《工程材料与热成型》课件-1.测定工程材料的常见性能指标

所属丛书：高等职业教育（本科）机电类专业系列教材书

名：《工程材料与热成型》

主

编：张文灼赵宇辉

王林

ISBN：978-7-111-78188-2

出版社：机械工业出版社特

色：校企双元开发，融入大量工程实例、工程实物图，双色印刷，融入大量思政元素

配套PPT课件、仿真动画、WORD教案、课程标准、教学指南、模拟试卷及答案认识常用工程材料工程材料是指在机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。桥梁用钢玻璃钢赛车壳体桥梁用钢一、工程材料的分类（1）按化学组成分主要包括金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括纯金属与

合金，非金属材料包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料等；（2）按使用性能分分为结构材料和功能材料；（3）按使用领域分分为信息材料、能源材料、建筑材料、机械工程材料和生物材料。二、金属材料是以金属元素或金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。金属材料又可分为黑色金属材料和有色金属材料两类。金属材料是现代机械制造业的基本材料，广泛地应用于工业生产和生活用品制造。金属材料黑色金属材料主要指各类钢和铸铁是除黑色金属材料之外的其他金属材料的统称，主要指如铝、铜、锌、镁、铅、钛、锡等及其合金等。有色金属材料在工业生产中虽然具有一定的用途，但是由于它的强度、硬度一般都较低，而且冶炼技术复杂，价格较高，所以在使用上受到很大的限制。目前在工农业生产、建筑、国防建设中广泛采用的是合金状态的金属材料。纯金属钢制轧辊铝制管道三、合金材料是指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金属材料，如普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金，普通白铜是由铜和镍两种金属元素组成的合金，碳素钢是由铁元素和碳元素组成的合金。合金具有较好的力学性能，还可以通过调整合金的组成元素之间的比例，获得一系列性能不同的合金，从而满足生产中的不同需求。当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，而且使用量也不断增加，但到目前为止，在机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，主要是因为它具优良的使用性能和加工工艺性能。铝制管道普通黄铜测定材料的布氏硬度一、硬度通常材料越硬，其耐磨性越好。机械制造业所用的刀具、量具、模具等，都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和寿命。有些机械零件如齿轮、轴承等，也要求有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。硬度通常是指金属材料抵抗更硬物体压入其表面的能力，是金属抵抗其表面局部变形和破坏的能力，简单说就是材料的软硬程度。刀具轴承

目前常用的硬度测量方法是压入法，主要有布氏硬度试验、洛氏硬度试验和维氏硬度试验等，以布氏硬度、洛氏硬度应用较为广泛。二、布氏硬度

（1）原理与测定方法

布氏硬度试验原理如图所示，用直径为D的硬质合金钢球的压头，以压力F压入被测试样表面，保持规定时间后去除压力F，在试样表面留下球形压痕。依据球面压痕单位表面积（由尺寸d计算）上所承受的平均压力来测定布氏硬度值。布氏硬度常用符号HBW表示，可按下面公式计算：式中，F是试验的载荷力（N）；S是压痕面积（mm2）；D是压头直径（mm）；d是压痕直径（mm）。布氏硬度试验压痕

（2）特点一般来说，布氏硬度值越小，材料越软，其压痕直径越大；反之，布氏硬度值越大，材料越硬。布氏硬度测量的优点是具有较高的测量精度，压痕面积大，能在较大范围内反映材料的平均硬度，测得的硬度值也较准确，数据重复性强。

（3）应用布氏硬度测量法适用于铸铁、非铁合金、各种退火及调质的钢材，不宜测定太硬、太小、太薄和表面不允许有较大压痕的试样或工件。图

铸铁图

非铁合金

（4）试验规范硬度值的测定时，由于金属材料有硬有软，被测工件有厚有薄，有大有小，如果只采用一种标准的试验力F、加压保持时间和压头直径D，就会对某些材料和工件产生不适应的现象。因此新国标规定：试验力标准保持时间为10～15s（根据协议可延长）；试验力的选择应保证压痕直径在0.24D～0.6D之间并尽可能大的选择压头直径；试验力与硬质合金球直径二次方的比率（0.102F/D2）应根据材料和硬度选择。图

