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第一章 工程材料 材料、生物、能源、信息技术是现代文明的四大支柱,因 此,材料在人们的生活中起着十分重要的作用,可以说材料是 一切事物的物质基础;一种新技术的实现,往往需要新材料的 支持。 材料是人类从事生产和生活的物质基础,它直接用于制造 人类所需要的各种生产工具和生活用具。每一次人类使用的主 流材料的重大变化都会引起人类社会文明飞跃性的进步。 人们就是按照在使用中占主导地位的材料来划分历史: 石器时代陶器青铜器铁器钢铁(资本主义大工业 时期)合成材料(20世纪)复合材料(20世纪40年代) 从石器时代到青铜器时代、铁器时代,直至今天人类开始 进入的人工合成材料时代,可以说材料是人类社会文明程度的 重要标志之一。,四种材料(金属、陶瓷、聚合手和复合材料)的相对重要性,机械工程材料,金属材料,非金属材料,黑色金属,碳素钢,有色金属,铸铁,合金钢,无机非金属材料,有机材料,塑料,橡胶,陶瓷,合成纤维,铝合金,铜合金,其他有色合金,复合材料,粉末冶金,上述各种材料中,金属材料是工程中应用最广泛的。,东汉晚期的青铜奔马(马踏飞燕),河北沧州的铁狮子,第一节 金属材料的力学性能,铸造性 可锻性 可焊性 切削加工性 热处理性,金属材料的性能,使用性能,力学性能 物理性能 化学性能,工艺性能,工艺性能是指金属材料在加工制造中表现出的性能,显示 了金属材料加工制造的难易程度。 使用性能是指金属材料在正常工作条件下,材料应具备的 性能,它包括力学性能、和物理性能化学性能,重点是力学性 能。金属材料在外力(载荷)作用下所表现出的抵抗变形和破 坏的能力,叫力学性能;是金属材料重要的指标。金属材料的 力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。 材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来确定合 适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的力学行为特 征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标是材料设计、材 料选用、工艺评定以及材料检验的重要依据。 C:Documents and SettingsAdministrator桌面二维动画材料所受外力的形式.swf 第一节 金属材料的力学性能 一、强度 可通过金属拉伸试验来测定。,、拉伸试验及力伸长曲线 根据拉伸力与试样变形量之间的对应关系,可以绘制出力 伸长曲线图(一般由拉伸试验机自动绘出)如下图所示所示。通 过力伸长曲线,即可计算得出强度指标和塑性指标,这些指标 是评定材料质量的主要判据。,拉伸试样式,液压式万能电子材料试验机,拉伸试样的颈缩现象 C:Documents and SettingsAdministrator桌面二维动画低碳钢应力应变图.swf,伸长量度 L, 载荷F(N),Fb,Fs,Fe,Fp,p,弹性变形外力去除后能完全消失的变形; 塑性变形外力去除后不能消失的变形。,根据材料的拉伸曲线可知,不同的金属材料有不同的拉伸 曲线,而即使同一材料,当直径不同时,位伸曲线也不一样, 为了比较不同材料的力学性能的大小,我们引入了强度和塑性 两个名词。 、强度 强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性(永久变形)和 断裂的能力,用;表示, O ( MPa兆帕)。 F-金属材料所受的外力,N; O -金属材料原始截面积,m2 。 根据金属材料所受载荷所产生的不同的变形情况,有三个 重要的强度参数,分别是弹性强度(弹性极限)、屈强度和抗 拉强度(强度极限)。 ()弹性强度 金属材料在载荷作用下产生弹性变形所能承受的最大应力 称为弹性强度,用e表示, e eO 单位 (MPa) 。,e -金属材料产生弹性变形所能承受的最大外力,N; O -金属材料原始截面积,m2 。 ()屈服强度 金属材料在载荷作用下开始明显塑性变形时的最低应力称 为塑性强度,用s表示, s sO 单位 (MPa) 。 e -金属材料产生塑性变形所能承受的最低外力,N; O -金属材料原始截面积,m2 。 生产中使用的某些金属材料无明显的屈服现象时,不能确 定其屈服点时,国标中规定,有条件屈服强度来表示,即材料 变形时为试样标距长度的0.2%时,材料所能承受的应力,用 符号0.2表示。 ()抗拉强度 金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度,用 符号b表示, b bO 单位 (MPa) 。