第1章 工程材料基础

1、第第 1 章章工程材料基础工程材料基础工程材料与热加工工程材料与热加工 一、分类“成分”“场合”“应用领域”材材料料性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和化学性能物理和化学性能铸造性铸造性可锻造性可锻造性焊接性焊接性切削加工性能切削加工性能指在服役条件下，能保指在服役条件下，能保证材料安全可靠工作所证材料安全可靠工作所必备的性能，是材料对必备的性能，是材料对环境因素的响应能力。环境因素的响应能力。材料的可材料的可加工性加工性二、性能二、性能1.21.2 力学性能力学性能指材料在指材料在外力或能量外力或能量以及环境因素作用下以及环境因素作用下表现出的变形和破断的特性表现出

2、的变形和破断的特性力学性能力学性能载荷载荷主要力学主要力学性能指标性能指标弹性、塑性、强度、硬度弹性、塑性、强度、硬度冲击韧性、疲劳特性、耐磨性冲击韧性、疲劳特性、耐磨性变变 形形材料在外力作用下所发生的形状和尺寸的变化材料在外力作用下所发生的形状和尺寸的变化弹性变形弹性变形外力去除后可以恢复的变形外力去除后可以恢复的变形塑性变形塑性变形外力去除后不能够恢复的变形外力去除后不能够恢复的变形一、拉伸试验及曲线一、拉伸试验及曲线1.1.拉伸试验拉伸试验 评价材料力学性能最简单和最有效的方法就是测定材评价材料力学性能最简单和最有效的方法就是测定材料的拉伸试验料的拉伸试验拉伸试样：拉伸试样：试样的材质

3、为试样的材质为低碳钢低碳钢长试样：长试样：l l0 0=10d=10d0 0; ; 短试样：短试样：l l0 0=5d=5d0 0拉伸试验机拉伸试验机拉伸过程拉伸过程局部变形阶段局部变形阶段（强化）（强化）屈服变形阶段屈服变形阶段弹性变形阶段弹性变形阶段缩颈缩颈断裂断裂 = F / S应应 力力应应 变变 = L / L2.2.曲线曲线（1）（卸载可逆）（卸载可逆） 去外力后变形完全消失的性质称为弹性。去外力后变形完全消失的性质称为弹性。E（3） 材料恢复抵抗变形的能力，要使它继续变形，必须材料恢复抵抗变形的能力，要使它继续变形，必须增加应力，称为材料的强化。弹性变形和塑性变形共存增加应力，称

4、为材料的强化。弹性变形和塑性变形共存p 比例极限比例极限s 屈服极限屈服极限b 强度极限强度极限E（2）（出现塑性变形）（出现塑性变形） 应力几乎不变，应变不断增加，产生明显的塑性变形的应力几乎不变，应变不断增加，产生明显的塑性变形的现象，称为屈服现象现象，称为屈服现象n（4）局部变形阶段）局部变形阶段n在某一小段的范围内，横截面面积出现局部迅速收缩，在某一小段的范围内，横截面面积出现局部迅速收缩，称为称为颈缩现象颈缩现象。拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象3.3.其他类型材料的应力其他类型材料的应力- -应变行为应变行为1234102030 (%)010020030040050060070

5、0800900 (MPa)1、锰钢、锰钢 2、硬铝、硬铝 3、退火球墨铸铁、退火球墨铸铁 4、低碳钢、低碳钢特点：特点：d d 较大，为塑性材料。 无明显屈服阶段。O A0.2%S2 . 0p无明显屈服阶段的，规定以塑性应变 =0.2%所对应的应力作为名义屈服极限，记作p2 . 0p指不产生永久变形的能力指不产生永久变形的能力材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力弹性变形的能力E标志材料抵抗弹性变形的能力，以表示材料的刚度；标志材料抵抗弹性变形的能力，以表示材料的刚度；E越大，材料越不易发生弹性变形越大，材料越不易发生弹性变形弹性模数弹性模数E衡量衡量弹弹 性性刚刚 度度刚度由

6、刚度由E=/决定决定零件刚度零件刚度零件抵抗弹性变形的能力零件抵抗弹性变形的能力材料在弹性范围内应力与应变的比值材料在弹性范围内应力与应变的比值/零件刚度是材料零件刚度是材料E和零件形状与截面尺寸的函数。提高零和零件形状与截面尺寸的函数。提高零件刚度的办法是增加横截面积或改变截面形状件刚度的办法是增加横截面积或改变截面形状1.1.弹性与刚度弹性与刚度2.2.强度与塑性强度与塑性强强 度度材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力 屈服强度屈服强度试件试件屈服时屈服时承受的最小应力承受的最小应力s s；基本上所有的机械零件基本上所有的机械零件都不允许塑性变形

