《工程材料及成形技术基础》课件 第1章 材料的分类与力学性能

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第一章

材料的分类与力学性能掌握工程材料的各种分类;理解材料的各种力学性能指标的含义；重点掌握强度和硬度这两个重要指标；了解常用的硬度测试方法及应用场合。主要内容工程材料的分类工程材料的性能工程材料的基本概念工程材料的分类方法第一章材料的分类与力学性能材料的力学性能材料的其他性能第1章材料的分类与力学性能一、工程材料的分类定义：工程材料属于人造材料，主要是指用于机械工程、建筑工程以及航空航天等领域的材料。工程材料的分类方法：材料的分类（天然和人造）按成分特点按用途按应用领域第1章材料的分类与力学性能一、工程材料的分类

钢铁材料(黑色金属)

钢：非合金钢，低合金钢，合金钢铸铁：白口铸铁，灰口铸铁，麻口铸铁

非铁金属材料(有色金属)

轻金属：铝、镁、钛等重金属：铜、铅、锌、镍、汞等贵金属：金、银、铂、铑等稀土金属：钕、镧、铈、镨、钐等稀有金属：镎、钚、镅等1.金属材料第1章材料的分类与力学性能2.非金属材料有机高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维陶瓷材料普通陶瓷：用天然无机物烧结制成特种陶瓷：用精制高纯无机物制成3.复合材料金属基复合材料：纤维增强金属、粒子增强金属、包层金属等无机非金属基复合材料：钢筋混凝土、夹网玻璃、纤维增强陶瓷等有机材料基复合材料：碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、金属纤维增强橡胶、棉纤维增强橡胶等第1章材料的分类与力学性能齿：金、316L不锈钢、Co-Cr-Mo合金、Ti、Ti-6AI-4V耳：Ti心脏：Co-Cr-Mo合金、Ti-6AI-4V起搏器：316L不锈钢、铂关节修复：不锈钢、Co-Cr-Mo合金、Ti、Ti-6AI-4V颅骨：316L不锈钢、Ti颊面重建：Ti、Ti-6AI-4V可降解缝合线：Ti、Ti-6AI-4V脊柱：Co-Cr-Mo合金、Ti骨修复：316L不锈钢、Co-Cr-Mo合金、Ti、Ti-6AI-4V、PLA/HA、PLA、HA第1章材料的分类与力学性能材料类型目前医疗器械选材医用不锈钢316L等冠脉支架：316L、CoCrMo为主，TiNi很少其他血管支架：TiNi、316L为主膝关节：CoCrMo为主，Ti合金为辅髋关节：Ti合金为主，316L很少脊柱类器械：Ti合金为主，316L为辅创伤类器械：Ti合金为主，316L为辅手术器械：316L不锈钢为主，Ti合金为辅牙种植体：CP-Ti为主，TC4很少牙科矫形：TiNi为主义齿及支架：Ti、CoCrMo、贵金属钴铬钼合金钛合金Ti、TiNi特种陶瓷玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）结构材料（受力材料，以力学性能为主）工具材料（加工成工具）功能材料（物理、化学性质、生物功能）机械工程材料生物工程材料建筑工程材料能源工程材料······按用途分按应用领域第1章材料的分类与力学性能第1章材料的分类与力学性能载荷按作用性质可分为静载荷大小不变或过程缓慢。动载荷冲击载荷：短时间内以高速度作用于工件上。如：钉钉子;交变载荷：大小，方向或大小与方向随时间发生周期变化。如：弹簧;随机载荷：随时间非周期变化。如：汽车发动机曲轴。二、材料的力学性能指材料在各种载荷下表现出来的性能。强度、硬度、塑性。冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性。第1章材料的分类与力学性能载荷按作用形式分拉伸压缩弯曲剪切扭转静载动载强度硬度塑性屈服强度抗拉强度条件屈服强度判据冲击韧性疲劳强度判据判据冲击吸收功疲劳强度断后伸长率断面收缩率判据布氏硬度维氏硬度洛氏硬度判据第1章材料的分类与力学性能1.强度、刚度和塑性材料的强度、刚度和塑性指标是在万能拉伸试验机上通过拉伸试验测定的。拉伸试验对一定形状和尺寸的试样施加轴向试验力，以一定速度将试样拉至断裂。拉伸试验机拉伸试样拉伸试样的颈缩

第1章材料的分类与力学性能1.强度、刚度和塑性材料的拉伸曲线（以低碳钢为例）：力-伸长曲线——以拉伸载荷和试样伸长量为坐标所形成的曲线。弹性变形——卸载后，试样能恢复到原状的变形。塑性变形——卸载后，试样不能恢复到原状的变形。旧标准新标准第1章材料的分类与力学性能单位面积上所受的力。有正负应力之分。用R表示：R

=F/S单位长度上的增量。也有正负之分。用ε表示：ε=△L/L材料的拉伸曲线（以低碳钢为例）：

ob段：弹性变形阶段，oa段载荷和伸长量成线性正比关系，ab段不是线性关系；

bc段：屈服阶段；cd段：大量塑性变形阶段；de段：缩颈阶段。应力应变第1章材料的分类与力学性能1.1强度定义：材料抵抗外力作用下变形和断裂的能力。拉伸试验中的强度指标有弹性极限、屈服极限和抗拉强度。1）弹性极限

第1章材料的分类与力学性能2）屈服强度

第1章材料的分类与力学性能

对于一般机械零件而言，一般不允许发生塑性变形。条件屈服强度第1章材料的分类与力学性能3）抗拉强度定义：指材料在断裂前单位面积所能承受的最大应力。用Rm（σb）表示，单位MPa。

