工程材料与机械制造基础-第2章

第二章工程材料性能及应用基础本章将重点介绍:

材料的力学性能、材料学的部分基础知识、材料的分类编号及用途.以便为选材和制定后续制造工艺奠定基础。第二章工程材料性能及应用基础第一节工程材料的力学性能

力学性能（或机械性能，MechanicalPerformance）:

是指材料受到外加载荷作用时，所反映出来的固有性能

力学性能指标：强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧性、疲劳强度等

测试方法：

各种材料试验机。第一节工程材料的力学性能一、强度(Strength)

是指材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力.外力载荷方式不同，描述强度的指标也不同。

塑性较好的金属或高分子材料常用抗拉强度衡量其抵抗破坏的能力;脆性陶瓷材料常用抗折（弯）强度或抗压强度.第一节工程材料的力学性能（一）抗拉强度它是通过标准试样在拉伸试验机上通过拉伸试验测出来的。图2-1为低碳钢拉伸试样的形状和尺寸示意图。

P△LPePsPbPkPbPs1、金属材料抗拉强度

图2-2a为低碳钢的拉伸曲线。

图2-2b为不同金属材料的应力－应变拉伸曲线图。

抗拉强度:是表示材料在拉伸过程中单位面积所能承受的最大拉伸力，用σb（单位MPa）表示，计算方法为：

σb=Pb/A0

(2-1)

屈服强度:是工程材料在外力作用下开始产生屈服时单位面积所能承受的最大拉伸力。用σs表示，计算方法为：

σs=Ps/A0(2-2)

名义屈服强度σ0.2第一节工程材料的力学性能2、高分子材料抗拉（张）强度

图2-3为高分子聚合物在不同温度范围时的拉伸曲线。

（二）抗折（弯）强度

图2-4(a)，2-4(b)分别为三点、四点弯曲加载示意图

其中三点弯曲抗折强度计算公式为：

第一节工程材料的力学性能二、塑性

(plasticity)

工程材料的塑性:

是指工程材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。图2-1

对应拉伸变形，通常用两种方式来表示，即:伸长率（δ）δ=(L1-L0)/L0×100%（2-5）断面收缩率(Ψ):

Ψ=(A0-A1)/A0×100%（2-6）第一节工程材料的力学性能三、冲击韧度

冲击韧度:是指被冲击试件在一次冲击试验时被冲断所吸收的能量Ak除以原试件的最小横截面积A0所得的值（见式2-7）,是材料抵抗冲击载荷的能力。用符号ak(单位为J/m)表示。工程上常用摆锤冲击试验机来测定冲击韧度，图2-5为试验示意图

ak=AK/A0(2-7)

第一节工程材料的力学性能h1h0ww四、疲劳强度

(fatiguestrength)

疲劳强度:

是工程材料承受规定循环次数（常取106-107

）而不失效的最大应力。用σγ

表示。下标γ表示应力循环对称系数，由下式确定：

γ=σmin/σmax(2-8)图2-6列出了几种变动载荷示意图。疲劳曲线如图2-7所示。

第一节工程材料的力学性能图2-7疲劳曲线σγ五、硬度(Hardness)是指更硬的外来物体作用于固体材料上时，固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的能力。第一节工程材料的力学性能P1.布氏硬度（HB）

布氏硬度测试原理：它是用载荷为P的力把直径为D的淬火钢球（或是硬质合金球）压入材料表面（如图2-8），并保持一定的时间，然后卸载，测出球在材料表面上所压出凹痕的直径d，由此计算出压痕球面面积AR，求出单位面积所受的力，即为材料的硬度值。计算公式为：

第一节工程材料的力学性能硬度计:2.洛氏硬度（HR）

洛氏硬度测试原理：用一个锥顶角为120°的金刚石圆锥或一定直径的钢球压头，在规定载荷作用下压入被测材料表面，由压头在材料表面所形成的压痕深度来确定其硬度值，如图2-9所示。HRAHRBHRC第一节工程材料的力学性能3.维氏硬度（HV）

