第一章材料的原子结合方式及性能

1、工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础第一章第一章 材料的原子结合材料的原子结合方式及性能方式及性能聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础第第1 1节节 固态物质的原子结合键固态物质的原子结合键第第2 2节节 工程材料的分类工程材料的分类第第3 3节节 工程材料的性能工程材料的性能聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础第一节 固态物质的原子结合键构成材料的基本单元?原子、分子或离子聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础

2、工程材料及机械制造技术基础性能性能内部构造内部构造原子种类和原子种类和数量数量原子的排列原子的排列方式和空间方式和空间分布分布成分成分组织组织结结构构聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体 （1）晶体晶体 固态下，原子或分子在空间上呈有序排列结构。固态下，原子或分子在空间上呈有序排列结构。 几乎所有金属、大部分的陶瓷以及一些聚合物。几乎所有金属、大部分的陶瓷以及一些聚合物。 特点：特点： 1）结构有序）结构有序（排列紧密、高对称性）排列紧密、高对称性） 2）物理性质表现为各向异性）物理性质表现为各

3、向异性 3）有固定的熔点）有固定的熔点 4）规则的几何外形）规则的几何外形长程有序长程有序聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础（2）非晶体非晶体：原子无序排列：原子无序排列 特点：特点： 1）结构无序）结构无序 2）物理性质表现为各向同性）物理性质表现为各向同性 3）没有固定的熔点）没有固定的熔点 4）热导率和热膨胀性小）热导率和热膨胀性小 5）塑性变形大）塑性变形大 6）组成的变化范围大）组成的变化范围大玻璃体玻璃体短程有序短程有序聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制

4、造技术基础（3） 晶体和非晶体间的相互转化晶体和非晶体间的相互转化n两者在某些条件下可以相互转化。两者在某些条件下可以相互转化。n金属液体在高速冷却的条件下，可以得到非晶态金金属液体在高速冷却的条件下，可以得到非晶态金属（金属玻璃）。属（金属玻璃）。n非晶态的玻璃经高温长时间加热又可形成晶体玻璃。非晶态的玻璃经高温长时间加热又可形成晶体玻璃。 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础硅表面原子排列硅表面原子排列 碳表面原子排列碳表面原子排列 非晶非晶 准晶准晶 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造

5、技术基础工程材料及机械制造技术基础二、原子间的结合力与结合能原子的结合能愈大，键的结合力愈强。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础三、原子间结合键的类型三、原子间结合键的类型结合键结合键离子键离子键共价键共价键金属键金属键分子键分子键聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning金属键金属键：依靠正离子与构成：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电子气的自由电子之间的静电引

6、力而使诸原子结合到一电引力而使诸原子结合到一起的方式。起的方式。金属晶体：金属晶体：导电性、导热性、导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金延展性好，熔点较高。如金属。属。金属键与金属晶体金属键与金属晶体聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础金属键示意图金属键示意图钼的结构钼的结构金属离子与金属原子最外层的自由电子结合形成金属离子与金属原子最外层的自由电子结合形成聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础特点：特点：n 在金属晶体中，价电子弥在金属晶体中，价电子弥漫在

7、整个体积内，所有的金漫在整个体积内，所有的金属离子皆处于相同的环境之属离子皆处于相同的环境之中，全部离子中，全部离子(或原子或原子)均可均可被看成是具有一定体积的圆被看成是具有一定体积的圆球，所以金属键球，所以金属键无所谓饱和无所谓饱和性和方向性性和方向性。 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础当两个相同的原子或性质相差不大的原子相互接近时，它们的原子间不会有当两个相同的原子或性质相差不大的原子相互接近时，它们的原子间不会有电子转移。此

8、时相邻原子各提供一个电子形成共用电子对，以达到稳定的电电子转移。此时相邻原子各提供一个电子形成共用电子对，以达到稳定的电子结构子结构共价键示意图共价键示意图金刚石结构金刚石结构 共价键与原子晶体共价键与原子晶体聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础 共价键与原子晶体共价键与原子晶体原子结合：原子结合：电子共用，结合力大，电子共用，结合力大，有方向性和饱和性有方向性和饱和性；原子晶体：原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、 脆性大、导电性差。如陶瓷材料。脆性大、导电性差。如陶瓷材料。 200

