工程材料 與機械制造基礎,適用于交通運輸類,總學時數：40學時 周學時數：3 學時 理論課時：36學時 實驗課時：4 學時 機動課時：2學時 實驗項目：2 個,教 學 安 排,1 遵守作息時間 2 遵守課堂紀律 3 有事請假 4 按時、保質交作業 5 按時參加實驗課,要 求,緒論 第01章 材料的種類與性能 第02章 材料的組織結構 第03章 金屬熱處理及表面改性 第04章 鋼材材料及其用途 第05章 非鐵材料 第06章 鑄造 第07章 壓力加工 第08章 焊接 第09章 切削加工基礎知識 第10章 零件表面的加工方法 第11章 機械零件的結構工藝性 第12章 現代制造技術及其發展趨勢,教 學 內 容,一、課程性質、目的及任務 本課程是一門專業基礎課。 本課程是研究工程材料的性質、應用及金屬冷、熱加工工藝的一門綜合性課程。,緒 論,本課程的主要任務：使學生獲得機械工程常用材料和非金屬材料的基礎知識，能正確選擇金屬材料及熱處理方法；學習機械零件常用加工的基礎理論和方法。,本課程重點介紹金屬材料的成分、組織及性能之間的關系，重點介紹各種加工方法的實質、特點和應用。,緒 論,二、課程教學基本要求 掌握鋼鐵的成分、組織和性能之間的關系；掌握常用工程材料的牌號、性能及應用；了解常用鋼材熱處理的基本理論和工藝方法；初步具有選擇工程材料和熱處理方法的能力。掌握選擇毛坯和零件毛坯的結構工藝性；了解常用加工工藝的基本理論；了解常用加工工藝的工藝特點及應用范圍；具有初步制定簡單零件的機械加工工藝過程的能力。,黃河鎮河大鐵牛(唐開元12年鑄),青銅器,石斧,三、工具、機械設備的產生及發展 文化傳承與發展、戰爭 物質生活、精神生活需要 科學研究需要,尼龍齒輪,電纜,滾動軸承,人類在長期的生產和生活實踐中創造和發展了機械，其目的是為了減輕或替代人的勞動，提高勞動生產率。,搗米機,東漢時用水排以鼓風煉鐵,東漢張衡第一臺地震儀,“神舟”五號飛行成功,超7隱形戰斗機,搗米機,車床,波音787,產生不同的加工工藝和方法。,表面加工方法,產生不同的加工工藝和方法。,鑄造,熱處理,壓力加工,焊接,第1章 材料的種類與性能,1-1 材料的種類,材料的種類,按用途分類,按領域分類,按成分分類,金屬材料,復合材料,非金屬材料,機械工程材料,信息工程材料,建筑工程材料,生物工程材料,結構材料,工具材料,功能材料,工程材料,1-2 材料的性能,靜載荷下材料的力學性能,變載荷下材料的力學性能,材料性能,材料的高溫和低溫性能,材料的化學性能,在液氮溫度區獲（-196C以下）得超導電性的陶瓷材料,南極地區氣溫低，年平均氣溫可低達-57.5。曾記錄到全球地面的絕對最低氣溫達-88.3。,1-2 材料的性能,靜載荷下材料的力學性能,變載荷下材料的力學性能,強 度,塑 性,硬 度,沖擊韌性,斷裂韌度,疲勞強度,磨 損,1、靜載荷時材料的力學性能,（1）強度,載荷的形式,強度：所謂強度是指零件在外載荷作用下抵抗斷裂破壞或過大塑性變形的能力。,材料的強度用拉伸試驗測定。,(a)原始試樣 （b)拉伸后試樣,圓形拉伸試樣,拉伸曲線,拉伸曲線、應力-應變曲線,拉伸曲線沒有考慮到試樣的尺寸誤差。,應力：單位橫截面積上的拉力，即,應變：單位長度的伸長量，即,彈性極限e和彈性模量E,e點所對應的彈性變形階段的最大應力，稱為彈性極限，以e表示，單位MPa。,e,e,彈性變形：外載荷去掉后可以恢復的變形。,Fe對應于e點的外力，N； S0試樣的原始截面積，mm2。,e,e,彈性極限e和彈性模量E,材料在彈性變形范圍內的應力與應變的比值稱為彈性模量。,彈性模量表征材料產生彈性變形的難易程度。彈性模量在工程上又稱為剛度。,彈性極限e和彈性模量E,胡克定律,當應力在比例極限以內時，應力與應變成正比，即,=E,E為比例常數，稱為拉壓彈性模量。鋼的彈性模量E=2.06105MPa。, = /E,1GPa=1000MPa=1000 000KPa=1000 000 000Pa,1MPa=1N/mm2,1Pa=1N/m2,1MPa=1000 000Pa,屈服極限s,Fs對應于s點的外力，N； S0試樣的原始截面積，mm2。