发生破 坏的能力 衡量塑性的指标:伸长率与断面收 缩率,拉伸试验与拉伸曲线 拉伸试验(拉伸试验机),拉伸试验机,拉伸曲线 应力与应变的概念 应力:单位面积 上所受的力, 单位:Pa 应变:单位长度 的变形量, 无单位 由应力-应变曲线可获得材料以下各种性能指标,弹性极限与弹性模量 弹性极限e 在材料的弹性极 限范围内(即当 材料所受应力小 于e时),应力 与应变成正比 弹性极限在拉伸
6、曲线中的位置 曲线上的A点,弹性模量E 定义式: 条件: e 弹性模量在拉伸曲线上的反映 A点以下直线的斜率 弹性模量的决定因素 材料的本性 刚度 材料在弹性变形区内抵抗弹性变形的能力,用弹性模量E表示,改变金属制品刚度的措施 更换金属材料 改变金属制品的结构形式 增加截面积 弹性极限在材料使用中的意义 机械零件所受的应力不能大于弹性极限值,否则可能会发生塑性变形,屈服强度(屈服点) 屈服现象 载荷不增加而塑 性变形仍在增大 的现象 屈服点在拉伸曲线中的位置 曲线上的B点,屈服强度(屈服点)s B点对应的应力 值,用s表示 无明显屈服现象 材料的屈服点位 置的确定:塑性 变形达0.2%处对 应
7、的应力值,用0.2表示,屈服强度在材料使用中的应用 屈服强度是评价材料承载能力的重要指标 材料所受的应力不应超过屈服点(否则材料将产生塑性变形) 屈服阶段的结束 曲线中的C点 C点以后,材 料需要继续增 大应力才能产 生新的塑性变形,抗拉强度(强度极限) 缩颈现象 材料拉断前断裂 部位附近直径变 小 抗拉强度b 试样所能承受的最大拉应力 抗拉强度在拉伸曲线上的位置 曲线上的D点,抗拉强度在材料使用中的意义 抗拉强度是评价材料安全性的重要指标 材料所受的应力绝不可超过抗拉强度(否则材料有断裂的危险) 比强度 概念:强度与密度之比 意义:衡量不同材料抗拉能力。如玻 璃钢的比强度可能高于钢材,伸长率
8、(延伸率)、断面收缩率 评价材料塑性的指标 伸长率(延伸率) 其中:L0为试样的原始长度 L1为试样拉断后的总长度 为E点的横坐标 是评价材料塑性最常用的指标,断面收缩率 其中:S0是试样原始截面积 S1是试样拉断后断口的 截面积,塑性在材料使用中的意义 良好的塑性是材料进行压力加工的必要条件 伸长率和断面收缩率数值越大,材料的塑性越好,材料“塑性好”与“容易变形”的区别 “塑性好”是指材料伸长率和断面收缩率数值大,其压力加工性能好 “容易变形”是指令材料产生初始塑性变形所需要的应力,即屈服强度的大小 “容易变形”的材料不一定“塑性好”,反之亦然,上堂重点 材料性能:树状图 基本概念:强度、塑
9、性、应力、应变、应力-应变曲线、由应力-应变曲线能获得哪些力学性能指标; 基本力学性能指标: 弹性极限、弹性模量、刚度、屈服强度(屈服点)、抗拉强度、比强度、延伸率、断面收缩率; 它们的含义、符号、测量方法、计算公式、单位、在材料使用上的应用,等等; “容易变形”与“塑性好”的区别。,复习与思考 “塑性好”指的是什么,在应力应变曲线上如何衡量两种材料谁的塑性好? 若拉伸应力由e逐渐加大到s,此时材料发生什么变化? 应力应变曲线中,当拉伸应力达到b后,出现曲线走向向下(即应力减小而变形仍继续增加)的现象,请解释原因?,2. 材料的硬度 硬度的概念 材料抵抗其它硬物压入其表面的能力 硬度可分为 洛