注：Rp和Rm是设计和选材时的主要依据。第1章材料的分类与力学性能1.2刚度

第1章材料的分类与力学性能1.3塑性定义：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。1）断后伸长率

2）断面收缩率

第1章材料的分类与力学性能某工厂买回一批材料（要求：Rp≥230MPa；Rm≥410MPa；A5≥23%；Z≥50%）。做短试样（L0=5d0；d0=10mm）拉伸试验，结果如下：Fc=19KN，Fd=34.5KN；L1=63.1mm；d1=6.3mm；问买回的材料合格吗？举例

第1章材料的分类与力学性能目前金属材料室温拉伸试验方法采用GB/T228-2002新标准，由于目前原有的金属材料力学性能数据是采用旧标准进行测量和标注的，所以，原有旧标准仍然沿用。关于金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照见下表。新标准GB/T228-2002旧标准GB/T228-1987名词符号名词符号屈服强度Rp屈服点上屈服强度ReH上屈服点下屈服强度ReL下屈服点抗拉强度Rm抗拉强度断面收缩率Z断面收缩率断后伸长率A断后伸长率A11.5第1章材料的分类与力学性能2.冲击韧性和疲劳极限

2.1冲击韧性第1章材料的分类与力学性能温度对冲击韧性的影响αk值低-脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽αk值高-韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽第1章材料的分类与力学性能Titanic沉没原因？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号第1章材料的分类与力学性能2.2疲劳极限（疲劳强度）疲劳：材料在受到大小、方向随时间做周期性变化的循环应力作用，且循环应力小于屈服极限，经多次（>104次）而产生断裂的现象称为疲劳断裂或疲劳。（80%的断裂由疲劳造成）美国银桥断裂时间：1967年死亡人数：46人事故原因：眼杆疲劳断裂第1章材料的分类与力学性能

疲劳极限条件疲劳极限

第1章材料的分类与力学性能3.断裂韧性由于冶炼、加工和使用等原因，使材料内部存在的各种裂纹在应力作用下发生快速扩展而导致的低应力脆断现象。材料抵抗裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。

第1章材料的分类与力学性能试验原理：用直径为D的淬硬钢球或硬质合金球作为压头，以相应的试验力F压入试样表面，保持一段时间后，测量表面压痕直径来计算。以HBS或HBW表示。

布式硬度测试过程示意图布氏硬度试验机1）布氏硬度4.硬度定义：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。硬度的测试方法：压力法（重点）、划痕法、回跳法。第1章材料的分类与力学性能表示方法：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。如：200HBS，150HBS～175HBS

√

HBS=200，HBS=150～175

×例如：500HBW5/750表示直径为5mm的硬质合金球在750kg的载荷下保持10-15s时的硬度值为500HBW。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。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。注：数字在前、字母在后。注：区间数值差不要超过30。第1章材料的分类与力学性能试验原理：金刚石圆锥体或淬硬钢球为压头，测压痕深度来确定硬度值。表示法：XXHR(A,B,C,D)其中Ｃ标尺应用最为广泛。注：不同标尺之间不能直接比较大小，需查阅换算表。洛氏硬度试验机2）洛氏硬度硬度符号压头类型总试验力/N有效值范围应用HRA120°金刚石圆锥体60×9.870~85HRA硬质合金，表面淬硬层、渗碳淬硬层HRB1.588mm钢球100×9.825~100HRA有色金属，退火、正火钢HRC120°金刚石圆锥体150×9.820~67HRA淬硬钢、调质钢三种洛氏硬度标度洛氏硬度试验示意图第1章材料的分类与力学性能表示方法：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。在图纸标注时注意数值差应≯5，否则为标注错误。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

×

100HRB>40HRC×第1章材料的分类与力学性能特点优点：简单迅速，直接读数，压痕小，可测薄件及成品。缺点：对于组织不均匀材料测得不准确，数据波动大，代表性差。应用可用于成品和薄件，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。第1章材料的分类与力学性能原理：与布氏相同。用相对面夹角136°的正四棱锥体测量压痕对角线长度来计算，查表。表示法：XXHV优点：可测薄材，也可测表面渗碳、渗氮层的硬度，准确性高。缺点：对测件表面质量要求高，压痕小。3）维氏硬度第1章材料的分类与力学性能

图6-6(Fe0.52Co0.30Ni0.18)73Cr17Zr10非晶合金薄带压痕变形区SEM形貌。(a)载荷为0.49N；(b)载荷为1.96N；(c)载荷为2.94N；(d)、(e)分别为(c)中局部放大图Fig.6-6.SEMimagesofindentationdeformationareaof(Fe0.52Co0.30Ni0.18)73Cr17Zr10amorphousalloyribbon.(a)indentedwithloadof0.49N;(b)indentedwithloadof1.96N;(c)indentedwithloadof2.94N;(d)and(e)arethelocalenlargedviewsin(c)第1章材料的分类与力学性能由于各种硬度试验条件不同，因此相互间没有理论的换算关系。但根据试验结果，可获得如下粗略换算公式：当200-600HBS（HBW)时，HRC≈1/10HBS(HBW)当小于450HBS时，HBS≈HV当60-100HRB时，HRB≈1/2HV肖氏硬度:回跳硬度；努氏硬度：压力硬度；莫氏硬度：划痕硬度；锉刀硬度：划痕硬度；超声波硬度：压力硬度。4）其他硬度三、工程材料的其他性能第1章材料的分类与力学性能1.物理性能将在以后章节重点介绍。耐蚀性材料抵抗空气、水蒸气及其他化学介质腐蚀的能力。抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化的能力。2.化学性能3.工艺性能第1章材料的分类与力学性能载荷类型力学性能指标名称表示符号单位或范围内涵特点及用途静载荷强度（材料抵抗永久变形和断裂的能力）弹性极限σe