绪论 第一章 机械工程材料的分类和性能

0,1/41,工程材料学,学时/学分：32/2属必修考试科目：考试成绩占70%，平时成绩占30%。,绪论一、材料技术的发展与社会进步,材料是人类生产和社会发展的重要物质基础，也是日常生活中不可分割的一个组成部分。自从地球上有了人类至今，材料的利用和发展构成了人类文明发展史的里程碑：人类最早使用的工具是石头（石器时代）；原始社会末期开始用火烧制陶器，由此发展为以后的瓷器（中国古代文化的象征），随后发展起来的青铜冶炼技术把人类带入青铜器时代；青铜器过渡到铁器（时代）生产工具大发展人类进入农业社会。18世纪世界工业迅速发展（钢铁工业迅猛发展），造就了工业社会文明。1863年光学显微镜问世，使人们开始步入材料的微观世界。1912年X射线衍射技术和1932年电子显微分析技术及后来出现的各种先进的显微分析技术，把人们带到了微观世界的更深层次。人们开始了对晶体微观结构的研究，大大推动了材料学的研究与发展。新材料更是层出不穷，出现了“高分子材料时代”、“半导体材料时代”、“先进陶瓷材料时代”、“复合材料时代”、“人工合成材料时代”和即将进入的“纳米材料时代”。材料科学技术的发展和应用，促成了机械制造业的腾飞。,0,2/41,二、课程的重要地位与作用,进入21世纪，能源、信息和新材料已成为现代科学技术和现代文明的三大支柱而新材料又是最重要的基础。历史证明，每一次重大新技术的发现往往都依赖于新材料的发展。材料的种类、数量和质量已是衡量一个国家科学技术、国民经济水平以及社会文明的重要标志之一。我国把新材料的研究开发放在了优先发展的地位。工程材料学是机械制造过程的重要部分。工程材料学是一门主干技术基础课。在于使学生建立生产过程的基本知识，了解新材料，掌握现代制造工艺和方法，培养工程素质、实践能力和创新设计能力。,0,3/41,三、基本要求,1、建立工程材料学的基本概念，培养良好的工程意识。2、掌握必要的材料科学的理论基础。3、熟悉各类常用工程材料，包括金属材料、高聚物材料、陶瓷材料等的成分、结构、性能应用特点及牌号表示方法；掌握强化金属材料的基本途径；了解新型材料的发展及应用。4、掌握选择零件材料及成形工艺的基本原则和方法步骤，了解失效分析方法及其应用，了解表面处理技术的应用；具有初步做到合理选择材料、正确选择加工方法及安排工艺路线的能力。5、了解与本课程有关的新材料、新技术、新工艺。,0,4/41,第一章机械工程材料的分类与性能,工程材料是指工程上使用的材料，其种类繁多，有许多不同的分类方法：若按材料的化学成分、结合键的特点分，可分为金属材料、高聚物材料、无机非金属材料和复合材料四大类。按性能特点和用途分为结构材料和功能材料：结构材料是以力学性能为主要使用性能，用于制造工程结构和机器零件的材料；功能材料是以物理、化学性能或生物功能等为主要使用性能，用于制造具有特殊功能的元器件的材料。材料性能是指材料在外界因素作用下表现出来的行为。在选择材料时，必须考虑材料的相关性能，使之与所要求的性能相符合。材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两大类：使用性能是指材料在使用过程中所表现的性能，包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能是指材料在加工过程中所表现的性能，包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削加工性能等。,0,5/41,1金属材料,金属材料是用量最大、用途最广的机械工程材料。它包含两大类型；黑色金属和有色金属。(1)黑色金属黑色金属是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料，它占金属材料总量的95以上。由于钢铁材料力学性能优良和低廉的价格，所以在工程材料中一直占据着不可替代的主导地位。有一组数据可以说明这一点。新中国的钢产量从1949年的15.8万吨起步，产量每增加5千万吨/年上一个台阶：第一次用了37年，第二次用了10年，第三次用了5年，第四次仅用了2年（2003年产量达到2.2亿吨，04年达到2.7亿吨）。五次1年-05年达3.5亿吨。07年4.89亿吨。2012年中国粗钢产量已超过7亿吨！目前中国钢铁总产量相当于世界前十大产钢国的总产量之和！粗钢产量分别是美国和日本的5倍！(2)有色金属除铁基合金之外的所有金属及其合金材料。它可分为轻金属(如铝、镁、钛)，重金属(如铅、锡)，贵金属(如金、银、镍、铂)和稀有金属（钨、钼、锂、铌、镓、铟）等，其中以铝、铜及其合金用途最广。