1、緒 論,世界四大材料：鋼鐵、木材、塑料、水泥,材料分：金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料,指鋼鐵、有色金屬等材料,非金屬材料無(wú)機(jī)高分子材料（陶瓷、水泥、 木材等），高分子材料（如塑料、橡膠）， 復(fù)合材料-玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料、硼纖維材料。,現(xiàn)在新材料-納米材料、智能材料,1,PPT學(xué)習(xí)交流, 材料按物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同分： 金屬材料、非金屬材料（有機(jī)高分子材料和陶瓷料)、復(fù)合材料 材料按用途不同分： 機(jī)械工程材料、土木工程材料、電工材料、電子材料 材料按功能不同分： 結(jié)構(gòu)材料、功能材料、磁性材料等,2,PPT學(xué)習(xí)交流,材料分類,3,PPT學(xué)習(xí)交流,材料發(fā)展概括, 石器時(shí)代,銅器時(shí)代：,司母戊鼎（公元前1

2、116世紀(jì)）11307801100,戰(zhàn)國(guó)編鐘（前475221年）65個(gè) 總重2500Kg,天然石，獸骨，樹枝,泥巴（日曬原始陶器；火燒瓷器用具）,鐵器時(shí)代 滄州大獅（公元953年 ）重50T ,長(zhǎng)5.3m,寬3m,人工復(fù)合材 料,塑料、橡膠、陶瓷、鈦合金、碳纖維、納米等,陶器時(shí)代,4,PPT學(xué)習(xí)交流,滄州鐵獅鑄造于公元953年。鐵獅子通高5.78米，身長(zhǎng)6.5米，體寬3.17米，重約40噸,5,PPT學(xué)習(xí)交流,本課程的性質(zhì)和目的,2、目的：,a獲得有關(guān)金屬熱處理、金屬材料的基本知識(shí)。,c 具有選擇零件材料的能力，確定加工工藝路線的能力。,d 為后續(xù)課程和從事技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。,1、性質(zhì)：,本課

3、學(xué)習(xí)方法是：預(yù)習(xí) 、筆記 、復(fù)習(xí)、討論問(wèn)題 本教材的重點(diǎn)：常見(jiàn)的材料牌號(hào)及應(yīng)用，鋼的熱處理,基礎(chǔ)課。,6,PPT學(xué)習(xí)交流,第一章 金屬的性能,金屬材料的性能,使用性能力學(xué)、物理、化學(xué),力學(xué)性能：受外力作用下所表現(xiàn)出的性能。不能說(shuō)：機(jī)械性能,判據(jù) 如： 強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等,第一節(jié) 金屬的力學(xué)性能,工藝性能鑄造、鍛壓、焊接、切削加工,一、基本概念 1、彈性：指物體在外力作用下改變基本形狀和尺寸，當(dāng)外力卸除后物體又恢復(fù)到其原始形狀和尺寸的特性。,研究力學(xué)性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù),7,PPT學(xué)習(xí)交流,2、內(nèi)力：金屬受到外力時(shí)為保其不變形，在材料內(nèi)部作用者與外力相對(duì)抗的力

4、稱為內(nèi)力。 3、應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)力。 4、應(yīng)變：指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對(duì)變化；通常以百分比（%）表示 5、載荷：金屬材料在加工及使用過(guò)程中所受的外力。 按作用性質(zhì)分： 靜載荷：指大小不變或變化過(guò)程緩慢的載荷。 。,8,PPT學(xué)習(xí)交流,沖擊載荷：在短時(shí)間內(nèi)以較高速度作用于零件上的載荷。 循環(huán)載荷：指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷,9,PPT學(xué)習(xí)交流,按作用形式不同分：,10,PPT學(xué)習(xí)交流,6、變形：材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化， 稱為變形。分為彈性變形與塑性變形 外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。 外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。,11,PPT學(xué)習(xí)

