工程基础材料加工术 7

第1章工程材料的种类及性能指标

1.1工程材料的种类1.2工程材料的力学性能指标1.3工程材料的工艺性能本章作业：二、三：1、3、91.1工程材料的种类普通陶瓷特种陶瓷陶瓷材料高分子材料工程塑料合成纤维合成橡胶胶粘剂金属材料钢铸铁有色金属及其合金复合材料高分子基复合材料陶瓷基复合材料金属基复合材料工程材料1.1工程材料的种类⑴金属材料

金属材料：纯金属及其合金

纯金属材料：仅由一种金属元素构成的金属材料

合金：以纯金属为基、加入其它纯金属或非金属元素所构成的金属材料工程用金属材料多以铁、铝、铜、钛、镍等为基构成的合金。

工业上把金属及其合金分为两大部分：

黑色金属：铁和以铁为基的合金。包括钢、铸铁和铁合金。

95％以上的金属结构材料和工具材料是以铁为基的合金。

有色金属：黑色金属以外的所有金属及其合金。

包括轻金属、易熔金属、难熔金属、贵金属、铀金属、稀土

金属和碱土金属等；一般用于特殊场合。⑵高分子材料高分子材料：以高分子化合物或高分子聚合物为主要组分所构成的材料

高分子聚合物：分子量为104～106、分子结构呈链状、链上有重复的化学结构单元的化合物。高分子材料分为四大类：

塑料：室温呈玻璃态的高分子聚合物。

具有较高的强度、韧性和耐磨性。橡胶：室温呈高弹态的高分子聚合物。

具有优良的弹性性能。

胶粘剂：室温呈粘流态的高分子聚合物。

合成纤维：高分子聚合物通过机械处理所获得的纤维材料。具有高的强度。

1.1工程材料的种类⑶陶瓷材料

陶瓷材料：由不含碳氢氧结合的化合物构成的无机非金属材料。由金属

元素与非金属元素如氧、氮、硼等形成的化合物所构成的材料陶瓷材料分为：普通陶瓷材料(传统陶瓷)：主要为硅、铝等氧化物构成的硅酸盐材料。特种陶瓷材料(新型陶瓷)：主要为高熔点的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等经烧结而成的材料。金属陶瓷材料：用陶瓷生产方法获得的金属与化合物粉末所构成的材料。⑷复合材料复合材料：由几种材料通过复合工艺组合而成的新型材料复合材料分为：金属基复合材料陶瓷基复合材料聚合物基复合材料1.1工程材料的种类1.2.1材料的损坏(失效)方式（1）过量塑性变形（2）磨损:形状与尺寸发生变化（3）断裂

分类：

韧性断裂：断裂前发生明显塑性变形

特征：①断裂前有明显塑性变形

②断口呈暗灰色，纤维状、凹凸不平。

脆性断裂：断裂前无明显塑性变形，为突然断裂。

特征：①脆断时工作应力很低（小于屈服强度）

②脆断的断口齐平、光亮避免失效的方法：承受的载荷不大于相应的指标

静载力学性能指标：强度、硬度、塑性

动载力学性能指标：疲劳强度、冲击韧性、断裂韧性1.2工程材料的力学性能指标

1.2工程材料的力学性能指标

1.2.2

静载（加载速率≤10-2/s）下的力学性能指标

强度与塑性指标

（1）测定方法:拉伸试验法GBT228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法①拉伸试样：5倍试样、10倍样②拉伸试验机：拉伸曲线图③拉伸曲线图→应力应变图（2）强度指标：①规定塑性延伸强度（Rp）：表征材料在规定塑性变形时的抗力R0.01、R0.1、R0.2②屈服强度（ReH、

ReL）：表征材料产生明显塑性变形时的抗力产生明显塑性变形的应力③抗拉强度（Rm）：表征材料对最大均匀变形的抗力

拉伸时材料所能承受的最大应力

（3）塑性指标：伸长率和断面收缩率

塑性：材料产生永久变形的能力用金属断裂时的最大相对塑性变形来表示

⑴断后伸长率：A＝（Lu-L0）/L0

断后试样标距长度的相对伸长值⑵断后断面收缩率：Z=(S0-Su)/S0

断裂前后截面的相对收缩值

伸长率和断面收缩率反应了材料在外力作用下产生永久变形而不发生破坏的能力1.2工程材料的力学性能指标

硬度指标硬度:材料表面抵抗其它硬物压入的能力材料局部塑性变形抗力大小⑴布氏硬度：用布氏硬度计测定注意：①硬度≤450,压头用淬火钢球:硬度值HBSd/p/t；

硬度＞450,压头用硬质合金钢球:硬度值HBWd/p/t②测量退火、正火、调质钢件,铸铁及有色金属零件硬度③不同材料的布氏硬度与强度有一定的关系

低碳钢：Rm＝3.6HBS；高碳钢：Rm＝3.4HBS；

调质合金钢：

Rm＝3.25HBS；灰铸铁：

Rm＝HBS1.2工程材料的力学性能指标

（2）洛氏硬度：洛氏硬度计测定压头：①顶角为120°金刚石圆锥体；②直径为1.588mm钢球加载方式：两次加载硬度值：HR＝Ｋ－h/0.02(h:压痕深度)种类、表示方法及适用范围：类型压头总负荷测量值有效范围应用范围