,第一节工程材料的分类,0,6/41,2高分子材料高分子材料又称聚合物材料，主要成分为碳和氢。按其用途和使用状态又分为橡胶、塑料、合成纤维和胶粘剂等几大类型。3无机非金属材料主要指水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等。4复合材料是把两种或两种以上的不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构成的。它不仅保留了组成材料各自的优点，而且具有单一材料所没有的优异性能。复合材料通常分为三大类：树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。,0,7/41,2.工艺性能,材料的主要性能是指:,1.使用性能,（1）力学性能,（2）物理性能,（3）化学性能,加工成形的性能,材料的主要性能,0,8/41,第二节机械工程材料的力学性能,材料在力的作用下所表现出的特性即为材料的力学性能。通常把力的作用称为载荷或负荷。材料的力学性能包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳特性、耐磨性等。材料在外力作用下发生的形状和尺寸变化称为变形，外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形，外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。材料的力学性能不仅取决于材料本身的化学成分，而且还和材料的微观组织结构有关。材料的力学性能是衡量工程材料性能优劣的主要指标，也是机械设计人员在设计过程中选用材料的主要依据。材料的力学性能可以从设计手册中查到，也可以用力学性能试验方法获得。了解材料力学性能的测试条件、实验方法和性能指标的意义将有助于了解工程材料的本性。,0,9/41,拉伸试验及拉伸曲线,评价材料力学性能的指标是通过拉伸试验测定的。拉伸试验可以在拉伸实验机上进行，被测试的材料按国家标准制成如图11所示的光滑圆柱形标准拉伸试样。试样中间截面均匀的部分作为测量延伸量的基本长度，称为标距L0。试样的两端放在拉伸试验机的夹头内夹紧，然后缓慢而均匀地施加轴向拉力。随着拉力的增加，试样被拉长，直至拉断为止。图11拉伸试样示意图a)拉伸前b)拉伸后,0,10/41,拉伸试验机,0,11/41,在拉伸过程中，拉伸试验机上的自动记录系统同时绘制出拉伸过程中的应力一应变曲线图，也称为(sigma)-(epsilon)曲线。图的纵坐标为应力(单位为Pa)，横坐标为应变()，和的定义可表示如下：,式中F轴向拉力(N)；S试样的横截面积(m2)。,式中L0-试样标距长度(mm)；L1-试样变形过程中和F对应的总伸长(mm)。,0,12/41,图l-2低碳钢的-曲线图,0,13/41,-图显示了材料在单向拉应力作用下，从开始变形直至断裂整个过程中的各种性质，它一般可以分为三个阶段：1弹性变形阶段(O-A)在这个阶段，材料内部的原子之间距离只发生弹性伸长，所以应力与应变呈直线关系，遵从虎克定律，此时如果卸掉载荷，试样就能恢复到原来的长度。2塑性变形阶段(B-D)此时，与的关系偏离直线关系。在BC段，应力几乎不变，但应变却不断增大。超过C点之后，因材料发生加工硬化，若要试样继续变形就必须加大载荷，当应力达到最大值(D点)后，试样的某一部分截面急剧缩小，产生“缩颈”现象。在塑性变形阶段即使卸掉载荷，试样也不能恢复到原来的长度。3、断裂(E点)在E点以后，试样的变形主要集中在缩颈部分，最终导致试样在缩颈处发生断裂。拉伸曲线所显示出的材料本性主要是由于材料内部微观结构的变化引起的，所以不同的材料在拉伸过程中会出现不同形式的-曲线。,0,14/41,退火低碳钢,低、中回火钢,淬火钢及铸铁,中碳调质钢,不同材料的拉伸曲线,0,15/41,拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义,根据-曲线可以计算出材料的强度、塑性等力学性能指标。1弹性模量E2屈服点S3抗拉强度(强度极限)b4.伸长率5断面收缩率(psi),0,16/41,1弹性模量（刚度）E,图1-2中的直线段OA的斜率即为材料的弹性模量E：式中应力；应变。弹性模量E值表征材料产生弹性变形的难易程度。金属的弹性模量是一个对组织不敏感的参数，其大小主要取决于金属的本性，而与显微组织无关。因此，热处理、合金化、冷热变形等对它的影响很小。要想提高金属制品的刚度，只能更换金属材料、改变金属制品的结构形式或增加截面面积。