緒論第一章機械工程材料的分類和性能

工程材料學(xué)

學(xué)時/學(xué)分：32/2屬必修考試科目：考試成績占70%，平時成績占30%。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能緒論

一、材料技術(shù)的發(fā)展與社會進步材料是人類生產(chǎn)和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是日常生活中不可分割的一個組成部分。自從地球上有了人類至今，材料的利用和發(fā)展構(gòu)成了人類文明發(fā)展史的里程碑：

人類最早使用的工具是石頭（石器時代）；原始社會末期開始用火燒制陶器，由此發(fā)展為以后的瓷器（中國古代文化的象征），

隨后發(fā)展起來的青銅冶煉技術(shù)把人類帶入青銅器時代；青銅器過渡到鐵器（時代）生產(chǎn)工具大發(fā)展—人類進入農(nóng)業(yè)社會。18世紀(jì)世界工業(yè)迅速發(fā)展（鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展），造就了工業(yè)社會文明。1863年光學(xué)顯微鏡問世，使人們開始步入材料的微觀世界。1912年X射線衍射技術(shù)和1932年電子顯微分析技術(shù)及后來出現(xiàn)的各種先進的顯微分析技術(shù)，把人們帶到了微觀世界的更深層次。人們開始了對晶體微觀結(jié)構(gòu)的研究，大大推動了材料學(xué)的研究與發(fā)展。新材料更是層出不窮，出現(xiàn)了“高分子材料時代”、“半導(dǎo)體材料時代”、“先進陶瓷材料時代”、“復(fù)合材料時代”、“人工合成材料時代”和即將進入的“納米材料時代”。

材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，促成了機械制造業(yè)的騰飛。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能二、課程的重要地位與作用進入21世紀(jì)，能源、信息和新材料已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代文明的三大支柱．而新材料又是最重要的基礎(chǔ)。歷史證明，每一次重大新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)．往往都依賴于新材料的發(fā)展。材料的種類、數(shù)量和質(zhì)量已是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟水平以及社會文明的重要標(biāo)志之一。我國把新材料的研究開發(fā)放在了優(yōu)先發(fā)展的地位。工程材料學(xué)是機械制造過程的重要部分。工程材料學(xué)是一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課。在于使學(xué)生建立生產(chǎn)過程的基本知識，了解新材料，掌握現(xiàn)代制造工藝和方法，培養(yǎng)工程素質(zhì)、實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能三、基本要求

1、建立工程材料學(xué)的基本概念，培養(yǎng)良好的工程意識。2、掌握必要的材料科學(xué)的理論基礎(chǔ)。3、熟悉各類常用工程材料，包括金屬材料、高聚物材料、陶瓷材料等的成分、結(jié)構(gòu)、性能應(yīng)用特點及牌號表示方法；掌握強化金屬材料的基本途徑；了解新型材料的發(fā)展及應(yīng)用。4、掌握選擇零件材料及成形工藝的基本原則和方法步驟，了解失效分析方法及其應(yīng)用，了解表面處理技術(shù)的應(yīng)用；具有初步做到合理選擇材料、正確選擇加工方法及安排工藝路線的能力。5、了解與本課程有關(guān)的新材料、新技術(shù)、新工藝。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能第一章機械工程材料的分類與性能

工程材料是指工程上使用的材料，其種類繁多，有許多不同的分類方法：若按材料的化學(xué)成分、結(jié)合鍵的特點分，可分為金屬材料、高聚物材料、無機非金屬材料和復(fù)合材料四大類。按性能特點和用途分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料：結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性能為主要使用性能，用于制造工程結(jié)構(gòu)和機器零件的材料；功能材料是以物理、化學(xué)性能或生物功能等為主要使用性能，用于制造具有特殊功能的元器件的材料。

材料性能是指材料在外界因素作用下表現(xiàn)出來的行為。在選擇材料時，必須考慮材料的相關(guān)性能，使之與所要求的性能相符合。材料的性能一般分為使用性能和工藝性能兩大類：使用性能是指材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能是指材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能，包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削加工性能等。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能1．金屬材料

