第1章 材料的种类与性能

1、1工程材料按组成分类的种类及其应用范围；材工程材料按组成分类的种类及其应用范围；材料的性能（使用性能和工艺性能）的概念；力料的性能（使用性能和工艺性能）的概念；力学性能是最重要的使用性能指标及其相应的实学性能是最重要的使用性能指标及其相应的实验方法。验方法。力学性能指标及其相应的实验方法。力学性能指标及其相应的实验方法。2一、材料的概念一、材料的概念材料是材料是指人类用于制造物品、器件、构件、机器或指人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学质都可以称为材料。如燃料和化

2、学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。品、食物和药物，一般都不算是材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。大支柱。20世纪世纪80年代以高技术群为代表的新技年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。新技术革命的重要标志。3材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。由材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。由于材料多种多样，分类方法也就没

3、有一个统一标准。常于材料多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。常见的工程材料按组成分类如下：见的工程材料按组成分类如下：4二、工程材料简介二、工程材料简介1、金属材料、金属材料指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。由于金属材料具有良好的力学性能、物理性属材料等。由于金属材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，能采用比较简便和经济的工能、化学性能及工艺性能，能采用比较简便和经济的工艺方法制成零件，因此金属材料是目前应用

4、最广泛的材艺方法制成零件，因此金属材料是目前应用最广泛的材料之一。料之一。2、高分子材料、高分子材料高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合包括塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料等。因其原料丰富、成本低、加工方便等优点，发材料等。因其原料丰富、成本低、加工方便等优点，发展极其迅速，目前已在工业上得到广泛应用。展极其迅速，目前已在工业上得到广泛应用。53、无机非金属材料、无机非金属材料以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合

5、物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料，主要有陶瓷材料、水泥、玻璃和耐火材料等。成的材料，主要有陶瓷材料、水泥、玻璃和耐火材料等。它具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化它具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性以及高硬度和良好的耐压性，且原料丰富，应用日趋性以及高硬度和良好的耐压性，且原料丰富，应用日趋广泛。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料广泛。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。并列的三大材料之一。4、复合材料、复合材料由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的由

6、两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。即由基体材料方法，在宏观上组成具有新性能的材料。即由基体材料(金属、树脂、陶瓷金属、树脂、陶瓷)和增强相和增强相(颗粒、纤维、晶须颗粒、纤维、晶须)复合复合而成。其既有组成材料的特性，又有组成后的新特性。而成。其既有组成材料的特性，又有组成后的新特性。65、功能材料、功能材料指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元效

7、应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。及国防建设的基础和先导。当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光电材料、信息材料、能源转超导材料、微电子材料、光电材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新

8、月异的发展之中，发展功分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。势的重要手段。78一、材料的性能一、材料的性能1、工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。、工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。(1) 使用性能：是保证零件的正常工作应具备的性能，使用性能：是保证零件的正常工作应具备的性能，主要包括材料的力学性能、物理性能、化学性能等。主要包括材料的力学性能、物理性能、化学性能等。工程材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围和寿命。工程材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围和寿命。对绝

9、大多数工程材料来说，其力学性能是最重要的使用对绝大多数工程材料来说，其力学性能是最重要的使用性能。性能。(2) 工艺性能：是材料在被加工过程中适应各种冷热加工艺性能：是材料在被加工过程中适应各种冷热加工的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处工的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。在设计零件和选择工艺方法理性能、切削加工性能等。在设计零件和选择工艺方法时，要考虑材料的工艺性能。时，要考虑材料的工艺性能。92、力学性能、力学性能选材的主要依据选材的主要依据是指在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或是指在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力

10、涉及应力应变关系的性能，通俗地讲是指材料抵抗外应变关系的性能，通俗地讲是指材料抵抗外力引起的变形和破坏的能力。力引起的变形和破坏的能力。以试验温度区分，可分为高温力学性能、常温力学性能以试验温度区分，可分为高温力学性能、常温力学性能和低温力学性能。和低温力学性能。材料在加工或使用过程中所受的外力称为载荷。根据载材料在加工或使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质不同，可分为静载荷、冲击载荷、疲劳载荷荷作用性质不同，可分为静载荷、冲击载荷、疲劳载荷三种。三种。静载荷：大小不变或变化很慢的载荷。静载荷：大小不变或变化很慢的载荷。冲击载荷：突然增加或消失的载荷。冲击载荷：突然增加或消失的载荷。

11、疲劳载荷：周期性的动载荷。疲劳载荷：周期性的动载荷。10二、静载时材料的力学性能指标二、静载时材料的力学性能指标静载是指对试样缓慢加载，最常用的静载试验有拉伸、静载是指对试样缓慢加载，最常用的静载试验有拉伸、压缩、硬度、弯曲、扭转等，利用这些不同的试验，可压缩、硬度、弯曲、扭转等，利用这些不同的试验，可测得材料的各种力学性能指标。测得材料的各种力学性能指标。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度、常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度等。疲劳强度等。l 应力：材料在任一时刻所受的力除以横截面积之商。应力：材料在任一时刻所受的力除以横截面积之商。用用 ( (sigm