5、交流,一、強(qiáng)度 概念：強(qiáng)度是指金屬抵抗永久變形（塑性變形）和斷裂 的能力。通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得大小。強(qiáng)度的大小通常用應(yīng)力來(lái)表示。 =F/S -應(yīng)力 Pa 1 Pa=1N/m2 1M Pa=106Pa 按載荷的作用方式不同，強(qiáng)度可分為：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、和抗扭強(qiáng)度。 注意：一般多以抗拉強(qiáng)度作為判別金屬?gòu)?qiáng)度高低的指標(biāo)。,12,PPT學(xué)習(xí)交流,拉伸實(shí)驗(yàn)（金屬的抗拉強(qiáng)度和塑性都是通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定）,（GB/T228-2002）,13,PPT學(xué)習(xí)交流,1. 拉伸試樣,2. 力伸長(zhǎng)曲線（以低碳鋼試樣為例）,3. 脆性材料的拉伸曲線,14,PPT學(xué)習(xí)交流,1. 拉伸試樣（GB6397-86

6、）,長(zhǎng)試樣：L0=10d0,短試樣：L0=5d0,15,PPT學(xué)習(xí)交流,16,PPT學(xué)習(xí)交流,萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) a) WE系列液壓式 b) WDW系列電子式,17,PPT學(xué)習(xí)交流,18,PPT學(xué)習(xí)交流,19,PPT學(xué)習(xí)交流,2. 力伸長(zhǎng)曲線,彈性變形階段,屈服階段,頸縮現(xiàn)象,拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系曲線。,強(qiáng)化階段,20,PPT學(xué)習(xí)交流,(a)試樣 (b)伸長(zhǎng) (c)產(chǎn)生縮頸 (d)斷裂,21,PPT學(xué)習(xí)交流,拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象,22,PPT學(xué)習(xí)交流,3. 脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對(duì)比）,脆性材料在斷裂前沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象。,23,PPT學(xué)習(xí)交流,應(yīng)力 = P/F0 應(yīng)變

7、= (l-l0)/l0,24,PPT學(xué)習(xí)交流,三、強(qiáng)度 金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力,工程上常用的金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)： 屈服點(diǎn)（ s ）或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（ r） 抗拉強(qiáng)度(b),25,PPT學(xué)習(xí)交流,屈服點(diǎn)（ s ）:指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力,規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力,原標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）： 屈服強(qiáng)度,很重要，大多數(shù)零件不允許有塑性變形,規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力:,對(duì)有明顯屈服現(xiàn)象的材料,對(duì)無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的材料,26,PPT學(xué)習(xí)交流,抗拉強(qiáng)度:材料在拉伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值,若零件在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過(guò)量塑性變形，應(yīng)以材料的s或0.2進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 若零件在使用時(shí)只

8、要求不發(fā)生破壞，則以材料的b來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算。 因此s和b是機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。,很重要，表示零件破壞前能抗的最大應(yīng)力值,27,PPT學(xué)習(xí)交流,強(qiáng)度的意義 強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強(qiáng)度在2001000MPa 之間。 強(qiáng)度越高，表明材料在工作時(shí)越可以承受較高的載荷。當(dāng)載荷一定時(shí)，選用高強(qiáng)度的材料，可以減小構(gòu)件或零件的尺寸，從而減小其自重。 因此，提高材料的強(qiáng)度是材料科學(xué)中的重要課題，稱之為材料的強(qiáng)化。,28,PPT學(xué)習(xí)交流,二、塑性 在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力,常用的塑性判據(jù)： 拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率,29,PPT學(xué)習(xí)交流,1、

