第一章工程材料基礎(chǔ)知識(shí)第1頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月力學(xué)性能是指材料在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能，主要有強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度等；物理性能是指材料固有的屬性，主要有密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性等；化學(xué)性能是指材料在化學(xué)作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能，主要有抗腐蝕性、抗氧化性等；其中，力學(xué)性能指標(biāo)是一般機(jī)械制造中選用材料和鑒定材料工藝質(zhì)量時(shí)的主要依據(jù)。第2頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、強(qiáng)度是指材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。抵抗變形和破壞的能力越大，則強(qiáng)度越高。根據(jù)受力狀況不同，可分為抗拉、抗壓、抗彎、抗扭和抗剪強(qiáng)度等。其中，抗拉強(qiáng)度為最基本的強(qiáng)度指標(biāo)。各種強(qiáng)度之間有一定的聯(lián)系。一般情況下多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬材料強(qiáng)度高低的指標(biāo)。抗拉強(qiáng)度測(cè)定方法：拉伸試驗(yàn)第3頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月拉伸試驗(yàn)的方法：用靜拉伸力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行軸向拉伸，同時(shí)連續(xù)測(cè)量力和相應(yīng)的伸長(zhǎng)，直至斷裂。根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，可求出有關(guān)的力學(xué)性能。1.拉伸試樣GB6397-86規(guī)定《金屬拉伸試樣》有：圓形、矩形、異型及全截面．常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。長(zhǎng)試樣：L0=10d0;短試樣：L0=5d0拉伸試樣第4頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.拉伸過(guò)程第5頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象第6頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．力－伸長(zhǎng)曲線拉伸試驗(yàn)中記錄的拉伸力與伸長(zhǎng)的關(guān)系曲線叫做力－伸長(zhǎng)曲線，也稱拉伸圖。低碳鋼在拉伸過(guò)程中，其載荷與變形關(guān)系有以下幾個(gè)階段：1）彈性變形當(dāng)載荷不超過(guò)Fe時(shí)，拉伸曲線Oe為直線，試樣的伸長(zhǎng)量與載荷成正比。如果卸除載荷，試樣仍能恢復(fù)到原來(lái)的尺寸，即試樣的變形完全消失。這種隨載荷消失而消失的變形叫彈性變形。低碳鋼的力—伸長(zhǎng)曲線第7頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)塑性變形

當(dāng)載荷超過(guò)Fe后，試樣將進(jìn)一步伸長(zhǎng)。此時(shí)若卸除載荷，彈性變形消失，而另一部分變形卻不能消失，即試樣不能恢復(fù)到原來(lái)的尺寸，這種載荷消失后仍繼續(xù)保留的變形叫塑性變形。

當(dāng)載荷達(dá)到Fs時(shí)，拉伸曲線出現(xiàn)了水平或鋸齒形線段，表明在載荷基本不變的情況下，試樣卻繼續(xù)變形，這種現(xiàn)象稱為“屈服”。3）斷裂

當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一最大值Fb時(shí)，試樣的局部截面縮小，產(chǎn)生所謂的“縮頸”現(xiàn)象。由于試樣局部截面的逐漸縮小，故載荷也逐漸降低，當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上k點(diǎn)時(shí)，試樣隨即斷裂。

Fk為試樣斷裂時(shí)的載荷。第8頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在試樣產(chǎn)生縮頸以前，由載荷所引起試樣的伸長(zhǎng)，基本上是沿著整個(gè)試樣標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)發(fā)生的，屬于均勻變形；縮頸后，試樣的伸長(zhǎng)主要發(fā)生在頸部的一段長(zhǎng)度內(nèi)，屬于集中變形。

4.強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)是用應(yīng)力值來(lái)表示的。試樣受到載荷作用時(shí)，則內(nèi)部產(chǎn)生大小與載荷相等而方向相反的抗力(即內(nèi)力)。單位截面積上的內(nèi)力，稱為應(yīng)力，用符號(hào)σ表示。屈服強(qiáng)度——金屬材料開(kāi)始產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力，用σs表示。式中Fs——材料出現(xiàn)明顯塑性變形前所承受的最大載荷(N)；A0——試樣原始橫截面積(mm2)。第9頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月抗拉強(qiáng)度——試樣斷裂前能夠承受的最大應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示。式中Fb——試樣斷裂前所能承受的最大載荷(N)；

A0——試樣的原始橫截面積(mm2)。低碳鋼的屈服強(qiáng)度σs約為240MPa，抗拉強(qiáng)度σb約為400MPa。工程上所用的金屬材料，不僅希望具有較高的σs，還希望具有一定的屈強(qiáng)比(σs／σb)。屈強(qiáng)比越小，結(jié)構(gòu)零件的可靠性越高，萬(wàn)一超載也能由于塑性變形而使金屬的強(qiáng)度提高，不致于立即斷裂。但屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度的有利用率就太低。第10頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、塑性金屬發(fā)生塑性變形但不破壞的能力稱為塑性。在拉伸時(shí)它們分別為伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。1．伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比，用符號(hào)δ表示。即：式中l(wèi)0——試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)；

l1——試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)。

第11頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．?dāng)嗝媸湛s率斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)ψ表示。即：式中So——試樣原始橫截面積(mm2)；