维氏硬度的测试原理基本上与布氏硬度相同，其测试方法如图2－10。维氏硬度用HV表示：

HV=P/AV

=1.8544P/d2

（2-10）第一节工程材料的力学性能4.邵氏硬度

邵氏硬度又称肖氏硬度,是用来测量弹性体和热塑性软塑料的穿透硬度的，邵氏硬度分为邵氏压痕硬度与邵氏反弹硬度两种。反弹式硬度值由下式计算：HS=KH/H0

第一节工程材料的力学性能六、断裂韧性KIC

是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，是材料抵抗低应力脆性断裂的能力。KIC主要用于脆性材料，断裂韧性的测量方法与抗折强度测量方法相类似（见图2-11）。不同之处是在弯曲试样中部预制一个0.1mm左右宽的小口，以模拟材料内部微裂纹的一半，然后加载后测量其断裂韧性KIC。KIC计算公式:

第一节工程材料的力学性能七、材料的高温性能1.高温强度:是指材料在高温下，抵抗外力载荷所引起的应变或断裂的能力。典型单相多晶陶瓷材料的强度和变形随温度的变化见图2-12。第一节工程材料的力学性能2.抗热震性(ThermalShock)

是指材料抵抗温度变化能力的大小。分为热冲击作用下的瞬时断裂和热冲击循环作用下的开裂、剥落，终至整体损坏的热震损伤两大类。

(1)

水急冷条件下平板件表面及中心处产生的热应力σs为:

第一节工程材料的力学性能

(2)

当温度梯度不同，在一定冷却条件下产生的热应力为：(3)热震参数R:为判断材料抗热冲击的能力，对急剧受热受冷的材料，通常把达到断裂强度σf所对应的临界温差参数△Tc叫热震参数R，工程中常利用R衡量材料抗热震的能力，由（2-12）知，水冷时的热震参数R为：

(4)热震破坏的判据:为实际温差△T大于热震参数R:

△T>R

第一节工程材料的力学性能八、高弹性和粘流性

在外力作用下，高聚物会发生大的变形，当外力去除后，其变形逐渐回复的性质称高弹性。粘流性是指高聚物粘性流动的性质。第一节工程材料的力学性能第二节材料学基础一、金属学基础(一)金属的结构（晶体、非晶体）

（注：性能、成分、工艺与结构密切相关）第二节材料学基础1.晶体,晶体点阵和晶胞晶体结构研究方法：将晶体中的质点假设为固定不动的刚性球体，而晶体就是由这些刚性球体堆垛而成的，如图2-13(a)。若用许多平行的直线将这些原子刚球连接起来，就构成三维的空间构架，如图2-13(b)。晶体点阵:

这种用来描述晶体中质点（原子、离子或分子）排列规则的空间构架模型称为晶体点阵。晶胞:

而描述晶体点阵规律的最小单元叫晶胞。点阵常数如图2-13(c)。晶格常数

2.金属的单晶体结构

（1）体心立方晶体结构(bcc)该晶体结构的原子排布规律如图2-14所示。α-Fe,Cr,V,Nb,Mo,W（2）面心立方晶体结构(fcc)该晶体结构的原子排布规律如图2-15所示。γ-Fe,Cu,Ni,Al,Ag.（3）密排六方晶体结构(hcp)该晶体结构的原子排布规律如图2-16所示(六方柱体)。Zn,Mg,Be,α-Co第二节材料学基础