9、斷后伸長(zhǎng)率,由于同一材料用不同長(zhǎng)度的試樣測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如: 10試樣 L0=10d0 5 試樣 L0=5d0,30,PPT學(xué)習(xí)交流,2、斷面收縮率,和是用來(lái)判斷材料在斷裂前所能產(chǎn)生的最大塑性變形量大小。 一般認(rèn)為5的材料為塑性材料，如低碳鋼；5的為脆性材料，如灰鑄鐵 .,31,PPT學(xué)習(xí)交流,塑性對(duì)材料的意義: 1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件; 2.提高安全性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬(wàn)一超載，也會(huì)由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂,32,PPT學(xué)習(xí)交流,強(qiáng)度與塑性是一對(duì)相互矛盾的性能指標(biāo)。在金屬材料的工程應(yīng)用中，要提高強(qiáng)度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善

10、塑性，就必須犧牲一部分強(qiáng)度。 正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過(guò)細(xì)化金屬材料的顯微組織，可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑性。,33,PPT學(xué)習(xí)交流,超塑性,通常情況下金屬的伸長(zhǎng)率不超過(guò)90% ，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長(zhǎng)率可高達(dá)1000%2000% ，個(gè)別的可達(dá)6000% ，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動(dòng)應(yīng)力，極大的活性及擴(kuò)散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領(lǐng)域被中應(yīng)用。,34,PPT學(xué)習(xí)交流,35,PPT學(xué)習(xí)交流,三、硬 度,硬度：,硬度試驗(yàn)方法:,壓入法,它是材料性能的一個(gè)綜合的物理量。 (表示金屬材料在一個(gè)小的體積

11、范圍內(nèi)金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力） 硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能指標(biāo)。,布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR） 維氏硬度（HV）,36,PPT學(xué)習(xí)交流,材料抵抗表面局部塑性變形的能力。,37,PPT學(xué)習(xí)交流,一、布氏硬度,1、測(cè)定原理,38,PPT學(xué)習(xí)交流,39,PPT學(xué)習(xí)交流,布氏硬度試驗(yàn)原理圖,40,PPT學(xué)習(xí)交流,2、計(jì)算公式,HBS：淬火鋼球作壓頭；適用于450HBS HBW：硬質(zhì)合金作壓頭；適用于650HBW,41,PPT學(xué)習(xí)交流,試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，球直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間按表1-1選擇,表1-1 布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范,42,PPT學(xué)習(xí)交

12、流,3、表示方法,XXX HBS(W) XX / XXX / XX,500HBW5/750,例：,表示用直徑5mm硬質(zhì)合金球在7355N試驗(yàn)力作用下保持1015s測(cè)得的布氏硬度值為500,120HBS10/1000/30,表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗(yàn)力作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120,習(xí)慣上布氏硬度值不標(biāo)出試驗(yàn)規(guī)范，如 170HBS。,43,PPT學(xué)習(xí)交流,4、適用范圍常用于測(cè)小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能測(cè)淬火鋼件的硬度。,優(yōu)點(diǎn)：測(cè)值重復(fù)性強(qiáng)、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,缺點(diǎn)：壓痕大，不適合成品檢驗(yàn),44,PPT學(xué)習(xí)交流,二、洛氏硬度,測(cè) 定 原 理,45,PPT學(xué)習(xí)

13、交流,46,PPT學(xué)習(xí)交流,試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)被測(cè)的材料不同，壓頭的類型、試驗(yàn)力及按表1-2選擇，對(duì)應(yīng)的洛氏硬度標(biāo)尺為HRA、HRB、HRC三種,表1-2 常用的三種洛氏硬度的試驗(yàn)條件及應(yīng)用范圍,2、符號(hào),47,PPT學(xué)習(xí)交流,3、表示方法,硬度值+HR,52HRC 70HRA,例：,洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。,4、適用范圍,優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量迅速簡(jiǎn)便，壓痕小，可在成品零件上檢測(cè) 。,48,PPT學(xué)習(xí)交流,三、維氏硬度,1、測(cè)定原理,用一定的試驗(yàn)力F，將頂角為1360的金剛石四棱錐壓入金屬表面，保持一定時(shí)間后卸去試驗(yàn)力，然后測(cè)出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d1、d2（mm），并

