工程材料第一章

赵杰副教授工程材料与金属工艺学自我介绍

赵杰

哈尔滨工业大学电化学专业

博士毕业

研究方向：电化学表面工程与技术金属表面处理

腐蚀科学7绪论讲述机械制造所用的材料、铸造、压力加工、焊接、热处理等技工方法。铸造锻造焊接毛坯热处理机械加工零件装配试车出厂学习本课程的基本要求：

了解工程材料的一般性质、应用范围和选择原则。

掌握各种主要加工方法的实质、工作特点和基本原理。第一章工程材料概论材料科学与工程材料材料科学的发展与展望材料科学概况及分类

金属材料高分子材料无机非金属材料复合材料1932LosAngelesOlympic24KPlateGoldCoin金手指（connectingfinger）电镀金手指确保更好的电气性能和耐插拔次数高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等水晶生物陶瓷-人造血管气敏元件氧化钛合金体系腐蚀产物影响腐蚀产物在体内的分布伤口愈合局部感染含Ni中等干扰无排出，但高血浆水平，可能有长期致癌效应含Co强烈干扰无排出，但高血浆水平，肝、肾水平，可能长期心血管和致癌反应含Cr无可能性显著增大积累在所有器官内，特别是骨内，长期反应不明贵金属Pt、Au、Ru干扰很强可能性显著增大不明活泼金属Ti、Ta等不明（产物不溶）不明（产物不溶）不明（产物不溶）合金元素对人体可能的影响“黄金丝植入术”源自英国，近年经台湾传入大陆，原理是将24K黄金，加入微量元素和骨胶原，制作成金丝，然后通过植入器植入皮肤。硅酸盐碳纤维复合材料高速列车刹车片碳纤维复合材料润滑材料高硬度材料美军BLU-114型碳纤维炸弹石墨炸弹具有瘫痪供电系统等功能重量更轻、弹性更佳，增加操控性及击球威力。纳米花，一是可制成优秀的防水涂料。在表面上涂有这种纳米材料的物体，即使将它仅倾斜5度，在其表面上的小水滴也会很快滚掉，防水性能好。二是可用来作为制取新颖高率太阳能电池的基础材料，应用前景十分诱人。纳米浴缸、纳米座便器，节水、环保、抗菌杀菌水、油等物质可在表面上滚动，如同在荷叶上自由滚动的露珠；同时它还透气、防霉、防辐射机械工程材料金属材料非金属材料黑色金属钢有色金属铸铁合金钢无机非金属材料有机材料塑料橡胶陶瓷合成纤维铝合金铜合金其他有色合金第二章金属材料的主要性能

弹性和塑性刚度强度冲击韧性疲劳强度

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。

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。金属材料的性能是用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。当外界条件发生变化时，同一种材料的某些性能也会随之发生变化。神州9号飞船2.1金属材料的力学性能力学性能（机械性能）：材料在各种不同的工作情况，从开始受力变形至破坏的全过程所表现的力学特征。金属材料的力学性能主要有：刚度、强度、弹性、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度。载荷：材料在加工及使用过程中所受的外力。静载荷：逐渐而缓慢地作用在工件上的力。冲击载荷：突然增加或消失的载荷。交变载荷：载荷的大小和方向呈周期性的变化。

金属材料的刚度、强度、弹性、塑性是通过拉伸实验来测定的，标准试样所示，把试样安装在拉伸试验机上，并对试样施加一个缓慢增加的轴向拉力，试样产生变形，直至断裂。圆形拉伸试样拉伸试验机低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样应力

=P/F0应变

=(l-l0)/l0拉伸曲线低碳钢拉伸曲线应力

=P/F0应变

=(L-L0)/L0应力应变

拉伸曲线OE—弹性变形阶段(弹性极限e)低碳钢拉伸曲线ES—屈服阶段(屈服极限S)当载荷超过E点，试样产生塑性变形。

材料承受的，不产生永久变形的最大应力为弹性极限e当载荷增加到S点时，载荷不增加，塑性变形继续产生。出现水平线段，称为屈服。S为屈服点。

出现明显塑性变形时的应力为屈服极限sS一、弹性和塑性材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。拉伸曲线OE—弹性变形阶段(弹性极限e)低碳钢拉伸曲线ES—屈服阶段(屈服极限S)当载荷超过E点，试样产生塑性变形。

材料承受的，不产生永久变形的最大应力为弹性极限e当载荷增加到S点时，载荷不增加，塑性变形继续产生。出现水平线段，称为屈服。S为屈服点。

出现明显塑性变形时的应力为屈服极限sS拉伸曲线SB—均匀塑性变形阶段BK—缩颈阶段低碳钢拉伸曲线当载荷增加B点，试样截面局部出现缩颈现象。截面缩小，载荷下降，K点时试样被拉断。低碳钢拉伸曲线缩颈拉伸曲线SB—均匀塑性变形阶段BK—缩颈阶段低碳钢拉伸曲线当载荷增加B点，试样截面局部出现缩颈现象。截面缩小，载荷下降，K点时试样被拉断。低碳钢拉伸曲线拉伸曲线oe—弹性变形阶段ees—屈服阶段Ssb—均匀塑性变形阶段bk—缩颈阶段低碳钢拉伸曲线弹性变形－塑性变形－缩颈-断裂弹性变形：变形可逆；应力应变呈线性关系。退火低碳、中碳和高碳钢的拉伸曲线工程上使用的材料并不是都有明显的四个阶段，如脆性材料。一、弹性材料在外力的作用下将发生变形，外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。试样发生完全弹性变形的最大载荷（N）；试样的原始横截面积（mm2）。二、刚度材料受力时抵抗弹性变形的能力指标为弹性模量E

弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。

金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性变形的能力，反映材料塑性的力学性能。

指标有延伸率和断面收缩率。三、塑性伸长率：试样拉断后其标距长度的相对伸长值断面收缩率：试样拉断后缩颈处横截面积的最大相对收缩值断裂后

δ5

δ10δ5和δ10分别表示用L0=5d和L0=10d(d为试棒的直径)两种不同长度试棒测定的伸长率。δ5较大，δ10较小。如钢材的δ5

大约为δ10

的1.2倍。因此，只有相同符号的伸长率才能进行比较。

塑性指标不能直接用于零件设计计算，只能根据经验来选定材料的塑性。一般来说，伸长率达30%或断面收缩率达50%的材料，即可满足绝大多数零件的要求。对零件来说，对塑性的要求有一定的限度，不是越大越好。四、强度材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。

指标为s和b

屈服强度s：材料发生屈服现象时的屈服极限。

大多数合金钢、铜合金以及铝合金的拉伸曲线无明显屈服现象。脆性材料，如普通铸铁、镁合金等，甚至在断裂之前也不发生塑性变形（无水平线段）工程规定：试样产生0.2%残余塑性变形时的应力值为该材料的条件屈服强度。0.2条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值拉伸试样的颈缩现象抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值屈强比：材料变形直至破坏的行为过程？什么条件下会发生破坏？构件必须“强”，不发生破坏！必须“刚硬”，不因变形过大而影响正常工作如何控制设计才能保证构件有必要的强度和刚度？12结论：四、硬度布氏硬度洛氏硬度维氏硬度金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。在布氏硬度计上测量，用一定直径的淬火钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值。布氏硬度实验原理图布氏硬度HB※

由W，Mo，Cr，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta的九种炭化物和Fe族（Fe，Co，Ni）金属结合而成的合金总称，一般指WC-Co合金。※硬质合金是一种主要由硬质相和粘结相组成的粉末冶金产品。硬质合金是目前世界上强度最高的合金！！硬质合金硬质合金锯片硬质合金钨钢在布氏硬度计上测量，用一定直径的淬火钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值。布氏硬度实验原理图布氏硬度HB布氏硬度计实验力（kgf）；球体直径（mm）；压痕平均直径（mm）。式中布氏试验时，只需测量出d值即可从有关表格上查出相应的布氏硬度值。Contents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450~650的材料HB前数字表示硬度值,符号后分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间直径为10mm的钢球在1000kgf载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120

120HBS10/1000/30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)钢黄铜球墨铸铁可以直接从洛氏硬度计表盘上读出，是一个相对值，规定每0.002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位。HR=(K-h)/0.002洛氏硬度HR洛氏硬度是一个无量纲的材料性能指标，使用金刚石压头时，常数K为0.2，使用钢球压头时，K为0.26.洛氏硬度试验原理HR=K-h/0.002洛氏硬度计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。成品件缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕HRA采用外加载荷为60kgf，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为70-85HRA；HRB采用直径1.588mm的钢球，100kgf的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度值为25-100HRB。

HRC采用顶角为120°的金刚石圆锥体为压头，施加150kgf的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为20-67HRC；测试原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面夹角136°的金刚石正四棱锥体，维氏硬度试验所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。试验载荷可任意选择，故可测硬度范围宽。维氏硬度HVAv-压痕面积；F试验力；d-压痕两对角线平均长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。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采用摆锤冲击试验机来测定金属材料的冲击值。三、冲击韧性冲击韧度值用下式计算：冲击韧度（J/cm2）

；冲击吸收功（J）；摆锤重量（N）；摆锤抬升高度（m）；摆锤冲击后的高度（m）；试样缺口底部处横截面积（cm2）。式中

冲击韧度ak越大，表明材料的韧性越好，受到冲击时不易断裂。ak与试样形状、表面粗糙度、内部组织有关，还与试验温度相关。冲击试验温度一般为10～35oC。韧脆转变温度：韧材料可以由韧性状态转变为脆性状态而发生脆断

材料的使用温度应高于韧脆转变温度1965年，英国北海油田在一个晚上因气温突然下降，使海上钻井台产生冷脆，造成重大事故。因此，对处在低温或严寒地区工作的机器零件，设计时应特别注意材料脆性转变温度。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板四、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。用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。应力愈高，循环次数愈少，反之亦然。当应力低到一定值时，循环次数无穷大，表示材料可经无限次应力循环而不失效；此应力即为疲劳强度（疲劳极限）疲劳曲线疲劳断口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。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）

物理性能指不发生化学反应就能表现出来的性能，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。

1.3金属材料的物理和化学性能枪支内腔工业生产中防止局部渗碳要镀铜。通信设备录音机修复机器磨损插座铜的高导电和低热阻的特性使其在大功率LED芯片制造领域得到大规模的应用，以解决LED散热的问题。LED魔力打造水立方奥运期间72变银光亮厚银（德国）化学性能是材料在化学介质的作用下所表现出来的性能。如材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能