常用工程材料

惯用工程材料力学性能惯用金属材料金属材料腐蚀与防护惯用非金属材料常用工程材料第1页力学性能力学性能：指材料在外力作用下所表现出来特征。惯用有强度、塑性、刚度、硬度、韧性、疲劳极限和耐磨性等指标。拉伸试验静载荷拉伸试验是生产和试验中最惯用力学性能检测和试验方法之一。材料一些力学性能能够经过拉伸试验取得。经过拉伸试验所得力学性能指标，在整个材料力学强度计算中几乎都要用到。更主要是，工程设计中所选取材料力学性能指标大都是以拉伸试验为主要依据。低碳钢拉伸图全方面而详细反应了整个变形过程。采取退火低碳钢（标准拉伸试样）作为材料。常用工程材料第2页拉伸试验试样试验前，将被测材料制成一定形状和尺寸标准拉伸试样。长试样：l0=10d0短试样：l0=5d0l0为标距长度，d0为直径，要求d0=10mm。常用工程材料第3页拉伸试验装置钢筋高速拉伸试验机常用工程材料第4页拉伸试验装置电子拉伸试验机常用工程材料第5页拉伸试验装置各向异性材料拉伸试验机常用工程材料第6页拉伸试验曲线图FO∆Lpesbk

σOεpesbkOe弹性变形阶段Op段符合虎克定律es弹性-塑性变形阶段es段出现平台或锯齿s点产生屈服现象sb形变强化阶段试样发生均匀塑性变形bkb点开始产生不均匀的集中塑性变形（颈缩）k点时局部变形（颈缩）断裂

常用工程材料第7页强度强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂能力。若将断裂看成变形极限，则可将强度称为变形抵抗能力。强度比例强度抗拉强度屈服强度弹性强度常用工程材料第8页强度百分比强度σp：在弹性变形阶段，应力和应变关系完全符合虎克定律，极限应力即为百分比强度，亦称百分比极限。弹性强度σe：在完全卸载后不出现任何显著微量塑性变形极限应力值即为弹性强度，亦称弹性极限。屈服强度σs：在外力作用下，材料产生屈服现象时应力值即为屈服强度，亦称屈服极限。抗拉强度σb：在受力过程中，材料所能承受最大载荷Fb处对应应力值即为抗拉强度，亦称抗拉极限。常用工程材料第9页刚度

常用工程材料第10页塑性

常用工程材料第11页硬度硬度：是材料局部表面抵抗比它更硬物体压入时所引发塑性变形能力。硬度是反应材料软硬程度一个性能指标。它既可了解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏能力。硬度不是一个简单物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能综合指标。硬度试验方法静压法划痕法回跳法显微硬度高温硬度布氏硬度洛氏硬度压入法维氏硬度常用工程材料第12页布氏硬度用直径为D（普通为10mm）钢球或硬质合金球压头，以对应试验载荷F（普通为3000kg）压入试样表面，保持要求时间，卸载后测量试样表面压痕直径d，计算出压痕球冠形表面积，进而得到所承受平均应力值，即为布氏硬度值，符号为HB，单位为千克力/mm2（N/mm2）。详细试验时，硬度值可据实测d按已知F、D值查表求得。常用工程材料第13页布氏硬度用淬火钢球作压头测得硬度用符号HBS表示，适合于测量布氏硬度值小于450材料，如HBS230。用硬质合金球作压头测得硬度用符号HBW表示，适合于测量布氏硬度值450-650材料，如HBW550。布氏硬度试验优点是因压痕面积大，测量结果误差小，且与强度之间有很好对应关系，故有代表性和重复性。但同时也因压痕面积大而不宜于成品零件及薄而小零件检验。布氏硬度（HB）普通用于材料较软时候，如铸铁、有色金属及退火、正火和调质处理钢材。常用工程材料第14页洛氏硬度采取一定规格压头，在一定载荷作用下压入试样表面，然后测定压痕深度（以0.002mm作为一个硬度单位）来计算并表示硬度值称为洛氏硬度，符号为HR。常用工程材料第15页洛氏硬度当使用顶角为120°金刚石圆锥压头、总载荷为588.4N时，表示为HRA，测量范围为HRA20~88，适合用于测量高硬度表面、硬质合金等。当使用直径为1.5875mm淬火钢球、总载荷为980.7N时，表示为HRB，测量范围为HRB20~100，适合用于测量软钢、灰铸铁、有色金属等。当使用顶角为120°金刚石圆锥压头、总载荷为1471N时，表示为HRC，测量范围为HRC20~70，适合用于测量淬火回火钢。洛氏硬度应用最广泛，普通生产中HRC用得最多。洛氏硬度值越小说明试样硬度越大。常用工程材料第16页维氏硬度用一个相对面夹角为136°正四棱锥体金刚石压头，以对应试验载荷（小于120kg）压入试样表面，经保持要求时间，卸载后在试样表面压出一个倒置正四棱锥压痕，测量压痕两对角线长度，求其算术平均值，计算试样表面压痕表面积，进而得到所承受平均应力值，即为维氏硬度值，符号为HV。常用工程材料第17页维氏硬度适用范围宽（HV5~1000），能够测从极软到极硬材料硬度，尤其适合用于极薄工件及表面薄硬层硬度测量（如化学热处理渗碳层、渗氮层等），其结果准确可靠。缺点是测量较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高。维氏硬度常用工程材料第18页韧性