14、求出壓痕對(duì)角線的平均值d。,49,PPT學(xué)習(xí)交流,50,PPT學(xué)習(xí)交流,2、計(jì)算公式,3、表示方法,硬度值+HV+試驗(yàn)力/保持時(shí)間 如：640HV30/20,4、適用范圍 適用于測(cè)量零件薄的表面硬化層的硬度。,51,PPT學(xué)習(xí)交流,四、沖擊韌性,強(qiáng)度、硬度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn)。 材料在工作時(shí)還經(jīng)常受到動(dòng)載荷的作用，沖擊載荷就是常見(jiàn)的一種。,在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料除具有足夠的靜載荷作用下得力學(xué)性能指標(biāo)外，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。,52,PPT學(xué)習(xí)交流,沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時(shí)間短、加載速

15、率高、應(yīng)力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。 沖擊載荷對(duì)材料的作用效果或破壞效應(yīng)大于靜載荷。,材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。 示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說(shuō)明其沖擊韌性很低。,53,PPT學(xué)習(xí)交流,1、沖擊試驗(yàn),沖擊試樣 沖擊試驗(yàn)原理 一次擺錘沖擊試驗(yàn) 沖擊韌性的表示方法,54,PPT學(xué)習(xí)交流,55,PPT學(xué)習(xí)交流,如不能制備標(biāo)準(zhǔn)試佯，可采用寬度7.5mm或5mm等小尺寸試祥,試樣的其他尺寸及公差與相應(yīng)缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，缺口應(yīng)開在試樣的窄面上。其中5mm10mm55mm試樣常用于薄板材料的檢驗(yàn)。 焊接接頭沖擊試樣的形狀和尺寸與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，

16、但其缺口軸線應(yīng)當(dāng)垂直焊縫表面。,56,PPT學(xué)習(xí)交流,原理,沖擊韌性可以通過(guò)一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，試驗(yàn)時(shí)將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗(yàn)機(jī)架的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢(shì)能mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷，并向另一方向升高至H2，這時(shí)擺錘的勢(shì)能為mgH2。 所以，擺錘用于沖斷試樣的能量 AK=mg（H1-H2），即為沖擊功（焦耳/J）。,57,PPT學(xué)習(xí)交流,58,PPT學(xué)習(xí)交流,59,PPT學(xué)習(xí)交流,2.材料沖擊韌性的表示方法,國(guó)標(biāo)GB/T2291994 沖擊功吸收功：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標(biāo)是沖擊功吸收功，也就是材料在斷裂前所吸收的能量。 根據(jù)試樣缺口

17、的不同，沖擊吸收功用AKV和AKU表示，單位為焦耳，數(shù)值可從試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上讀出。,60,PPT學(xué)習(xí)交流,2.材料沖擊韌性的表示方法,國(guó)標(biāo)GB/T2292007 沖擊吸收能量：表征金屬材料沖擊韌性高低的指標(biāo)是沖擊吸收能量; Kmg（H1-H2）,61,PPT學(xué)習(xí)交流,2.材料沖擊韌性的表示方法,按照國(guó)標(biāo)GB/T2292007，U型缺口試樣和V型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KU和KV，并用下標(biāo)數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如KU2 ，其單位是焦耳（J）。 沖擊吸收能量的大小直接由試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出。,62,PPT學(xué)習(xí)交流,沖擊吸收能量的值越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。 沖擊

18、吸收能量K或沖擊韌性值K越大，材料的韌性越大，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料。,63,PPT學(xué)習(xí)交流,【小資料】GB/T 2292007與GB/T 2291994相比，在金屬?zèng)_擊韌性的名稱和符號(hào)等方面有較大變化，為方便讀者學(xué)習(xí)，將關(guān)于金屬材料沖擊韌性的新、舊標(biāo)準(zhǔn)名稱和符號(hào)對(duì)照列于下表中。,64,PPT學(xué)習(xí)交流,65,PPT學(xué)習(xí)交流,缺口沖擊試驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量迅速簡(jiǎn)便 用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。 用來(lái)評(píng)定材料的冷脆傾向（測(cè)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。設(shè)計(jì)時(shí)要求機(jī)件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫

19、度。,3.沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用,66,PPT學(xué)習(xí)交流,3.沖擊試驗(yàn)的應(yīng)用,缺口沖擊試驗(yàn)由于其本身反映一次或少數(shù)次大能量沖擊破斷抗力，因此對(duì)某些特殊服役條件下的零件，如彈殼、裝甲板、石油射孔槍等，有一定的參考價(jià)值。 通過(guò)一次擺錘沖擊試驗(yàn)測(cè)定的沖擊吸收吸收能量K是一個(gè)由強(qiáng)度和塑性共同決定的綜合性力學(xué)性能指標(biāo)，不能直接用于零件和構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，但它是一個(gè)重要參考，所以將材料的沖擊韌性列為金屬材料的常規(guī)力學(xué)性能，ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被稱為金屬材料常規(guī)力學(xué)性能的五大指標(biāo)。,67,PPT學(xué)習(xí)交流,低溫脆性,68,PPT學(xué)習(xí)交流,低溫脆性隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象 。 冷脆：

20、材料因溫度降低導(dǎo)致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。 對(duì)壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。,69,PPT學(xué)習(xí)交流,70,PPT學(xué)習(xí)交流,體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。,71,PPT學(xué)習(xí)交流,沖擊韌性與溫度有密切的關(guān)系，溫度降低，沖擊韌性隨之降低。當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí)材料的韌性急劇下降，材料將由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）。 轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）越低，表明材料的低溫韌性越好，對(duì)于在寒冷地區(qū)使用的材料要十分重要。,72,PPT學(xué)習(xí)交流,金屬材料的成分對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響很大，一般的碳素鋼，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）大約為-20，某些合金鋼

21、的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（ Tt ）可達(dá)-40以下。,73,PPT學(xué)習(xí)交流,TITANIC,建造中的Titanic 號(hào),TITANIC的沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān),74,PPT學(xué)習(xí)交流,1912年4月號(hào)稱永不沉沒(méi)的泰坦尼克號(hào)（Titanic）首航沉沒(méi)于冰海，成了20世紀(jì)令人難以忘懷的悲慘海難。20世紀(jì)80年代后，材料科學(xué)家通過(guò)對(duì)打撈上來(lái)的泰坦尼克號(hào)船板進(jìn)行研究，回答了80年的未解之謎。由于Titanic 號(hào)采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，當(dāng)船在冰水中撞擊冰山時(shí)，脆性船板使船體產(chǎn)生很長(zhǎng)的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒(méi)。下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號(hào)，沖擊試樣是典型的脆

22、性斷口，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。,75,PPT學(xué)習(xí)交流,4.提高沖擊韌性的途徑,沖擊韌性是一個(gè)對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感的量，所以提高材料的沖擊韌性的途徑有： 改變材料的成分，如加入釩、鈦、鋁、氮等元素，通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高其韌性，尤其是低溫韌性； 提高材料的冶金質(zhì)量，減少偏析、夾渣、 氣泡等缺陷；,76,PPT學(xué)習(xí)交流,五、疲勞強(qiáng)度,77,PPT學(xué)習(xí)交流,人工作久了就會(huì)感到疲勞，難道金屬工作久了也會(huì)疲勞嗎？ 金屬的疲勞能得到恢復(fù)嗎？,金屬材料在受到交變應(yīng)力或重復(fù)循環(huán)應(yīng)力時(shí)，往往在工作應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。,78,PPT學(xué)習(xí)交流,1998年6月3日，德國(guó)發(fā)生了戰(zhàn)