9、3 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础当正电性金属原子与负电性非金属原子形成化合物时，通过外层电子的当正电性金属原子与负电性非金属原子形成化合物时，通过外层电子的重新分布和正、负离子间的静电作用而相互结合，从而形成离子晶体重新分布和正、负离子间的静电作用而相互结合，从而形成离子晶体离子键示意图离子键示意图氯化钠结构氯化钠结构离子键与离子晶体离子键与离子

10、晶体聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础离子键与离子晶体离子键与离子晶体原子结合：原子结合：电子转移，结合力大，电子转移，结合力大，无方向性和饱和性无方向性和饱和性；离子晶体：离子晶体：硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。 如如NaCl。 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础特点：特点：n 在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固在离

11、子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色无色透明透明的。的。 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础 分子键与分子晶体分子键与分子晶体n范德瓦尔力：外层电子稳定的原子或分子之间存在范德瓦尔力：外层电子稳定的原子或分子之间存在的一种微弱结合力的一种微弱结合力n分子键：分子与分子通过偶极之间的吸引力结合在分子键：分子与分子通过偶极之间的吸引力结合在一起的方式一起的方式n

12、材料特点：弹性模量、强度、硬度、熔点均很低。材料特点：弹性模量、强度、硬度、熔点均很低。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础结合键种结合键种类类结构特结构特点点热力学性能热力学性能力学性能力学性能电学性能电学性能结合能结合能/（kJ/mol）金属键金属键无方向无方向性性熔点有高有低，熔点有高有低，导热性好，结导热性好，结晶温度范围宽晶温度范围宽硬度、强度有硬度、强度有高有低，有塑高有低，有塑性性导电性导电性良好良好113660共价键共价键方向性方向性明显明显熔点高，热膨熔点高，热膨胀系数小胀系数小强度高，硬度强度高，硬度大大绝

13、缘体，熔体为非导绝缘体，熔体为非导体体150712离子键离子键无方向无方向性，或性，或方向性方向性不明显不明显熔点高，热膨熔点高，热膨胀系数小胀系数小强度高，硬度强度高，硬度大，劈裂性良大，劈裂性良好好绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为导体5861047范德瓦尔范德瓦尔键键（分子键）（分子键）有方向有方向性性熔点低，热膨熔点低，热膨胀系数大胀系数大强度、硬度低强度、硬度低绝缘体，不导电绝缘体，不导电42表表1-1不同结合键能的比较不同结合键能的比较由表可知，离子键结合能最高，共价键其次，金属键第三，范德瓦尔键最弱。因此，具有不同结合键的材料的特性也有明显的差异。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学

14、机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础第二节 工程材料的分类2、按结晶状态分：、按结晶状态分：单晶体材料单晶体材料多晶体材料多晶体材料非晶体材料非晶体材料1、按用途分：、按用途分：建筑材料建筑材料电工材料电工材料结构材料结构材料3、按物理性能分：、按物理性能分：半导体材料、磁性材料、激光材料、热电材料、半导体材料、磁性材料、激光材料、热电材料、压电材料、压敏材料、声电材料、光电材料等等压电材料、压敏材料、声电材料、光电材料等等聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础本课程主要研究：用于机械结构和机械

15、零件的本课程主要研究：用于机械结构和机械零件的 机械工程材料机械工程材料 。机械工程材料机械工程材料金属材料金属材料高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料黑色金属黑色金属有色金属有色金属铸铁铸铁碳钢碳钢合金钢合金钢铝合金铝合金铜合金铜合金其它有色金属其它有色金属塑料塑料橡胶橡胶合成纤维合成纤维传统陶瓷传统陶瓷特种陶瓷特种陶瓷金属基复合材料金属基复合材料高分子基复合材料高分子基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础一、金属材料一、金属材料 n金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以

16、金属为基的合金。最简单的金属材料是纯金属。工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，皆为金属晶体材料。n工业上把金属和其合金分为两大部分：（1）黑色金属）黑色金属 铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)； （2）有色金属）有色金属 黑色金属以外的所有金属及其合金。 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础二、高分子材料二、高分子材料 n高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。它具有较高的强度强度，良好的塑性塑性，较强的耐腐