常用工程材料第19页韧性摆锤式冲击试验原理图常用工程材料第20页韧性摆锤式冲击试验机常用工程材料第21页韧性尤其注意：冲击韧度值是在大能量一次冲断试样条件下测得性能指标。但实际生产中许多机械零件极少是受到大能量一次冲击而断裂，多数是在工作时承受小能量屡次冲击后才断裂。材料在屡次冲击下破坏过程是裂纹产生和扩展过程，是每次冲击损伤积累发展结果，它与一次冲击有着本质区分。常用工程材料第22页疲劳极限疲劳：材料在交变载荷下经长时间工作，在小于其屈服强度甚至小于百分比弹性强度情况下，无显著外观变形而发生断裂现象。大量工程实践与试验结果表明，构件疲劳与在静应力作用下破坏决然不一样，有以下四个显著特征：破坏时的名义应力值远小于材料的静强度指标。构件需要经历一定次数的应力循环后才发生破坏，即破坏有一个过程。破坏是脆性断裂，没有明显的塑性变形。既使塑性很好的材料，也是如此。构件的同一破坏断面，明显划分成光亮区域与颗粒状的粗糙区域。常用工程材料第23页疲劳极限疲劳时应力远低于静载下材料屈服强度或强度极限，因而屈服强度或强度极限已不能作为交变应力下强度指标，需重新测定金属疲劳强度指标。疲劳试验表明，在同一循环特征交变应力下，循环次数随交变应力最大值减小而增大，当减小到某一数值时，循环次数趋于无限大。材料经历无限次应力循环而不疲劳时交变应力最大应力，称为材料疲劳极限（疲劳强度），或称持久极限，符号为σ-1。同一个材料疲劳强度值大小，因交变载荷大小和交变频次不一样而不一样。常用工程材料第24页惯用金属材料金属材料是当前应用最为广泛工程材料，尤其是钢、铸铁、有色金属及其合金中铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金应用更为广泛。本节以自学为主，要求掌握钢、铸铁和几个有色金属及其合金分类与牌号含义，并了解它们性能及应用范围。常用工程材料第25页钢钢主要是由铁元素（Fe）和碳元素（C）组成合金。合金：指由一个金属元素与一个或几个金属元素或非金属元素组成含有金属特征物质。组成合金最基本、独立单元为组元，简称元，合金中组元能够是化学元素，也能够是化合物。铁碳合金工业纯铁（含碳量<0.02%）铸铁（含碳量2.11%~6.69%）钢（含碳量0.02%~2.11%）常用工程材料第26页钢分类按化学成分不同分碳素钢低碳钢（含碳量小于0.25%）中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）高碳钢（含碳量大于0.6%）合金钢低合金钢（合金元素含量小于5%）中合金钢（合金元素含量5%~10%）高合金钢（合金元素含量大于10%）常用工程材料第27页钢分类按质量等级分普通钢优质钢高级优质钢按主要用途分结构钢工具钢特殊性能钢专业用钢常用工程材料第28页结构钢结构钢是品种最多、用途最广、使用量最大一类钢，按其主要用途普通分为工程结构用钢和机械制造用钢（机械结构用钢）两大类。工程结构用钢：主要用于各种工程结构和机械产品中要求不高结构零件，它们大多是普通质量钢，其冶炼较简单、成本低廉、工艺性能优良，可满足工程结构用钢量大需要。