HRA

120°金刚石圆锥588Ｎ60～85HRA

硬质合金、表面

HRB

1.588mm钢球980Ｎ25～100HRB

有色金属

HRC

120°金刚石圆锥1470Ｎ20～67HRC

调质、淬火钢

（3）维氏硬度：用维氏硬度计测量压头：维氏硬度用锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体。主要用于测量表面硬度。表示方法：硬度值ＨＶp材料条件硬度（kg/mm2）金属99.5%铝铝合金（Al-Zn-Mg-Cu）软钢轴承钢退火冷轧退火沉淀硬化正火冷轧正火淬火（830℃）回火（150℃）204060170120200200900750

陶瓷

WC金属陶瓷（WC-6%Co）

Al2O3B4CBN（立方）金刚石硅石钠钙玻璃光学玻璃烧结20℃750℃1500～240015001000～15002500～370075006000～10000700～750540～580550～600聚合物聚苯乙烯有机玻璃17161.2.3冲击载荷下力学性能指标:冲击韧性

冲击载荷：加载速率>102/s（1）冲击载荷下材料变形及断裂特点：

①材料塑性及韧性随相对变形速度增大而降低。

②零件在冲击载荷下失效类型与静载相同。

③冲击韧性随温度变化非常敏感。（2）冲击韧性测定：测试原理：

①冲击试样:

②方法:一次摆锤冲击试验法

1.2工程材料的力学性能指标

（3）冲击韧性的意义及应用①Ａk的物理意义：表征材料在冲击载荷作用下吸收

塑性变形功和断裂功的能力。

冲击韧性值等于试样断裂前所吸收的能量。

即：Ak=mg(H-h)（J）

影响冲击韧性的因素：化学成分、热处理状态、

冶炼方法、内在缺陷、加工工艺及环境温度②冲击韧性的应用：

1）评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量：

2）评定材料在不同温度下的脆性转化趋势；

3）确定材料的应变时效敏感性

1.2工程材料的力学性能指标

1.2.4交变载荷下力学性能指标:疲劳强度

交变载荷：载荷大小或方向隨时间变化的载荷疲劳:

零件在交变载荷长时间作用下发生断裂的现象

特点：断裂前无明显塑变，断裂突然发生。

疲劳断裂应力低于静载下的屈服强度。

疲劳抗力指标及其影响因素：

⑴疲劳抗力指标：疲劳极限（S-1，材料抵抗交变应力的能力）

测定方法：疲劳试验法→交变应力与循环周次曲线

材料经受无限次应力循环后不断裂的最大循环应力即为疲劳极限

⑵影响因素材料种类、纯净度和组织状态

合金钢：普通电炉冶炼：Rm为630MPa真空冶炼：Rm为789MPa

40Cr钢：退火态，Rm为650MPa，S-1为314MPa淬火态：Rm为2080MPa，S-1为775MPa载荷类型：

40Cr钢：弯曲：退火态S-1为：314MPa

拉压：退火态S-1为：552MPa

零件表面状态：冷热加工形成的表面缺陷降低疲劳极限

正火态45钢：表面光滑：

Rm为656MPa，

S-1280MPa；

表面有刀痕：Rm为654MPa，S-1145MPa

淬火态45钢：表面光滑：

Rm为1947MPa，S-1800MPa；

表面有刀痕：

Rm为1922MPa，

S-1

300MPa工作温度：高温使疲劳裂纹易形成和扩展，故降低了疲劳极限。腐蚀介质：零件在腐蚀介质（如酸、碱、盐的水溶液、海水、潮湿空气等）中工作时，其表面的腐蚀坑成为疲劳裂纹源，使疲劳极限降低。

1.3工程材料的工艺性能指标

工艺性能：材料在成形加工过程中表现出的性能。

表示生产零件过程中采用某种加工工艺制造零件的难易程度

⑴铸造性能:金属及合金液体易于浇注成形并获得优质铸件的能力：

可铸性：流动性、收缩性、偏析

⑵锻造性能:金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。

可锻性：塑性、变形抗力

⑶焊接性能:金属材料焊接成规定要求的构件并满足服役性能要求的能力可焊性：接合性能（焊缝质量）、使用性能（焊接接头性能）