第1章 工程材料基礎(chǔ)

1、第第 1 章章工程材料基礎(chǔ)工程材料基礎(chǔ)工程材料與熱加工工程材料與熱加工 一、分類“成分”“場(chǎng)合”“應(yīng)用領(lǐng)域”材材料料性性能能使用性能使用性能工藝性能工藝性能力學(xué)性能力學(xué)性能物理和化學(xué)性能物理和化學(xué)性能鑄造性鑄造性可鍛造性可鍛造性焊接性焊接性切削加工性能切削加工性能指在服役條件下，能保指在服役條件下，能保證材料安全可靠工作所證材料安全可靠工作所必備的性能，是材料對(duì)必備的性能，是材料對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)能力。環(huán)境因素的響應(yīng)能力。材料的可材料的可加工性加工性二、性能二、性能1.21.2 力學(xué)性能力學(xué)性能指材料在指材料在外力或能量外力或能量以及環(huán)境因素作用下以及環(huán)境因素作用下表現(xiàn)出的變形和破斷的特性表現(xiàn)出

2、的變形和破斷的特性力學(xué)性能力學(xué)性能載荷載荷主要力學(xué)主要力學(xué)性能指標(biāo)性能指標(biāo)彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度沖擊韌性、疲勞特性、耐磨性沖擊韌性、疲勞特性、耐磨性變變 形形材料在外力作用下所發(fā)生的形狀和尺寸的變化材料在外力作用下所發(fā)生的形狀和尺寸的變化彈性變形彈性變形外力去除后可以恢復(fù)的變形外力去除后可以恢復(fù)的變形塑性變形塑性變形外力去除后不能夠恢復(fù)的變形外力去除后不能夠恢復(fù)的變形一、拉伸試驗(yàn)及曲線一、拉伸試驗(yàn)及曲線1.1.拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的方法就是測(cè)定材評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能最簡(jiǎn)單和最有效的方法就是測(cè)定材料的拉伸試驗(yàn)料的拉伸試驗(yàn)拉伸試樣：拉伸試樣：試樣的材質(zhì)

3、為試樣的材質(zhì)為低碳鋼低碳鋼長(zhǎng)試樣：長(zhǎng)試樣：l l0 0=10d=10d0 0; ; 短試樣：短試樣：l l0 0=5d=5d0 0拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸過(guò)程拉伸過(guò)程局部變形階段局部變形階段（強(qiáng)化）（強(qiáng)化）屈服變形階段屈服變形階段彈性變形階段彈性變形階段縮頸縮頸斷裂斷裂 = F / S應(yīng)應(yīng) 力力應(yīng)應(yīng) 變變 = L / L2.2.曲線曲線（1）（卸載可逆）（卸載可逆） 去外力后變形完全消失的性質(zhì)稱為彈性。去外力后變形完全消失的性質(zhì)稱為彈性。E（3） 材料恢復(fù)抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形，必須材料恢復(fù)抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形，必須增加應(yīng)力，稱為材料的強(qiáng)化。彈性變形和塑性變形共存增加應(yīng)力，稱

4、為材料的強(qiáng)化。彈性變形和塑性變形共存p 比例極限比例極限s 屈服極限屈服極限b 強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限E（2）（出現(xiàn)塑性變形）（出現(xiàn)塑性變形） 應(yīng)力幾乎不變，應(yīng)變不斷增加，產(chǎn)生明顯的塑性變形的應(yīng)力幾乎不變，應(yīng)變不斷增加，產(chǎn)生明顯的塑性變形的現(xiàn)象，稱為屈服現(xiàn)象現(xiàn)象，稱為屈服現(xiàn)象n（4）局部變形階段）局部變形階段n在某一小段的范圍內(nèi)，橫截面面積出現(xiàn)局部迅速收縮，在某一小段的范圍內(nèi)，橫截面面積出現(xiàn)局部迅速收縮，稱為稱為頸縮現(xiàn)象頸縮現(xiàn)象。拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象3.3.其他類型材料的應(yīng)力其他類型材料的應(yīng)力- -應(yīng)變行為應(yīng)變行為1234102030 (%)010020030040050060070

5、0800900 (MPa)1、錳鋼、錳鋼 2、硬鋁、硬鋁 3、退火球墨鑄鐵、退火球墨鑄鐵 4、低碳鋼、低碳鋼特點(diǎn)：特點(diǎn)：d d 較大，為塑性材料。 無(wú)明顯屈服階段。O A0.2%S2 . 0p無(wú)明顯屈服階段的，規(guī)定以塑性應(yīng)變 =0.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為名義屈服極限，記作p2 . 0p指不產(chǎn)生永久變形的能力指不產(chǎn)生永久變形的能力材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力彈性變形的能力E標(biāo)志材料抵抗彈性變形的能力，以表示材料的剛度；標(biāo)志材料抵抗彈性變形的能力，以表示材料的剛度；E越大，材料越不易發(fā)生彈性變形越大，材料越不易發(fā)生彈性變形彈性模數(shù)彈性模數(shù)E衡量衡量彈彈 性性剛剛 度度剛度由