23、后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。 事故的原因已經(jīng)查清，是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪“內(nèi)部疲勞斷裂”引起的。首先是一個(gè)車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導(dǎo)致車輪脫軌，進(jìn)而造成車廂橫擺，此時(shí)列車正好過(guò)橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過(guò)的列車車廂，并使已通過(guò)橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動(dòng)下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導(dǎo)致了這場(chǎng)近50年來(lái)德國(guó)最慘重的鐵路事故。,79,PPT學(xué)習(xí)交流,80,PPT學(xué)習(xí)交流,1.變動(dòng)載荷和循環(huán)應(yīng)力,1.變動(dòng)載荷 引起疲勞破壞的外力，指載荷大小、甚至方向均隨時(shí)間變化的載荷，其在單位面積上的平均值即

24、為變動(dòng)應(yīng)力。 變動(dòng)應(yīng)力可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力)和無(wú)規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種。,金屬疲勞產(chǎn)生的原因,81,PPT學(xué)習(xí)交流,a)應(yīng)力大小變化 b)c）應(yīng)力大小和方向都變化 d) 應(yīng)力大小和方向無(wú)規(guī)則變化,82,PPT學(xué)習(xí)交流,1.平均應(yīng)力,2.應(yīng)力幅,83,PPT學(xué)習(xí)交流,2.疲勞斷裂 零件在循環(huán)應(yīng)力作用下,在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然產(chǎn)生斷裂的過(guò)程,稱為疲勞斷裂. 疲勞斷裂由疲勞裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展瞬時(shí)斷裂三個(gè)階段組成。,84,PPT學(xué)習(xí)交流,盡管疲勞失效的最終結(jié)果是部件的突然斷裂,但實(shí)際上它們是一個(gè)逐漸失效的過(guò)程，從開始出現(xiàn)裂紋到最后破斷需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間。 疲勞

25、斷裂的宏觀斷口一般由三個(gè)區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)（裂紋源）、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。,3.疲勞斷口,85,PPT學(xué)習(xí)交流,3.疲勞斷口,86,PPT學(xué)習(xí)交流,當(dāng)應(yīng)力低于某值時(shí)，材料經(jīng)受無(wú)限次循環(huán)應(yīng)力也不發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱為材料的疲勞極限，記作R（R為應(yīng)力比），就是S-N曲線中的平臺(tái)位置對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。 通常，材料的疲勞極限是在對(duì)稱彎曲疲勞條件下（R1）測(cè)定的，對(duì)稱彎曲疲勞極限記作-1。,4.疲勞強(qiáng)度,87,PPT學(xué)習(xí)交流,88,PPT學(xué)習(xí)交流,若疲勞曲線上沒(méi)有水平部分，常以規(guī)定斷裂循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為條件疲勞極限。 對(duì)一般低、中強(qiáng)度鋼：107周次 對(duì)高強(qiáng)度鋼：108周次 對(duì)鋁合金，不銹鋼：1

26、08周次 對(duì)鈦合金：107周次,89,PPT學(xué)習(xí)交流,在工程中，有時(shí)根據(jù)零件壽命的要求，在規(guī)定的某一循環(huán)周次下，測(cè)出max，并稱之為疲勞強(qiáng)度，實(shí)際上就是條件疲勞極限。,90,PPT學(xué)習(xí)交流,5.提高疲勞極限的途徑,(1)在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量避免尖角、缺口和截面突變。 (2) 提高零件表面加工質(zhì)量。 (3) 對(duì)材料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。,91,PPT學(xué)習(xí)交流,四、 沖擊韌性,在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。,一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn),92,PPT學(xué)習(xí)交流,把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放

27、到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，并擺過(guò)支點(diǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak。,93,PPT學(xué)習(xí)交流,1、試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為:,A k = m g H m g h (J),2、沖擊韌度a k,二、沖擊吸收功和沖擊韌度,就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。,沖擊吸收功 Ak 作為材料韌性判據(jù)，與溫度、試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷有關(guān)。,94,PPT學(xué)習(xí)交流,1.沖擊韌度對(duì)材料內(nèi)部缺陷反映很敏感 能夠靈敏地顯示材料的宏觀缺陷和組織微小變化，因此在生產(chǎn)中可用來(lái)檢驗(yàn)材料的冶金質(zhì)量,熱加工質(zhì)量,沖擊韌度對(duì)材料的意義:,2