17、蚀耐腐蚀性性能，很好的绝缘性绝缘性，以及重量轻轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。n工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类：塑塑料、合成纤维、橡胶。料、合成纤维、橡胶。 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础n特点特点n高分子材料它具有良好的塑性、较强的耐蚀性、很好的电高分子材料它具有良好的塑性、较强

18、的耐蚀性、很好的电绝缘性、重量轻、减振性好及密度小等优良性能绝缘性、重量轻、减振性好及密度小等优良性能n和无机非金属材料一样，高分子材料按其分子链排列有序和无机非金属材料一样，高分子材料按其分子链排列有序与否，可分为结晶聚合物和无定形聚合物两类与否，可分为结晶聚合物和无定形聚合物两类n结晶聚合物的强度较高，结晶度取决于分子链排列的有序结晶聚合物的强度较高，结晶度取决于分子链排列的有序程度程度聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础三、陶瓷材料三、陶瓷材料 n陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的化合物n陶瓷具有高熔

19、点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点 n缺点是脆性脆性很大。 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础四、复合材料四、复合材料 n由两种或两种以上不同材料的组合而成，其性能优于其组成材料 钛基复合材料钛基复合材料 橡塑复合材料橡塑复合材料 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础第三节第三节 工程材料的性能工程材料的性能v使用性能：使用性能：材料在使用条件下所表现出来

20、的性能，包括力学、物理和化学性能。v工艺性能：工艺性能：制造工艺过程中，材料适应加工的能力。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础 一、力学性能一、力学性能 材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。料在受力时的行为。&描述材料变形行为的指标是描述材料变形行为的指标是应力应力 和和应变应变 。 单位面积上的单位面积上的作用力作用力 单位长度的单位长度的变形变形聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础

21、0AF l0试样的原始标距长度；试样的原始标距长度； l试样受力变形后的标距长度。试样受力变形后的标距长度。%10000lllF所加载荷（所加载荷（N）；）；A0试样的原始截面积（试样的原始截面积（mm2）；）；MPa聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础断裂断裂韧性韧性疲劳疲劳冲击冲击韧性韧性硬度硬度强度强度塑性塑性力学力学性能性能材料的力学性能包括哪些？聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础1、拉伸实验（ GB6397-1986 ）在拉伸试验机上，使试样承受轴

22、向拉力P并使试样缓慢拉伸，直至试样断裂。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础图图1 1 标准拉伸试样标准拉伸试样图图2 2 拉伸试样出现颈缩现象拉伸试样出现颈缩现象图图3 3 拉伸式样断裂拉伸式样断裂图图4 4 断口低倍放大像（断口低倍放大像（SEMSEM）图图5 5 断口高倍放大像（断口高倍放大像（SEMSEM）聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础屈服屈服强度强度力力伸长曲线伸长曲线b屈服屈服弹弹性性变变形形断裂断裂塑塑性性变变形形 （F）LOaefc缩颈缩

23、颈抗拉抗拉强度强度弹性弹性极限极限bse延伸率：延伸率：断面收缩率：断面收缩率：OOLLLAuOOSSSZuA A2-5% 2-5% 属脆性材科属脆性材科A5-10% A5-10% 属韧性材料属韧性材料A10% A10% 属塑性材料属塑性材料0.2聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础1）刚性指标 ：弹性模量E 单位：GPa 刚度是指金属材料受外力作用时，抵抗弹性变形的能力在弹性范围内，应力与应变的比值称为弹性模量，用符号E表示Ea. E越大，表示在一定的应力作用下弹性变形越小，即刚度越大。b. E的大小主要决定于材料的原子结合

24、力，即E是材料是固有属性。c. 相同材料的零件，截面尺寸大的不易发生弹性变形。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础eeO低碳钢应力低碳钢应力-应变曲线应变曲线oe：弹性变形阶段：弹性变形阶段n 试样的应力与应变成试样的应力与应变成正比。正比。n 卸去载荷，试样伸卸去载荷，试样伸长量消失，试样恢复长量消失，试样恢复原状。原状。 e：弹性极限弹性极限聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础2）强度指标 ：屈服强度s 抗拉强度b单位：MPa(N/mm2)强度是指金属材料