6、剛度由E=/決定決定零件剛度零件剛度零件抵抗彈性變形的能力零件抵抗彈性變形的能力材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值/零件剛度是材料零件剛度是材料E和零件形狀與截面尺寸的函數(shù)。提高零和零件形狀與截面尺寸的函數(shù)。提高零件剛度的辦法是增加橫截面積或改變截面形狀件剛度的辦法是增加橫截面積或改變截面形狀1.1.彈性與剛度彈性與剛度2.2.強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性強(qiáng)強(qiáng) 度度材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度試件試件屈服時(shí)屈服時(shí)承受的最小應(yīng)力承受的最小應(yīng)力s s；基本上所有的機(jī)械零件基本上所有的機(jī)械零件都不允許塑性變形

7、，所以強(qiáng)度計(jì)算常用屈服極限都不允許塑性變形，所以強(qiáng)度計(jì)算常用屈服極限s s屈屈 服服應(yīng)力不增加，但應(yīng)變?cè)黾拥默F(xiàn)象應(yīng)力不增加，但應(yīng)變?cè)黾拥默F(xiàn)象注：注：工程上規(guī)定，把試件產(chǎn)生的塑性變形為標(biāo)距長(zhǎng)度的工程上規(guī)定，把試件產(chǎn)生的塑性變形為標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2% %時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為材料的屈服強(qiáng)度，用時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為材料的屈服強(qiáng)度，用0.20.2表示表示在工程結(jié)構(gòu)上或機(jī)器工作時(shí)是不允許材料發(fā)生塑性變形在工程結(jié)構(gòu)上或機(jī)器工作時(shí)是不允許材料發(fā)生塑性變形的，因此屈服強(qiáng)度是工程設(shè)計(jì)和選材的重要依據(jù)之一的，因此屈服強(qiáng)度是工程設(shè)計(jì)和選材的重要依據(jù)之一 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度定義定義試件斷裂前所承受的最大拉力，用試件斷裂前所承受

8、的最大拉力，用b b表示表示抗拉強(qiáng)度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，其值越大，抗拉強(qiáng)度反映材料抵抗斷裂破壞的能力，其值越大，說(shuō)明材料抵抗斷裂的能力越強(qiáng)說(shuō)明材料抵抗斷裂的能力越強(qiáng)塑塑 性性材料受力破壞前承受最大塑性變形的能力材料受力破壞前承受最大塑性變形的能力塑性塑性的常的常用指用指標(biāo)標(biāo)伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率(L1-L0) /L0100%L0 0為原長(zhǎng)，為原長(zhǎng)， L1 1為斷裂后長(zhǎng)度；為斷裂后長(zhǎng)度；斷面收斷面收縮率縮率 (S0-S1)/ S0 100%S0 0為試件原始截面積為試件原始截面積， S1為斷口處的截面積為斷口處的截面積和和愈大愈大，材料的塑性愈好，通常，材料的塑性愈好，通常更接近真實(shí)應(yīng)變更接近真實(shí)

9、應(yīng)變3.3.硬硬 度度定義：定義：材料抵抗局部塑性變形的能力，是衡量材料軟硬材料抵抗局部塑性變形的能力，是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)；多用壓入法測(cè)定程度的指標(biāo)；多用壓入法測(cè)定硬硬 度度布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度維氏硬度維氏硬度根據(jù)測(cè)定根據(jù)測(cè)定方法的不同方法的不同注：各硬度值相互之間不能直接比較，只注：各硬度值相互之間不能直接比較，只能通過(guò)硬度對(duì)照表?yè)Q算能通過(guò)硬度對(duì)照表?yè)Q算hd/2/2F壓頭試樣 布氏硬度布氏硬度(HB)布氏硬度試驗(yàn)原理計(jì)算：計(jì)算：用球面壓痕單位面積上所承受的用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。平均壓力表示。符號(hào)：符號(hào)：HBS（HBW）計(jì)算公式：計(jì)算公式： 2F HBS=