金屬材料是用量最大、用途最廣的機械工程材料。它包含兩大類型；黑色金屬和有色金屬。

(1)黑色金屬黑色金屬是指鐵和以鐵為基的合金，即鋼鐵材料，它占金屬材料總量的95％以上。由于鋼鐵材料力學(xué)性能優(yōu)良和低廉的價格，所以在工程材料中一直占據(jù)著不可替代的主導(dǎo)地位。有一組數(shù)據(jù)可以說明這一點。新中國的鋼產(chǎn)量從1949年的15.8萬噸起步，產(chǎn)量每增加5千萬噸/年上一個臺階：第一次用了37年，第二次用了10年，第三次用了5年，第四次僅用了2年（2003年產(chǎn)量達到2.2億噸，04年達到2.7億噸）。五次1年--05年達3.5億噸。07年4.89億噸。

2012年中國粗鋼產(chǎn)量已超過7億噸！

目前中國鋼鐵總產(chǎn)量相當(dāng)于世界前十大產(chǎn)鋼國的總產(chǎn)量之和！粗鋼產(chǎn)量分別是美國和日本的5倍！(2)有色金屬除鐵基合金之外的所有金屬及其合金材料。它可分為輕金屬(如鋁、鎂、鈦)，重金屬(如鉛、錫)，貴金屬(如金、銀、鎳、鉑)和稀有金屬（鎢、鉬、鋰、鈮、鎵、銦）等，其中以鋁、銅及其合金用途最廣。第一節(jié)工程材料的分類01緒論第一章機械工程材料的分類和性能

2

高分子材料

高分子材料又稱聚合物材料，主要成分為碳和氫。按其用途和使用狀態(tài)又分為橡膠、塑料、合成纖維和膠粘劑等幾大類型。3無機非金屬材料主要指水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等。4復(fù)合材料是把兩種或兩種以上的不同性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而構(gòu)成的。它不僅保留了組成材料各自的優(yōu)點，而且具有單一材料所沒有的優(yōu)異性能。復(fù)合材料通常分為三大類：樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能

2.工藝性能材料的主要性能是指:1.使用性能（1）力學(xué)性能（2）物理性能（3）化學(xué)性能——加工成形的性能材料的主要性能01緒論第一章機械工程材料的分類和性能第二節(jié)機械工程材料的力學(xué)性能

材料在力的作用下所表現(xiàn)出的特性即為材料的力學(xué)性能。通常把力的作用稱為載荷或負荷。材料的力學(xué)性能包括強度、硬度、塑性、韌性、疲勞特性、耐磨性等。材料在外力作用下發(fā)生的形狀和尺寸變化稱為變形，外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形，外力去除后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。材料的力學(xué)性能不僅取決于材料本身的化學(xué)成分，而且還和材料的微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料的力學(xué)性能是衡量工程材料性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，也是機械設(shè)計人員在設(shè)計過程中選用材料的主要依據(jù)。材料的力學(xué)性能可以從設(shè)計手冊中查到，也可以用力學(xué)性能試驗方法獲得。了解材料力學(xué)性能的測試條件、實驗方法和性能指標(biāo)的意義將有助于了解工程材料的本性。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能拉伸試驗及拉伸曲線

評價材料力學(xué)性能的指標(biāo)是通過拉伸試驗測定的。拉伸試驗可以在拉伸實驗機上進行，被測試的材料按國家標(biāo)準(zhǔn)制成如圖1—1所示的光滑圓柱形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。試樣中間截面均勻的部分作為測量延伸量的基本長度，稱為標(biāo)距L0。試樣的兩端放在拉伸試驗機的夾頭內(nèi)夾緊，然后緩慢而均勻地施加軸向拉力。隨著拉力的增加，試樣被拉長，直至拉斷為止。圖1—1拉伸試樣示意圖a)拉伸前b)拉伸后01緒論第一章機械工程材料的分類和性能拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗機01緒論第一章機械工程材料的分類和性能在拉伸過程中，拉伸試驗機上的自動記錄系統(tǒng)同時繪制出拉伸過程中的應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖，也稱為σ(sigma)-ε(epsilon)曲線。圖的縱坐標(biāo)為應(yīng)力σ(單位為Pa)，橫坐標(biāo)為應(yīng)變ε(％)，σ和ε的定義可表示如下：式中F—軸向拉力(N)；S—試樣的橫截面積(m2)。式中L0--試樣標(biāo)距長度(mm)；L1--試樣變形過程中和F對應(yīng)的總伸長(mm)。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能圖l-2低碳鋼的σ-ε曲線圖

