第一章工程材料及力学性能

1、工程材料与热加工基础工程材料与热加工基础授课教师：苏新清授课教师：苏新清 材材 料料 科科 学学 与与 技术技术 学学 院院二、工程材料的分类二、工程材料的分类黑色金属黑色金属有色金属有色金属 轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的个用材的60%以上。以上。带材带材异形材异形材板材板材管材管材陶瓷材料陶瓷材料激光烧结陶瓷材料激光烧结陶瓷材料传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英

2、、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机分子键分子键共价键共价键高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用中被广泛应用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯？图片摄自：图片摄自：南京伟东包装制品有限公司南京伟东包装制品有限公司l把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组

3、合在一起而形成的材料。微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料航空发动机航空发动机三、工程材料的应用和发展三、工程材料的应用和发展随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。 国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机新材料在不断地涌现新材料在不断地涌现。航空航天、机械工业是材料应

4、用的重要领域。航空航天、机械工业是材料应用的重要领域。铸造一级涡轮盘铸造一级涡轮盘材材料料毛毛坯坯零零件件铸造铸造锻压锻压焊接焊接粉末冶金粉末冶金切削加切削加工工型材型材热处理热处理汽车一厂车身车间汽车一厂车身车间POLO底盘焊接底盘焊接工程材料的性工程材料的性能能使用性能使用性能工艺性能工艺性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能静载荷静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。材料的静载力学性能指标主要有强度、塑性、硬度等。材料的静载力学性能指标主要有强度、塑性、硬度等。材料力学性能的定义材料力学性能的定义1 1、变形、变形材料在外力作用下引起尺寸

5、和形状的变化。材料在外力作用下引起尺寸和形状的变化。 分为：分为：弹性变形弹性变形外力去除后，变形物体靠原子之间结合力又外力去除后，变形物体靠原子之间结合力又恢复原状的变形。恢复原状的变形。塑性变形塑性变形外力去除后，物体的一部分恢复了原状，还外力去除后，物体的一部分恢复了原状，还保留一部分变形，这种残留的永久变形叫塑性变形。保留一部分变形，这种残留的永久变形叫塑性变形。2 2、应变、应变变形量与原尺寸之比。变形量与原尺寸之比。 = L/L = V/V3 3、应力、应力单位面积上所受的力。单位面积上所受的力。 =P/F=P/F4 4、屈服、屈服材料受力到一定值后，载荷不再增加而塑性变形继续发材

6、料受力到一定值后，载荷不再增加而塑性变形继续发生的现象。生的现象。 2-1 拉伸试验拉伸试验 一、拉伸试验曲线 是应用最广的力学性能试验方法之一。 测定材料在拉测定材料在拉伸载荷作用下伸载荷作用下的一系列特性的一系列特性的试验，又称的试验，又称抗拉试验。它抗拉试验。它是材料机械性是材料机械性能试验的基本能试验的基本方法之一，主方法之一，主要用于检验材要用于检验材料是否符合规料是否符合规定的标准和研定的标准和研究材料的性能。究材料的性能。低碳钢拉伸曲线低碳钢应力应变曲线试验时，试验机以规定的速率均匀地拉伸试样，试试验时，试验机以规定的速率均匀地拉伸试样，试验机可自动绘制出拉伸曲线图。验机可自动绘

7、制出拉伸曲线图。拉伸曲线图实际上是载荷伸长变形量的曲线，如拉伸曲线图实际上是载荷伸长变形量的曲线，如将载荷坐标值和伸长坐标值分别除以试样原截面积将载荷坐标值和伸长坐标值分别除以试样原截面积和试样标距，就可得到应力应变曲线图和试样标距，就可得到应力应变曲线图1.弹性变形阶段2.屈服阶段3.变形强化阶段4.形成缩颈，局部变形阶段低碳钢拉伸曲线低碳钢应力应变曲线1.弹性变形阶段弹性变形阶段曲线中曲线中OA段是一条直线，应段是一条直线，应力与应变成正比。如卸去外力与应变成正比。如卸去外力，试件能恢复原来的形状，力，试件能恢复原来的形状，这种性质即为弹性，此阶段这种性质即为弹性，此阶段的变形为弹性变形。

8、与的变形为弹性变形。与A点对点对应的应力称为弹性极限，以应的应力称为弹性极限，以p表示。应力与应变的比值表示。应力与应变的比值为常数，即弹性模量为常数，即弹性模量E,E=/。弹性模量反映钢材抵抗弹性弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力变形的能力 2.屈服阶段屈服阶段应力超过应力超过A点后，应力、应变不再点后，应力、应变不再成正比关系，开始出现塑性变形。成正比关系，开始出现塑性变形。应力的增长滞后于应变的增长，变应力的增长滞后于应变的增长，变形迅速增加，而此时外力则大致在形迅速增加，而此时外力则大致在恒定的位置上波动，直到恒定的位置上波动，直到B点，这点，这就是所谓的就是所谓的“屈服现象屈服现象”