10、0.102 D(D-D2-d2) 布氏硬度布氏硬度(HB)布氏硬度值的表示布氏硬度值的表示 常用試驗(yàn)規(guī)范（常用試驗(yàn)規(guī)范（ D=10mm、F=29420N、t=1015s）條件下測(cè)得的布氏硬度值：條件下測(cè)得的布氏硬度值：275HBS 525HBW 布氏硬度布氏硬度(HB)其他條件下測(cè)得的布氏硬度值：其他條件下測(cè)得的布氏硬度值：120HBS10/1000/30 布氏硬度布氏硬度(HB)試驗(yàn)用壓頭為試驗(yàn)用壓頭為一淬火鋼球一淬火鋼球過(guò)硬材料會(huì)使鋼過(guò)硬材料會(huì)使鋼球變形甚至破壞球變形甚至破壞對(duì)布氏硬度值對(duì)布氏硬度值 450的的材料：材料：硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金球球?qū)饘賮?lái)講，只適用于測(cè)定退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵

11、及對(duì)金屬來(lái)講，只適用于測(cè)定退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度有色金屬的硬度缺缺 點(diǎn)：點(diǎn)：優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)：點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定壓痕大，不能用于太薄件壓痕大，不能用于太薄件或成品件或成品件對(duì)布氏硬度值對(duì)布氏硬度值 450的的材料：材料：淬火鋼淬火鋼球球布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì) 布氏硬度布氏硬度(HB)00112332h0eh1 洛氏硬度洛氏硬度(HR) 洛氏硬度試驗(yàn)原理洛氏硬度試驗(yàn)原理計(jì)算：計(jì)算：用殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算。用殘余壓痕深度增量來(lái)計(jì)算。符號(hào)：符號(hào)：HR計(jì)算公式：計(jì)算公式：HR=(K-e)/0.002式中式中K=0.2（金剛石）或（金剛石）或0

12、.26（ 淬火鋼球淬火鋼球) 洛氏硬度洛氏硬度(HR)洛氏硬度值的試驗(yàn)規(guī)范(標(biāo)尺)HRC 2067 150kgf 金剛石HRB 20100 100kgf 淬火鋼球HRA 2088 60kgf 金剛石洛氏硬度值的表示洛氏硬度值的表示 45HRC、65HRB、80HRA 洛氏硬度洛氏硬度(HR) 洛氏硬度洛氏硬度(HR)優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn)根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷HRA、HRB、HRCHRA 適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層適用于測(cè)量硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層HRB 適用于測(cè)量有色金屬和退火、正火鋼等適用于測(cè)量有色金屬和退火、正火鋼等HRC 適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等

13、適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等HR操作簡(jiǎn)便、迅速操作簡(jiǎn)便、迅速壓痕小，可測(cè)量成品件壓痕小，可測(cè)量成品件硬度值可直接從表盤上讀出硬度值可直接從表盤上讀出注：因壓痕小，受材料注：因壓痕小，受材料組織不均勻因素很大，組織不均勻因素很大，所以對(duì)同一測(cè)試件，應(yīng)所以對(duì)同一測(cè)試件，應(yīng)在不同部位測(cè)取三點(diǎn)后在不同部位測(cè)取三點(diǎn)后取平均值取平均值 維氏硬度維氏硬度(HV)維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同不同點(diǎn)不同點(diǎn)是壓頭為金剛石正四棱錐體，是壓頭為金剛石正四棱錐體，所加負(fù)荷較小。所加負(fù)荷較小。優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)：點(diǎn)：2、維氏硬度值比布氏、洛氏精確維氏硬度值比布氏、洛氏精確1、深度淺深度淺3、改變負(fù)荷可

14、測(cè)定從極軟到極硬的各種材料的硬度、改變負(fù)荷可測(cè)定從極軟到極硬的各種材料的硬度計(jì)算：計(jì)算：用壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。符號(hào)：符號(hào)：HV計(jì)算公式：計(jì)算公式：HV=0 . 1891F/d2aad 維氏硬度維氏硬度(HV)維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕 維氏硬度維氏硬度(HV)1.1.沖擊韌性沖擊韌性定義：定義：材料在沖擊載荷作用下，抵抗沖擊力的作用而不被材料在沖擊載荷作用下，抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力破壞的能力k k是在一次試驗(yàn)中，單位截面積上所消耗的沖是在一次試驗(yàn)中，單位截面積上所消耗的沖擊功，單位擊功，單位J/cm2 2表示方法：表示方法：擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)特特

