《工程材料课程讲稿.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料课程讲稿.docx（11页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、工程材料 课程讲稿授课题目（教学章、节或主题）： 第一章 金属材料的性能授课方式（请打）理论课R 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排2学时教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：通过本章学习，使学生掌握金属材料的主要力学性能（强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度及疲劳强度）；了解金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能，为以后各章中研究结构与性能关系打下良好的基础。教学重点、难点及关键知识点：重点：金属材料的主要力学性能（强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度及疲劳强度）难点：各力学性能的含义及试验的方法。方法及手段以启发式讲授为主教学基本内容（教学过程）改进设想第一节
2、金属材料的力学性能力学性能:是指材料在受力作用下所表现出的性能。常用的指标有:刚度、强度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。一、强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力，材料的强度用拉伸试验测定。(拉伸加载速率较低，俗称静拉伸试验，) （a）原始试样（b）拉伸后试样 图1-1 圆柱形拉伸试样工程材料 课程讲稿 拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所受的载荷P和伸长量l之间的关系曲线。图1-2 低碳钢的拉伸曲线应力载荷除以试件的原始截面积即得应力，应变伸长量除以原始标距长度即得应变，金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个：1弹性模量（） 弹性模量是指金属材料在弹性状态下的应力与应变的比
3、值。即 （工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度）2. 弹性极限（e） 表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。 即 （MPa）-弹性极限载荷(N)，-试样原始横截面积(mm2)3. 屈服点（屈服强度s） 表示金属开始发生明显塑性变形的最低应力值。 即 （MPa）工程材料 课程讲稿-试样屈服时的载荷(N)，-试样原始横截面积(mm2)特殊：铸铁等材料没有明显的屈服现象，则用条件屈服点（）来表示，即产生0.2%残余应变时的应力值。 即 （MPa）-试样产生0.2%残余伸长时的载荷(N)，-试样原始横截面积4. 强度极限(抗拉强度b ) 表示金属在破断前所能承受的最大
4、应力。即 （MPa）-破断前所能承受的最大载荷(N)，-试样原始横截面积(mm2)特别提示：金属材料的s和b是两项重要的力学性能指标，是设计、 计算零件的依据。对于一般的机器零件来说，不仅断裂会使机器零件失效，即使产生小量的塑性变形，也会使精度降低或影响相对运动而试效，所以机器零件所受的应力往往不能超过s（或）。屈强比：s/b，其比值越小，结构零件可靠性越高，万一突然超载，也不致立刻破断；但材料强度后备（b）发挥不够，有效利用率太低。因此，在保证安全条件下，一般希望屈强比尽量高一些。不同材料具有不同的屈强比：碳素结构钢为0.6；普通低合金钢为0.650.75； 合金结构钢为0.85。二、塑性
5、塑性是指金属材料在静载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。伸长率和断面收缩率是表示材料塑性好坏的指标。 1. 伸长率（） 伸长率是指在拉伸试验中, 试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，即试样拉断后的标距伸长量，试样原始标距。工程材料 课程讲稿2. 断面收缩率（） 断面收缩率是指试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，即试样断裂处的最小横断面积，试样原始横断面积。特别提示：或越大，表示材料的塑性越好。三、硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标，是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。常用测量硬度的方法有布氏硬度（HB）、 洛氏硬度（
6、HR）、维氏硬度（HV）。 1.布氏硬度 HB一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径, 计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。当用淬火钢球压头时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度450的金属材料；压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度为450650的金属材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，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1
7、20。 图1-3 布氏硬度试验原理图优点：压痕大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，结果准确；缺点：因压痕大，不宜测试成品或薄片金属的硬度。工程材料 课程讲稿2.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)将金刚石压头(或钢球压头), 在先后施加两个载荷(预载荷F0和总载荷F)的作用下压入金属表面。总载荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸去主载荷F1后，测量其残余压入深度h，用h与h0之差h来计算洛氏硬度值。h 越大, 表示材料硬度越低，实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。洛氏硬度值为一无名数，它置于符号HR之
8、前，HR后面为使用的标尺，如 50HRC 表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。氏硬度值。h 越大, 表示材料硬度越低, 实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。 图1-4 洛氏硬度测量原理图优点：操作迅速简便，由于压痕小，故可在工件表面或较薄的金属上进行试验；同时，采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度。缺点：因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度不够准确。3.维氏硬度HV 用一个相对面夹角为1360的金刚石正四棱锥体压头，在规定载荷F作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸出载荷。测量压痕
9、投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，最后求出压痕的表面积上的平均压力（F/S），称为维氏硬度。如：640HV30 表示在30kgf载荷作用下，保持1015s测得的维氏硬度值为640。优点：载荷小，压入深度浅，可测零件表面淬硬层及化学热处理的表面层；同时维氏硬度是一个连续一致的标尺，试验时载荷可任意选择，而不影响其硬度值的大小，因此可测出从极软到极硬材料的硬度。缺点：测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。特别提示：当硬度小于450HBS时 HBSHV当硬度在200600HBS（HBW）时，HRC1/10HBS（或HBW）工程材料 课程讲稿四、冲击韧性（） 许多机械零件和工具在工作
10、中, 往往要受到冲击载荷的作用, 如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号 Ak 表示。试样冲断时所消耗的冲击功Ak = m g H - m g h (J)冲击韧性值 就是试样缺口处单位面积上所消耗的冲击功。图1-5试样安装及冲击试验原理图工程材料 课程讲稿五、疲劳强度轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的
11、过程称为金属的疲劳。材料承受的交变应力()与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用-1表示。 钢材的循环次数一般取 N = 107有色金属的循环次数一般取 N = 108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:-1 = (0.450.55)图1-6疲劳曲线（SN曲线）示意图1.一般钢铁材料2.有色金属、高强度钢等六、断裂韧性 桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强
12、度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。工程材料 课程讲稿第二节 金属材料的其他性能一、金属的物理性能1.密度： 单位体积物质的质量称为该物质的密度。密度小于5103 kg/m3 的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5103 kg/m3的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。2.熔点： 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，
13、如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。3.导热性： 导热性通常用热导率来衡量。热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。4.导电性： 传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以银为最好，铜、
14、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬、铝)适于做电热元件。5.热膨胀性： 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。由膨胀系数大的材料制造的零件, 在温度变化时, 尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响, 以减少工件的变形和开裂。6.磁性： 铁磁性材料 在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。顺磁性材料 在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。 抗磁性材料 能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。铁磁性材料可用于制造变压
15、器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770 。工程材料 课程讲稿二、金属的化学性能 主要指耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。 1.耐腐蚀性： 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好；铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。2.抗氧化性： 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入Cr、Si等元素
16、, 可提高钢的抗氧化性。如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板、料盘等。 三、金属材料的工艺性能 1.铸造性能：金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。 2锻造性能： 金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。 3焊接性能： 金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于0.18 %的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。4切削加工性能： 一般用切削后的表面质量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。金属材料具有适当的硬度(170HBS230 HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(如加入少量铅、磷、硫、钙等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。 5热处理工艺性能： 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好, 碳钢的淬透性较差。 作业和思考题：习题11课后小结及教学后记：本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果）