,b -金属材料在断裂前所能承受的最大外力,N; O -金属材料原始截面积,m2 。 由于脆性材料没有屈服现象,用b作为设计依据。 二、塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的 能力,常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率 。 、伸长率 材料拉断后,标距长度的增加量与原标距长度的百分比称 为伸长率,用表示; 式中,l0材料原标距原长度,mm; l1 材料断裂后标距长度,mm .,、断面收缩率 材料拉断后,标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分 比称为断面收缩率,用字母表示; 式中,A0试样原始横截面积, mm2 ; A1拉断后最小的横截面积,mm2。 和 是衡量金属材料塑性变形能力大小的指标,和 越大,表示材料的塑性越好,既能保证压力加工的顺利进行, 又保证机件工作时的安全可靠。,三、硬度 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标,是金属表面抵抗局 部塑性变形或破坏的能力。目前生产上应用最广的静载荷压入 法硬度试验有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1、布氏硬度 试验原理如图所示;用一定直径的钢球或硬质全金球,以,相应的试验力压入试样表面,经规定的保持时间后,卸除试验 力,用读数显微镜测量试样表面的压痕直径,用试验力除以 压痕球形表面积所得到的商,就是布氏硬度值。当压头为淬火 钢球时,用HBS表示,它适用于硬度值在450以下材料,当压 头为硬质合金时,用HBW表示,适用 于硬度值在650以下。 对于不同的金属材料,只要保 证F/A恒定,就可以保证压痕的几何 形状不同,则测试的结果就可以反 映出来不同材料的硬度值。 C:Documents and Settings Administrator桌面二维动画 布氏硬度1.swf,冲击试验原理,C:Documents and SettingsAdministrator桌面二维动画摆锤式冲击试验.swf,此时试样冲断时所消耗的冲击功Ak为: A k = m g H m g h (J) 而金属的冲击韧度a k就是冲断试样时在缺口处单位面积所 消耗的功,即: a k = (J/cm) 式中: a k冲击韧度, J/cm; A 试样缺口处原始截面积,cm; A k冲断试样所消耗的功,J。 冲击吸收功A k的值可从试验机上的刻盘上直接读出,如 下图所示。,A k,A,五、疲劳强度 许多机械零件是在交变应力(循环应力)作用下工作的, 此时,虽然零件所承受的应力数值小于材料的屈服强度,但在 长时间运转后也会发生断裂,这种现象叫疲劳断裂。 交变应力的大小和断裂循环次数之间的关系通常用疲劳曲,疲劳曲线,线来来描述。疲劳曲线表明,当应力低于某一值时,即使循环 次数无穷多也不发生断裂,此应力值称为疲劳强度或疲劳极 限,用符号-1表示。在疲劳强度测定中,不可能把循环次数 做到无穷大,而是规定一定的循环次数作国基数。 常用钢材的循环基数一般取 N = 107,有色金属的循环次 数一般取 N = 108。,小资料金属的高温力学性能 金属材料随温度的升高,弹性模量E、屈服强度S、硬 度等值降低,而塑性增加 的现象称高温蠕变。 小资料:纽约 世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼,它高411米,单个塔楼 的重量约5万吨;撞击大楼的波音757飞机起飞重量104吨,波 音767飞机起飞重量156吨,它们的飞行速度大约是每小时1000 公里。 这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35吨燃油,波音 767飞机可载51吨燃油,由于是从美国东部飞往西部的远程航 班,所以飞机上的油箱估计装满了燃油。第一波飞机撞击世贸 大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火燃烧了1小时43分钟后 世贸大楼北部塔楼才倒塌。第二波飞机于撞击世贸大楼的南部 塔楼。撞击位置较低,上层压力很大,大火燃烧了1小时零2分 钟后,后被撞击的南部塔楼反而率先倒塌。 C:Documents and SettingsAdministrator桌面录像911.rm,
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