12、a) )表示表示，即：即： = F/A。 l 变形：金属在外力的作用下尺寸和形状的变化。变形：金属在外力的作用下尺寸和形状的变化。l 弹性变形：去除外力后，物体能完全恢复原状的变化。弹性变形：去除外力后，物体能完全恢复原状的变化。l 塑性变形：当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，塑性变形：当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，而产生的永久变形。而产生的永久变形。11sbep 1、强度强度(strength) 材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能力。力。按照载荷作用方式的不同，强度可分为抗拉强度、按照载荷作用方式的不同，强度可分为抗拉

13、强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。工程上常用的金属材抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。工程上常用的金属材料的强度指标有屈服强度料的强度指标有屈服强度( ( s) )和抗拉强度和抗拉强度( ( b) ) 。 载荷载荷- -伸长量示意图伸长量示意图 应力应力- -应变示意图应变示意图p 比例极限比例极限e 弹性极限弹性极限s 屈服极限屈服极限b 强度极限强度极限12(1) 拉伸曲线拉伸曲线材料性质不同，拉伸曲线形状也不尽相同。以上图为例：材料性质不同，拉伸曲线形状也不尽相同。以上图为例：OPE弹性变形阶段弹性变形阶段：试样的伸长量与载荷成正比增：试样的伸长量与载荷成正比增加，卸载可完全复原。加，卸载

14、可完全复原。Fe是弹性变形的最大拉力。是弹性变形的最大拉力。ES屈服阶段屈服阶段：当载荷：当载荷Fe时，弹性变形时，弹性变形+塑性变形，塑性变形，若卸载，试样部分恢复；当载荷若卸载，试样部分恢复；当载荷=Fe时，图形上出现平台，时，图形上出现平台，即载荷不增加而试样继续伸长，材料丧失了抵抗变形的即载荷不增加而试样继续伸长，材料丧失了抵抗变形的能力，此现象即称为屈服。能力，此现象即称为屈服。Fs称为屈服载荷。称为屈服载荷。SB均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段：载荷：载荷Fs时，试样明显塑性时，试样明显塑性变形，伸长量随载荷增加而增大。变形，伸长量随载荷增加而增大。Fb是最大载荷。是最大载荷。BK

15、缩颈阶段缩颈阶段：载荷达到最大值：载荷达到最大值Fb后，试样局部开始后，试样局部开始急剧缩小，出现急剧缩小，出现“缩颈缩颈”现象，由于截面积减小，试样现象，由于截面积减小，试样变形所需的载荷也随之降低，至变形所需的载荷也随之降低，至K点发生断裂。点发生断裂。13拉伸试样的颈缩拉伸试样的颈缩拉伸试样拉伸试样万能材料试验机万能材料试验机 14低碳钢拉伸时的应力应变曲线低碳钢拉伸时的应力应变曲线 15低碳钢拉伸低碳钢拉伸试样试样 16(2) 弹性极限弹性极限 e和弹性模量和弹性模量E在拉伸曲线上，在拉伸曲线上，E点之前产生的变形是可以恢复的，称点之前产生的变形是可以恢复的，称为弹性变形。为弹性变形。

16、E点所对应弹性变形的最大应力称为弹性点所对应弹性变形的最大应力称为弹性极限，用极限，用 e表示，单位为表示，单位为MPa。弹性极限弹性极限 e：(elastic limit) Fe对应于对应于E点的外力，点的外力，N。 A0材料的原始横截面面积，材料的原始横截面面积，mm2。弹性模量弹性模量E (elastic modulus)材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量，用量，用E表示，单位为表示，单位为GPa。弹性模量表征材料产生弹性变形的难易程度，其在工程弹性模量表征材料产生弹性变形的难易程度，其在工程上称为材料的刚度。主要取决于材料

17、内部原子间作用力。上称为材料的刚度。主要取决于材料内部原子间作用力。0AFeeE17(3) 强度强度指标指标金属材料的强度是用应力来衡量的，单位截面积上的内金属材料的强度是用应力来衡量的，单位截面积上的内力称为应力，用力称为应力，用 表示。常用的强度指标有屈服强度和抗表示。常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。拉强度。屈服点屈服点 s：(yield strength) 材料产生屈服时的最小应力，单位为材料产生屈服时的最小应力，单位为Mpa。 Fs材料发生屈服现象时的力。材料发生屈服现象时的力。 A0材料的原始横截面面积。材料的原始横截面面积。对于无明显屈服现象的金属材料（如铸铁、高碳钢等）对于无

18、明显屈服现象的金属材料（如铸铁、高碳钢等）测定测定 s很困难，通常规定产生很困难，通常规定产生0.2%塑性变形时的应力作塑性变形时的应力作为条件屈服点，用为条件屈服点，用 0.2表示：表示： 0.2=F0.2/ /A0 0AFss018屈服强度的测定屈服强度的测定19抗拉强度抗拉强度 b (tensile strength) 表示材料抵抗外力而不致断裂的最大应力表示材料抵抗外力而不致断裂的最大应力，单位为，单位为Mpa Fb最大的载荷。最大的载荷。 A0材料的原始截面面积。材料的原始截面面积。应用：汽缸的密封、钢绳吊重物、机车的牵引等。应用：汽缸的密封、钢绳吊重物、机车的牵引等。强度意义：强度

