1、緒論緒論一、本門課程的性質與特點：一、本門課程的性質與特點：1、是一門、是一門“綜合綜合”性的技術學科。性的技術學科。2、是一門技術基礎課。、是一門技術基礎課。3、是一門實踐性很強的課。、是一門實踐性很強的課。特點特點：縱觀縱觀本課程本課程所含內容可知，該課程內容較為龐雜。具有三多一少的所含內容可知，該課程內容較為龐雜。具有三多一少的特點；即所謂內容頭緒多（含材料結構、鋼的熱處理原理及工藝、特點；即所謂內容頭緒多（含材料結構、鋼的熱處理原理及工藝、常用工程材料、鑄造、壓力加工、焊接等等）、原理規(guī)律多（涉及常用工程材料、鑄造、壓力加工、焊接等等）、原理規(guī)律多（涉及原理、規(guī)律幾十個）、概念定義多、

2、以及理論計算少（除相圖計算原理、規(guī)律幾十個）、概念定義多、以及理論計算少（除相圖計算外，基本沒有計算的內容）。由于該課程具有上述特點，加之有些外，基本沒有計算的內容）。由于該課程具有上述特點，加之有些微觀結構看不見、摸不到，而且課程內容枯燥、乏味，因此，教師微觀結構看不見、摸不到，而且課程內容枯燥、乏味，因此，教師感到難教，學生感到難學。感到難教，學生感到難學。二、本課程的任務：二、本課程的任務：1、常用工程材料的成分、組織結構、處理與材料性能以及材料應、常用工程材料的成分、組織結構、處理與材料性能以及材料應用之間的關系及其變化規(guī)律；用之間的關系及其變化規(guī)律；2、改善和提高材料性能的各種方法、

3、工藝；、改善和提高材料性能的各種方法、工藝；3、鑄造、鍛壓、焊接等毛坯零件生產(chǎn)工藝特點及其各種熱加工常、鑄造、鍛壓、焊接等毛坯零件生產(chǎn)工藝特點及其各種熱加工常用設備的工作原理和基本結構；用設備的工作原理和基本結構；4、工程中常用非金屬材料等的基礎知識。、工程中常用非金屬材料等的基礎知識。三、本課程的目的：三、本課程的目的：1、獲得有關工程材料的基本理論知識；、獲得有關工程材料的基本理論知識；2、了解材料分析的基本方法；、了解材料分析的基本方法；3、了解和掌握工程材料的成分、結構、處理和性能之間的基本規(guī)、了解和掌握工程材料的成分、結構、處理和性能之間的基本規(guī)律；律；4、具有根據(jù)不同零件的使用要求

4、，合理地選用材料及熱加工工藝、具有根據(jù)不同零件的使用要求，合理地選用材料及熱加工工藝的初步能力；的初步能力；5、為生產(chǎn)實習、課程設計、畢業(yè)設計等后繼課程打下堅實的基礎、為生產(chǎn)實習、課程設計、畢業(yè)設計等后繼課程打下堅實的基礎四、本課程的學習方法：四、本課程的學習方法：第一章第一章 工程材料力學性能工程材料力學性能材料的分類材料的分類2、金屬材料在機制行業(yè)中的重要地位和必要性、金屬材料在機制行業(yè)中的重要地位和必要性 它是機械制造業(yè)最主要的材料，在機床、礦山機械、冶金設備、它是機械制造業(yè)最主要的材料，在機床、礦山機械、冶金設備、動力設備、農(nóng)用機械、交通運輸?shù)葯C械設備中，金屬制品占動力設備、農(nóng)用機械、

5、交通運輸?shù)葯C械設備中，金屬制品占8090%。之所以如此，是因為：合金具有。之所以如此，是因為：合金具有好的使用性能好的使用性能和和好的好的工藝性能工藝性能。1、金屬材料與、金屬材料與“金屬金屬”之間的區(qū)別：之間的區(qū)別：金屬材料金屬材料純金屬純金屬合金合金：以一種金屬為基礎，加入其它金屬或非金屬，：以一種金屬為基礎，加入其它金屬或非金屬，經(jīng)過熔煉、燒結或其它方法而制成的經(jīng)過熔煉、燒結或其它方法而制成的 具具有金屬特性的材料。有金屬特性的材料。機械制造業(yè)主要使用的金屬材料是合金。因為合金比純金屬具有更機械制造業(yè)主要使用的金屬材料是合金。因為合金比純金屬具有更好的機械性能和工藝性能。好的機械性能和工