15、 點(diǎn)：點(diǎn)： k k值愈大，材料韌性愈好值愈大，材料韌性愈好 k k值低的材料稱為脆性材料值低的材料稱為脆性材料 k k值隨溫度的下降而下降值隨溫度的下降而下降冷脆現(xiàn)象：冷脆現(xiàn)象：材料的沖擊韌性隨試驗(yàn)的溫度的降低而減小，且在某材料的沖擊韌性隨試驗(yàn)的溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內(nèi)，韌性值發(fā)生急劇降低的現(xiàn)象。一溫度范圍內(nèi)，韌性值發(fā)生急劇降低的現(xiàn)象。2.2.疲疲 勞勞定定 義：義：材料在材料在交變載荷交變載荷的作用下，在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)的作用下，在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生斷裂，而且沒(méi)有塑性變形征兆的現(xiàn)象力下發(fā)生斷裂，而且沒(méi)有塑性變形征兆的現(xiàn)象特特 點(diǎn)：點(diǎn)：突發(fā)性，沒(méi)有先兆突發(fā)性，沒(méi)有先兆

16、疲勞極限疲勞極限材料在規(guī)定次數(shù)（鋼材為材料在規(guī)定次數(shù)（鋼材為107 7次，有色金屬及合金取次，有色金屬及合金取108 8次）次）交變應(yīng)力作用下而不引起疲勞斷裂的最大應(yīng)力交變應(yīng)力作用下而不引起疲勞斷裂的最大應(yīng)力用用r r表示表示提高疲勞強(qiáng)度的方法提高疲勞強(qiáng)度的方法1、選擇合適的材料；、選擇合適的材料；2、注意結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，提高表面粗糙、注意結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，提高表面粗糙度，進(jìn)行表面強(qiáng)化。度，進(jìn)行表面強(qiáng)化。大小或方向隨時(shí)大小或方向隨時(shí)間而變化的載荷間而變化的載荷化學(xué)性能化學(xué)性能物理性能物理性能密度密度熔點(diǎn)熔點(diǎn)熱膨脹性熱膨脹性導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性導(dǎo)電性導(dǎo)電性磁性磁性耐腐蝕性耐腐蝕性抗氧化性抗

17、氧化性1.3 1.3 材料的物理、化學(xué)性能材料的物理、化學(xué)性能 物理性能物理性能密密 度度熔熔 點(diǎn)點(diǎn)熱膨脹性熱膨脹性材料單位體積的質(zhì)量材料單位體積的質(zhì)量密度小于密度小于5103 3Kg/m3 3的金屬稱為的金屬稱為輕金屬輕金屬密度大于密度大于5103 3Kg/m3 3的金屬稱為的金屬稱為重金屬重金屬材料的熔化溫度材料的熔化溫度陶瓷的熔點(diǎn)一般都顯著高于金屬及合金的熔點(diǎn)陶瓷的熔點(diǎn)一般都顯著高于金屬及合金的熔點(diǎn)高分子材料一般不是完全晶體，所以沒(méi)有固定的熔點(diǎn)高分子材料一般不是完全晶體，所以沒(méi)有固定的熔點(diǎn)材料受熱后的體積膨脹，通常用線膨脹系數(shù)表示材料受熱后的體積膨脹，通常用線膨脹系數(shù)表示對(duì)精密儀器或機(jī)器

18、的零件，熱膨脹系數(shù)是一個(gè)非常重要的性對(duì)精密儀器或機(jī)器的零件，熱膨脹系數(shù)是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)能指標(biāo) 物理性能物理性能磁磁 性性導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性材料熱傳導(dǎo)的能力；用其導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示材料熱傳導(dǎo)的能力；用其導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示制件材料的制件材料的導(dǎo)熱性愈差導(dǎo)熱性愈差零件在加熱或冷卻零件在加熱或冷卻時(shí)，由于表面和內(nèi)時(shí)，由于表面和內(nèi)部產(chǎn)生溫差部產(chǎn)生溫差膨脹不同，便會(huì)膨脹不同，便會(huì)產(chǎn)生破裂產(chǎn)生破裂金屬及合金金屬及合金的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于非金屬材料非金屬材料在金屬中，以在金屬中，以銀銀為最好，為最好，銅和鋁銅和鋁次之次之材料能導(dǎo)磁的性能材料能導(dǎo)磁的性能 物理性能物理性能導(dǎo)電性導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性一般用電阻率表示材料的導(dǎo)電性一般用電阻率表示金屬的電阻率隨溫度升高而增加，而非金屬材料則與此相反金屬的電阻率隨溫度升高而增加，而非金屬材料則與此相反金屬及其合金一般具有良好的導(dǎo)電性，銀的導(dǎo)電性最好，金屬及其合金一般具有良好的導(dǎo)電性，銀的導(dǎo)電性最好，銅、鋁次之銅、鋁次之化學(xué)性能化學(xué)性能抗氧化性抗氧化性耐腐蝕性耐腐蝕性材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力非金屬材料的耐蝕性能總的說(shuō)來(lái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬材料非金屬材料的耐蝕性能總的說(shuō)來(lái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬材料材料抵抗高溫