19、意义：l 一般机械零件或工具使用时，不允许发生塑性变形，一般机械零件或工具使用时，不允许发生塑性变形，故屈服点故屈服点 s是机械设计强度计算的主要依据。是机械设计强度计算的主要依据。l 抗拉强度代表材料抵抗拉断的能力，若应力大于抗拉抗拉强度代表材料抵抗拉断的能力，若应力大于抗拉强度，则会发生断裂而造成事故。强度，则会发生断裂而造成事故。 l s/ / b屈强比：越小屈强比：越小, ,可靠性越高；越大可靠性越高；越大, ,可靠性越低。可靠性越低。 AFbb020蠕变极限蠕变极限 n金属材料在高温长期工作时，在一定应力下，会随着时金属材料在高温长期工作时，在一定应力下，会随着时间的延长缓慢地不断发

20、生塑性变化的现象，称为间的延长缓慢地不断发生塑性变化的现象，称为“蠕变蠕变”现象。现象。例如，高温高压蒸汽管道虽然其承受的应力远小于工作例如，高温高压蒸汽管道虽然其承受的应力远小于工作温度下材料的屈服点，但在长期的使用中则会产生缓慢温度下材料的屈服点，但在长期的使用中则会产生缓慢而连续的变形使管径日趋增大，最后可能导致破裂。而连续的变形使管径日趋增大，最后可能导致破裂。l 材料在高温条件下抵抗这种缓慢塑性变形的能力，用材料在高温条件下抵抗这种缓慢塑性变形的能力，用蠕变极限蠕变极限n表示。表示。l 蠕变极限是指试样在一定温度下和在规定的持续时间蠕变极限是指试样在一定温度下和在规定的持续时间内，产

21、生的蠕变变形量（总的或残余的）或第内，产生的蠕变变形量（总的或残余的）或第阶段的阶段的蠕变速度等于某规定值时的最大应力。蠕变速度等于某规定值时的最大应力。 212、塑性塑性(plasticity)金属材料在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力称金属材料在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力称为塑性。表示材料的塑性指标是：延伸率为塑性。表示材料的塑性指标是：延伸率 ( (delta) )和断面和断面收缩率收缩率( (psi) )；对于塑性差的材料，用；对于塑性差的材料，用 0.2来代替来代替 s；塑；塑性指标也是通过拉伸试验测定的。性指标也是通过拉伸试验测定的。断后伸长率断后伸长率 ：(spec

22、ific elongation)试样拉断后，标距长度的相对伸长值。试样拉断后，标距长度的相对伸长值。 L Lk拉断后的长度。拉断后的长度。 L L0原来的试样长度。原来的试样长度。注意：注意：长、短试样测出的长、短试样测出的 值不相同的，断后伸长率分别值不相同的，断后伸长率分别用用 10和和 5表示，通常表示，通常 10也写为也写为 。L L0=5d0 5= ；L L0=10d0 10= 55%塑性材料、塑性材料、 55脆性材料。脆性材料。%10000LLLk22断面收缩率断面收缩率：(percentage reduction in area)拉伸试样拉断后试样截面积的收缩率。拉伸试样拉断后试

23、样截面积的收缩率。 A0原截面面积。原截面面积。 Ak断口处断面面积。断口处断面面积。断面收缩率不受试样尽寸的影响，可更可靠的反映材料断面收缩率不受试样尽寸的影响，可更可靠的反映材料的塑性大小。的塑性大小。塑性的意义：塑性的意义：和和的数值越大，表明材料的塑性越好。的数值越大，表明材料的塑性越好。塑性良好的金属可进行各种塑性加工。塑性良好的金属可进行各种塑性加工。 10% 属塑性材料属塑性材料总结：总结： 和和越大，塑性越好，越易变形还不会断裂。越大，塑性越好，越易变形还不会断裂。 %10000AAAk23新标准新标准（GB/T228-2002）旧标准旧标准（GB/T228-1987）性能名称

24、性能名称符号符号性能名称性能名称符号符号屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度s上屈服强度上屈服强度ReH下屈服强度下屈服强度ReL规定残余延伸强度规定残余延伸强度Rr例如例如Rr0.2屈服强度屈服强度0.2抗拉强度抗拉强度Rm抗拉强度抗拉强度b断后伸长率断后伸长率 A断后伸长率断后伸长率5 A11.310断面收缩率断面收缩率 Z断面收缩率断面收缩率金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照表金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照表 243、硬度硬度(hardness) 定义：定义：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力。的能力。l 衡量：

25、布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。衡量：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。l 硬度测量的应用：硬度测量具有简便、快捷；不破坏硬度测量的应用：硬度测量具有简便、快捷；不破坏试样试样( (非破坏性试验非破坏性试验) )；硬度能综合反映材料的强度等其；硬度能综合反映材料的强度等其他力学性能；硬度与耐磨性具有直接关系，硬度越高，他力学性能；硬度与耐磨性具有直接关系，硬度越高，耐磨性越好。所以硬度测量应用极为广泛，常把硬度标耐磨性越好。所以硬度测量应用极为广泛，常把硬度标注于图纸上，作为零件检验、验收的主要依据。注于图纸上，作为零件检验、验收的主要依据。 l 测量方法：可采用压入法、加弹法、划痕法等测量方测