25、在外力作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力屈服强度s：金属材料发生屈服现象时的屈服极限。表征材料抵抗微量塑性变形的能力。抗拉强度b：金属材料拉断前所能承受的最大应力。00FPFPbbss 脆性材料拉伸曲线上没有水平线段，难确定屈服点S，规定试样产生0.2%残余塑性变形时的应力值,称为该材料的条件屈服强度bs/屈强比，其值一般0.65-0.75。屈强比越小，工程构件的可靠性越高。屈强比越大，材料强度利用率越高，但可靠性降低。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础bsOsb低碳钢应力低碳钢应力-应变曲线应变曲线sb：强化阶段：强化阶段b

26、：抗拉强度抗拉强度 表示材料对最大均表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。匀塑性变形的抗力。 试样发生明显而均试样发生明显而均匀的塑性变形。匀的塑性变形。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础bOZb低碳钢应力低碳钢应力-应变曲线应变曲线bz：缩颈阶段：缩颈阶段 试样开始发生不均匀塑性试样开始发生不均匀塑性变形并形成变形并形成缩颈缩颈，应力下，应力下降，最后断裂。降，最后断裂。z聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院

27、工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础1000MPA46%13%41%420MPA220MPA 汽车车身各部位用钢量及用钢强度（ ）0.2聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础3）塑性指标 ：伸长率 、断面收缩率 %100001LLL%100010FFF应用中：10试样 L0=10d0 5 试样 L0=5d0金属材料因具有一定的塑性才能进行各种变形加工，并且零件在使用中偶然过载，将产生一定塑性变形，而不致突然断裂，从而提高了零件使用的可靠性。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术

28、基础工程材料及机械制造技术基础seeOs低碳钢应力低碳钢应力-应变曲线应变曲线es：塑性变形阶段：塑性变形阶段 （屈服阶段）（屈服阶段） 应力与应变间不再成正比，应力与应变间不再成正比，出现出现屈服齿屈服齿。 卸去载荷，试样的变形只卸去载荷，试样的变形只能部分恢复，保留一部分能部分恢复，保留一部分残残余变形。余变形。 载荷不增加时，试样的载荷不增加时，试样的变形量仍变形量仍自动增大自动增大。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础seeOs低碳钢应力低碳钢应力-应变曲线应变曲线es：塑性变形阶段：塑性变形阶段 （屈服阶段）（屈服阶

29、段）s：屈服强度（屈服点）屈服强度（屈服点） 对于无明显屈服的对于无明显屈服的塑性材料，规定以产塑性材料，规定以产生生0.2%残余变形的残余变形的应力值为其屈服极限。应力值为其屈服极限。0.2：名义屈服强度名义屈服强度聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础bseeOszboe：弹性变形阶段弹性变形阶段es：塑性变形阶段塑性变形阶段 （屈服阶段）（屈服阶段）sb：强化阶段强化阶段bz：缩颈阶段缩颈阶段z：断裂断裂低碳钢应力低碳钢应力-应变曲线应变曲线聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程

30、材料及机械制造技术基础2.硬度硬度:材料抵抗另一硬物压入其内的能力， 即受压时抵抗局部变形（特别是塑性变形、压痕或划痕）的能力。 洛氏硬度 HR维氏硬度 HV布氏硬度 HB 常用硬度指标常用硬度指标聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础（1 1） 布氏硬度（布氏硬度（HB) HB) 一定直径一定直径D D的球体的球体( (淬火淬火钢球或硬质合金球钢球或硬质合金球) )在一在一定载荷作用下压入试样表定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除面，保持一定时间后卸除载荷，测量其载荷，测量其压痕直径压痕直径，根据压痕面积，确定硬度根据

31、压痕面积，确定硬度大小。大小。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础（1 1） 布氏硬度（布氏硬度（HB) HB) v 布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受 的平均压力来表示。的平均压力来表示。v 当用淬火钢球压头时当用淬火钢球压头时，450，HBS。 当用硬质合金球时，当用硬质合金球时，450600，HBW。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础布氏硬度实验示意图布氏硬度实验示意图聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽

32、车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图 222()0.102()FHBS HBWD DDd注意注意： FN； D、dmm。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础n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，其压痕直径越小。n优点：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。n缺点：布氏硬度使材料表面压痕大，不宜测成品或薄片的硬度，常测铸铁、有色金属、低合金结构钢等坯料

33、硬度。 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础（2 2） 洛氏硬度洛氏硬度HRHRn将金刚石压头将金刚石压头( (或钢球压头或钢球压头), ), 在先后施加两个载荷在先后施加两个载荷( (预预载荷载荷F F0 0和总载荷和总载荷F F ) )的作用下压入金属表面。的作用下压入金属表面。n总载荷总载荷F F 为预载荷为预载荷F F0 0和主载荷和主载荷F F1 1之和。之和。n卸去主载荷卸去主载荷F F1 1后后, , 测量其残余压入深度测量其残余压入深度h h，用用h h与与h h0 0之之差差h h，来计算硬度值大小。来计算硬

34、度值大小。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础洛氏硬度测量原理图洛氏硬度测量原理图 n测试过程n硬度和压痕深度的关系？n材料硬，压坑深度浅，则硬度值高；材料软，压坑深度深，则硬度值低。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础洛氏硬度压痕聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础根据试验材料硬度的不同，分3种不同的标度来表示：nHRA：采用60kg载荷和钻石锥压入器求得硬度 用于硬度极高的材料(如硬质合金

35、等)。nHRB：采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得硬度 用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。nHRC：采用150kg载荷和钻石锥压入器求得硬度 用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础（3） 维氏硬度维氏硬度HV维氏硬度试验原理2285441682dF.sindFSFoHV=F试验力，单位为N（kgf）。d压痕对角线长度的平均值（mm）。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础维氏硬度实验示意图维氏硬度实验示意图（

36、3） 维氏硬度维氏硬度HV维氏硬度计维氏硬度压痕聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础优点：优点：n压痕是压痕是正方形正方形，轮廓清晰，对角线测量准确，轮廓清晰，对角线测量准确，精度最高精度最高的，同时的，同时重复重复性也很好性也很好，这一点比布氏硬度计优越。，这一点比布氏硬度计优越。n 测量测量范围宽广范围宽广，可以测量目前工业上所用到的，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料几乎全部金属材料。n维氏硬度计试验的试验力可以小到维氏硬度计试验的试验力可以小到10gF，压痕非常小，特别适合，压痕非常小，特别适合测测试薄小材料试

37、薄小材料。 缺点：缺点：n试验试验效率低效率低，要求较高的，要求较高的试验技术试验技术，对于试样表面的，对于试样表面的光洁度光洁度要求较高，要求较高，通常需要制作专门的试样，操作通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时麻烦费时，通常只在实验室中使用。，通常只在实验室中使用。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础（4）其他硬度（自学）a肖氏硬度 又名回跳硬度。b莫氏硬度 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础动载主要两种形式:n载荷以较高速度施加到零件上,形成冲击，如冲

38、头；n载荷大小和方向呈周期性变化，形成交变载荷，如齿轮。3、冲击韧性 ： 冲击韧性ak冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下，抵抗断裂的能力聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础冲击实验（GB 229-84） k=G(H1-H2)*9.8/S (J/m)式中：k冲击韧度值； G 实验机摆锤质量； H1摆锤原始高度； H2冲断试样后摆锤的终止摆动高度； S试样断口处的横截面积。冲击韧性的大小与材料成分、环境温度、缺口形状、试样大小等有关。）（2cmkkaJSA k越大，冲击韧性越大聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院

39、工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础T(c)-40-20020204060ak韧脆转变温度韧脆转变温度TT，a ak k急剧急剧韧性韧性脆性脆性n金属材料的韧脆转变温度越金属材料的韧脆转变温度越低，材料的低温冲击韧性愈好。低，材料的低温冲击韧性愈好。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic近代船用钢板冲击实验结果对比冲击实验结果对比建造中的Titanic聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础4