28、.沖擊韌度隨溫度下降越來(lái)越低冷脆現(xiàn)象 在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說(shuō)明低溫沖擊性能越好,95,PPT學(xué)習(xí)交流,第四節(jié) 疲勞強(qiáng)度,交變應(yīng)力：是指大小和方向構(gòu)隨時(shí)間周期變化的應(yīng)力。,材料的疲勞：,材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累計(jì)損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程。,在多次交變應(yīng)力作用，金屬會(huì)在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度b，甚至小于屈服點(diǎn)s。的應(yīng)力下失效（出現(xiàn)裂紋或完全斷裂）,疲勞破壞的原因： 應(yīng)力集中微裂紋擴(kuò)展斷裂破壞。,疲勞強(qiáng)度（-1） ：金屬材料經(jīng)無(wú)窮多次（107）應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。,96,PP

29、T學(xué)習(xí)交流,疲勞曲線：實(shí)驗(yàn)證明，一般鋼鐵材料所受交變應(yīng)力最大值max與其失效前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命） N的曲線關(guān)系。,97,PPT學(xué)習(xí)交流,第一章 金屬材料的力學(xué)性能,本節(jié)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能,主要內(nèi)容：金屬材料的力學(xué)性能,包括材料的強(qiáng) 度 、硬度、塑性、沖擊韌性、疲勞 強(qiáng)度等。,本節(jié)難點(diǎn)：各性能指標(biāo)的物理意義和測(cè)定方法,98,PPT學(xué)習(xí)交流,材料分類,99,PPT學(xué)習(xí)交流,材料的性能,100,PPT學(xué)習(xí)交流,金屬材料的力學(xué)性能 -是指金屬材料在受外力作用時(shí)所反映出來(lái)的性能。,思考 如果把鐵絲和鋼絲折彎有何區(qū)別?,常用的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。,研究力學(xué)

30、性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù),101,PPT學(xué)習(xí)交流,第一節(jié) 剛度、強(qiáng)度、塑性,一、拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線,拉伸試驗(yàn)機(jī),102,PPT學(xué)習(xí)交流,103,PPT學(xué)習(xí)交流,OE段：彈性變形 階段； 平臺(tái)或鋸齒（ES段）：屈服階段； SB段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段。 B點(diǎn)：形成了“縮頸”。 BK段：非均勻變形階段，承載下降，到K點(diǎn)斷裂。,彈性變形去除外力后試樣恢復(fù)原狀的變形 塑性變形在外力消失后留下來(lái)的這部分不可恢復(fù)的變形,1 、變形過(guò)程,104,PPT學(xué)習(xí)交流,2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線,應(yīng)力 ：?jiǎn)挝幻娣e上試樣承受的載荷。這里用試樣承受的載荷除以試樣的原始橫截面積S 0表示: F = ( M

31、 pa ) S 0 應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。這里用試樣的伸長(zhǎng)量除以試樣的原始標(biāo)距表示: l = l 0 應(yīng)力應(yīng)變曲線（ - 曲線） 形狀和拉伸曲線相同，單位不同,思考 怎樣比較不同材料抵抗外力能力的大??？,105,PPT學(xué)習(xí)交流,2、應(yīng)力與應(yīng)變曲線,比例極限（ p ） 例:彈簧秤 彈性極限（ e） 如:彈簧 屈服極限（ s ） 抗拉極限(b),106,PPT學(xué)習(xí)交流,二、剛度 是表征金屬材料抵抗彈性變形的能力,E 式中的E為與材料有關(guān)的常數(shù)，稱為彈性模量，工程上常用E作為衡量材料剛度的指標(biāo)。 E值越大，在一定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的彈性變形越小，則剛度越大 彈性模量主要取決于金屬材料的種類，即金屬的本