3．晶向指数和晶面指数*

晶向：是晶格中各种原子列的位向，

晶向指数：即是用来描述晶向的一种符号。图2-17中示出了立方晶体结构中的几种晶向指数。

晶向指数可以按以下步骤进行确定：

1）从晶胞的同一点（原点）引出三个棱边作为坐标轴X、Y、Z，以棱边长度（即点阵常数）作为坐标轴的单位长度。

2）自坐标原点引出一有向直线平行于所求的晶向

3）在所引出的有向直线上任取一点，求出该点的坐标。

4）将三个坐标值按比例化为最小整数，依次写在“〔〕”括号内，即为所求的晶向指数。第二节材料学基础

晶面：是晶格中不同方位上的原子面，

晶面指数：用来描述晶面位置的符号即为。

图2-18给出几种晶面指数类型。

晶面指数按以下步骤进行确定：

1）将晶胞中某一顶点引出的三条棱边作为坐标轴X、Y、Z，坐标原点应选在待定晶面之外，以免出现零截面。

2）以晶胞的棱边长为度量单位，求出待定晶面在各轴上的截距。

3）取各截距的倒数，并化为最小简单整数，放在圆括号“（）”内，即为求得的晶面指数。第二节材料学基础4.多晶结构大块金属材料通常是由许多小晶体组成的，如图2-19。5.晶体缺陷

(1)点缺陷常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子，如图2-20所示。

(2)线缺陷刃型位错是一种比较典型的线缺陷，其结构特点如图2-21所示。

(3)面缺陷第二节材料学基础（二）金属的结晶过程与冷却曲线

结晶：金属由液态向固体晶态转变的过程

金属的结晶过程，可用冷却曲线描述，冷却曲线：它描述熔融金属经缓慢冷却所表现出的温度随时间的变化规律。纯金属的冷却曲线：图2-22a)

过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用ΔT表示。

ΔT=Tm-T1

（2-16）

合金冷却曲线：合金（或非纯金属）的结晶不同于纯金属，图2-22b)为Cu-Ni合金的冷却曲线。研究还表明，金属的结晶过程实质上是晶核的形成与长大过程。图2-23描述了液态金属的结晶全过程。第二节材料学基础（三）金属的同素异构转变同一金属元素在固态下由于温度的改变而发生晶体结构类型变化的现象称为金属的同素异构(Allotropy)转变。

图2-24铁的同素异构转变冷却曲线。第二节材料学基础（四）合金的相(Phase)与相结构(合金的内部组成体系)

合金：是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的材料。

组元：组成合金的元素叫做组元。合金的相：合金中结构相同、成分与性能均一，并以界面相互隔开的组成部分叫相。

第二节材料学基础

2.合金的相结构1）.固溶体当合金组元之间以不同比例相互混合后，若所形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相称为固溶体。固溶体的固溶方式按溶质原子在溶剂晶格中所处的位置，又可分为间隙固溶体和置换固溶体，如图2-25所示。铁素体F：奥氏体A:

2）.金属化合物

金属化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，它的晶体结构类型和性能不同于任一组元，但具有金属性质。第二节材料学基础合金的组织：合金中不同相的组合。(1).机械混合物(合金组织)

珠光体P=F+Fe3C

莱氏体Ld=A+Fe3C

Ld’=P+Fe3C（五）二元合金相图(PhaseDiagram)1．相图的建立方法与步骤

以铜镍（Cu-Ni）合金为例,说明相图建立的基本步骤：

(1）配制一系列成分不同的合金。

(2)作出各种不同成分合金的冷却曲线，并找出冷却曲线上相变点（转折点）的温度，如图2-26(a)所示。

(3）以温度为纵座标、成分为横座标建立一个直角座标系，将相变点分别标在这个座标系上，如图2-26(b)。

(4）把具有相同意义的各相变点连成曲线，即将所有上相变点相连，所有下相变点相连，则构成了图2-26（b）所示的Cu-Ni二元合金相图。2．匀晶相图

Cu-Ni合金相图既是匀晶相图，如图2－27所示。3．共晶相图

图2-28为Pb－Sn二元共晶相图。

第二节材料学基础（六）铁碳合金相图

1．铁碳合金的基本相

固溶体:

