《工程训练》课件-1第一章工程材料基础知识

工程训练第一章工程材料基础知识第一节工程材料的分类

（Classification

ofengineeringmaterials）分类（classification）：工程材料种类繁多，常见分类方法。

按成分分类金属材料高分子材料MetallicMaterialsPolymericMaterials按成分分类四者的关系陶瓷材料复合材料CeramicMaterialsCompositeMaterials第二节金属材料

（mechanicalproperties

ofengineeringmaterials）一、金属材料的性能定义：指材料在各种载荷（静载荷、动载荷）下表现出来的性能。铸造性可锻性可焊性切削加工性热处理性

金属材料的性能

使用性能力学性能物理性能化学性能

工艺性能1.强度（strength）和塑性（plasticity）

金属材料的强度、塑性指标是在万能拉伸试验机上通过拉伸试验测定的。拉伸试验拉伸试验机拉伸试样拉伸试样的缩颈材料的拉伸曲线（以低碳钢为例）1）oe段：直线、弹性变性2）es段：曲线、微量塑性变形阶段。3）ss’段：屈服阶段。4）s’b段：大量塑性变形阶段。5）bk段：缩颈阶段。ess′bk伸长量Δι载荷F0FeFsFb

在低碳钢拉伸曲线中，把F-Δl坐标换成σ-ε（应力—应变）就可以直接在图上读出力学性能指标。1）弹性极限(elasticlimit）定义：指材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值。用

e

表示，单位MPa。σe＝Fe/S0式中Fe弹性极限载荷(N)；S0试样原始横截面积(mm2)强度（strength）定义：材料抵抗外力作用下变形和断裂的能力。3）屈服强度（yieldstrength）定义：表示材料发生明显塑性变形时的最低应力值。

用σs表示，单位为MPa(N/mm2=1MPa)。也用Re表示。

对于没有明显屈服强度的材料，如铸铁、高碳钢等，测定σ困难，通常规定产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服强度，用σ0.2表示。对于一般机械零件而言，一般不允许发生塑性变形。

σs=Fs/S0

式中：Fs为屈服时的最小载荷（N）；S0为试样原始截面积（mm2）国标规定，应区分为上屈服强度σsu和下屈服强度σsL，大炮长时间发射，若炮膛材料发生塑性变形，影响炮弹发射的精度和易发生自爆。4）抗拉强度（tensilestrength）定义：指材料在拉断前所承受的最大应力。用σb表示，单位MPa。也用Rm表示。注：σs和σb是设计和选材时的主要依据。

举例塑性（plasticity）定义：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。判据：断后伸长率、断面收缩率。σb=Fb/S0

式中：Fb—最大外力（N）；S0—试样横截面积（mm2）1）断后伸长率(elongationafterfracture)定义：指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。用δ表示。无单位。用A表示。2）断面收缩率(reductionofarea)定义：指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。用ψ

表示

。无单位。也用Z表示。d0L0长试样（δ10）：L0=10d0短试样(δ5)：L0=5d0

δ

=(L1-L0)/L0×100％式中：L1—断后标距；L0—原始标距。

ψ

=(S0-Su)/S0×100％式中：S0—原始横截面积；Su—断后最小横截面积。塑性的意义：塑性良好的金属可进行各种塑性加工，同时使用安全性也较好。工程上一般把δ﹥5％的材料称为塑性材料，δ﹤5％的材料称为脆性材料。塑性的应用：一般零件的抗断裂设计时要考虑屈服强度和塑性。强度和塑性的区别：强度是表征材料变形抗力指标；塑性是描述变形能力的指标。2.硬度（hardness）定义：指材料抵抗局部变形的能力。硬度是衡量材料软硬程度的判据。最常用的硬度指标有：布氏硬度和洛氏硬度。（1）布氏硬度(Brinellhardness)

1）试验原理布氏硬度试验机2）表示方法HBS——选用淬火钢球压头，适用范围：小于450；HBW——选用硬质合金压头，适用范围：450~650。表示法：数字在前、字母在后。如200HBS，I50HBS～175HBS；标注时不要写成HBS=200，或HBS=150～175，或500HBS，不要出现单位；数值差不要超过30。3）特点优点：测量误差小，数据稳定，重复性强。缺点：压痕较大，操作慢，不适用成品件和薄形件。4）应用范围

常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、退火正火钢材的硬度。2）表示方法数字在前、字母在后，如45HRC；35HRC～38HRC。HRC适用范围数值20～67；小于或大于这个范围均为标注错误！如17HRC；HRC=15～19等。3）常用标尺

有A

、

B、C三种：①HRA，硬质合金、表面淬火层或渗碳层；②HRB，有色金属和退火、正火钢等；③HRC，调质钢、淬火钢等注意：HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可直接比较大小例如：50HRC<70HRA〤

100HRB>40HRC〤(2)洛氏硬度1）试验原理5）应用范围

可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材料；适用于测量硬度较高的材料，如淬火钢件、硬质合金等材料。4）特点优点：测量迅速、简便、压痕小、测量范围大，能测较薄工件。

缺点：压痕小，硬度波动大，为提高精度通常测定三个不同点取平均值。硬度的应用：在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚动轴承等。3.冲击韧性(impacttoughness)定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号

Ak

表示，Ak=mgH-mgh(J)，冲击韧性值ak

就是试样缺口处单位面积上所消耗的冲击功。

ak﹦AK/S

，单位J/cm2。Titanic——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic沉没原因4.疲劳强度(fatiguestrength)

疲劳强度：指材料经无数次交变载荷作用而不断裂的最大应力值。对于对称循环交变应力的疲劳强度用用σ-1表示，单位为MPa。疲劳现象：

承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。（80%的断裂由疲劳造成）国标规定：对于钢铁材料，一般规定疲劳极限对应的应力循环次数为107，有色金属及合金为108。2按冶金质量分类

普通钢（S%≤0.055%，P%≤0.045%）优质钢（S%、P%≤0.040%）

高级优质钢（S%≤0.030%，P%≤0.035%）

3按性能和用途分类碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢易切削结构钢等（二）钢的牌号、性能和用途1按含碳量分类二、常用钢材（一）钢材分类低碳钢（Wc<0.25%)中碳钢(0.25%<Wc<0.6)高碳钢(Wc>0.6)2）优质碳素结构钢用两位数字表示。其中两位数字表示平均含碳量的万分数。45钢表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。3）

碳素工具钢

用“T+数字+字母”表示，其中，“T”表示碳的汉语拼音字头，数字表示平均含碳量的千分数。例如T8，表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。1.碳素钢

1）碳素结构钢

表示方法：Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号。Q235—A·F表示屈服强度为235MpaA级沸腾钢。2.合金钢经常加入的元素有：Si、Mn、Cr、Ni、W、Ti、Al、Cu、稀土元素等。（2）合金钢的分类2）

按用途分类合金结构钢合金工具钢特殊性能钢1）

按合金元素含量分类分类低合金钢（＜5%）中合金钢（5%～10%）高合金钢（＞10%）3）合金结构钢按用途可分为

合金弹簧钢合金渗碳钢合金调质钢合金轴承钢

牌号表示和碳钢相类似。三、钢的火花鉴别1.火花鉴别的基本知识钢材在砂轮上磨削时，磨削出的细小钢沫被加热至熔融状态，并被砂轮离心力作用抛射在空气中产生明亮线条。钢材中碳元素是形成火花的基本