第1章工程材料基础

第1章工程材料基础工程材料与热加工§1.1工程材料分类与性能

一、分类金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料“成分”“场合”结构材料工具材料功能材料“应用领域”机械工程材料建筑工程材料能源材料信息材料生物材料材料性能使用性能工艺性能力学性能物理和化学性能铸造性可锻造性焊接性切削加工性能指在服役条件下，能保证材料安全可靠工作所必备的性能，是材料对环境因素的响应能力。材料的可加工性二、性能§1.2

力学性能指材料在外力或能量以及环境因素作用下表现出的变形和破断的特性力学性能载荷主要力学性能指标弹性、塑性、强度、硬度冲击韧性、疲劳特性、耐磨性变形材料在外力作用下所发生的形状和尺寸的变化弹性变形外力去除后可以恢复的变形塑性变形外力去除后不能够恢复的变形一、拉伸试验及曲线1.拉伸试验评价材料力学性能最简单和最有效的方法就是测定材料的拉伸试验拉伸试样：试样的材质为低碳钢长试样：l0=10d0;短试样：l0=5d0拉伸试验机拉伸过程局部变形阶段（强化）屈服变形阶段弹性变形阶段缩颈断裂=F/S应力应变=L/L2.曲线（1）弹性阶段（卸载可逆）去外力后变形完全消失的性质称为弹性。或（3）强化阶段材料恢复抵抗变形的能力，要使它继续变形，必须增加应力，称为材料的强化。弹性变形和塑性变形共存比例极限屈服极限强度极限（2）屈服阶段（出现塑性变形）应力几乎不变，应变不断增加，产生明显的塑性变形的现象，称为屈服现象（4）局部变形阶段在某一小段的范围内，横截面面积出现局部迅速收缩，称为颈缩现象。拉伸试样的颈缩现象3.其他类型材料的应力-应变行为1234102030e(%)0100200300400500600700800900s(MPa)1、锰钢2、硬铝3、退火球墨铸铁4、低碳钢特点：d较大，为塑性材料。

无明显屈服阶段。OseA0.2%S无明显屈服阶段的，规定以塑性应变=0.2%所对应的应力作为名义屈服极限，记作二、静态力学性能3.硬度指标1.弹性与刚度指标2.强度与塑性指标指不产生永久变形的能力材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力E标志材料抵抗弹性变形的能力，以表示材料的刚度；E越大，材料越不易发生弹性变形弹性模数E衡量弹性刚度刚度由E=σ/ε决定零件刚度零件抵抗弹性变形的能力材料在弹性范围内应力与应变的比值σ/ε零件刚度是材料E和零件形状与截面尺寸的函数。提高零件刚度的办法是增加横截面积或改变截面形状1.弹性与刚度2.强度与塑性强度材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力屈服强度试件屈服时承受的最小应力σs；基本上所有的机械零件都不允许塑性变形，所以强度计算常用屈服极限σs屈服应力不增加，但应变增加的现象注：工程上规定，把试件产生的塑性变形为标距长度的0.2%时所对应的应力值为材料的屈服强度，用σ0.2表示在工程结构上或机器工作时是不允许材料发生塑性变形的，因此屈服强度是工程设计和选材的重要依据之一抗拉强度定义试件断裂前所承受的最大拉力，用σb表示抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，其值越大，说明材料抵抗断裂的能力越强塑性材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力塑性的常用指标伸长率δ＝(L1-L0)

/L0×100%L0为原长，L1为断裂后长度；断面收缩率φ＝(S0-S1)/S0×100%S0为试件原始截面积，S1为断口处的截面积δ和φ愈大，材料的塑性愈好，通常φ更接近真实应变3.硬度定义：材料抵抗局部塑性变形的能力，是衡量材料软硬程度的指标；多用压入法测定硬度布氏硬度洛氏硬度维氏硬度根据测定方法的不同注：各硬度值相互之间不能直接比较，只能通过硬度对照表换算hd/2/2F压头试样布氏硬度(HB)布氏硬度试验原理计算：用球面压痕单位面积上所承受的平均压力表示。符号：HBS（HBW）计算公式：2FHBS=0.102

D(D-D2-d2)