40、、断裂韧性n低应力脆断：有些零件在工作应力远远低于屈服点时就会发生脆性断裂。n裂纹原因n韧性脆断的评定当当K K1 1达到临界值（断裂韧度）达到临界值（断裂韧度）K K1C1C时时，零件内裂纹将发生失稳，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而扩展而出现低应力脆性断裂，而K K1 1K K1C1C时时，零件安全可靠。，零件安全可靠。KI=aYY为与裂纹形状、加载方式及试样尺寸有关的量；为外加拉应力，单位为MPa；a为裂纹长度的一半，单位为m。 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础裂纹扩展可分为张开型裂纹扩展可分为张开型

41、(型型)、滑开型、滑开型(型型)和撕开型和撕开型(型型)聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础5、疲劳强度n零件在循环应力的作用，即使工作时承受应力低于材料的屈服点或规定残余伸长应力，在经受一定的交变应力后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳。n疲劳极限-1:表示金属材料在无数次交变载荷作用而不破坏的最大应力。循环次数（N）应力 (Mpa)N-1有限寿命有限寿命无限寿命无限寿命钢材的循环次数钢材的循环次数 N = 10N = 107 7有色金属的循环次数有色金属的循环次数 N = 10N = 108 8聊城大学机械与汽车工程学院聊

42、城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础夹杂物放射棱线和疲劳弧线夹杂物放射棱线和疲劳弧线疲劳源疲劳源瞬断区瞬断区扩展区扩展区高周疲劳断口高周疲劳断口 航空涡喷航空涡喷6 6发动机叶片疲劳断口发动机叶片疲劳断口 （歼击机）（歼击机）叶片疲劳条带叶片疲劳条带聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础 汽轮机机组第10级动叶片断裂失效A裂源区裂源区B疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区C瞬时断裂区瞬时断裂区D剪切纯区剪切纯区聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及

43、机械制造技术基础二、物理性能（补充）二、物理性能（补充） 密度密度熔点熔点热容热容热膨胀性热膨胀性导热性导热性磁性磁性导电性导电性介电常数介电常数 物物理理性性能能聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础1. . 密度密度 ：单位体积物质的质量。单位体积物质的质量。 轻金属：铝、镁、钛及它们的合金轻金属：铝、镁、钛及它们的合金 重金属：铁、铅、钨等重金属：铁、铅、钨等2. . 熔点熔点 ：材料的熔化温度。材料的熔化温度。 纯金属都有固定的熔点。纯金属都有固定的熔点。3. . 热容热容 ：在没有体积变化时，温度变化在没有体积变化时，

44、温度变化1 1时材料时材料热量的变化。热量的变化。聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础 4. 热膨胀性热膨胀性 ：材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性。：材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性。 线膨胀系数：线膨胀系数：每变化每变化时，引起材料长度上时，引起材料长度上相对膨胀相对膨胀量量的大小。的大小。 体膨胀系数：体膨胀系数：每变化每变化时，材料体积的变化和摄氏零时，材料体积的变化和摄氏零度时体积的比值。度时体积的比值。03LVLllt注意注意：各个参数的量纲。：各个参数的量纲。 lm聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工

45、程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础5. 导热性导热性 ：导热性通常用热导率来衡量。导热性通常用热导率来衡量。n金属的导热性以银为最好金属的导热性以银为最好, 铜、铝次之。合金的导铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。热性比纯金属差。n在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性。性。n导热性好的金属散热也好。导热性好的金属散热也好。6. 导电性导电性 ：传导电流的能力，用电阻率来衡量。传导电流的能力，用电阻率来衡量。n金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电性比纯金属差。 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础7. 磁性：磁性：材料在磁场中的性能。材料在磁场中的性能。 磁性材料按照磁化后去磁的难易程度，可分为软磁性材料按照磁化后去磁的难易程度，可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁性材料和硬磁性材料。 8. 介电常数：表示介电常数：表示绝缘材料电性能的物理量。绝缘材料电性能的物理量。 聊城大学机械与汽车工程学院聊城大学机械与汽车工程学院工程材料及机械制造技术基础工程材料及机械制造技术基础三、化学性能三、化学性能 耐腐蚀性耐腐蚀性高温抗氧化性高温抗氧