01緒論第一章機械工程材料的分類和性能σ-ε圖顯示了材料在單向拉應(yīng)力作用下，從開始變形直至斷裂整個過程中的各種性質(zhì)，它一般可以分為三個階段：1．彈性變形階段(O-A)在這個階段，材料內(nèi)部的原子之間距離只發(fā)生彈性伸長，所以應(yīng)力與應(yīng)變呈直線關(guān)系，遵從虎克定律，此時如果卸掉載荷，試樣就能恢復(fù)到原來的長度。2．塑性變形階段(B-D)此時，σ與ε的關(guān)系偏離直線關(guān)系。在BC段，應(yīng)力幾乎不變，但應(yīng)變卻不斷增大。超過C點之后，因材料發(fā)生加工硬化，若要試樣繼續(xù)變形就必須加大載荷，當(dāng)應(yīng)力達到最大值(D點)后，試樣的某一部分截面急劇縮小，產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。在塑性變形階段即使卸掉載荷，試樣也不能恢復(fù)到原來的長度。3、斷裂(E點)在E點以后，試樣的變形主要集中在縮頸部分，最終導(dǎo)致試樣在縮頸處發(fā)生斷裂。拉伸曲線所顯示出的材料本性主要是由于材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化引起的，所以不同的材料在拉伸過程中會出現(xiàn)不同形式的σ-ε曲線。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼不同材料的拉伸曲線01緒論第一章機械工程材料的分類和性能拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義

根據(jù)σ-ε曲線可以計算出材料的強度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)。1．彈性模量E2．屈服點σS3．抗拉強度(強度極限)σb4.伸長率δ5．?dāng)嗝媸湛s率ψ(psi)01緒論第一章機械工程材料的分類和性能1．彈性模量（剛度）E圖1-2中的直線段OA的斜率即為材料的彈性模量E：

式中

σ—應(yīng)力；

ε—應(yīng)變。

彈性模量E值表征材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度。金屬的彈性模量是一個對組織不敏感的參數(shù)，其大小主要取決于金屬的本性，而與顯微組織無關(guān)。因此，熱處理、合金化、冷熱變形等對它的影響很小。要想提高金屬制品的剛度，只能更換金屬材料、改變金屬制品的結(jié)構(gòu)形式或增加截面面積。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能

2.強度

材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的強度。（1）屈服點和屈服強度σS在拉伸過程中，載荷不增加而應(yīng)變?nèi)栽谠龃蟮默F(xiàn)象稱為屈服。拉伸曲線上與此相對應(yīng)的B點稱屈服點，其應(yīng)力稱屈服應(yīng)力σS。對于在拉伸過程中屈服現(xiàn)象不明顯的材料，規(guī)定以殘余變形量為0.2％時的應(yīng)力值作為它的條件屈服強度，記為σ0.2。機械零部件或構(gòu)件在使用過程中一般不允許發(fā)生塑性變形，所以材料的屈服點是評價材料承載能力的重要力學(xué)性能指標(biāo)。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能（2）抗拉強度(強度極限)σb拉伸曲線上D點的應(yīng)力σb稱為材料的抗拉強度，它表明了試樣被拉斷前所能承載的最大應(yīng)力?？估瓘姸仁橇悴考O(shè)計和評定材料時的重要強度指標(biāo)。尤其是對于脆性材料，由于拉伸時沒有明顯的屈服現(xiàn)象，這時一般用抗拉強度指標(biāo)作為設(shè)計依據(jù)。強度σb與密度ρ（rou)之比稱為比強度，它也是零件選材的重要指標(biāo)。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能比強度(specificstrength):

材料的強度值與密度值之比。名稱密度(g/cm3)強度(Mpa)比強度純鋁2.780～10030～37純鐵7.87180～28023～36純鈦4.5405～50090～11101緒論第一章機械工程材料的分類和性能

3.塑性

是指材料在外力作用下破壞前可承受最大塑性變形的能力。常用的塑性指標(biāo)有斷后伸長率和斷面收縮率。

（1）伸長率用δ表示：

式中L0—拉伸試樣標(biāo)距原長；Ll—試樣拉斷后標(biāo)距長度。

伸長率的數(shù)值和試樣標(biāo)距長度有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣有長試樣(L0=10d0，d0為試樣直徑)和短試樣(L0=5d0)兩種。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能（2）斷面收縮率ψ(psi)