32、性（晶格類型、晶格常數(shù)等）。一般機(jī)械零件大都在彈性狀態(tài)下工作，對(duì)剛度有一定要求，如機(jī)床主軸、起重機(jī)臂等，在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過(guò)量的彈性變形。,107,PPT學(xué)習(xí)交流,三、強(qiáng)度 金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力,工程上常用的金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)： 屈服點(diǎn)（ s ）或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（ r） 抗拉強(qiáng)度(b),108,PPT學(xué)習(xí)交流,屈服點(diǎn)（ s ）:指材料產(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力,規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力,原標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）： 屈服強(qiáng)度,很重要，大多數(shù)零件不允許有塑性變形,規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力:,對(duì)有明顯屈服現(xiàn)象的材料,對(duì)無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的材料,109,PPT學(xué)習(xí)交流,抗拉強(qiáng)度:材料在拉

33、伸條件下所能承受最大力的應(yīng)力值,若零件在使用時(shí)不允許產(chǎn)生過(guò)量塑性變形，應(yīng)以材料的s或0.2進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 若零件在使用時(shí)只要求不發(fā)生破壞，則以材料的b來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算。 因此s和b是機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算的主要依據(jù)。,很重要，表示零件破壞前能抗的最大應(yīng)力值,110,PPT學(xué)習(xí)交流,四、塑性 在外力作用下金屬材料在斷裂前產(chǎn)生不可逆永久變形的能力,常用的塑性判據(jù)： 拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率,111,PPT學(xué)習(xí)交流,1、斷后伸長(zhǎng)率,由于同一材料用不同長(zhǎng)度的試樣測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率數(shù)值不同，因此應(yīng)注明試樣尺寸比例。如: 10試樣 L0=10d0 5 試樣 L0=5d0,112,PPT學(xué)習(xí)交流,2、斷面收縮率,和

34、是用來(lái)判斷材料在斷裂前所能產(chǎn)生的最大塑性變形量大小。 一般認(rèn)為5的材料為塑性材料，如低碳鋼；5的為脆性材料，如灰鑄鐵 .,113,PPT學(xué)習(xí)交流,塑性對(duì)材料的意義: 1.是金屬材料進(jìn)行壓力加工的必要條件; 2.提高安全性:因?yàn)榱慵诠ぷ鲿r(shí)萬(wàn)一超載，也會(huì)由于塑性變形使材料強(qiáng)化而避免突然斷裂,114,PPT學(xué)習(xí)交流,第二節(jié) 沖擊韌性,在設(shè)計(jì)和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時(shí)，必須考慮所用材料的沖擊吸收功或沖擊韌度。,一、擺錘式一次沖擊試驗(yàn),115,PPT學(xué)習(xí)交流,把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為m的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落，將試樣打斷，

35、并擺過(guò)支點(diǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak。,116,PPT學(xué)習(xí)交流,1、試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為:,A k = m g H m g h (J),2、沖擊韌度a k,二、沖擊吸收功和沖擊韌度,就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。,沖擊吸收功 Ak 作為材料韌性判據(jù)，與溫度、試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內(nèi)部組織和缺陷有關(guān)。,117,PPT學(xué)習(xí)交流,1.沖擊韌度對(duì)材料內(nèi)部缺陷反映很敏感 能夠靈敏地顯示材料的宏觀缺陷和組織微小變化，因此在生產(chǎn)中可用來(lái)檢驗(yàn)材料的冶金質(zhì)量,熱加工質(zhì)量,沖擊韌度對(duì)材料的意義:,2.沖擊韌度隨溫度下降越來(lái)越低冷脆現(xiàn)象 在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說(shuō)明低溫沖擊性能越好,118,PPT學(xué)習(xí)交流,第四節(jié)