26、量方法：可采用压入法、加弹法、划痕法等测量方法。生产中常用压入法法。生产中常用压入法( (有布氏硬度法、洛氏硬度法、维有布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法等氏硬度法等) )。 25布氏硬度：布氏硬度：HB(Brinell-hardness)(HBS、HBW) 试验：试验：GB84。一定直径的淬火钢球。一定直径的淬火钢球(HBS)或硬质合金球或硬质合金球(HBW)，规定的载荷及时间后。，规定的载荷及时间后。 当载荷当载荷F，压头球体直径，压头球体直径D一定时，布氏硬度值仅与压痕一定时，布氏硬度值仅与压痕直径直径d有关。有关。d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。越小，布氏硬度值越大，硬度越高。在实际

27、测量中，布氏硬度值可以通过测量压痕平均直径在实际测量中，布氏硬度值可以通过测量压痕平均直径d查表得到。查表得到。l 应用：淬火钢球用以测定硬度应用：淬火钢球用以测定硬度450的金属材料，其硬的金属材料，其硬度值以度值以HBS表示。布氏硬度在表示。布氏硬度在450650之间的材料，压之间的材料，压头用硬质合金球，其硬度值用头用硬质合金球，其硬度值用HBW表示。表示。)(2102. 0102. 0102. 0)(22dDDDFDhFSFHBWHBS26l 布氏硬度特点：布氏硬度特点：优点：测量数值稳定，准确，能较真实地反映材料的平优点：测量数值稳定，准确，能较真实地反映材料的平均硬度。缺点：压痕较

28、大，操作慢，不适用批量生产的均硬度。缺点：压痕较大，操作慢，不适用批量生产的成品件和薄形件。成品件和薄形件。l 布氏硬度的书写方式：布氏硬度的书写方式：硬度符号硬度符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。、载荷及载荷保持时间。120HBS10/1000/30，表示直径为表示直径为10mm的钢球，在的钢球，在1000kgf载荷作用下保持载荷作用下保持30s，测得的布氏硬度值为，测得的布氏硬度值为120。l 布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量，布氏硬度测量范围：用于原材料

29、与半成品硬度测量，可用于测量未经淬火的钢、铸铁、有色金属、硬度较低可用于测量未经淬火的钢、铸铁、有色金属、硬度较低的钢（如退火、正火、调质处理的钢）。的钢（如退火、正火、调质处理的钢）。27布氏硬度计布氏硬度计洛氏硬度计洛氏硬度计维氏硬度计维氏硬度计2829HB3000型布氏硬度试验机简图型布氏硬度试验机简图 1-小杠杆；小杠杆；2-弹簧；弹簧；3-压轴；压轴；4-主轴衬套；主轴衬套；5-压头；压头；6-可更换工作台；可更换工作台；7-工作工作台立柱；台立柱；8-螺杆；螺杆；9-升降手轮；升降手轮；10螺母；螺母；11-套筒；套筒；12-电动机；电动机；13-减速器；减速器；14-换向开关；换

30、向开关；15-砝码；砝码；16-大杠杆；大杠杆；17-吊环；吊环；18-机体；机体；19-电源开关；电源开关； 3031布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范32洛氏硬度：洛氏硬度：HR (Rockwll hardnes)(HRA、HRB、HRC)试验：试验：压头为压头为1.588mm的淬火钢球和顶角为的淬火钢球和顶角为120的金的金刚石锥，在规定载荷和时间后，测出的压痕深度差即硬刚石锥，在规定载荷和时间后，测出的压痕深度差即硬度的大小。度的大小。 HR=Kbd/0.002 K常数（金刚石常数（金刚石K=100，钢球，钢球K=130） bd压头压头受主载荷后实际压入表面的深度。实际应用受主载荷后实际

31、压入表面的深度。实际应用时直接从表盘中读数即可。时直接从表盘中读数即可。l 洛氏硬度计采用洛氏硬度计采用A、B、C三种标度对不同材料进行试三种标度对不同材料进行试验，硬度分别用验，硬度分别用HRA、HRB、HRC表示。表示。l 应用范围：钢及合金钢。应用范围：钢及合金钢。HRAHRA主测硬质合金、表面淬火主测硬质合金、表面淬火钢等；钢等；HRBHRB主测软钢、退火钢等；主测软钢、退火钢等；HRCHRC主测一般淬火钢件。主测一般淬火钢件。l 优点：测量迅速、简便、压痕小、硬度测量范围大；优点：测量迅速、简便、压痕小、硬度测量范围大；l 缺点：数据准确性、稳定性、重复性不如布氏硬度。缺点：数据准确

32、性、稳定性、重复性不如布氏硬度。33HR150型洛氏硬度试验机简图型洛氏硬度试验机简图1-调整块；调整块；2顶杆；顶杆；3-调整螺钉；调整螺钉；4-表盘；表盘；5-按钮；按钮；6-紧固螺母；紧固螺母；7-试样；试样；8-工作工作台；台；9-手轮；手轮；10-放油螺钉；放油螺钉；11-操纵手柄；操纵手柄；12-砝码座；砝码座；13-油针；油针；14、15-磁码；磁码；16-吊杆；吊杆；17-吊套；吊套；18-指示器指示器 3435洛氏硬度试验图洛氏硬度试验图洛氏硬度计洛氏硬度计36洛氏硬度指示盘洛氏硬度指示盘 37洛氏硬度指示盘洛氏硬度指示盘 38维氏硬度：维氏硬度：HV(diamond pen