布氏硬度(HB)布氏硬度值的表示常用试验规范（D=10mm、F=29420N、t=10~15s）条件下测得的布氏硬度值：275HBS525HBW布氏硬度(HB)其他条件下测得的布氏硬度值：120HBS10/1000/30布氏硬度(HB)试验用压头为一淬火钢球过硬材料会使钢球变形甚至破坏对布氏硬度值450的材料：硬质合金球对金属来讲，只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度缺点：优点：测量误差小，数据稳定压痕大，不能用于太薄件或成品件对布氏硬度值450的材料：淬火钢球布氏硬度压痕洛氏硬度计布氏硬度(HB)00112332h0eh1洛氏硬度(HR)

洛氏硬度试验原理计算：用残余压痕深度增量来计算。符号：HR计算公式：HR=(K-e)/0.002式中K=0.2（金刚石）或0.26（淬火钢球)洛氏硬度(HR)洛氏硬度值的试验规范(标尺)HRC20~67150kgf金刚石HRB20~100100kgf淬火钢球HRA20~8860kgf金刚石洛氏硬度值的表示

45HRC、65HRB、80HRA洛氏硬度(HR)洛氏硬度(HR)优点根据压头的材料及压头所加的负荷HRA、HRB、HRCHRA

适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层HRB适用于测量有色金属和退火、正火钢等HRC

适用于调质钢、淬火钢等HR操作简便、迅速压痕小，可测量成品件硬度值可直接从表盘上读出注：因压痕小，受材料组织不均匀因素很大，所以对同一测试件，应在不同部位测取三点后取平均值维氏硬度(HV)维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同不同点是压头为金刚石正四棱锥体，所加负荷较小。优点：2、维氏硬度值比布氏、洛氏精确1、深度浅3、改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度计算：用压痕两对角线的平均长度来计算。符号：HV计算公式：HV=0.1891F/d2aad维氏硬度(HV)维氏硬度计维氏硬度压痕维氏硬度(HV)三、动态力学性能1.冲击韧性2.疲劳1.冲击韧性定义：材料在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力αk是在一次试验中，单位截面积上所消耗的冲击功，单位J/cm2表示方法：摆锤式冲击试验特点：

αk值愈大，材料韧性愈好

αk值低的材料称为脆性材料

αk值随温度的下降而下降冷脆现象：材料的冲击韧性随试验的温度的降低而减小，且在某一温度范围内，韧性值发生急剧降低的现象。2.疲劳定义：材料在交变载荷的作用下，在远低于其屈服强度的应力下发生断裂，而且没有塑性变形征兆的现象特点：突发性，没有先兆疲劳极限材料在规定次数（钢材为107次，有色金属及合金取108次）交变应力作用下而不引起疲劳断裂的最大应力用σr表示提高疲劳强度的方法1、选择合适的材料；2、注意结构形状，避免应力集中，提高表面粗糙度，进行表面强化。大小或方向随时间而变化的载荷化学性能物理性能密度熔点热膨胀性导热性导电性磁性耐腐蚀性抗氧化性§1.3材料的物理、化学性能物理性能密度熔点热膨胀性材料单位体积的质量密度小于5103Kg/m3的金属称为轻金属密度大于5103Kg/m3的金属称为重金属材料的熔化温度陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点高分子材料一般不是完全晶体，所以没有固定的熔点材料受热后的体积膨胀，通常用线膨胀系数表示对精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标物理性能磁性导热性材料热传导的能力；用其导热系数来表示制件材料的导热性愈差零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差膨胀不同，便会产生破裂金属及合金的导热系数远高于非金属材料在金属中，以银为最好，铜和铝次之材料能导磁的性能物理性能导电性材料的导电性一般用电阻率表示金属的电阻率随温度升高而增加，而非金属材料则与此相反金属及其合金一般具有良好的导电性，银的导电性最好，铜、铝次之化学性能抗氧化性耐腐蚀性材料抵抗各种介质侵蚀的能力非金属材料的耐蚀性能总的说来远远高于金属材料材料抵抗高温氧化的能力抗氧化的材料常在表面形成一层致密的保护膜，来阻碍氧的进一步扩散材料工艺性能是其力学性能、物理性能、化学性能的综合工艺性能的好坏，影响制造零件的工艺方法和质量以及制造成本铸造性指浇注铸件时，液体金属能充满比较复杂的铸型并获得优质