9、，似乎钢，似乎钢材不能承受外力而屈服，所以材不能承受外力而屈服，所以AB段称为屈服阶段。与段称为屈服阶段。与B点（此点较点（此点较稳定、易测定）对应的应力称为屈稳定、易测定）对应的应力称为屈服点（屈服强度），用服点（屈服强度），用s表示表示 钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满足使用要求，因此屈服强度是设计上强度取值的依据，是工足使用要求，因此屈服强度是设计上强度取值的依据，是工程结构计算中非常重要的一个参数。程结构计算中非常重要的一个参数。3.变形强化阶段变形强化阶段当应力超过屈服强度后，由于钢当应力超过屈服强度后，由于钢材

10、内部组织中的晶格发生了畸变，材内部组织中的晶格发生了畸变，阻止了晶格进一步滑移，钢材得阻止了晶格进一步滑移，钢材得到强化，所以钢材抵抗塑性变形到强化，所以钢材抵抗塑性变形的能力又重新提高，的能力又重新提高，C-D呈上升呈上升曲线，称为强化阶段。对应于最曲线，称为强化阶段。对应于最高点高点D的应力值（的应力值（b）称为极限）称为极限抗拉强度，简称抗拉强度。抗拉强度，简称抗拉强度。屈服强度和抗拉强度之比（即屈强比屈服强度和抗拉强度之比（即屈强比sb）能反映材料）能反映材料的利用率和结构安全可靠程度。屈强比越小，其结构的安全的利用率和结构安全可靠程度。屈强比越小，其结构的安全可靠程度越高，但屈强比过

11、小，又说明材料强度的利用率偏可靠程度越高，但屈强比过小，又说明材料强度的利用率偏低，造成钢材浪费。低，造成钢材浪费。 4.形成缩颈，局部变形阶段形成缩颈，局部变形阶段试件受力达到最高点试件受力达到最高点C点后，点后，其抵抗变形的能力明显降低，其抵抗变形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐下变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，在有杂质降，试件被拉长，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，或缺陷处，断面急剧缩小，直到断裂。故直到断裂。故CD段称为颈缩段称为颈缩阶段。阶段。 注：注：零件的刚度与材料的刚度不是一回事，零件的零件的刚度与材料的刚度不是一回事，零件的刚度除取决于材料的刚度外，还与零件的结

12、构有关。刚度除取决于材料的刚度外，还与零件的结构有关。零件拉伸时的刚度为零件拉伸时的刚度为A A0 0E E（A A0 0为零件的截面积）。为零件的截面积）。E E的大小取决于材料的本性的大小取决于材料的本性原子结合键能的高低，原子结合键能的高低，键能大，键能大，E E就大。材料成分与组织的变化对就大。材料成分与组织的变化对E E的影响的影响不明显。不明显。曲线中的曲线中的OA段为一直线，表明段为一直线，表明在这个应力范围内，应变与应在这个应力范围内，应变与应力成正比。对应于力成正比。对应于A点的应力是点的应力是保持正比关系的最大应力，称保持正比关系的最大应力，称为比例极限。为比例极限。曲线中

13、的曲线中的A A段，应变与应力不段，应变与应力不再是正比关系，但仍是弹性形再是正比关系，但仍是弹性形变，过了变，过了A点以后，虽然撤去外点以后，虽然撤去外力，形变会有残留。对应于力，形变会有残留。对应于A点点的应力叫做弹性极限。的应力叫做弹性极限。在工程上，不仅需要材料的屈服强度高，而且还需在工程上，不仅需要材料的屈服强度高，而且还需要考虑屈服强度与抗拉强度的比值（要考虑屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比屈强比），），根据不同的设备要求，其比值应适当。根据不同的设备要求，其比值应适当。屈强比较小的材料制造的零件，具有较高的安全可屈强比较小的材料制造的零件，具有较高的安全可靠性，因为在工作时万一超

14、载，也能由于塑性变形靠性，因为在工作时万一超载，也能由于塑性变形使金属的强度提高而不致立刻断裂。使金属的强度提高而不致立刻断裂。但如果屈强比太低，则材料强度的利用率会降低。但如果屈强比太低，则材料强度的利用率会降低。因此，过大、过小的屈强比都是不适宜的。因此，过大、过小的屈强比都是不适宜的。 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象硬度硬度: :材料抵抗更硬物体压入其表面的能力。材料抵抗更硬物体压入其表面的能力。由于硬度试验设备简单、方便，不破坏工件，由于硬度试验设备简单、方便，不破坏工件，根根据硬度值可估计出材料的强度值，据硬度值可估计出材料的强度值，并且硬度与材并且硬度与材料的冷成形性、焊接性

15、、切削加工性都有一定的料的冷成形性、焊接性、切削加工性都有一定的联系，所以硬度试验在实际生产中应用很广泛。联系，所以硬度试验在实际生产中应用很广泛。在产品设计图纸的技术条件中，也是一项主要技在产品设计图纸的技术条件中，也是一项主要技术指标。术指标。硬度硬度试验试验方法方法压入法压入法划痕法划痕法加载加载速率速率静载静载 试验法试验法动载动载 试验法试验法布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维氏硬度维氏硬度显微硬度显微硬度肖氏硬度肖氏硬度锤击布氏锤击布氏硬度硬度莫氏硬度莫氏硬度材料抵抗破断的能力材料抵抗破断的能力材料变形材料变形功的大小功的大小表明材料局部表明材料局部地区抵抗变形地区抵抗变形的能力的