33、etrator hardness)试验：维氏硬度值用夹角为试验：维氏硬度值用夹角为136金刚石正四面锥压痕单金刚石正四面锥压痕单位面积上所承受的平均压力表示，符号位面积上所承受的平均压力表示，符号HV。 HV0.189F/d2 F作用在压头上试验力作用在压头上试验力(N)；d压痕两对角线长度的平均值压痕两对角线长度的平均值(mm)l 应用范围：测薄片和镀层。应用范围：测薄片和镀层。l 优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。精确可靠，硬度值误差较小。l 缺点：其硬度值需要先测量

34、对角线缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。率不如洛氏硬度试验高。3940硬度测试方法汇总硬度测试方法汇总41钢球压头与金刚钢球压头与金刚石压头石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕布氏硬度压痕布氏硬度压痕维氏硬度压痕维氏硬度压痕42硬度测定硬度测定方法方法表示方法表示方法特点特点应用范围应用范围布氏硬度布氏硬度（HB）450HBW5/750/20表表示用直径示用直径5mm的硬质的硬质合金球，在合金球，在750kgf载载荷下保持荷下保持20s，测定的，测定的布氏硬度值为布氏硬度值为450测试值稳定，准测试值稳定，准确，但测量

35、费时，确，但测量费时，且压痕较大且压痕较大不适测薄件或成品；不适测薄件或成品；常用于测常用于测HBW值小于值小于650的材料，如灰铸的材料，如灰铸铁、非铁合金及退火、铁、非铁合金及退火、正火、调质钢等正火、调质钢等洛氏硬度洛氏硬度（HR）5055HRC，数值越，数值越大，表示材料越硬大，表示材料越硬操作迅速简便，操作迅速简便，压痕小，不如布压痕小，不如布氏硬度精确，一氏硬度精确，一般需测不同部位般需测不同部位几处，求其算术几处，求其算术平均值平均值适宜大量生产成品检适宜大量生产成品检验验维氏硬度维氏硬度（HV）500Hv100/20表示在表示在试验载荷试验载荷100kgf下保下保持持20s测定

36、的维氏硬度测定的维氏硬度值为值为500载荷小，压痕浅载荷小，压痕浅特适测软、硬金属及特适测软、硬金属及陶瓷等非金属材料，陶瓷等非金属材料，尤其是极薄的零件和尤其是极薄的零件和渗碳层的硬度；还可渗碳层的硬度；还可测显微组织硬度测显微组织硬度各种硬度表示方法、特点及应用范围各种硬度表示方法、特点及应用范围43注意：注意：l 上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试验结果不能直接进行比较，应查阅硬度换算表进行比验结果不能直接进行比较，应查阅硬度换算表进行比较。较。 l 各种硬度的换算经验公式：各种硬度的换算经验公式： 硬度在硬度在200600H

37、BS时：时：1HRC相当于相当于10HBS； 硬度若小于硬度若小于450HBS时：时：1HBS相当于相当于1HV。利用布氏硬度压痕直径直接换算出工件的洛氏硬度：根利用布氏硬度压痕直径直接换算出工件的洛氏硬度：根据布氏硬度和洛氏硬度换算表，可归纳出一个计算简单据布氏硬度和洛氏硬度换算表，可归纳出一个计算简单且容易记住的经验公式：且容易记住的经验公式：HRC=(479100D)/4，其中，其中D为为10mm钢球压头在钢球压头在30KN压力下压在工件上的压痕直径压力下压在工件上的压痕直径测量值。该公式计算出的值与换算值的误差在测量值。该公式计算出的值与换算值的误差在-10.5范范围内。围内。444、

38、冲击韧度冲击韧度(toughness) 定义：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。定义：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。冲击韧度常用一次摆锤冲击试验来测定。冲击韧度常用一次摆锤冲击试验来测定。摆锤式一次冲击试验摆锤式一次冲击试验 k=Ak/S0=G(H1-H2)/S0 k冲击韧度；冲击韧度；S0 0试样缺口截面积。试样缺口截面积。l 冲击韧度冲击韧度 k值越大，值越大，材料的冲击韧度越好，材料的冲击韧度越好，越不易断裂。越不易断裂。l 冲击试样有夏比冲击试样有夏比U型型缺口试样和夏比缺口试样和夏比V型缺型缺口试样两种。口试样两种。45冲击试验示意图冲击试验示意图冲击试验机冲击试验机

39、46冲击韧性的金属夏比试验冲击韧性的金属夏比试验47小能量多次冲击能力小能量多次冲击能力材料的多次冲击抗力取决于材料强度和塑性的综合指标。材料的多次冲击抗力取决于材料强度和塑性的综合指标。l 冲击能量冲击能量Ak低时，取决于强度低时，取决于强度( ( s、 b) )；冲击能量；冲击能量Ak高时，取决于塑性高时，取决于塑性( (、 ) )。多次冲击弯曲试验示意图多次冲击弯曲试验示意图48l k还和温度有关：温度越低，还和温度有关：温度越低， k越小越小( (低温易冲断低温易冲断) )。l 韧脆转变温度：材料在低于某温度时，韧脆转变温度：材料在低于某温度时， k值急剧下降，值急剧下降，使试样的断口