,0,17/41,2.强度材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。,（1）屈服点和屈服强度S在拉伸过程中，载荷不增加而应变仍在增大的现象称为屈服。拉伸曲线上与此相对应的B点称屈服点，其应力称屈服应力S。对于在拉伸过程中屈服现象不明显的材料，规定以残余变形量为0.2时的应力值作为它的条件屈服强度，记为0.2。机械零部件或构件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，所以材料的屈服点是评价材料承载能力的重要力学性能指标。,0,18/41,（2）抗拉强度(强度极限)b,拉伸曲线上D点的应力b称为材料的抗拉强度，它表明了试样被拉断前所能承载的最大应力。抗拉强度是零部件设计和评定材料时的重要强度指标。尤其是对于脆性材料，由于拉伸时没有明显的屈服现象，这时一般用抗拉强度指标作为设计依据。强度b与密度（rou)之比称为比强度，它也是零件选材的重要指标。,0,19/41,0,20/41,比强度(specificstrength):材料的强度值与密度值之比。,3.塑性是指材料在外力作用下破坏前可承受最大塑性变形的能力。常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。,（1）伸长率用表示：式中L0拉伸试样标距原长；Ll试样拉断后标距长度。伸长率的数值和试样标距长度有关，标准圆形试样有长试样(L0=10d0，d0为试样直径)和短试样(L0=5d0)两种。,0,21/41,（2）断面收缩率(psi),断面收缩率：式中S0试样原始横截面积；S1断口细颈处的横截面积。断面收缩率的数值不受试样尺寸的影响，用断面收缩率表示塑性更能接近材料的真实应变。或值愈大，说明材料的塑性愈好，良好的塑性是材料进行压力加工的必要条件。,0,22/41,4.硬度,材料抵抗其他硬物压入其表面（抵抗局部塑性变形）的能力称为硬度，它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。一般情况下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。硬度是材料最常见的性能指标之一。硬度的测定方法很多，现在多用压入法测定。根据测量方法的不同，常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等。用各种方法所测量的硬度值不能直接相比较，可以通过硬度对照表换算。材料的硬度与它的力学性能如强度、耐磨性以及工艺性能，如切削加工性、可焊性等之间存在着一定的对应关系，所以在一些零件图样上，硬度是检验产品质量的重要指标之一。,0,23/41,0,24/41,布氏硬度HB(Brinell-hardness),(1)布氏硬度,它是最古老最常用的试验方法，如图1-3（a）所示。在力P的作用下，把直径为D的钢球(淬火钢球或硬质合金球)压入被测物体中，布氏硬度值是载荷除以压痕的球形面积（直径为d)，用HB表示。当布氏硬度机所用的压头是淬火钢球时，不能用作测试太硬的材料(如淬火件等)，因材料太硬时，钢球会变形，测出的硬度不准确，故一般只能测HB450的材料，其硬度值以HBS表示；适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。布氏硬度在450-650之间的材料，压头用硬质合金球，其硬度值用HBW表示。布氏硬度的优点是测量误差小，数据稳定；缺点是压痕大，不能用于太薄件或成品件。,0,25/41,(2)洛氏硬度,如图1-3（b）所示。它使用的压头是金刚石圆锥体，有时是小钢球。洛氏硬度值是压入深度（h）的倒数。洛氏硬度常用有三个标尺。试验用压头为金刚石圆锥体，载荷P1500N时，得到硬度用HRC表示。压头用金刚石圆锥体，载荷P600N时，得到硬度用HRA表示。用钢球做压头，载荷P1000N时，得到的硬度用HRB表示。洛氏硬度值表示方法如下：符号HR前面的数字表示硬度值，HR后加的字母表示不同洛氏硬度的称尺。例如45HRC表示用C标尺测量的洛氏硬度值为45。上列三种洛氏硬度，以HRC最为常用，淬火件常用洛氏硬度测定。但不宜用来测定硬而脆的薄层零件，如渗碳层、氮化层及氰化层等，因硬脆薄层容易被压头压穿，测得的硬度值不准。洛氏硬度的优点是操作简便、压痕小、适用范围广；缺点是测量结果分散度大。