（1）铁素体碳原子溶于α-Fe中形成间隙固溶体，原子排列仍为体心立方点阵，该结构即为铁素体，用F或α表示。最大溶碳量为:0.0218%（2）奥氏体碳原子若溶于γ-Fe中，形成间隙固溶体，仍保持面心立方晶体结构，该结构称为奥氏体，用A或γ表示。最大溶碳量为:2.11%

金属化合物:

（3）渗碳体Fe3C是铁和碳的化合物，含碳量为6.69wt％，晶体结构复杂，呈复杂斜方晶体结构。

2.铁碳合金的组织（机械混合物）:

(4)珠光体P=F+Fe3C(5)莱氏体L=A+Fe3C

分析:室温下铁碳合金基本相只有两个,一是铁素体,二是渗碳体第二节材料学基础2．铁碳合金相图分析

图2-29为简化的铁碳合金相图。相图中各主要特征点均具有重要含义，连接各特征点将组成特征线，特征线则将相图分成特征区，上述点、线、面及其含义说明列于表2-1。

3．铁碳合金结晶过程分析

(1)共析钢成分对应共析点S的铁碳合金为共析钢（见图2-29）。图2-30为组织转变示意图，图2-31是共析钢的显微组织。

(2)亚共析钢通常将含碳量在共析成分（w。=0.77％）以下的钢叫做亚共析钢。亚共析钢的结晶过程的组织转变参见图2-32。

(3)过共析钢与亚共析钢不同，通常将含碳量超过共析成分0.77%，但小于2.11％的铁碳合金叫过共析钢。二次渗碳体通常呈网络状分布在珠光体周围，如图2-33所示。图2-34为过共析钢的结晶过程组织转变示意图。

第二节材料学基础(4)白口铸铁

含碳量为4.3wt%的铁碳合金叫共晶白口铸铁，该合金的组织由莱氏体组成，它是共晶产物。

图2-35是亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图。

图2-36是亚共晶白口铸铁的显微组织。

二、陶瓷（Ceramic）材料学简介（一）典型陶瓷的晶体结构陶瓷晶体主要以离子键、共价键为主，也可以是两种结合类型的综合或是介于某两种类型之间的过渡

1.氧化铝陶瓷的晶体结构及性能

Al2O3主要有α-Al2O3,β-Al2O3,γ-Al2O3三种同素异构晶体，最常用的是α-Al2O3

。α-Al2O3属离子型晶体，其晶体结构见图2-37，力学性能见表2-2，

该结构最紧密，活性低，高温稳定。

第二节材料学基础2.氧化锆陶瓷的晶体结构氧化锆在不同温度下存在三种稳定的同素异晶体：从室温到高温分别为单斜相(m-ZrO2)→正方相(t-ZrO2)→立方相(c-ZrO2)→液相(L)，见图2-38。商业四方氧化锆陶瓷的典型力学和物理性能示于表2-3。

3.硅酸盐结构(相应材料：玻璃,水泥砖，瓦等)

(硅酸盐矿物：长石，高岭土，滑石，镁橄榄石)硅酸盐结构的基本结构为SiO4四面体玻璃（二）陶瓷显微组织及相结构

1.晶相

2.晶界杂质在晶界上的存在方式见图2-39。

3.玻璃相

4.气孔(气相）（三）影响组织结构的因素影响陶瓷微观组织结构的因素很多，归纳起来主要有以下几种：

1.原料粉体

2.添加元素

3.烧结制度

4.陶瓷材料的强韧化方法第二节材料学基础三、高分子(HighMolecule)材料学简介

高分子材料包括塑料、橡胶、合成纤维、油漆和胶粘剂等五种。通常分子量大于10000的物质称为高分子化合物。

第二节材料学基础第三节工程材料的分类、编号及用途一、金属材料（一）钢铁

1.普通碳素结构钢牌号普通碳素结构钢的牌号由QXXX-Y.Z四部分组成，“Q”代表屈服点屈服强度的拼音首字母、XXX代表屈服应力数值、Y代表质量等级符号,Z代表脱氧方法。这类钢的牌号、化学成分及用途举例见表2-4。

