第一章 工程材料的分类与性能

工程材料与成形技术基础主讲：韩洪涛教授通讯址：8832信息商务学院学习目标1.重点了解工程材料的常用力学性能；2.了解工程材料的物理、化学及工艺性能并建立材料性能的技术经济概念。信息商务学院

绪论信息商务学院

我国材料的历史进程

(Historicalperspective)漫长而又曲折的历程：简单→复杂单一性能→综合性能结构材料→功能材料单一材料→复合材料信息商务学院

石器时代（StoneAge）石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等

（西安半坡遗址）石斧信息商务学院

青铜器时代（BronzeAge）目前中国发现的最早期的青铜酒器之一铜爵（夏代）（河南省偃师县二里头出土）信息商务学院司母戊鼎是迄今出土的所有鼎中最大最重的，因其腹内壁上有铭文“司母戊”三字而得名，是商王祭祀其母（名戊）的纪念器物。司母戊鼎（商代）（河南省安阳殷墟出土）信息商务学院这件四羊方尊重达34公斤，是我国现存商代青铜方尊中最大的一件。其造型动静结合，寓雄奇于秀美之间，可谓巧夺天工。四羊方尊（商代）（湖南省宁乡县出土）信息商务学院

湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑此剑锋芒犀利，寒光闪闪，出土时插于漆木鞘里，保存如新，至今犹能断发。经分析测定，剑脊含锡低（10%），韧性好而不易折断；刃部含锡高（20%），刚而锋利。这种复合金属制造技术其他国家直到近代才掌握。信息商务学院

这套编钟包括钮钟19件，甬钟45个，外加楚惠王赠送的一件这拨钟，共65件，总重量达2500多公斤，是迄今中国发现的数量最多、保存最好的一套编钟。合理的金属成份配比和规范的外形尺寸，以及工艺上的特殊处理，使编钟达到了令人赞叹的音响效果，这在今天也不易办到。曾侯乙编钟（战国）（湖北省随县擂鼓墩出土）信息商务学院这件杜虎符便是现存最早的一件调兵凭证，一符剖为左右两半，右边留存于朝廷，左半交地方官吏或统兵将帅保管，使用时两半相合，即为“符合”，表示命令验证可信。杜虎符（战国秦）（陕西省西安北沉村出土）信息商务学院

铜车马（战国秦）（陕西省临潼县秦始皇陵西侧出土）举世闻名的秦始皇陵出土了许多珍贵的文物，其中两乘铜车马更是其中的精品，根据车铭，一乘名为“立车”（御者站立车上），另一乘名为“安车”（御者坐在车上），两乘形制基本相仿，图中所示为安车。安车的结构经过精心设计，1500多个部件用嵌铸、铆接、焊接、销钉等方法组装而成，至今各链条仍很灵活，窗门开启自如，牵引辕衡，还能拖动车轮转动，工艺甚为精湛。信息商务学院灯的结构非常精巧，灯座、灯盘和灯罩都可以拆卸，圆形灯盘可以转动，两块瓦状的罩板能够开合，因而能任意调节灯光照射的方向和亮度的强弱大小。点灯后，虹吸装置使蜡烛燃烧时的烟烬通过宫女的手臂纳入体中，从而保持室内空气的清洁。灯座可以盛水，这便能使吸入宫女体内的烟烬溶于水中。这件铜灯不仅体现出卓越的设计意匠，把实用功能、净化空气的科学原理和优美的造型，有机结合成一体，也反映了高度的合金冶炼技术。在装饰上采用通体鎏金，灿然发光，显得富丽华美，让人过目难忘。长信宫灯（西汉）（河北省满城县中山靖王墓出土）信息商务学院此炉炉身的盘和座是分铸后用铁钉铆合，通体错金，炉盘饰错金流云纹。盘上部及盖铸出高低起伏，抵挺峻峭的群山，山间点缀以猎人和野兽，刻划出一幅生意盎然的狩猎画面。圈足饰错金卷云纹，座把透雕成三龙跃出水面，龙首顶托龙盘，勾画出沟通天人的神山图景。此器工艺精湛，外观华美，不愧为博山炉中的代表作品。错金银博山炉（西汉）（河北省满城中山靖王墓出土）信息商务学院铜奔马（马踏飞燕）（东汉）（甘肃省武威县雷台汉墓出土）这件铜奔马（也称马超龙雀），是东汉青铜艺术的杰出代表，现已作为中国旅游的标志，成为中华民族向外展示自己文化传统的代表。中国古代匠师运用现实主义与浪漫主义相结合的艺术手法，以丰富的想象力，精巧的构思，娴熟的匠艺，把奔马和飞鸟绝妙地结合在一起，以迅疾的飞鸟衬托奔马的神速，不仅造型生动活泼，而且巧妙地使奔马的重心集中在蹄下的飞鸟上，将奔马的奔腾不羁之势与平实稳定的力学结构凝为一体，它所具有的蓬勃的生命力和一往无前的气势，更是中华民族的象征。信息商务学院