S1——試樣斷裂處的橫截面積(mm2)。

伸長(zhǎng)率的大小與試樣的尺寸有關(guān)。試樣長(zhǎng)短不同，測(cè)得的伸長(zhǎng)率是不同的。長(zhǎng)、短試樣的伸長(zhǎng)率分別用δ10和δ5表示，δ10也常寫(xiě)成δ。

δ和ψ是材料的重要性能指標(biāo)。它們的數(shù)值越大，材料的塑性就越好，故可以進(jìn)行壓力加工；普通鑄鐵的塑性差，因而不能進(jìn)行壓力加工，只能進(jìn)行鑄造。第12頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，是指金屬抵抗局部彈性變形、塑性變形、壓痕或劃痕的能力。

硬度是金屬材料的重要性能之一，也是檢驗(yàn)工、模具和機(jī)械零件質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。常用的硬度試驗(yàn)方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度三種。1.布氏硬度

測(cè)定原理——是用規(guī)定的試驗(yàn)力F，把直徑為D的硬質(zhì)合金球壓人被測(cè)金屬表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，在放大鏡下測(cè)量被測(cè)試金屬表面的壓痕直徑d，由此計(jì)算壓痕的球缺面積S，然后再求出壓痕的單位面積所承受的平均壓力（F/S），以此作為被測(cè)試金屬的布氏硬度值，如圖1-3所示。第13頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

布氏硬度用符號(hào)HBW表示，習(xí)慣上只寫(xiě)明硬度的數(shù)值而不標(biāo)出單位。硬度符號(hào)HBW前面的數(shù)值為硬度值，符號(hào)后面的數(shù)值表示試驗(yàn)條件的指標(biāo)，依次為球體直徑、試驗(yàn)力大小及試驗(yàn)力保持時(shí)間（10～15s時(shí)不標(biāo)注）。例如：600HBW1/30/20表示用直徑為1mm的硬質(zhì)合金球，在294N的試驗(yàn)力作用下保持20s，測(cè)得的布氏硬度值為600。第14頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)試金屬材料的種類和試樣厚度，選擇不同大小的球體直徑D、試驗(yàn)載荷F和載荷保持時(shí)間。GB/T231.1－2002規(guī)定：1、球體直徑有10mm、5mm、2.5mm和1mm四種；2、試驗(yàn)力（單位N）與球體直徑平方的比值（0.102F/D2）有30、15、10、5、2.5和1共6種（根據(jù)金屬材料的種類和布氏硬度范圍，按表選定0.102F/D2）；3、試驗(yàn)力的保持時(shí)間為10～15s。對(duì)于要求試驗(yàn)力保持較長(zhǎng)時(shí)間的材料，試驗(yàn)力保持時(shí)間允許誤差為±2s。布氏硬度試驗(yàn)法因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內(nèi)被測(cè)金屬的平均硬度，故試驗(yàn)結(jié)果較精確。但因壓痕較大，所以不宜測(cè)試成品或薄片金屬的硬度。第15頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.洛氏硬度

測(cè)定原理——用頂角為120°的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭，在初試驗(yàn)力F0及總試驗(yàn)力F分別作用下壓入金屬表面，然后卸除主試驗(yàn)力F1，在初試驗(yàn)力F0下測(cè)定殘余壓入深度，用深度的大小來(lái)表示材料的洛氏硬度值，并規(guī)定每壓人0.002mm為一個(gè)硬度單位。圖1-4洛氏硬度試驗(yàn)原理

如圖1-4所示。圖中0-0為金剛石圓錐壓頭沒(méi)有和試樣接觸時(shí)的位置，1-1為壓頭在初試驗(yàn)力(100N)作用下，2-2為在總試驗(yàn)力作用下，壓頭壓入深度為h2時(shí)的位置；3-3為卸除主試驗(yàn)力保留初試驗(yàn)力后壓頭的位置h3。第16頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月這樣，壓痕的深度h=h3－h(huán)1，洛氏硬度的計(jì)算公式為：

洛氏硬度式中h——壓痕深度；N——給定標(biāo)尺的數(shù)值，A、C標(biāo)尺為100；B標(biāo)尺為130。

淬火鋼球壓頭用于退火件、有色金屬等較軟材料的硬度測(cè)定；金剛石壓頭適用于淬火鋼等較硬材料的硬度測(cè)定。

洛氏硬度所加載荷根據(jù)被測(cè)材料本身硬度不同而組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺，其中最常用的是A、B、C三種標(biāo)尺。第17頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)：操作迅速、簡(jiǎn)便，可從表盤(pán)上直接讀出硬度值，不必查表或計(jì)算，而且壓痕小，可測(cè)量較薄工件的硬度。缺點(diǎn)：精確性較差，硬度值重復(fù)性差，需要在材料的不同部位測(cè)試數(shù)次，取其平均值來(lái)代表材料的硬度。第18頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、維氏硬度HV原理：和HB相同，只是壓頭不同。HV=F/A=1.8544F/d2，kg/mm2