机械制造用钢：主要用于制造各种机械零件，它们通常是优质钢或高级优质钢，性能要求普通比工程结构用钢高，通常须经热处理后使用。这类钢按其主要用途、热处理和性能特点不一样，可分为表面硬化钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢和超高强度钢等。常用工程材料第29页碳素结构钢普通碳素结构钢：碳含量较低，普通为0.06%~0.38%，对性能要求及硫、磷和其它残余元素含量限制较宽。普通碳素结构钢主要确保力学性能，所以其牌号首先表达了力学性能。Q+屈服点数值+质量等级符号+脱氧方法符号Q195（215、235、255、275）A（B、C、D）F（b）如：Q235A、Q255AF优质碳素结构钢：因主要用于机械制造，必须同时确保化学成份和力学性能。牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中碳平均质量分数为万分之几。45：表示平均含碳量为0.45%优质碳素结构钢。如：10、15F、20、35F、45、60F、75常用工程材料第30页合金结构钢低合金结构钢：是在普通碳素结构钢基础上添加合金元素而得到，合金元素总量不超出5%，添加合金元素主要是锰Mn，辅加合金元素为钒V、钛Ti、铝Al等。牌号表达了力学性能，屈服强度普通在300MPa以上。如：Q420合金结构钢：主要用于制造各种机械零件，其质量等级都属于特殊质量等级，大多数经热处理后才能使用。牌号：含碳量+合金元素种类（元素）+合金元素含量首位数字表示碳平均质量分数。对于结构钢，以万分数计，对于工具钢，以千分数计。合金元素平均质量分数小于1.5%时含量不标，大于1.5%时取含量百分数整数。如：合金弹簧钢60Si2Mn、滚动轴承钢GCr15SiMn常用工程材料第31页工具钢工具钢是用于制造刃具、模具、量具等各类工具钢种。碳素工具钢合金工具钢按化学成份分按使用性质和主要用途分类刃具钢量具钢模具钢常用工程材料第32页碳素工具钢碳素工具钢是高碳钢牌号：T+数字T：碳字汉语拼音第一个字母数字：碳平均质量分数为千分之几如：T8碳素工具钢即使价格低廉、加工轻易，但综协力学性能不高，所以多用于手开工具或低速机用工具。常用工程材料第33页合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢基础上加入适量合金元素钢种。当碳含量小余1.0%时，合金工具钢牌号前数字（一位数）表示碳平均质量分数为千分之几。当碳含量大于1.0%时，牌号前不标数字。后面元素符号及数字表示合金元素平均质量分数。常用工程材料第34页不锈钢不锈钢牌号与合金钢基本相同。当碳质量分数小于0.08%时，在牌号前冠以“0”。当碳质量分数小于0.03%时，在牌号前冠以“00”。不锈钢是在碳素钢基础上加入一些耐腐蚀合金元素形成，含碳量较低，加入合金元素主要是铬Cr和镍Ni。如1Cr17Ni2、0Cr18Ni12M