40、由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口。因此，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。温度范围称为韧脆转变温度范围。韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一，韧脆转韧脆转变温度的高低是金属材料质量指标之一，韧脆转变温度愈低，材料的低温冲击性能愈好。变温度愈低，材料的低温冲击性能愈好。吸收能量与温度的关系曲线吸收能量与温度的关系曲线49Titanic号钢板和号钢板和现代船用钢板的冲击试验结果现代船用钢板的冲击试验结果Titanic钢板钢板现代船用钢板现代船用钢板建造中的建造中的Titanic早年的早年的Titanic 号采用了含硫号采用了含硫高的钢板，韧高的钢板，韧性

41、很差，特别性很差，特别是在低温呈脆是在低温呈脆性。性。505、疲劳强度疲劳强度l 疲劳概念：金属材料在小于屈服强度极限的交变载荷疲劳概念：金属材料在小于屈服强度极限的交变载荷长期作用下发生破坏的现象。长期作用下发生破坏的现象。 l 疲劳强度：工程上将材料经无数次重复交变载荷作用疲劳强度：工程上将材料经无数次重复交变载荷作用而不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，用而不发生断裂的最大应力称为疲劳极限，用-1表示表示。l 试验：试验：疲劳强度常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。疲劳强度常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。 对称循环交变应力对称循环交变应力51无数次应力循环，对于钢材为无数次应力循环，对于钢

42、材为107，有色金属和某些超高，有色金属和某些超高强度钢常取强度钢常取108。疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图52部分工程材料的疲劳极限部分工程材料的疲劳极限-1(Mpa)53产生疲劳破坏的原因，一般认为是由于材料有杂质、表产生疲劳破坏的原因，一般认为是由于材料有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷。面划痕及其它能引起应力集中的缺陷。 疲劳断口示意图疲劳断口示意图54通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片

43、）疲劳辉纹（扫描电镜照片）556、断裂韧度、断裂韧度断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力，一般用断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力，一般用KI IC表示，表示，单位为单位为MN/m3/2。材料中往往存在着一定的缺陷，这些缺。材料中往往存在着一定的缺陷，这些缺陷可看做裂纹，在外力作用下，这些裂纹扩展的难易程陷可看做裂纹，在外力作用下，这些裂纹扩展的难易程度用断裂韧度表示。度用断裂韧度表示。7、磨损、磨损磨损是零部件失效的一种基本类型。通常意义上来讲，磨损是零部件失效的一种基本类型。通常意义上来讲，磨损是指零部件几何尺寸磨损是指零部件几何尺寸(体积体积)变小。变小。 零部件失去原有零部件失去原有设计所规

44、定的功能称为失效。设计所规定的功能称为失效。按照表面破坏机理特征，磨损可以分为磨料磨损、粘着按照表面破坏机理特征，磨损可以分为磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等。前三种磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等。前三种是磨损的基本类型，后两种只在某些特定条件下才会发是磨损的基本类型，后两种只在某些特定条件下才会发生。生。 56(1) 磨料磨损：物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物磨料磨损：物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物(包括包括硬金属硬金属)相互摩擦引起表面材料损失。相互摩擦引起表面材料损失。(2) 粘着磨损：摩擦副相对运动时，由于固相焊合作用的粘着磨损：摩擦副相对运动时，由于固相

45、焊合作用的结果，造成接触面金属损耗。结果，造成接触面金属损耗。(3) 表面疲劳磨损：两接触表面在交变接触压应力的作用表面疲劳磨损：两接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲劳而产生物质损失。下，材料表面因疲劳而产生物质损失。(4) 腐蚀磨损：零件表面在摩擦的过程中，表面金属与周腐蚀磨损：零件表面在摩擦的过程中，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应，因而出现的物质损失。围介质发生化学或电化学反应，因而出现的物质损失。(5) 微动磨损：两接触表面间没有宏观相对运动，但在外微动磨损：两接触表面间没有宏观相对运动，但在外界变动负荷影响下界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动，有小振幅的相对振动(

46、100m)，此，此时接触表面间产生大量的微小氧化物磨损粉末，因此造时接触表面间产生大量的微小氧化物磨损粉末，因此造成的磨损称为微动磨损成的磨损称为微动磨损。5758一、物理性能一、物理性能1、密度、密度：指在一定温度下单位体积物质的质量，一般用指在一定温度下单位体积物质的质量，一般用 (gamma)表示。密度表达式如下：表示。密度表达式如下： = m/V密度意义：密度的大小很大程度上决定了工件的自重。密度意义：密度的大小很大程度上决定了工件的自重。 5g/cm3重金属。重金属。应用：飞机制造业、子弹头、检验材料、炼铁、炼钢、应用：飞机制造业、子弹头、检验材料、炼铁、炼钢、铅球等。铅球等。592