2.优质碳素结构钢牌号优质碳素结构钢的牌号由两个数字XX组成,表示含碳量万分之几。这类钢的牌号及用途举例见表2－5。第三节工程材料的分类、编号及用途

3.碳素工具钢牌号碳素工具钢的牌号由TXX两部分组成,既钢号前冠以“碳”或“T”，表示碳素工具钢，其后跟一组数字，表示含碳量的千分之几。常见碳素工具钢的牌号、化学成分及用途如表2-6。

4.合金结构钢牌号合金结构钢的牌号编排原则是采用“数字+化学元素+数字”的方法。表2-7、2-8、2-9分别为调质钢、渗碳钢、弹簧钢的牌号及用途。

5.合金工具钢牌号合金工具钢的牌号编排原则与合金结构钢基本相似，但是规定如果工具钢中的平均含碳量>1.00%时不予标出，含碳量<1.00%时，平均含碳量以千分之几表示。表2-10为低合金工具钢的牌号、化学成分及用途。第三节工程材料的分类、编号及用途

6.灰口铸铁牌号灰口铸铁牌号由“灰铁”二字汉语拼音“HT”和后续三个数字组成，数字表示最低抗拉强度。表2-11为灰口铸铁的牌号、化学成分及用途。

7.可锻铸铁牌号可锻铸铁用“KT“符号表示，其后的两项数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。表2-12是可锻铸铁的牌号和应用举例。

8.球墨铸铁牌号球墨铸铁用“QT”符号表示，牌号中的数字与可锻铸铁牌号的数字意义相同。表2-13为球墨铸铁的牌号和应用举例。

第三节工程材料的分类、编号及用途（二）有色金属

1．纯铝牌号：纯铝的牌号用“L”和其后面的编号表示,“L”是“铝”字汉字拼音字首。

2．铝合金（1）防锈铝合金牌号：防锈铝合金的牌号用“LF”表示，如表2-14所示为防锈铝合金的牌号及化学成分。（2）硬铝合金牌号：硬铝合金的牌号用“LY”表示，如表2-15所示。硬铝合金主要用于制作各种铆钉。超硬铝合金用符号“LC”表示，如表2-16所示。（3）锻铝合金牌号：锻铝合金的牌号用“LD”表示，表2-17为锻铝合金的牌号与化学成分。

第三节工程材料的分类、编号及用途

3．工业纯铜牌号工业纯铜按所含杂质的多少分为四级，编号方法以“T”（铜的汉语拼音字头）为首，其后再附以级别数字，数字越小，则纯度越高。表2-18为纯铜的牌号、化学成分和用途。

4．铜合金（1）黄铜牌号黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金，其编号方法是以汉语拼音“H”表示，后面的两位数字表示合金中含铜量的百分数。表2-19是黄铜的牌号、化学成分及用途。（2）青铜牌号青铜是指除以锌、镍为主要合金元素以外的铜合金，其编号用代号Q+主要元素符号+主加元素的含量。

第三节工程材料的分类、编号及用途二、高分子材料（一）塑料塑料是以合成树脂为主要成分的有机高分子材料。表2-20、2-21、2-22列出了在机械制造工业中各种不同用途的零件所选用的塑料。（二）橡胶橡胶是具有卷曲长链分子结构的有机高分子材料。表2-23为几种主要橡胶产品的用途。

（三）有机纤维有机纤维可分为天然纤维和化学纤维。表2-24为几种主要合成纤维的用途。

（四）胶粘剂胶粘剂亦称为粘合剂，是一类能将同种或不同种材料胶合在一起，并在交接面有足够强度的物质。

第三节工程材料的分类、编号及用途三、无机非金属材料

传统的无机非金属材料主要指陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四类。表2-25、2-26、2-2