布氏硬度钢球压头（5）布氏硬度表达方法新国标规定布氏硬度采用如下表达方式：硬度值HBW硬质合金球直径（mm）/施加的实验力对应的kgf值/保持时间（如用标准值10-15s可省略）如600HBW1/30/20，代表压头直径为1mm的硬质合金球在30kgf（294.2N）试验力下保持20s测定的布氏硬度值为600。布氏硬度图像在线自动测量系统成功的真正秘诀在于兴趣。—杨振宁测定金属材料的强度什么是强度不同金属材料的强度指标，可通过拉伸试验和其他力学性能试验方法测定。金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。材料强度越高，可承受的载荷越大。实验前，将被测试的金属材料制成标准试样，将标准试样装夹在拉伸试验机上，然后对其逐渐施加拉伸载荷F，同时连续测量力和试样相应的伸长，直至试样被拉断，可得到拉力F与伸长量Δl的关系曲线图。

1、拉伸实验拉伸试样拉伸试验机

如图所示，即F-Δl拉伸曲线，纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示绝对伸长量Δl，单位为mm。

F-Δl拉伸曲线反映了金属材料在拉伸过程中从弹性变形到断裂的全部力学特性。1、拉伸实验F-Δl拉伸曲线试样所受的载荷大小超过e点后，材料除产生弹性变形外，开始出现塑性变形，拉力与伸长量之间不再保持正比关系，拉力达到图形中s点后，即使拉力不再增加，材料仍会伸长一定距离，即s点右侧的的接近水平或锯齿状的线段，此现象称为“屈服”，标志着材料在此处丧失了抵抗塑性变形的能力，并产生微量的塑性变形。s点所对应的应力Re称为屈服强度或屈服极限。（2）es——屈服阶段F-Δl拉伸曲线试样在外力作用下均匀伸长，伸长量与拉力大小保持正比关系，e点所对应的应力点为弹性极限。（1）Oe——弹性变形阶段由图可知，拉伸过程分为如下几个阶段：试样所受的载荷大小超过s点后，试样的变形随拉力的增大而逐渐增大，试样发生均匀而明显的塑性变形。

当试样所受的力达到k点后，试样在标距长度内直径明显地出现局部变细，即“缩颈”现象。缩颈F-Δl拉伸曲线（3）sb——塑性变形阶段（4）bk——缩颈阶段

由于截面积的减小，变形集中在“缩颈”处，试样保持持续拉长到断裂所需的拉力逐渐下降，在k点试样断裂。

指材料呈屈服现象时产生塑性变形而力不增加时的应力点，应区分上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。2、强度指标

根据外力作用方式的不同，强度有多种指标，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等，常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。（1）屈服强度Re（MPa）屈服强度是机械设计的主要依据，也是评定金属材料优劣的重要指标。计算公式为：上屈服强度下屈服强度ReH=FeH/S0ReL=FeL/S0式中，FeH是试样发生屈服而力首次下降前的最大力（N）；FeL是试样在屈服期间不计初始瞬时效应时的最小力（N）；S0是试样原始截面积（mm2）。

高碳钢、铸铁等无明显屈服现象的材料，用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为屈服强度，用Rp0.2表示，称为条件（名义）屈服强度。指材料抵抗外力而不致断裂的最大应力值，是机械零件评定和选材时的重要强度指标，计算公式为：

式中，Fm——试样在断裂前所受的最大外力（N）；S0

是试样原始截面积（mm2）。（2）抗拉强度Rm（MPa）Rm=Fm/S0

强度是材料的重要性能指标，一般零件使用时不允许发生塑性变形，也就是要求零件所受应力要小于屈服强度，所以选材设计的主要依据是屈服强度。

Re/Rm的值称为屈强比。屈强比越小，说明工程构件的屈服点距离断裂点越远，可靠性越高，也就是万一超载也不致于马上断裂。但屈强比小，材料强度有效利用率也低。成功的真正秘诀在于兴趣。—杨振宁许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。一、交变应力在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的抗拉强度甚至低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。二、金属的疲劳发动机曲轴弹簧疲劳断裂时并没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有预兆，而是突然破坏；引起疲劳断裂的应力很低，常常低于材料的屈服强度；

疲劳断裂的宏观断口一般有三个区域，即疲劳裂纹的策源地及扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分），如图所示。三、疲劳破坏的特征2.疲劳强度