16、能力HB=F/SHB=F/S压痕深度压痕深度1.1.布氏硬度布氏硬度HBHB常用的压入法硬度试验有：常用的压入法硬度试验有：以直径为以直径为DD的淬火钢球（或硬质合金球）为压头，的淬火钢球（或硬质合金球）为压头，以规定载荷以规定载荷P P将压头垂直压入被测金属表面，停留将压头垂直压入被测金属表面，停留一定时间卸载，在放大镜下测定压痕直径一定时间卸载，在放大镜下测定压痕直径d d，根据，根据d d值查表确定硬度值。用淬火钢压头测得的硬度用值查表确定硬度值。用淬火钢压头测得的硬度用HBSHBS表示，淬火钢压头适合测较软的材料表示，淬火钢压头适合测较软的材料HBS450HBS450。硬质合金球压头以

17、。硬质合金球压头以HBWHBW表示，适合表示，适合测较硬的材料测较硬的材料HB450650 HB450650 。布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度计布氏硬度计 布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )适用范围适用范围: :v 450HBS450HBSv 650HBW650HBWl符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值之前的数字表示硬度值, 符号后面符号后面的数字按顺序分别表示球体直径的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时载荷及载荷保持时间。如间。如 120HBS10/1000/30 表表示直径为示直径为10mm的钢球的

18、钢球在在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持）载荷作用下保持30s测得的测得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。 2.2.洛氏硬度洛氏硬度与布氏硬度不同，洛氏硬度是根据压痕的深度而不是与布氏硬度不同，洛氏硬度是根据压痕的深度而不是压痕直径计算硬度。可以从硬度计刻度盘上直接反映压痕直径计算硬度。可以从硬度计刻度盘上直接反映出数值，无需测量压痕深度。根据所加载荷和压头材出数值，无需测量压痕深度。根据所加载荷和压头材料不同，洛氏硬度分为料不同，洛氏硬度分为1515种，但常用的有种，但常用的有3 3种。分别种。分别用用HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC表示。表示。使用初始试验力使用初始试

19、验力F F0 0将压将压头垂直压入试样表面，然头垂直压入试样表面，然后施加主试验力，使用总后施加主试验力，使用总试验力试验力F F0 0+F+F1 1压入并保持压入并保持一段时间后，撤除主试验一段时间后，撤除主试验力，保持初始试验力。施力，保持初始试验力。施加主试验力后与施加主试加主试验力后与施加主试验力前压痕深度的差值与验力前压痕深度的差值与材料的洛氏硬度值有着线材料的洛氏硬度值有着线性关系。性关系。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计1HRC10HBS钢球压头与金刚石压钢球压头与金刚石压头头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕洛氏硬度的优点是操作简单、迅速，压痕小，可用洛

20、氏硬度的优点是操作简单、迅速，压痕小，可用于成品检验。缺点是测量精度不高。于成品检验。缺点是测量精度不高。注：不同级别的硬度值间无可比性。只有查表转换注：不同级别的硬度值间无可比性。只有查表转换成同一级别后才能比较。成同一级别后才能比较。洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们共洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们共有有9种组合，对应于洛氏硬度的种组合，对应于洛氏硬度的9个标尺：个标尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和和HRK。这。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。属材料。最常用标尺是最常用标尺是HRC、HR

21、B和和HRF，其中，其中HRC标尺标尺用于测试用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。分不锈钢及较硬的铜合金。HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料

22、。用用101055mm带缺口的标准试样，在摆锤带缺口的标准试样，在摆锤的一次冲击下打断，测定试样断口处单位面积所的一次冲击下打断，测定试样断口处单位面积所消耗的功，即：消耗的功，即：ak=A/F=G（H-h)/F(J/cm2) J=N m试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗的冲击功AkAk为为: : A k = m g H m g h (J)冲击韧性值冲击韧性值akak)/(2cmJSAKK冲击韧性是对材料的微观组织的微小变化十分敏冲击韧性是对材料的微观组织的微小变化十分敏感的性能，当两种材料的静态拉伸性能基本一样感的性能，当两种材料的静态拉伸性能基本一样时，其冲击值可能差别很大。时，其冲击值可能差别很大。另外，另外， akak与温度有很大关系，一般低温时材料的与温度有很大关系，一般低温时材料的akak低。低。实际中，在动载荷下工作的零件很少是因一次过实际中，在动载荷下工作的零件很少是因一次过载冲击而破坏，往往是因小能量的多次重复冲击载冲击而破坏，往往是因小能量的多次重复冲击而断裂，这时用而断裂，这时用akak衡量其抗力不合适，而取决于衡量其抗力不合适，而取决于 b b。球墨铸铁。球墨铸铁 用来制做曲轴、连杆就是例子。用来制做曲轴、连杆就是例子。ak影响因素影响因素1. a1. ak k值取决于材料及其状态，同时与材料值取决于材料及其状态，同时与材料的形