10、式硬度、布式硬度、维式硬度等 最常用的硬度指标是:洛氏硬度和布氏硬度,硬度试验(硬度计),洛氏硬度计,布氏硬度计,硬度的应用 硬度是衡量材料软硬程度的指标,是材料抵抗局部塑性变形的能力; 硬度与材料的强度及塑性等重要性能指标之间存在着内在联系,有一定的的对应关系; 硬度便于测试,因此在实际生产中,常通过测量硬度值来检验一般零件的机械性能; 硬度是材料最常用的指标之一。,洛式硬度 代号:HR 不同的压头称为不同的标尺 常用的标尺有A、B、C,分别用代号HRA、HRB、HRC表示 压头 1200金刚石圆锥体:适用于A、C标尺 1.588mm淬火钢球:适用于B标尺,测量对象 压痕深度(可直接 从硬度
11、计上读出) 公式 h0:初载荷下的压痕深度,单位mm h1:主载荷下的压痕深度,单位mm h1-h0:主载荷使压头压入材料形成的压痕深度,优缺点 优点:测量简便迅速,压痕小 缺点:数据不够准确,重复性较差 (尤其对成分不均匀的材料),应用 洛式硬度方便快捷,是目前工厂中应用最广泛的硬度试验方法,各种标尺的硬度试验规范及适用的材料,布式硬度 代号:HB 使用不同材质的压头分别用HBS、HBW表示 压头 淬火钢球:适用于硬度值小于450的材 料,用代号HBS表示 硬质合金球:适用于硬度值大于450小 于650的材料,用代号 HBW表示,测量对象:压痕球冠的表面积 公式,优缺点 优点:测量结果准确,
12、测量精度高 缺点:压痕面积大(对零件有损伤) 应用 布式硬度通常用于铸铁、有色金属及其合金、结构钢、非金属材料等的测量 实际测量时可根据压痕直径直接查表得到硬度值,不需要用公式计算,3. 材料的冲击韧度 韧性与脆性 韧性:材料在塑性变形和断裂 全过程中吸收能量的能 力,吸收的能量越多, 韧性越好 脆性:与韧性相反的概念,冲击试验(冲击试验机),冲击试验机,冲击韧度(冲击吸收功) 概念:材料抵抗冲击破坏的能力 公式: 决定冲击韧度值的因素 内部因素:材料本身特性,如,成 份、显微组织、冶金质 量等 外部因素:如,试样尺寸、缺口形 状、试样粗糙度、试验 环境等,冲击韧度的应用 冲击韧度是反映材料质
13、量和设计选材的重要指标之一 根据试样的缺口形式不同,有ku和kv两种冲击韧度值,二者直接不能直接进行比较和换算 材料的韧性会随环境温度下降而降低,在超过某一温度(韧脆转换温度)后,材料冲击韧度会急剧降低,由韧性材料变为脆性材料。韧脆转换温度越低,材料的低温冲击韧性越好。这对于在寒冷地区和低温下工作的零件和机器尤为重要,冲击韧度的应用(续) 实际应用中,机械零件很少是受到大能量的一次冲击就破坏的,而是受到小能量的多次冲击后才发生破坏。一般来说,材料抵抗大能量一次冲击的能力取决于材料的塑性,而抵抗小能量多次冲击的能力则取决于材料的强度。因此,冲击韧性对一般零件只具有参考意义。在零件设计时,不能片面
14、追求高的k值,这是因为k值过高会降低材料的强度,从而导致零件因强度不够而失效 对脆性材料,不采用冲击韧度指标,4. 材料的疲劳强度 材料的疲劳断裂 例子:用手反复弯曲来折断一段铁丝 概念:在交变载荷的反复作用下,即使其载荷(应力)远小于抗拉强度b(材料发生破坏的最低应力),甚至小于屈服强度s(材料发生塑性变形的最低应力),材料也会发生断裂,这种现象称为疲劳断裂 后果:机械零件的断裂,80%以上都是疲劳断裂,断裂前没有明显征兆,突然断裂,后果十分严重,疲劳试验与疲劳曲线,疲劳试验机,疲劳强度 当材料承受的交变应力低于某一数值-1时,虽经无数次循环,材料也不会发生疲劳断裂,这个应力值-1称为材料的
