河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

《工程材料與熱處理》

項目二金屬材料的性能

01硬度

02強(qiáng)度

03塑性

內(nèi)容

04疲勞強(qiáng)度

05沖擊韌性

06硬度試驗

課題引入

據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)（CNN）報道，

美聯(lián)航UA328航班波音777客機(jī)在2月

20日從美國科羅拉多州首府丹佛國

際機(jī)場起飛后，飛機(jī)右發(fā)動機(jī)外殼

脫離爆炸起火。

課題引入

國家體育場“鳥巢”位于北京奧林匹克公園中心區(qū)南部，為2008年北京奧

運(yùn)會的主體育場，占地20.4公頃，建筑面積25.8萬平方米，可容納觀眾9.1萬

人。建筑材料非常多，

？？？

1

材料

一、材料

材料是人類用來制作各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

一、材料

黑色金屬-----鋼鐵材料

金屬材料

90%以上

有色金屬（銅、鋁及合金等）

材料按化學(xué)性質(zhì)分

高分子材料

非金屬材料陶瓷材料

復(fù)合材料

二、材料的性能

?材料的性能:

工程材料的性能可分為使用性能和工藝性能。

是指材料在使用過程中所表現(xiàn)出來的性能包括力學(xué)性能、物

理和化學(xué)性能等。

是指材料適應(yīng)各種冷、熱加工的能力,主要包括鑄造性能、鍛

壓性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理工藝性能等。

二、材料的性能

用框圖表示如下：

三、材料的力學(xué)性能

?力學(xué)性能：材料在外力作用下所表現(xiàn)的一些性能（如強(qiáng)度,塑

性；硬度；沖擊韌性等）

根據(jù)載荷的性質(zhì)，零件受力情況可分為靜載荷和動載荷；

動載荷包括沖擊載荷和交變載荷等。

材料在外力作用下發(fā)生形狀和尺寸的變化。彈性變形和

塑性變形。

三、材料的力學(xué)性能

新標(biāo)準(zhǔn)舊標(biāo)準(zhǔn)

符號名稱符號名稱

Rm抗拉強(qiáng)度σb抗拉強(qiáng)度

ReL、ReH下屈服強(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度σs屈服強(qiáng)度

Rp0.2條件（名義）屈服強(qiáng)度σ0.2條件屈服強(qiáng)度

A斷后伸長率δ伸長率

Z斷面收縮率ψ斷面收縮率

K（KU、KV）沖擊吸收能量（功）Ak沖擊吸收能量（功）

R-1疲勞極限σ-1疲勞極限

2

強(qiáng)度

一、拉伸試樣及拉伸曲線

1）拉伸試樣

長試樣：

L0=10d0

短試樣：

L0=5d0

一、拉伸試樣及拉伸曲線

2）拉伸曲線

縱坐標(biāo)：載荷F，單位N；

橫坐標(biāo)：伸長量ΔL，單

位為mm。

試樣在拉伸過程中承受

的載荷F和產(chǎn)生的變形量

ΔL之間的關(guān)系曲線，稱

為拉伸曲線或稱為力-伸

長曲線。

一、拉伸試樣及拉伸曲線

sb塑性變形階段

bz縮頸階段

es屈服階段

oe彈性變形階段

一、拉伸試樣及拉伸曲線

鑄鐵、陶瓷等脆性材料與退火低碳鋼拉伸曲線比較

二、強(qiáng)度

強(qiáng)度：

材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強(qiáng)度Re：

材料在外力作用下剛開始產(chǎn)生塑性變形

時的最小應(yīng)力值。

即在拉伸試驗過程中，載荷不增加，試

樣仍能繼續(xù)伸長時的應(yīng)力。

抗拉強(qiáng)度Rm：

材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。（材

料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值）。

3

塑性

塑性

斷后伸長率A=(Lu-L0)/L0×100%

伸長率與試樣尺寸有關(guān)A5、A10(L0=5d0,10d0)拉

伸

試

樣

的

頸

縮

現(xiàn)

象

4

疲勞強(qiáng)度

疲勞強(qiáng)度

（80%的斷裂由疲勞造成）

疲勞：零件在交變載荷或重復(fù)應(yīng)力作用下，

過早發(fā)生破壞的現(xiàn)象。

疲勞強(qiáng)度R-1：材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)或達(dá)

到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)才斷裂的最大應(yīng)力值。

疲勞強(qiáng)度

疲勞斷口

軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）

通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面

強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞強(qiáng)度。

疲勞強(qiáng)度

l特征

?斷裂前沒有預(yù)兆，突然破壞

?引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低

?宏觀斷口由兩部分組成

l原因

?內(nèi)部缺陷

?交變應(yīng)力

l預(yù)防措施

?合理選材，改善結(jié)構(gòu)，提高表面光潔度，表面強(qiáng)化

課題解答

課題解答

?。。?/p>

分析：經(jīng)事后調(diào)查，PW4000發(fā)動機(jī)一共有22個葉片，

UA328航班右側(cè)發(fā)動機(jī)中有兩個葉片出現(xiàn)斷裂，一個在噴氣發(fā)

動機(jī)密封環(huán)內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，另一個則掉落到了地面一個足球場。

其中之一在輪轂處脫落，擊中另一個在中段斷裂。首個葉片

的損壞“與金屬疲勞是一致的”。

結(jié)論：金屬疲勞是主要原因。

設(shè)計師在設(shè)計結(jié)構(gòu)件時，必須高度重視材料的疲勞強(qiáng)度。

課題解答?。?！

分析：“鳥巢”外形結(jié)構(gòu)主要由巨大的門式鋼架組成，主體建筑呈空間馬鞍橢圓

形，南北跨度達(dá)333米，整個體育場結(jié)構(gòu)的組件相互支撐，形成網(wǎng)格狀的構(gòu)架，外觀看上

去就仿