铁器时代（IronAge）湖南长沙砂子塘中国古代铁器的金相组织战国凹形铁锄信息商务学院

是中国现存最早的大型铸铁艺术品。后周（953年）沧州铁狮信息商务学院此塔是中国现存铁塔中保存得极为完整的一个。这座塔不用砖石木料，完全用生铁铸成，重五十三吨，整座塔身逐层迭加，不加焊接，形体瘦削挺拔，稳健玲珑。此塔铸造工艺细腻，不论是总体结构，还是细部装饰，都看不出铸造的痕迹，艺术上达到了完美的境地。玉泉铁塔还有一奇：塔身是斜的。这是因为玉泉寺在鄂西的崇山峻岭之中，北风劲急，气候变化很大。建筑家充分考虑到这一自然因素，使塔身向北倾斜，即使遭到再大的狂风暴雨袭击，铁塔的重心始终保持平衡，屹立不倒。所以玉泉铁塔虽经历了近千年的风风雨雨，仍然英姿挺拔，的确令人赞叹。湖北当阳宋代铁塔信息商务学院

工程材料的分类及发展趋势由于材料多用于工业、工程领域，故亦称工程材料。复合材料工程材料金属材料陶瓷材料高分子材料（1）根据其组成与结构特点，可分为信息商务学院

根据材料的性能特征，可分为结构材料——是以力学性能为主的工程材料的统称。工程材料结构材料功能材料功能材料——是指以物理性能为主的工程材料的统称。

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根据材料的用途，分为本教材侧重介绍机械工程材料。建筑材料能源材料其他机械工程材料电子工程材料工程材料信息商务学院材料工程的加工成形技术

通过材料制备技术得到的材料，大多数不是材料的最终产品，需要进一步的后续加工处理。

玻璃材料有它的特殊性，从原材料配制、熔化，到熔体快冷成形为制品，必须一步完成。

材料的常规加工技术主要有锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔、焊接以及注射成形等。信息商务学院

课程总体目标和任务本课程是机械类专业一门重要的技术基础课。

本专业的培养目标：生产一线技术人员，学习本课程的重要性，为机械设计、机械制造、工艺加工提供必要的课程基础。信息商务学院

希腊字母表及其读音序号大写小写中文注音1Αα阿尔法2Ββ贝塔3Γγ伽马4Δδ德尔塔5Εε伊普西龙6Ζζ截塔7Ηη艾塔8Θθ西塔9Ιι约塔10Κκ卡帕11Λλ兰布达12Μμ缪信息商务学院

希腊字母表及其读音序号大写小写中文注音13Νν纽14Ξξ克西15Οο奥密克戎16Ππ派17Ρρ肉18Σσ西格马19Ττ套20Υυ宇普西龙21Φφ佛爱22Χχ西23Ψψ普西24Ωω欧米伽信息商务学院1、本课程安排1）教学学时：30学时2）时间安排：1-15周2.成绩评定期末考试80%b)平时作业10%c)课堂提问5%d)考勤5%3.其他（手机、课代表等）课程安排及成绩评定信息商务学院教学内容学习要求能力要求1.材料的强度、塑形2.材料的硬度、韧性、疲劳强度3.材料的物理、化学性能1.掌握材料硬度的测量方法及表示方法2.理解工程材料的强度、塑形、韧性及疲劳强度3.了解材料的物理化学性能的应用初步具有工程材料硬度测试的能力第一章工程材料的分类与性能信息商务学院课前案例分析承载减震传载、防裂箱体底座齿轮传动轴信息商务学院轴、齿轮、箱体应具备何种性能才能满足使用要求这些性能用什么指标衡量怎样衡量课前思考信息商务学院第一节工程材料的分类

工程材料金属材料复合材料陶瓷和高分子材料金属材料性能使用性能工艺性能力学性能、物理性能、化学性能铸、锻、焊及切削加工性能信息商务学院定义:

金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。

指标:

弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。作用在机件上的外力——载荷第二节材料的力学性能静载荷动载荷信息商务学院1.弹性变形：

材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。FFF信息商务学院2.塑性变形:

材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。FFF信息商务学院3．断裂

断裂——塑性变形进行到一定程度，材料内部出现裂纹，在外力继续作用下，裂纹逐步扩展最终使材料相互分离的现象，称之为断裂。变形的三个阶段弹性变形塑性变形断裂信息商务学院4．应力和应变⑴内力材料在外力的作用下，其内部就会产生相应的作用力以抵抗变形，并在整体上与外力达到平衡。这种材料内部一部分物质相对另一部分物质的相互作用称为内力。FFF=F’

（MPa）外力——内力——应力F’Fσ=F’

/S信息商务学院⑵应力①真实应力

σ=F/S1

S1——杆件瞬时直径的d1所对应的横截面积②工程应力

σ=F/S0

S0——杆件的原始横截面积按国际单位，应力的单位常用MPa(兆帕)，1MPa＝1MN/㎡=1N/m㎡。单位面积的内力称为材料的应力。信息商务学院单位长度的伸长量称为应变。

