第一章工程材料及力学性能

工程材料与热加工基础Ⅱ授课教师：苏新清

材料科学与技术学院第一章工程材料及力学性能§1-1工程材料及其分类一、工程材料概念工程材料—制造工程结构、机器零件和工具的固体材料。工程材料学涉及的范围只是固体材料中有关工程结构、机器零件和工具制造，并且主要要求力学性能的材料，并研究这些材料的化学成分、组织结构、加工工艺、性能和应用之间的关系。二、工程材料的分类工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。按组成与结合键分：

(1)金属材料(2)高分子材料(3)陶瓷材料(4)复合材料金属材料以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽;用量最大、应用最广泛.黑色金属有色金属轻金属,重金属,贵金属,稀有金属

铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。

带材异形材板材管材陶瓷材料以共价键和离子键为主;熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大;分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类.激光烧结陶瓷材料传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料。

特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷发动机高分子材料

以分子键和共价键为主;塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小;包括塑料、橡胶及合成纤维等.分子键共价键高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。

烯丙酰氯-苯乙烯雪碧，“晶晶亮，透心凉”的背后？图片摄自：南京伟东包装制品有限公司复合材料包括：金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料

把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。航空发动机三、工程材料的应用和发展随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。

国产东风4D-0088内燃机车美国F-117隐身飞机新材料在不断地涌现。航空航天、机械工业是材料应用的重要领域。

随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。

在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。

铸造一级涡轮盘机械零件加工工艺材料毛坯零件铸造锻压焊接粉末冶金切削加工型材热处理四、工程材料热加工基础（零件毛坯的制造）1、铸造毛坯熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。

2、锻造毛坯锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力加工的范畴。汽车一厂车身车间POLO底盘焊接

3、焊接结构焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。使用性能和工艺性能使用性能：指材料在使用条件下（过程）表现出的各种性能，包括物理性能、化学性能、力学性能工艺性能：指材料在加工成型过程中表现出的性能，即加工的难易程度，如铸造性、焊接性等。§1-2工程材料的性能

工程材料的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性能可锻性能可焊性能切削加工性能热处理性工艺性

材料在外载或外载和环境（温度、介质等）共同作用下表现出来的性能，即材料抵抗外载引起的变形和断裂的能力。本章重点：材料在静载荷下的性能指标，屈服强度（S或0.2)、抗拉强度（b）、硬度（HB、HRC）、塑性（、）静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。材料的静载力学性能指标主要有强度、塑性、硬度等。§1-3工程材料的力学性能材料的力学性能是设计计算、材料选用、工艺评定及材料检验的重要依据。是指其在外加载荷作用下或载荷与环境因素（温度、环境）联合作用下所表现出来的行为，即材料抵抗外加载荷引起变形或断裂的能力。材料力学性能的定义几个概念1、变形材料在外力作用下引起尺寸和形状的变化。分为：弹性变形—外力去除后，变形物体靠原子之间结合力又恢复原状的变形。塑性变形—外力去除后，物体的一部分恢复了原状，还保留一部分变形，这种残留的永久变形叫塑性变形。2、应变变形量与原尺寸之比。=L/L=V/V3、应力单位面积上所受的力。=P/F4、屈服材料受力到一定值后，载荷不再增加而塑性变形继续发生的现象。§2-1拉伸试验一、拉伸试验曲线是应用最广的力学性能试验方法之一。