47、、熔点、熔点：是材料从固态转变为液态的温度，金属等晶体是材料从固态转变为液态的温度，金属等晶体材料一般具有固定的熔点，而高分子材料等非晶体材料材料一般具有固定的熔点，而高分子材料等非晶体材料一般没有固定的熔点。一般没有固定的熔点。 凝固点：液体凝固点：液体固体的温度点。固体的温度点。l 熔点意义：金属的熔点是热加工的重要工艺参数；对选熔点意义：金属的熔点是热加工的重要工艺参数；对选材有影响，不同熔点的金属具有不同的应用场合。材有影响，不同熔点的金属具有不同的应用场合。l 应用：应用：高的熔点金属（如钨、钼等）可用于制造耐高高的熔点金属（如钨、钼等）可用于制造耐高温的零件（如火箭、导弹、燃气轮机

48、零件，电火花加工、温的零件（如火箭、导弹、燃气轮机零件，电火花加工、焊接电极等），低的熔点金属（如铅、铋、锡等）可用焊接电极等），低的熔点金属（如铅、铋、锡等）可用于制造熔丝、焊接钎料等。于制造熔丝、焊接钎料等。603、导热性：一般用导热性：一般用导热率导热率表示，其含义是在单位厚度表示，其含义是在单位厚度金属，温差为金属，温差为1时，每秒钟从单位断面通过的热量。时，每秒钟从单位断面通过的热量。金属具有良好的导热性，尤其是银、铜、铝的导热性很金属具有良好的导热性，尤其是银、铜、铝的导热性很好；一般纯金属具有良好的导热性，合金的成分越复杂，好；一般纯金属具有良好的导热性，合金的成分越复杂，其导热

49、性越差。其导热性越差。 l 应用：散热器等传热元件应采用导热性好的材料制造；应用：散热器等传热元件应采用导热性好的材料制造；保温器材应采用导热性差的材料制造。在热处理、铸造、保温器材应采用导热性差的材料制造。在热处理、铸造、锻造、焊接过程中，若材料的导热性差，则会使工件内锻造、焊接过程中，若材料的导热性差，则会使工件内外产生大的温差而出现较大的内应力，导致工件变形或外产生大的温差而出现较大的内应力，导致工件变形或开裂。采用缓慢加热和冷却的方法可使零件内外温度均开裂。采用缓慢加热和冷却的方法可使零件内外温度均匀，防止变形和开裂。匀，防止变形和开裂。 614、导电性：一般用导电性：一般用电阻率电阻

50、率表示，电阻率是单位长度、表示，电阻率是单位长度、单位截面积的电阻值，其单位为单位截面积的电阻值，其单位为.m。l 电阻率的意义：是设计导电材料和绝缘材料的主要依据。电阻率的意义：是设计导电材料和绝缘材料的主要依据。材料的电阻率材料的电阻率越小，导电性能越好。金属中银的导电越小，导电性能越好。金属中银的导电性最好、铜与铝次之。通常金属的纯度越高，其导电性性最好、铜与铝次之。通常金属的纯度越高，其导电性越好，合金的导电性比纯金属差，高分子材料和陶瓷一越好，合金的导电性比纯金属差，高分子材料和陶瓷一般都是绝缘体。般都是绝缘体。l 应用：导电器材常选用导电性良好的材料，以减少损耗；应用：导电器材常选

51、用导电性良好的材料，以减少损耗；而加热元件、电阻丝则选用导电性差的材料制作，以提而加热元件、电阻丝则选用导电性差的材料制作，以提高功率。高功率。5、磁性磁性l 非铁磁性物质：不能被磁铁所吸引，即不能被磁化，如非铁磁性物质：不能被磁铁所吸引，即不能被磁化，如铝、铜等。可用于制作要求避免电磁场干扰的零件和结铝、铜等。可用于制作要求避免电磁场干扰的零件和结构件。构件。 62l 铁磁性物质：可以被磁铁吸引，即能补磁化，如铁磁性物质：可以被磁铁吸引，即能补磁化，如Fe、Ni、Co等。可用于制造变压器的铁芯、发电机的转子等；等。可用于制造变压器的铁芯、发电机的转子等；表示磁性的物理量：表示磁性的物理量：

52、导磁率导磁率(=B/H)：表示铁磁材料磁化曲线上某一点的磁：表示铁磁材料磁化曲线上某一点的磁化强度化强度B与外磁场强度与外磁场强度H的比值；的比值；磁饱和强度磁饱和强度B1：表示材料能达到的最大磁化强度；：表示材料能达到的最大磁化强度；剩磁剩磁Br：表示外磁场降为零时，材料的剩余磁感应强度；：表示外磁场降为零时，材料的剩余磁感应强度；矫顽力矫顽力HC：表示要使磁感应强度降为零时，必须加反方：表示要使磁感应强度降为零时，必须加反方向的磁场向的磁场HC。 l 软磁材料：指易于磁化并可反复磁化的材料，但当外磁场软磁材料：指易于磁化并可反复磁化的材料，但当外磁场去除后磁性随之消失。去除后磁性随之消失。