,s點對應的應力值就是材料在外力作用下開始發生塑性變形的最低應力值，稱為屈服強度或屈服極限。,s,s,塑性變形:外載荷去掉后不能恢復的變形。,屈服極限s,對于沒有明顯屈服點的材料，取產生0.2%塑性變形時的變形應力值為該材料的屈服極限，稱為名義屈服極限，用0.2表示。,強度極限b,Fb對應于b點的外力，N； S0試樣的原始截面積，mm2。,試樣拉斷前所能承受的最大應力值，即試樣所能承受的最大載荷除以原始截面積。,抗拉強度是材料抵抗斷裂的能力。,b,b,拉壓的強度條件,為了使零件有足夠的強度，零件在載荷作用下的最大應力必須小于材料的極限應力lim ，即 lim 。,塑性材料： lim=s,脆性材料： lim=b,變形階段,1)彈性階段,2)屈服階段,3)強化階段,4)縮頸階段,塑性材料，脆性材料。 塑性材料可能得不到強度極限b。隨著應變的增加，名義應力加速上升，其原因是這時試樣出現鼓形，且愈壓愈扁，承載面積愈來愈大。,壓縮,（2）塑性,斷裂前材料產生塑性變形的能力稱為塑性。用伸長率和斷面收縮率 表示。,伸長率：表示試樣斷裂時的相對伸長量。,斷面率 ：表示試樣斷裂后的相對收縮量。,（2）塑性,塑性材料：伸長率5%,脆性材料：伸長率5%,（3）硬度,硬度是材料抵抗硬物壓入其表面的能力，或材料表面抵抗變形的能力。,硬度,布氏硬度,洛氏硬度,維氏硬度,HB,HR,HV,布氏硬度,壓頭為淬火鋼球時用HBS表示，壓頭為硬質合金球時用HBW表示，單位為MPa。,一定直徑的球體(鋼球或硬質合金球)在一定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，測量其壓痕直徑。布氏硬度值用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來表示。,洛氏硬度,根據壓頭和壓力的不同，洛氏硬度有HRC、HRB、HRA。,將金剛石壓頭(或鋼球壓頭), 在先后施加兩個載荷(預載荷F0和總載荷F)的作用下壓入金屬表面。總載荷F為預載荷F0和主載荷F1之和。卸去主載荷F1后, 測量其殘余壓入深度h, 用h與h0之差h來計算洛氏硬度值。h 越大, 表示材料硬度越低。,維氏硬度,將正四棱錐體的金剛石壓頭壓入試樣表面，再測量壓痕對角線長度，根據所加壓力和對角線平均長度查表得到硬度值，用HV表示。,2、其他載荷作用下的力學性能,（1）沖擊韌度,沖擊韌度是材料抵抗沖擊載荷的能力。,沖擊試樣,沖擊韌性的測定，常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定。測得試樣沖擊吸收功,用符號 Ak 表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積 S0 , 即得到材料的沖擊韌度 k。,許多機械零件和工具在工作中, 往往要受到沖擊載荷的作用, 如活塞銷、錘桿、沖模和鍛模等。,2、其他載荷作用下的力學性能,（2）斷裂韌度,斷裂韌度是材料抵抗裂紋擴展的能力，用KIc表示，單位MN/m3/2。,斷裂韌度,材料中存在的缺陷,夾雜物,氣 孔,微裂紋,裂紋擴展的難易程度,裂紋,外力,2、其他載荷作用下的力學性能,（3）疲勞強度,交變載荷下工作,工作時承受的應力小于屈服極限,零件的工作條件,2、其他載荷作用下的力學性能,（3）疲勞強度,疲勞是零件在交變載荷的作用下，經過較長時間的工作而發生斷裂的現象。,疲勞強度是用來表征材料抵抗疲勞能力的。,2、其他載荷作用下的力學性能,（4）磨損,黏著磨損,磨粒磨損,腐蝕磨損,磨損,3、材料的高溫和低溫性能,（1）高溫性能,材料在長時間的恒溫、恒應力作用下，產生緩慢的塑性變形的現象稱為蠕變。,3、材料的高溫和低溫性能,（2）低溫性能,隨著溫度的下降，多數材料會出現脆性增加的現象，嚴重時發生脆斷。,本章小結,強度,塑性,硬度,彈性極限e,屈服極限s,強度極限b,伸長率,斷面收縮率,布氏硬度HB,洛氏硬度HR,維氏硬度HV,靜載荷下的力學性能,本章小結,沖擊韌度,斷裂韌度,磨損,黏著磨損,磨粒磨損,腐蝕磨損,動載荷下的力學性能,疲勞強度,本章小結,材料的高溫、低溫性能,材料的化學性能,P7 1，2，3，4,