壓頭：錐面夾角為136°的金剛石四棱錐體壓頭。表示：640HV、800HV。適用范圍：表面硬度（硬化層）。優(yōu)點(diǎn)：載荷小，壓痕淺，但測(cè)定麻煩。第19頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、沖擊韌度

金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱為沖擊韌度。通常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定金屬材料的韌度，其試驗(yàn)原理如圖1-6所示。

試驗(yàn)時(shí)，把標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣的缺口背向擺錘方向放在沖擊試驗(yàn)機(jī)上，將擺錘揚(yáng)起到規(guī)定高度H1，然后自由落下，將試樣沖斷。第20頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

擺錘沖斷試樣所消耗的功為AK=mg(H1－H2)，稱做沖擊吸收功，可從沖擊試驗(yàn)機(jī)上直接讀出，單位為焦耳（J）。用試樣缺口處的橫截面積S去除AK所得的商即為該材料的沖擊韌度值，用符號(hào)αK表示，單位為焦耳／厘米2(J／cm2)。即：

試樣缺口有U和V兩種，沖擊韌度值分別以αKU和αKV表示。

αKU值越大，材料的沖擊韌度越好，斷口處則會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，斷口呈灰色纖維狀；

αKV值越小，材料的沖擊韌度越差，斷口處無(wú)明顯的塑性變形，斷口具有金屬光澤而較為平整。

強(qiáng)度、塑性兩者均好的材料，αKU值也高。加載速度越快，溫度越低，表面及冶金質(zhì)量越差，則αKV值越低。第21頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、疲勞強(qiáng)度

有許多零件(如齒輪、彈簧等)是在交變應(yīng)力(指大小和方向隨時(shí)間作用期性變化)下工作的，零件在這種交變載荷作用下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作也會(huì)發(fā)生破壞，通常這種破壞現(xiàn)象叫做金屬的疲勞斷裂。

圖1-7是某材料的疲勞曲線，橫坐標(biāo)表示循環(huán)周次，縱坐標(biāo)表示交變應(yīng)力。

從該曲線可以看出，材料承受的交變應(yīng)力越大，疲勞破壞前能循環(huán)工作的周次越少；當(dāng)循環(huán)交變應(yīng)力減少到某一數(shù)值時(shí)，曲線接近水平，即表示當(dāng)應(yīng)力低于此值時(shí)，材料可經(jīng)受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不破壞。第22頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

我們把材料在無(wú)數(shù)次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度。

通常光滑試樣在對(duì)稱彎曲循環(huán)載荷作用下的疲勞強(qiáng)度用σ-1表示。

對(duì)鋼材來(lái)說(shuō)，我們把經(jīng)受10E+7周次或更多周次而不破壞的最大應(yīng)力定為疲勞強(qiáng)度。

對(duì)于有色金屬，一般則需規(guī)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在10E+8或更多周次，才能確定其疲勞強(qiáng)度。

影響疲勞強(qiáng)度的因素主要有循環(huán)應(yīng)力、溫度、材料的化學(xué)成分及顯微組織、表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力等。第23頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

上述力學(xué)性能指標(biāo)，都是用小尺寸的光滑試樣或標(biāo)準(zhǔn)試樣，在規(guī)定性質(zhì)的載荷作用下測(cè)得的。光滑試樣或標(biāo)準(zhǔn)試樣的力學(xué)性能指標(biāo)不能直接代表材料制成零件后的性能。1、因?yàn)閷?shí)際零件尺寸往往很大，尺寸增大后，材料中出現(xiàn)缺陷(如孔洞、夾雜物，表面損傷等)的可能性也增大；2、零件在實(shí)際工作中所受的載荷往往是復(fù)雜的，零件的形狀、表面粗糙度值等也與試樣差異很大。第24頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械工程材料

金屬材料高分子材料黑色金屬有色金屬塑料合成橡膠合成纖維輕有色金屬鋁、鎂等重有色金屬銅、鉛等稀有金屬稀土等鑄鐵碳鋼合金鋼陶瓷材料硅酸鹽材料玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料等新型陶瓷除SiO2以外的其他氧化物、碳化物、氮化物材料復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料粒子增強(qiáng)復(fù)合材料層疊復(fù)合材料一、工程材料的分類第二節(jié)工程材料的類型及其特征第25頁(yè)，課件共28頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按零件在機(jī)械或機(jī)器中實(shí)現(xiàn)的功能，將制造材料