,0,26/41,洛氏硬度HR(Rockwllhardness),HRC10HBS,0,27/41,(3)维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness),如图1-3(c)所示,它的压头是金刚石四棱锥体，测量出压痕的对角线d后，查表或算出方锥压痕表面积除载荷P的值即为硬度，并用HV表示。由于维氏硬度机压头是金钢石四角锥体，所用载荷较小，可以根据工件硬化层的厚薄，任意选择载荷大小，所以硬薄层工件常用维氏硬度测定。而且维氏硬度可以测定从软到硬的各种工程材料。,HVHBS。,0,28/41,维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness),适用范围:,测量薄板类;,HVHBS;,0,29/41,0,30/41,(4)锉刀法:,一组硬度差为5HRC的锉刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。,为了测量一些特殊性能和特殊形状材料的硬度，也可以选择其他的硬度试验方法。如显微硬度法可用于测量一些薄的镀层、渗层或显微组织中的不同相的硬度；肖氏硬度适合在现场对大型试件(如机床床身、大型齿轮等)进行硬度测量。莫氏硬度用于测量陶瓷和矿物的硬度。由于各种硬度的试验条件不同，所以它们之间没有直接的换算关系。标注某种材料的硬度值时必须说明它的硬度测试方法。在工程图样上正确标注材料硬度的方法是硬度值加硬度测试方法代号。如“洛氏硬度60”的书写格式为“60HRC”。,(5)其他硬度,0,31/41,5.冲击韧度(notchtoughness):,材料的韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，它是材料塑性和强度的综合表现。材料的韧性与脆性是两个意义上完全相反的概念，根据材料的断裂形式可分为韧性断裂和脆性断裂。冲击韧度是指材料在冲击载荷的作用下，材料抵抗变形和断裂的能力,以在冲击力作用下材料破坏时单位面积所吸收的能量ak表示。材料的冲击韧度值常用一次摆锤冲击试验法测定，其试验原理如图1-4所示。,0,32/41,0,33/41,图1-4冲击试验示意图a)试件b)试验示意图,Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,0,34/41,实际工作中的构件常常是在交变载荷的作用下。力的大小和方向都随时间呈周期性的循环变化的应力称为交变应力。材料在交变应力作用下发生的断裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂可以在低于材料的屈服强度的应力下发生，断裂前也无明显的塑性变形，而且经常是在没有任何先兆的情况下突然断裂，因此疲劳断裂的后果是十分严重的。材料的疲劳强度可以通过疲劳试验机进行测定。将光滑的标准试样的一端固定并使试样旋转，在另一端施加载荷。在试样旋转过程中，试样工作部分的应力将承受周期性的变化，从拉应力到压应力，循环往复，直至试样断裂。材料所受的交变应力与断裂循环次数之间的关系可以用图1-5的疲劳曲线(也称-N曲线)描述。经无数次应力循环也不会发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限。如果采用对称的循环应力，材料的疲劳强度-1表示。实际上，作无限次应力循环的疲劳试验是不可能的，一般钢铁的循环基数为107，有色金属和某些超高强度钢的循环基数为108。一般钢铁材料的-1值约为其b的一半，而非金属材料的疲劳极限一般远低于金属材料。,6.疲劳强度(fatiguestrength):,0,35/41,0,36/41,疲劳特性试验示意图,图1-5材料的疲劳曲线（-N）,提高零件的疲劳抗力，除应合理选材外，还应注意其结构形状，避免应力集中，减少缺陷，降低表面粗糙度和进行表面强化等。,7.断裂韧性,工程上有时会出现材料在远低于b的情况下发生断裂的现象。如1943年1月美国一艘T-2油船停泊在装货码头时断成两半，计算的甲板应力为7kgmm2，远低于b(30-40kgmm2)。美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸，经过研究，发现破坏的原因是材料中存在0.1-lmm的裂纹并扩展所致。断裂力学认为，材料中存在缺陷是绝对的，常见的缺陷是裂纹。在应力作用下，这些裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，便会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力，称为断裂韧性。由于裂纹的