ε＝△l/l0⑶应变信息商务学院单向静拉伸实验FFL拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d0GB——国标6397——序列号86——年号信息商务学院静拉伸实验是指在室温下，将标准试样卡在材料试验机上，缓慢的在试样两端施加载荷，使试样受轴向拉力，引起试样沿轴向伸长，试样一般进行到拉断为止。目的：测定试样对外加载荷的抗力，可以求出材料的强度指标，测定试样在破断前塑性变形的大小，可以求出材料的塑性变形。全过程可以看材料在拉力下变形的整个过程。信息商务学院1.弹性变形阶段2.塑性变形阶段缩颈现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段屈服阶段3.断裂信息商务学院kbb—极限载荷点Fee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点opp—比例极限点OP段：弹性变形阶段PES段：弹性－塑性变形阶段（过渡段）SBK段：塑性变形阶段材料随着变形量增加，变形抗力增加的现象称为强化。K：断裂阶段信息商务学院强度：弹性模量的单位同应力的单位Pa、MPa材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1）弹性极限σe和弹性模量E

弹性变形阶段的极限应力值称为弹性极限，用σe来表示。E＝σ/ε（应力/应变）弹性模量E表征了材料抵抗变形的能力E—材料抵抗弹性变形的能力越大。信息商务学院当材料单位面积上所受的应力σe<σ<σs时，只产生微量的塑性变形。当σ>σs时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）（2）屈服强度（σS）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度—是塑性材料选材和评定的依据。

ΔLF0F0.20.2%L0信息商务学院

σb=Fb/S0（MPa）（3）抗拉强度（σb）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。应用：抗拉强度是脆性材料选材的依据。

信息商务学院2.塑性常用δ和ψ作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:FFL良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。信息商务学院拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机信息商务学院硬度是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念，

硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

信息商务学院硬度硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑形变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬的判据。材料的硬度越高，则耐磨性越好，故将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV信息商务学院1.布氏硬度（HB）：

⑴原理信息商务学院⑵应用主要适用于各种未经淬火的钢、退火、正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地轻软的轴承合金等原材料。符号压头类型硬度值有效范围HBS淬火钢球﹤450HBW硬质合金钢球450～650信息商务学院⑶优缺点

测量误差较小，结果准确。压痕面积大，受测量不均匀度影响较小，不宜在产品上进行实验，也不适用于薄片和面积狭长的零件。

标注：D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示此硬度值120在D=10mm，P=3000kgf，T=10秒的条件下得到的。简单标注：200～230HB或300～330HBS信息商务学院低碳钢：σb≈3.6HB高碳钢：σb≈3.4HB调质合金钢：σb≈3.25HB灰铸铁：σb≈1HB材料的硬度与抗拉强度有相应的关系。抗拉强度测定需破坏性实验，往往用硬度来折算抗拉强度。HB与σb之间的关系：信息商务学院2.洛氏硬度（HRC）FFF1200（1）原理加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值信息商务学院符号压头类型总实验力（F/kN）硬度值有效范围适用范围HRA120°金刚石圆锥0.588470～85HRA硬而薄的硬质合金，表面淬火钢，渗透层HRBΦ1.588mm钢球0.980725～100HRB非铁金属，退火、正火钢HRC120°金刚石圆锥1.471120～67HRC淬火钢，调质钢（2）应用范围信息商务学院优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。（3）优缺点缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。信息商务学院3.维氏硬度维氏硬度实验原理与布氏硬度相同，同样是根据压痕单位面积上的平均载荷计量硬度值，不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角为136°的正四棱锥体。试验时，根据试样大小、厚薄选用（5~120）×9.8N载荷压入试样表面，保持一定时间后去除载荷，用附在试验机上测量压痕对角线长度d，然后查表或根据下式计算维氏硬度值。适用于测量表面强化处理的机械零件和很薄的产品。HV≈HBS(试验录像）信息商务学院冲击韧性

韧性——材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷面不破坏的能力称为冲击韧性。试样：55×10×10，精磨。U缺口和V缺口。信息商务学院冲击吸收功：AK=G（H1–H2）（J）试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak）等于摆锤冲击试样前后的势能差。信息商务学院冲击韧性实验信息商务学院韧性材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的重用指标为冲击韧度。冲击韧度通常采用摆锤冲击试验机测定。（试验录像）信息商务学院试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)

冲击韧度ak

就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸收功。A—试样缺口处的横截面积（cm2）信息商务学院工程中常把缺口横截面积处单位面积上的冲击吸收功称为冲击韧度，亦称冲击韧性值。冲击韧度：αk=AK/S（J/m2）

冲击韧度（冲击韧性值、冲击值）材料的冲击韧性与塑性之间有一定的联系，αk大，材料的塑性大，但塑性大的材料，αk值不一定高冲击值（冲击韧性值）的大小与很多因素有关，不仅受试样形状，表面粗糙度，内部组织等的影响，而且与试验时的环境、温度有关，冲击韧性值一般是作为选择材料的参数，并没有确定的物理意义。信息商务学院疲劳极限疲劳极限：材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。用以表征材料抵抗疲劳断裂的能力。—循环基数钢：

受交变载荷作用的零件，在其所受应力远远低