测定材料在拉伸载荷作用下的一系列特性的试验，又称抗拉试验。它是材料机械性能试验的基本方法之一，主要用于检验材料是否符合规定的标准和研究材料的性能。

根据GB6397-86规定，拉伸实验试样可制成圆形、板形，分为长试样和短试样。低碳钢拉伸曲线低碳钢应力应变曲线试验时，试验机以规定的速率均匀地拉伸试样，试验机可自动绘制出拉伸曲线图。拉伸曲线图实际上是载荷－伸长变形量的曲线，如将载荷坐标值和伸长坐标值分别除以试样原截面积和试样标距，就可得到应力－应变曲线图1.弹性变形阶段2.屈服阶段3.变形强化阶段4.形成缩颈，局部变形阶段低碳钢拉伸曲线低碳钢应力应变曲线1.弹性变形阶段曲线中OA段是一条直线，应力与应变成正比。如卸去外力，试件能恢复原来的形状，这种性质即为弹性，此阶段的变形为弹性变形。与A点对应的应力称为弹性极限，以σp表示。应力与应变的比值为常数，即弹性模量E,E=σ/ε。弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力2.屈服阶段应力超过A点后，应力、应变不再成正比关系，开始出现塑性变形。应力的增长滞后于应变的增长，变形迅速增加，而此时外力则大致在恒定的位置上波动，直到B点，这就是所谓的“屈服现象”，似乎钢材不能承受外力而屈服，所以AB段称为屈服阶段。与B点（此点较稳定、易测定）对应的应力称为屈服点（屈服强度），用σs表示钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满足使用要求，因此屈服强度是设计上强度取值的依据，是工程结构计算中非常重要的一个参数。

3.变形强化阶段

当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织中的晶格发生了畸变，阻止了晶格进一步滑移，钢材得到强化，所以钢材抵抗塑性变形的能力又重新提高，C-D呈上升曲线，称为强化阶段。对应于最高点D的应力值（σb）称为极限抗拉强度，简称抗拉强度。

屈服强度和抗拉强度之比（即屈强比＝σs／σb）能反映材料的利用率和结构安全可靠程度。屈强比越小，其结构的安全可靠程度越高，但屈强比过小，又说明材料强度的利用率偏低，造成钢材浪费。4.形成缩颈，局部变形阶段试件受力达到最高点C点后，其抵抗变形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直到断裂。故CD段称为颈缩阶段。二、弹性1、弹性模量材料在弹性变形阶段应力与应变的比值。拉伸时E=/，在工程上E称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗力。E越大，在一定的外力下引起的弹性变形越小，即材料的刚度越大。对于一些精密的零件应严格控制弹性变形量，如锻模、镗床的镗杆等。注：零件的刚度与材料的刚度不是一回事，零件的刚度除取决于材料的刚度外，还与零件的结构有关。零件拉伸时的刚度为A0E（A0为零件的截面积）。E的大小取决于材料的本性—原子结合键能的高低，键能大，E就大。材料成分与组织的变化对E的影响不明显。三、强度材料在外力的作用下抵抗某种现象（塑性变形、断裂）的能力。1、弹性极限（e）e=Pe/FoMPa

(Pe:材料在弹性变形范围内产生最大弹性变形时所承受的力，N。Fo试样标距部分的原始截面积，mm2）表示材料对微量塑性变形的抗力。一些精密零件，如精密弹簧、枪炮管等工作中不允许产生微量塑性变形，设计时应以e选材。曲线中的OA’段为一直线，表明在这个应力范围内，应变与应力成正比。对应于A’点的应力是保持正比关系的最大应力，称为比例极限。曲线中的A’A段，应变与应力不再是正比关系，但仍是弹性形变，过了A点以后，虽然撤去外力，形变会有残留。对应于A点的应力叫做弹性极限。2、屈服强度（S或0.2)S=PS/FoMPa

(Ps:材料屈服时承受的力，N。Fo试样标距部分的原始截面积，mm2。）表示材料对明显塑性变形的抗力。对拉伸曲线上不出现明显屈服现象的材料(如中高碳钢)。国家标准规定以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时，材料承受的应力为“规定屈服强度”，以0.2表示。大多数的机器零件在工作中都不允许产生明显的塑性变形，因此，S是设计和选材的主要依据。3、抗拉强度（b）b

=Pb/FoMPa

(Pb:材料承受的最大载荷，N。Fo试样标距部分的原始截面积，mm2。）。抗拉强度表示材料抵抗外力而不致断裂的最大应力。对脆性材料，b也是材料的断裂抗力指标。对脆性材料,往往用b作为零件设计的依据，但是安全系数要放大。在工程上，不仅需要材料的屈服强度高，而且还需要考虑屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比），根据不同的设备要求，其比值应适当。屈强比较小的材料制造的零件，具有较高的安全可靠性，因为在工作时万一超载，也能由于塑性变形使金属的强度提高而不致立刻断裂。但如果屈强比太低，则材料强度的利用率会降低。因此，过大、过小的屈强比都是不适宜的。

