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XCHL 《测控装置结构设计》课件 第一章 工程材料和热处理 §1.1 概述 §1.2 金属材料的力学性能 §1.3 常用的工程材料 §1.4 钢的热处理 §1.5 表面精饰 §1.1 概述 工程材料的分类： 按用途分 结构材料：对力学性能有要求，如耐磨性、硬度 功能材料：对物理性能有要求，如导电性、隔热性等，像电缆、光缆。 按分子结构分 金属材料 黑色金属：主要成份是铁的材料，如各种炭钢、铸铁等。 有色金属：非铁基的材料，如铜、铝及其合金等。 无机非金属材料：如玻璃，水泥，陶瓷等。 有机材料：如塑料、橡胶等。 返回本章目录 §1.2 金属材料的力学性能 应力极限 弹性模量E 延展性 冲击韧度ak 弹性能Ee和韧性能Et 硬度 返回本章目录 应力极限 定义：在静拉伸实验中所表现的应力－应变特点。是衡量强度的参数。 低碳钢的应力－应变曲线 低碳钢在静应力条件下的强度计算参数有下列三种： 比例极限σP： 弹性应变区的最大应力，所谓弹性应变区，即这段区域，施加外力N，材料产生从0～εa的相应变形，此时若去除外力N，则材料的相应应变和应力就沿着a o段回到o点，材料中无残余变形。 返回本节目录 屈服极限σS： 从a点开始，外力N再增加，则σ变化很小，而ε则随之增大，这个阶段被称为屈服阶段。在该阶段去除外力N后，材料的相应应变和应力就沿着平行于a o的直线恢复（如b点沿be段回到e点），但ε不能回0，材料中有残余变形。该阶段的最低应力σS被称为屈服极限。 返回本节目录 强度极限σB： 材料断裂前的最大应力。自点开始，若外力N↑，则应力σ ↓，应变ε ↑↑，材料最终断裂。 返回本节目录 弹性模量E 返回本节目录 在比例极限范围内，即σσp，应力σ与应变ε成正比，令 E= σ/ ε，称E为弹性模量。弹性模量的大小反映了材料抵抗变形的能力，时衡量材料刚度的性能指标。 延展性 衡量材料塑性的性能，包括伸长率和断面收缩率。 伸长率δ：试件拉断后，标距内的伸长量与标距原长之比的百分率。 断面收缩率ψ ：试件拉断后，断裂处面积的缩小量与原面积之比的百分率。 冲击韧度ak衡量材料承受冲击载荷的能力。在有缺口的试件上，缺口底部单位截面积所能承受的冲击功即为冲击韧度。 硬度 材料表面在一个小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。常见的硬度指标有： 布氏硬度（HBS） 洛氏硬度（HRC） 维氏硬度（HV） 弹性能Ee和韧性能Et 返回本节目录 物体受外力作用产生变形时，外力所做的功在数值上等于应变能。 弹性能Ee：在弹性变形范围内，应变能将以势能的形式储存在材料内部，外力撤去后该能量将立即全部释放。这种应变能称为弹性能。 韧性能Et：当应力超过比例极限，即σσp ，材料将产生永久变形，此时应变能的大部分将消耗在材料的塑性变形上，并以热的形式散失。材料在断裂前所能吸收的能量称为韧性能。 零件的工作能力衡量参数 强度 返回4 是零件抵抗外载荷作用的能力。强度不足时，零件将产生不可回复的塑性变形甚至断裂，从而失效。 载荷和应力 按载荷及其相应应力随时间变化的情况，可分为下列两类： 静载荷和静应力：不随时间变化或变化缓慢，如零件的重力及其相应应力。 变载荷和变应力：随时间作周期性变化。变应力可由变载荷产生，也可由静载荷产生。如轴在不变弯矩作用下等速旋转时，轴的横截面内将产生周期性变化的弯曲应力。 零件的整体强度 零件整体抵抗载荷作用的能力称为整体强度。 静应力下的强度 变应力下的强度 零件的表面强度 返回4 表面接触强度：两个零件靠接触面进行力传递时，在接触区将产生局部应力，称之为接触应力。 表面磨损强度：零件的表面现状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程称为磨损，磨损量超过允许值时零件也会失效。磨损并非全部有害，如跑合、研磨都是有益的磨损。 刚度 返回6 反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。其大小用产生单位变形所需的外力或外力矩来表示。 静刚度：由静载荷与变形关系所确定的刚度。 动刚度：由变载荷与变形关系所确定的刚度。 金属材料的静刚度与动刚度数值基本相同，非金属材料则常常不同。 振动稳定性 在变载荷作用下，零件将产生机械振动，如果零件的固有频率与载荷的频率相同，则产生共振。一般情况下，共振将使零件丧失工作能力而失效。 §1.3 常用的工程材料 黑色金属 钢材的产生 碳钢：主要元素是铁，其次是碳。 低碳钢：C含量0.25%，如20＃ 中碳钢： C含量0.25%～0.60%，如45＃,60# 高碳钢： C含量0.60% 一般，含碳量增高，钢材的强度和硬度增高，塑性降低。但含碳量超过1%后，钢材硬度继续增强，强度却降低。 合金钢：为改善钢材性能，人为加入一些合金元素,如Mn，Si，P等