6、藝性能。使用性能：使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括包括力學性能、力學性能、物理性能物理性能和和化學性能等化學性能等。工藝性能：工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括包括鑄造、鍛鑄造、鍛壓、焊接、熱處理壓、焊接、熱處理和和切削性能等切削性能等。力學性能力學性能（機械性能）機械性能）：是指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的性能。在不同的外力作用下反映出不同的機械性能。主要的機械性能指標有：彈性、塑性、剛度、強度、硬度、彈性、塑性、剛度、強度、硬度、沖擊韌性、疲勞強度和斷裂韌性沖擊韌性、疲勞強度和斷裂韌性等。五、斷裂韌性五、

7、斷裂韌性力學性能指標力學性能指標工程材料的力學性能工程材料的力學性能拉伸曲線 （圖中直接可得剛度、強度：E 、 e e 、 s 、 0.2 、 b )基本概念：基本概念：拉伸試驗拉伸試驗應力：單位截面上所受的力（應力應力：單位截面上所受的力（應力 = P/F0）應變：單位長度所產(chǎn)生的變形量（應變：單位長度所產(chǎn)生的變形量（應變應變 = (l-l0)/l0）先制成拉伸試樣（如圖先制成拉伸試樣（如圖1-1）（常用的有）（常用的有10倍和倍和5倍試樣），置于試倍試樣），置于試驗機夾頭內，加拉力驗機夾頭內，加拉力P，產(chǎn)生伸長量，產(chǎn)生伸長量l，隨著，隨著， l ，根據(jù)、，根據(jù)、 l 繪成的圖叫繪成的圖叫載

8、荷載荷伸長圖伸長圖。根據(jù)應力根據(jù)應力 (單位截面所受的載荷）與應變單位截面所受的載荷）與應變(單位長度所產(chǎn)生的伸長單位長度所產(chǎn)生的伸長量）所繪制成的圖叫量）所繪制成的圖叫應力應力應變圖應變圖。拉伸圖拉伸圖（載荷載荷伸長圖、伸長圖、應力應力應變圖）應變圖）彈性和剛度彈性和剛度彈性：彈性：指標為彈性極限指標為彈性極限 e e，即，即材料承受最大彈性變形時的應力。材料承受最大彈性變形時的應力。剛度：剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力材料受力時抵抗彈性變形的能力. .指標為彈性模量指標為彈性模量E E。 ）（MPatgE 彈性模量彈性模量E E主要決定于金屬材料本身的性質，是金屬材主要決定于金屬材料本

9、身的性質，是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一。各種加工工藝對其影響甚小，在料最穩(wěn)定的性能之一。各種加工工藝對其影響甚小，在室溫下，鋼的彈性模量大都是在室溫下，鋼的彈性模量大都是在191910104 4222210104 4MPaMPa之間，但彈性模量隨溫度的升高逐漸降低。之間，但彈性模量隨溫度的升高逐漸降低。強度與塑性強度與塑性條件屈服強度條件屈服強度 0.2:殘余變形量為殘余變形量為0.2%時所對應的應力值。時所對應的應力值。 抗拉強度抗拉強度 b：材料斷裂前所承受材料斷裂前所承受的最大應力值。的最大應力值。s0.2強度：強度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能

10、力。屈服強度屈服強度 s：材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。材料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。塑性：塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標為指標為： 伸長率：伸長率：%100001 lll %100010 FFF 斷面收縮率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象通常以伸長率通常以伸長率的大小來衡量金屬材料塑性的好壞，的大小來衡量金屬材料塑性的好壞，2%5%的材料為塑性材料，的材料為塑性材料，2%5%的材料為脆性材料。的材料為脆性材料。二、疲勞強度二、疲勞強度疲勞：疲勞：材料在低于材料在低于 s的重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