7、，所以强度计算常用屈服极限都不允许塑性变形，所以强度计算常用屈服极限s s屈屈 服服应力不增加，但应变增加的现象应力不增加，但应变增加的现象注：注：工程上规定，把试件产生的塑性变形为标距长度的工程上规定，把试件产生的塑性变形为标距长度的0.2% %时所对应的应力值为材料的屈服强度，用时所对应的应力值为材料的屈服强度，用0.20.2表示表示在工程结构上或机器工作时是不允许材料发生塑性变形在工程结构上或机器工作时是不允许材料发生塑性变形的，因此屈服强度是工程设计和选材的重要依据之一的，因此屈服强度是工程设计和选材的重要依据之一 抗拉强度抗拉强度定义定义试件断裂前所承受的最大拉力，用试件断裂前所承受

8、的最大拉力，用b b表示表示抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，其值越大，抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，其值越大，说明材料抵抗断裂的能力越强说明材料抵抗断裂的能力越强塑塑 性性材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力塑性塑性的常的常用指用指标标伸长率伸长率(L1-L0) /L0100%L0 0为原长，为原长， L1 1为断裂后长度；为断裂后长度；断面收断面收缩率缩率 (S0-S1)/ S0 100%S0 0为试件原始截面积为试件原始截面积， S1为断口处的截面积为断口处的截面积和和愈大愈大，材料的塑性愈好，通常，材料的塑性愈好，通常更接近真实应变更接近真实

9、应变3.3.硬硬 度度定义：定义：材料抵抗局部塑性变形的能力，是衡量材料软硬材料抵抗局部塑性变形的能力，是衡量材料软硬程度的指标；多用压入法测定程度的指标；多用压入法测定硬硬 度度布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维氏硬度维氏硬度根据测定根据测定方法的不同方法的不同注：各硬度值相互之间不能直接比较，只注：各硬度值相互之间不能直接比较，只能通过硬度对照表换算能通过硬度对照表换算hd/2/2F压头试样 布氏硬度布氏硬度(HB)布氏硬度试验原理计算：计算：用球面压痕单位面积上所承受的用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。平均压力表示。符号：符号：HBS（HBW）计算公式：计算公式： 2F HBS=

10、0.102 D(D-D2-d2) 布氏硬度布氏硬度(HB)布氏硬度值的表示布氏硬度值的表示 常用试验规范（常用试验规范（ D=10mm、F=29420N、t=1015s）条件下测得的布氏硬度值：条件下测得的布氏硬度值：275HBS 525HBW 布氏硬度布氏硬度(HB)其他条件下测得的布氏硬度值：其他条件下测得的布氏硬度值：120HBS10/1000/30 布氏硬度布氏硬度(HB)试验用压头为试验用压头为一淬火钢球一淬火钢球过硬材料会使钢过硬材料会使钢球变形甚至破坏球变形甚至破坏对布氏硬度值对布氏硬度值 450的的材料：材料：硬质合金硬质合金球球对金属来讲，只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁

11、及对金属来讲，只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度有色金属的硬度缺缺 点：点：优优 点：点：测量误差小，数据稳定测量误差小，数据稳定压痕大，不能用于太薄件压痕大，不能用于太薄件或成品件或成品件对布氏硬度值对布氏硬度值 450的的材料：材料：淬火钢淬火钢球球布氏硬度压痕布氏硬度压痕洛氏硬度计洛氏硬度计 布氏硬度布氏硬度(HB)00112332h0eh1 洛氏硬度洛氏硬度(HR) 洛氏硬度试验原理洛氏硬度试验原理计算：计算：用残余压痕深度增量来计算。用残余压痕深度增量来计算。符号：符号：HR计算公式：计算公式：HR=(K-e)/0.002式中式中K=0.2（金刚石）或（金刚石）或0

12、.26（ 淬火钢球淬火钢球) 洛氏硬度洛氏硬度(HR)洛氏硬度值的试验规范(标尺)HRC 2067 150kgf 金刚石HRB 20100 100kgf 淬火钢球HRA 2088 60kgf 金刚石洛氏硬度值的表示洛氏硬度值的表示 45HRC、65HRB、80HRA 洛氏硬度洛氏硬度(HR) 洛氏硬度洛氏硬度(HR)优优 点点根据压头的材料及压头所加的负荷根据压头的材料及压头所加的负荷HRA、HRB、HRCHRA 适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层HRB 适用于测量有色金属和退火、正火钢等适用于测量有色金属和退火、正火钢等HRC 适用于调质钢、淬火钢等