四、塑性材料发生塑性变形而不断裂的能力。常用延伸率和断面收缩率表示。1、延伸率（）—试样拉断后标距增长量与原始长度之比。=L1-L0/L0由于包括均匀伸长和集中伸长两部分，其中集中伸长量与试样的尺寸有关，所以同一材料10与5不同。51.210,比较材料塑性时只能是相同符号进行比较。2、断面收缩率（）—试样拉断处截面积的缩减量与原始截面积之比。=F0-F1/F0。

断面收缩率不受试样尺寸影响，能可靠地反映材料的塑性。图3-1拉伸试样（a）拉伸前（b）拉断后和越大，材料的塑性越好。良好的塑性是材料进行塑性加工（如冷冲压、轧制、冷弯等）的条件。材料的塑性好，零件在工作中不会因超载而突然断裂，较安全，这就是大多数零件除要求高强度外，还要有一定塑性的道理。

拉伸试样的颈缩现象§2-2硬度试验硬度:材料抵抗更硬物体压入其表面的能力。由于硬度试验设备简单、方便，不破坏工件，根据硬度值可估计出材料的强度值，并且硬度与材料的冷成形性、焊接性、切削加工性都有一定的联系，所以硬度试验在实际生产中应用很广泛。在产品设计图纸的技术条件中，也是一项主要技术指标。硬度试验方法压入法划痕法加载速率静载试验法动载试验法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度显微硬度肖氏硬度锤击布氏硬度莫氏硬度材料抵抗破断的能力材料变形功的大小表明材料局部地区抵抗变形的能力HB=F/S压痕深度1.布氏硬度HB常用的压入法硬度试验有：以直径为D的淬火钢球（或硬质合金球）为压头，以规定载荷P将压头垂直压入被测金属表面，停留一定时间卸载，在放大镜下测定压痕直径d，根据d值查表确定硬度值。用淬火钢压头测得的硬度用HBS表示，淬火钢压头适合测较软的材料HBS<450。硬质合金球压头以HBW表示，适合测较硬的材料HB450~650。布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计

布氏硬度HB(Brinell-hardness)适用范围:＜450HBS＜650HBW

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。

布氏硬度的优点：测量的压痕面积大，精度高。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)2.洛氏硬度与布氏硬度不同，洛氏硬度是根据压痕的深度而不是压痕直径计算硬度。可以从硬度计刻度盘上直接反映出数值，无需测量压痕深度。根据所加载荷和压头材料不同，洛氏硬度分为15种，但常用的有3种。分别用HRA、HRB、HRC表示。使用初始试验力F0将压头垂直压入试样表面，然后施加主试验力，使用总试验力F0+F1压入并保持一段时间后，撤除主试验力，保持初始试验力。施加主试验力后与施加主试验力前压痕深度的差值与材料的洛氏硬度值有着线性关系。洛氏硬度HR(Rockwellhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计1HRC≈10HBS钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度的优点是操作简单、迅速，压痕小，可用于成品检验。缺点是测量精度不高。注：不同级别的硬度值间无可比性。只有查表转换成同一级别后才能比较。洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们共有9种组合，对应于洛氏硬度的9个标尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。最常用标尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。§

2－3冲击实验上述的力学性能指标都是在缓慢加载条件下测得的，但有许多机器零件在工作中受到冲击载荷的作用。例如飞机起落架在起飞和降落时，火车启动和刹车时，汽车行驶通过道路上的凹坑时都会受到冲击。因此表征材料在冲击载荷作用下的力学性能具有重要的意义。冲击韧性是指材料在冲击载荷下抵抗变形和断裂的能力。用10×10×55mm带缺口的标准试样，在摆锤的一次冲击下打断，测定试样断口处单位面积所消耗的功，即：ak=A/F=G（H-h)/F(J/cm2)J=Nm试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak梅氏试样（U形缺口）和夏比试样（V形缺口）冲击韧性是对材料的微观组织的微小变化十分敏感的性能，当两种材料的静态拉伸性能基本一样时，其冲击值可能差别很大。另外，ak与温度有很大关系，一般低温时材料的ak低。实际中，在动载荷下工作的零件很少是因一次过载冲击而破坏，往往是因小能量的多次重复冲击而断裂，这时用ak衡量其抗力不合适，而取决于b。球墨铸铁用来制做曲轴、连杆就是例子。ak影响因素1.ak值取决于材料及其状态，同时与材料的形状、尺寸有很大关系。同种材料的试样，缺口越深越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，脆性越高。

ak值对