53、l 硬磁材料：硬磁材料经磁化后，当外磁场去除后仍保留磁硬磁材料：硬磁材料经磁化后，当外磁场去除后仍保留磁性，并具有高的剩磁和矫顽力。性，并具有高的剩磁和矫顽力。636、热膨胀性、热膨胀性(线膨胀系数线膨胀系数)：材料随温度的改变而出现体积：材料随温度的改变而出现体积变化的现象称为热膨胀性，用线膨胀系数变化的现象称为热膨胀性，用线膨胀系数a来表示，其含来表示，其含义是温度上升义是温度上升1时，单位长度的伸长量，单位为时，单位长度的伸长量，单位为1/。l 陶瓷的热膨胀性小，金属次之，高分子材料最大。陶瓷的热膨胀性小，金属次之，高分子材料最大。l 线膨胀系数的意义：影响工件的精度，精密量具、零件、线

54、膨胀系数的意义：影响工件的精度，精密量具、零件、仪表、机器等，应选用线膨胀系数小的材料，以避免在不仪表、机器等，应选用线膨胀系数小的材料，以避免在不同的温度下使用影响其精度；机械加工和装配中也应考虑同的温度下使用影响其精度；机械加工和装配中也应考虑材料的热膨胀性材料的热膨胀性,以保证构件尺寸的准确性。以保证构件尺寸的准确性。64二、化学性能二、化学性能1、耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学、耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水及其他化学物质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。物质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。 材料的耐蚀性常用材料的耐蚀性常用每年腐蚀深度每年腐蚀深度(渗蚀度渗蚀度)Ka(mm

55、/年年)表示。表示。 l 金属的腐蚀既造成表面金属光泽的缺失和材料的损失，金属的腐蚀既造成表面金属光泽的缺失和材料的损失，也造成一些隐蔽性和突发性的事故。金属材料中铬镍不也造成一些隐蔽性和突发性的事故。金属材料中铬镍不锈钢可以耐含氧酸的腐蚀；而铜及铜合金、铝及铝合金锈钢可以耐含氧酸的腐蚀；而铜及铜合金、铝及铝合金能耐大气的腐蚀；合成高分子材料和陶瓷材料一般都具能耐大气的腐蚀；合成高分子材料和陶瓷材料一般都具有良好的耐腐蚀性。有良好的耐腐蚀性。 l 对金属材料而言，其腐蚀形式主要有两种：一种是化学对金属材料而言，其腐蚀形式主要有两种：一种是化学腐蚀，另一种是电化学腐蚀。化学腐蚀是金属直接与周腐蚀

56、，另一种是电化学腐蚀。化学腐蚀是金属直接与周围介质发生纯化学作用，例如钢的氧化反应。电化学腐围介质发生纯化学作用，例如钢的氧化反应。电化学腐蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而引起的腐蚀。提高材料的耐腐蚀性的方法很多，如用而引起的腐蚀。提高材料的耐腐蚀性的方法很多，如均匀化处理、表面处理等都可以提高材料的耐腐蚀性。均匀化处理、表面处理等都可以提高材料的耐腐蚀性。652、高温抗氧化性高温抗氧化性在高温下金属材料易与氧结合，形成氧化皮，造成金属在高温下金属材料易与氧结合，形成氧化皮，造成金属的损耗和浪费，因此高温下使用的工件，要求材料

57、具有的损耗和浪费，因此高温下使用的工件，要求材料具有高温抗氧化的能力。如各种加热炉、锅炉等，要选用抗高温抗氧化的能力。如各种加热炉、锅炉等，要选用抗氧化性良好的材料。氧化性良好的材料。l 材料中的耐热钢、高温合金、钛合金、陶瓷材料等都材料中的耐热钢、高温合金、钛合金、陶瓷材料等都具有好的高温抗氧化性。具有好的高温抗氧化性。 l 提高高温抗氧化性的措施是：使材料在迅速氧化后能提高高温抗氧化性的措施是：使材料在迅速氧化后能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化。而阻止进一步氧化。3、化学稳定性化学稳定性金属材料的耐腐蚀必和抗

58、氧化性的总称。金属材料的耐腐蚀必和抗氧化性的总称。应用：耐热设备、高温锅炉等。应用：耐热设备、高温锅炉等。66三、工艺性能三、工艺性能材料的工艺性能是指在加工过程中对不同加工方法的适材料的工艺性能是指在加工过程中对不同加工方法的适应性，材料工艺性能的好坏影响到加工的难易程度，从应性，材料工艺性能的好坏影响到加工的难易程度，从而影响到零件加工后的质量、生产效率和加工成本。而影响到零件加工后的质量、生产效率和加工成本。金属的工艺性能主要有铸造性能、锻压性能、焊接性能、金属的工艺性能主要有铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能。切削加工性能、热处理性能。 1、铸造性能铸造性能 铸造是指将熔化后的金属液浇入铸型中，待凝固、冷却铸造是指将熔化后的金属液浇入铸型中，待凝固、冷却后获得具有一定形状和性能铸件的成形方法。铸造是获后获得具有一定形状和性能铸件的成形方法。铸造是获得零件毛坯的主要方法之一。金属的铸造性能是指铸造得零件毛坯的主要方法之一。金属的铸造性能是指铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，即金成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力，即金属获得优质铸件的能力。铸造性能通常用金属液的流动属获得