工程材料第一章

热工工艺及工程材料主讲：刘怀喜Tel材：热工工艺及工程材料陈培里主编高等教育出版社主要参考书：

[1]崔占全、邱平善，工程材料哈尔滨工程大学出版社2003年3[2]王焕庭等主编，机械工程材料，大连理工大学出版社

[3]崔忠圻主编，金属学及热处理，机械工业出版社

[4]《热加工工艺基础》，李瑞昌主编，中南工大出版社，1991年

[5]《金属工艺学》，范全福，高等教育出版社，1983年

[6]机械工程材料，杨瑞成，重庆大学出版社，2000年7月绪论一、本门课程的性质与特点：1、是一门“综合”性的技术学科。2、是一门技术基础课。3、是一门实践性很强的课。特点：纵观本课程所含内容可知，该课程内容较为庞杂。具有三多一少的特点；即所谓内容头绪多（含材料结构、钢的热处理原理及工艺、常用工程材料、铸造、压力加工、焊接等等）、原理规律多（涉及原理、规律几十个）、概念定义多、以及理论计算少（除相图计算外，基本没有计算的内容）。由于该课程具有上述特点，加之有些微观结构看不见、摸不到，而且课程内容枯燥、乏味，因此，教师感到难教，学生感到难学。二、本课程的任务：1、常用工程材料的成分、组织结构、处理与材料性能以及材料应用之间的关系及其变化规律；2、改善和提高材料性能的各种方法、工艺；3、铸造、锻压、焊接等毛坯零件生产工艺特点及其各种热加工常用设备的工作原理和基本结构；4、工程中常用非金属材料等的基础知识。三、本课程的目的：1、获得有关工程材料的基本理论知识；2、了解材料分析的基本方法；3、了解和掌握工程材料的成分、结构、处理和性能之间的基本规律；4、具有根据不同零件的使用要求，合理地选用材料及热加工工艺的初步能力；5、为生产实习、课程设计、毕业设计等后继课程打下坚实的基础四、本课程的学习方法：第一章工程材料力学性能材料的分类2、金属材料在机制行业中的重要地位和必要性它是机械制造业最主要的材料，在机床、矿山机械、冶金设备、动力设备、农用机械、交通运输等机械设备中，金属制品占80~90%。之所以如此，是因为：合金具有好的使用性能和好的工艺性能。1、金属材料与“金属”之间的区别：金属材料纯金属合金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法而制成的具有金属特性的材料。机械制造业主要使用的金属材料是合金。因为合金比纯金属具有更好的机械性能和工艺性能。使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能等。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。力学性能（机械性能）：是指金属材料在外力作用下所表现出来的性能。在不同的外力作用下反映出不同的机械性能。主要的机械性能指标有：弹性、塑性、刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性等。三、硬度一、刚度、强度、塑性二、疲劳强度四、冲击韧性五、断裂韧性力学性能指标工程材料的力学性能拉伸曲线（图中直接可得刚度、强度：E、e、

s

、0.2

、b)基本概念：拉伸试验应力：单位截面上所受的力（应力

=P/F0）应变：单位长度所产生的变形量（应变

=(l-l0)/l0）先制成拉伸试样（如图1-1）（常用的有10倍和5倍试样），置于试验机夹头内，加拉力P，产生伸长量Δl，随着Ｐ↑，Δl↑，根据Ｐ、Δl绘成的图叫载荷—伸长图。根据应力σ(单位截面所受的载荷）与应变ε(单位长度所产生的伸长量）所绘制成的图叫应力—应变图。拉伸图（载荷—伸长图、应力—应变图）а弹性和刚度弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力.指标为弹性模量E。弹性模量E主要决定于金属材料本身的性质，是金属材料最稳定的性能之一。各种加工工艺对其影响甚小，在室温下，钢的弹性模量大都是在19×104～22×104MPa之间，但弹性模量随温度的升高逐渐降低。强度与塑性条件屈服强度0.2:残余变形量为0.2%时所对应的应力值。

抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。s0.2强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

指标为：

伸长率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象通常以伸长率δ的大小来衡量金属材料塑性的好坏，δ＞2%～5%的材料为塑性材料，δ＜2%～5%的材料为脆性材料。二、疲劳强度疲劳：材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限（疲劳强度）。用-1表示，钢铁的σ-1只有σb的一半左右。。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图布氏硬度HB布氏硬度计三、硬度（常用HRC、HB、HV）材料抵抗表面局部塑性变形的能力。

压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW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、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,

铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:

b(MPa)≈3.6HB

对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB

对于铸铁：

b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈

0.6(HB-40)HBb(MPa)钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。*HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计四、冲击韧性冲击韧性：是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak=Ak/A(J/cm2)材料的冲击值一般不作为设计零件的直接依据，只是作为材料的韧性指标。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧五断裂韧性断裂韧性：是指带微裂纹的材料或零件阻止裂纹扩展的能力。当零件承受载荷而在其内部产生应力集中时，裂纹尖端处呈现应力集中，其大小与裂纹长度和裂纹尖端曲率半径有关，在裂纹尖端附近的微小区域内，存在一个很复杂的应力场，其大小用应力强度因子KI表示：式中：Y——为形状因子，与构件形状和裂纹形状有关，在特定状态下是一个常量；

σ——为承受载荷时的应力（MPa）；

α——为裂纹长度的一半（mm）。应力强度因子的临界值称为材料的断裂韧性，用KIC表示。各种材料的KIC值可在有关手册中查得，当