11、的重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為疲勞疲勞極限（疲勞強度）極限（疲勞強度）。用。用 -1表示，表示，鋼鐵的-1只有b的一半左右。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為，有色金屬合金為108。疲勞應力示意圖疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計布氏硬度計三、硬度三、硬度（常用（常用HRC、HB、HV）材料抵抗表面局部塑性變形的能力材料抵抗表面局部塑性變形的能力。 壓頭為鋼球時壓頭為鋼球時，布氏硬度

12、用符號，布氏硬度用符號HBS表示，適用于表示，適用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。壓頭為硬質合金球時壓頭為硬質合金球時，用符號，用符號HBW表示，適用于布表示，適用于布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符號符號HBS或或HBW之前的數(shù)字表示之前的數(shù)字表示硬度值硬度值, 符號后面的數(shù)字按順序分符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑別表示球體直徑、載荷及載荷保載荷及載荷保持時間。持時間。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷）載荷作用下保持作用下保持30s測得的布氏硬度值為測得的

13、布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕布氏硬度的優(yōu)點：布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。還硬的材料。適于測量適于測量退火、正火、調質鋼退火、正火、調質鋼, 鑄鐵及有色金屬的硬度。鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的材料的 b與與HB之間的經(jīng)驗關系：之間的經(jīng)驗關系： 對于低碳鋼對于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對于高碳鋼：對于高碳鋼： b(MPa)3.4HB 對于鑄鐵：對于鑄鐵： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵

14、洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為尺為A、B、C。符號符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。lHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 如如硬質合金、表淬層和滲碳層硬質合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如如有色金屬和退火有色金屬和退火、正火鋼等。正火鋼等。l*HRC用于測量中等硬度材料，

15、用于測量中等硬度材料，如調質鋼、淬火鋼等。如調質鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點：洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。壓痕小，適用范圍廣。l缺點：缺點：測量結果分散度大。測量結果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕維氏硬度維氏硬度維氏硬度計維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕維氏硬度用符號維氏硬度用符號HV表示表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了

16、三種測定方法維氏硬度維氏硬度試驗試驗 、小負荷維氏硬度試驗小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點洛氏硬度的優(yōu)點。 小負荷維氏硬度計小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計顯微維氏硬度計四、沖擊韌性四、沖擊韌性沖擊韌性：沖擊韌性：是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標為沖擊韌性值指標為沖擊韌性值ak =Ak/A(J/cm2)材料的沖擊值一般不作為設計零件的直接依據(jù)，只是作為材料的韌材料的沖擊值一般不作為設計零件的直接依據(jù)，只是作為材料的韌性指標。性指標。材料的沖擊韌性隨溫度下降而下

17、材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。降。在某一溫度范圍內沖擊韌在某一溫度范圍內沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉韌脆轉變變。發(fā)生韌脆轉變的溫度范圍發(fā)生韌脆轉變的溫度范圍稱稱韌脆轉變韌脆轉變溫度溫度。材料的使用材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。溫度應高于韌脆轉變溫度。韌五五 斷裂韌性斷裂韌性aYKI斷裂韌性斷裂韌性：是指帶微裂紋的材料或零件阻止裂紋擴展的能力。是指帶微裂紋的材料或零件阻止裂紋擴展的能力。當零件承受載荷而在其內部產(chǎn)生應力集中時，裂紋尖端處呈現(xiàn)應當零件承受載荷而在其內部產(chǎn)生應力集中時，裂紋尖端處呈現(xiàn)應力集中，其大小與裂紋長度和裂紋尖端曲率半徑有關，在裂紋尖力集中，其大小與裂紋長度和裂紋尖端曲率半徑有關，在裂紋尖端附近的微小區(qū)域內，存在一個很復雜的應力場，其大小用端附近的微小區(qū)域內，存在一個很復雜的應力場，其大小用應力應力強度因子強度因子KI表示：表示： 式中：式中：Y為形狀因子，與構件形狀和裂紋形狀有關，在特定狀為形狀因子，與構件形狀和裂紋形狀有關，在特定狀態(tài)下是一個常量；態(tài)下是一個常量； 為承受載荷時的應力（為承受載荷時的應力（