15、疲劳强度 由于疲劳试验不可能进行无限次循环,而且有些材料的疲劳曲线上没有水平部分。因此,通常规定,碳钢以循环107次、有色金属和某些超高强度钢以循环108次而发生断裂所需的应力作为其疲劳强度 非金属材料的疲劳强度一般远低于金属材料,疲劳强度与抗拉强度的关系 一般钢铁材料的值约为其b的一半 疲劳强度的应用 影响疲劳强度数值的因素:材料本身、残余应力、表面质量、应力循环特性等 提高疲劳强度的措施:表面强化处理(滚压、喷丸、表面淬火、渗碳、渗氮等)、减少零件表面粗糙度等,材料的其它性能简介 物理性能 包括:密度与熔点、电学性能、热学 性能、磁学性能、光学性能等 化学性能 包括:耐腐蚀性能、抗氧化性能
16、、化 学稳定性等 工艺性能 包括:铸造性能、焊接性能、压力加 工性能、切削加工性能、热处理 性能等,第二章:工程材料基础知识,概论:组织结构及与性能的关系 结构 通常指材料 的构造形式, 即如何由原子、 分子、通过一 定的结合形式 构成材料的方 式,组织 通过显微镜观察到的固态材料内部的微观形貌,又称为显微组织,金相显微镜,组织结构与性能的关系 组织结构决定了材料的性能,可以通过改变材料的组织结构来改变材料性能,第一节:金属的晶体结构 晶体与非晶体的基本概念 晶体、非晶体 晶体:原子规则排列的材料 非晶体:原子无规则堆积的材料,晶体的特点(与非晶体的区别) 原子或分子在三维空间按照一定规则作周
17、期性的重复排列 某些晶体,如食盐、天然金刚石等,具有规则的外形; 具有固定的熔点(凝固点),溶解(凝固)过程中温度始终保持不变; 具有各向异性的特征。 金属通常(在自然冷却时)都是晶体,但采用特殊的冷却方法(急冷)可获得非晶体金属;,晶体有关的一些基本概念 晶格:用一些假想的空间直线把原子连结起来,构成一个三维的空间几何格架,称为晶格; 晶胞:(定义见教材 ) 晶格常数:(定义见教材 ),晶面、晶向 (了解一般概念,定义见教材,“晶面指数”与“晶向指数”不要求),上堂重点 基本力学性能指标(续): 硬度、布氏硬度、洛氏硬度、冲击韧度、疲劳强度等,它们的含义、符号、测量方法、计算公式、单位、在材
18、料使用上的应用,等等; 材料的其它性能; 材料的结构与组织的概念,组织结构与性能的关系; 晶体与非晶体、晶体材料的特点; 有关晶体的基本概念:晶格、晶胞、晶格常数、晶面、晶向等。,复习与思考 用标准试样测得的材料的力学性能能否直接代表材料制成零件的力学性能?为什么? (1)何谓硬度?(2)布氏硬度与洛氏硬度的主要区别是什么?(3)为什么工程上广泛使用硬度作为评定材料性能的一个指标?,晶胞原子数、配位数、致密度(见后面的具体例子,定义见教材 ),金属材料典型的晶体结构 在金属元素中,90%以上的金属都属于下面3种晶体结构 体心立方晶格 晶胞原子数2 配位数8 致密度68% 常见金属Fe, Cr,
19、 W 等,面心立方晶格 晶胞原子数4 配位数12 致密度74% 常见金属Fe, Cu, Al 等 密排六方晶格 晶胞原子数6 配位数12 致密度74% 常见金属Mg, Zn, Be 等,实际金属的晶体结构 晶体缺陷 概念:晶体中存在的、偏离其固有几何特征的部分,称为晶体缺陷 分类:分为点缺陷、线缺陷与面缺陷 影响:缺陷的存在会影响材料的性能 可变性:晶体缺陷在温度变化和加工过程中,会发生增加、移动、合并或消失等各种变化,点缺陷 概念:在空间三维的尺度都 很小,尺寸范围不超过几个 原子直径的缺陷 分类:空位与间隙原子 晶格畸变:由于缺陷(不单 是点缺陷,也包括其它类型 的缺陷)的存在而导致的晶
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