3.疲劳破坏的原因机械零件之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷，如夹杂、划痕、显微裂纹等，这些地方的局部应力大于屈服强度，从而产生局部塑性变形而导致开裂。这些微裂缝随应力循环次数的增加而逐渐扩展，直至最后承载的截面减小到不能承受所加载荷而突然断裂。某型号螺纹疲劳破坏断口4.提高疲劳强度的措施合理选材，改善材料的结构形状，减少开孔、挖槽、切口等，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷；提高零件表面光洁度；对表面进行强化，喷丸处理，避免表面划伤、腐蚀等。另外要在可能发生疲劳破坏前采取相应保护措施，如更换或加固零部件等。成功的真正秘诀在于兴趣。—杨振宁金属材料在固态时所表现出来的一系列物理现象的性能称为物理性能。一、物理性能1.密度

物质单位体积的质量称为该物质的密度，用符号ρ表示，单位为kg/m3。

机械工程中通常用密度来计算材料或零件的质量（m=ρV）。体积相同的不同金属，金属密度越大质量也越大，密度越小质量也越小。材料密度kg/m3材料密度kg/m3灰铸铁（≤HT200）7.2×103铸钢7.8×103灰铸铁（≥HT350）7.35×103碳素钢7.85×103可锻铸铁7.35×103锰钢7.81×103球墨铸铁（7.0-7.4）×10320Cr、30Cr、40Cr7.82×103白口铸铁（7.0-7.7）×103铝2.7×103工业纯铁7.87×103铜8.9×103常见金属材料密度金属从固态转变为液态时的最低熔化温度称为熔点。2.熔点常见金属材料熔点材料熔点℃材料熔点℃灰铸铁（≤HT200）1200铸钢1425低碳钢1400-1500锡232黄铜950锌419青铜995镍1452铝658铁1539铅327铜1083钢铁熔化时的场景金属材料在受热时体积增大、冷却时体积缩小，这种热胀冷缩的性能称为热膨胀性。

例如利用材料的热膨胀性，可使过盈配合的两个零件紧固在一起或使原来紧配的两零件加热松弛而卸下；铺设铁轨时，两钢轨衔接处应留有一定的空隙，使钢轨在长度方向有伸缩的余量。3.热膨胀性两钢轨衔接处的空隙常见金属材料热膨胀系数材料al/10-6K-1材料al/10-6K-1铝24.9钨5.19钛9.2铸铁10.5-12铬10.6黄铜18.5-21铁16.7三氧化二铝8.8镍17.1铜17.18金属材料传导热量的能力称为导热性，金属材料的热导率越大，说明导热性越好。

4.导热性铝合金散热器常见金属材料导热系数材料导热系数W/mK材料导热系数W/mK金317锡64银429铅35铝237镍90铜401青铜32-153锌112钢36-54钛14.63黄铜70-183铸铁42-90铸铝138-147金属材料传导电流的能力称为导电性。金属及其合金具有良好的导电性能，银的导电性能最好，铜、铝次之，但银较贵，故工业上常用铜、铝及其合金作导电材料，如电线、电缆、电器元件等。导电性差、电阻率高的金属用来制造电阻器和电热元件。5.导电性电线、电缆电热元件

在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。

6.磁性

在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等，可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。铁磁性材料在温度升高到一定数值时，其磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770℃。（1）铁磁性材料（2）顺磁性材料

能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等，用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。

（3）抗磁性材料变压器及其内部硅钢片航海罗盘金属的化学性能是指金属在室温或高温下抵抗外界化学介质侵蚀的能力，主要包括耐腐蚀性和抗氧化性等。二、化学性能1.耐腐蚀性金属材料会与其周围的介质发生化学作用而使其表面被破坏，如钢铁的生锈，铜产生铜绿等，这种现象称为锈蚀或腐蚀，金属材料抵抗锈蚀或腐蚀的能力称为耐腐蚀性。

铁锈铜绿金属材料在高温下容易被周围环境中的氧气氧化而遭破坏，金属材料在高温下抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。

2.抗氧化性氧化铝板成功的真正秘诀在于兴趣。—杨振宁分析金属材料的工艺性能金属材料工艺性能的好坏直接影响制造零件的工艺方法、质量及成本。金属材料工艺性能包括：

熔融材料的流动能力称为流动性。主要受化学成分和浇注温度等因素的影响，流动性好的材料容易充满型腔，从而获得外形完整、尺寸精确和轮廓清晰