13、适用于调质钢、淬火钢等HR操作简便、迅速操作简便、迅速压痕小，可测量成品件压痕小，可测量成品件硬度值可直接从表盘上读出硬度值可直接从表盘上读出注：因压痕小，受材料注：因压痕小，受材料组织不均匀因素很大，组织不均匀因素很大，所以对同一测试件，应所以对同一测试件，应在不同部位测取三点后在不同部位测取三点后取平均值取平均值 维氏硬度维氏硬度(HV)维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同不同点不同点是压头为金刚石正四棱锥体，是压头为金刚石正四棱锥体，所加负荷较小。所加负荷较小。优优 点：点：2、维氏硬度值比布氏、洛氏精确维氏硬度值比布氏、洛氏精确1、深度浅深度浅3、改变负荷可

14、测定从极软到极硬的各种材料的硬度、改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度计算：计算：用压痕两对角线的平均长度来计算。符号：符号：HV计算公式：计算公式：HV=0 . 1891F/d2aad 维氏硬度维氏硬度(HV)维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度压痕维氏硬度压痕 维氏硬度维氏硬度(HV)1.1.冲击韧性冲击韧性定义：定义：材料在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被材料在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力破坏的能力k k是在一次试验中，单位截面积上所消耗的冲是在一次试验中，单位截面积上所消耗的冲击功，单位击功，单位J/cm2 2表示方法：表示方法：摆锤式冲击试验摆锤式冲击试验特特

15、 点：点： k k值愈大，材料韧性愈好值愈大，材料韧性愈好 k k值低的材料称为脆性材料值低的材料称为脆性材料 k k值随温度的下降而下降值随温度的下降而下降冷脆现象：冷脆现象：材料的冲击韧性随试验的温度的降低而减小，且在某材料的冲击韧性随试验的温度的降低而减小，且在某一温度范围内，韧性值发生急剧降低的现象。一温度范围内，韧性值发生急剧降低的现象。2.2.疲疲 劳劳定定 义：义：材料在材料在交变载荷交变载荷的作用下，在远低于其屈服强度的应的作用下，在远低于其屈服强度的应力下发生断裂，而且没有塑性变形征兆的现象力下发生断裂，而且没有塑性变形征兆的现象特特 点：点：突发性，没有先兆突发性，没有先兆

16、疲劳极限疲劳极限材料在规定次数（钢材为材料在规定次数（钢材为107 7次，有色金属及合金取次，有色金属及合金取108 8次）次）交变应力作用下而不引起疲劳断裂的最大应力交变应力作用下而不引起疲劳断裂的最大应力用用r r表示表示提高疲劳强度的方法提高疲劳强度的方法1、选择合适的材料；、选择合适的材料；2、注意结构形状，避免应力集中，提高表面粗糙、注意结构形状，避免应力集中，提高表面粗糙度，进行表面强化。度，进行表面强化。大小或方向随时大小或方向随时间而变化的载荷间而变化的载荷化学性能化学性能物理性能物理性能密度密度熔点熔点热膨胀性热膨胀性导热性导热性导电性导电性磁性磁性耐腐蚀性耐腐蚀性抗氧化性抗

17、氧化性1.3 1.3 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能 物理性能物理性能密密 度度熔熔 点点热膨胀性热膨胀性材料单位体积的质量材料单位体积的质量密度小于密度小于5103 3Kg/m3 3的金属称为的金属称为轻金属轻金属密度大于密度大于5103 3Kg/m3 3的金属称为的金属称为重金属重金属材料的熔化温度材料的熔化温度陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点高分子材料一般不是完全晶体，所以没有固定的熔点高分子材料一般不是完全晶体，所以没有固定的熔点材料受热后的体积膨胀，通常用线膨胀系数表示材料受热后的体积膨胀，通常用线膨胀系数表示对精密仪器或机器

18、的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性对精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标能指标 物理性能物理性能磁磁 性性导热性导热性材料热传导的能力；用其导热系数来表示材料热传导的能力；用其导热系数来表示制件材料的制件材料的导热性愈差导热性愈差零件在加热或冷却零件在加热或冷却时，由于表面和内时，由于表面和内部产生温差部产生温差膨胀不同，便会膨胀不同，便会产生破裂产生破裂金属及合金金属及合金的导热系数远高于的导热系数远高于非金属材料非金属材料在金属中，以在金属中，以银银为最好，为最好，铜和铝铜和铝次之次之材料能导磁的性能材料能导磁的性能 物理性能物理性能导电性导电性材料的导电性一般用电阻率表示材料的导电性一般用电阻率表示金属的电阻率随温度升高而增加，而非金属材料则与此相反金属的电阻率随温度升高而增加，而非金属材料则与此相反金属及其合金一般具有良好的导电性，银的导电性最好，金属及其合金一般具有良好的导电性，银的导电性最好，铜、铝次之铜、铝次之化学性能化学性能抗氧化性抗氧化性耐腐蚀性耐腐蚀性材料抵抗各种介质侵蚀的能力材料抵抗各种介质侵蚀的能力非金属材料的耐蚀性能总的说来远远高于金属材料非金属材料的耐蚀性能总的说来远远高于金属材料材料抵抗高温