斷面收縮率ψ：

式中

S0—試樣原始橫截面積；S1—斷口細頸處的橫截面積。斷面收縮率的數(shù)值不受試樣尺寸的影響，用斷面收縮率表示塑性更能接近材料的真實應(yīng)變。

δ或ψ值愈大，說明材料的塑性愈好，良好的塑性是材料進行壓力加工的必要條件。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能4.硬度

材料抵抗其他硬物壓入其表面（抵抗局部塑性變形）的能力稱為硬度，它是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。一般情況下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。硬度是材料最常見的性能指標(biāo)之一。硬度的測定方法很多，現(xiàn)在多用壓入法測定。根據(jù)測量方法的不同，常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等。用各種方法所測量的硬度值不能直接相比較，可以通過硬度對照表換算。材料的硬度與它的力學(xué)性能如強度、耐磨性以及工藝性能，如切削加工性、可焊性等之間存在著一定的對應(yīng)關(guān)系，所以在一些零件圖樣上，硬度是檢驗產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計

01緒論第一章機械工程材料的分類和性能(1)布氏硬度它是最古老最常用的試驗方法，如圖1-3（a）所示。在力P的作用下，把直徑為D的鋼球(淬火鋼球或硬質(zhì)合金球)壓入被測物體中，布氏硬度值是載荷除以壓痕的球形面積（直徑為d)，用HB表示。當(dāng)布氏硬度機所用的壓頭是淬火鋼球時，不能用作測試太硬的材料(如淬火件等)，因材料太硬時，鋼球會變形，測出的硬度不準(zhǔn)確，故一般只能測HB＜450的材料，其硬度值以HBS表示；適于測定退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。布氏硬度在450-650之間的材料，壓頭用硬質(zhì)合金球，其硬度值用HBW表示。布氏硬度的優(yōu)點是測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定；缺點是壓痕大，不能用于太薄件或成品件。

01緒論第一章機械工程材料的分類和性能

(2)洛氏硬度

如圖1-3（b）所示。它使用的壓頭是金剛石圓錐體，有時是小鋼球。洛氏硬度值是壓入深度（h）的倒數(shù)。洛氏硬度常用有三個標(biāo)尺。試驗用壓頭為金剛石圓錐體，載荷P＝1500N時，得到硬度用HRC表示。壓頭用金剛石圓錐體，載荷P＝600N時，得到硬度用HRA表示。用鋼球做壓頭，載荷P＝1000N時，得到的硬度用HRB表示。洛氏硬度值表示方法如下：符號HR前面的數(shù)字表示硬度值，HR后加的字母表示不同洛氏硬度的稱尺。例如45HRC表示用C標(biāo)尺測量的洛氏硬度值為45。上列三種洛氏硬度，以HRC最為常用，淬火件常用洛氏硬度測定。但不宜用來測定硬而脆的薄層零件，如滲碳層、氮化層及氰化層等，因硬脆薄層容易被壓頭壓穿，測得的硬度值不準(zhǔn)。洛氏硬度的優(yōu)點是操作簡便、壓痕小、適用范圍廣；缺點是測量結(jié)果分散度大。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計HRC≈10HBS01緒論第一章機械工程材料的分類和性能(3)維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)如圖1-3(c)所示,它的壓頭是金剛石四棱錐體，測量出壓痕的對角線d后，查表或算出方錐壓痕表面積除載荷P的值即為硬度，并用HV表示。由于維氏硬度機壓頭是金鋼石四角錐體，所用載荷較小，可以根據(jù)工件硬化層的厚薄，任意選擇載荷大小，所以硬薄層工件常用維氏硬度測定。而且維氏硬度可以測定從軟到硬的各種工程材料。HV≈HBS。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)適用范圍:

測量薄板類;

HV≈HBS;01緒論第一章機械工程材料的分類和性能(4)銼刀法:

一組硬度差為5HRC的銼刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能為了測量一些特殊性能和特殊形狀材料的硬度，也可以選擇其他的硬度試驗方法。如顯微硬度法可用于測量一些薄的鍍層、滲層或顯微組織中的不同相的硬度；肖氏硬度適合在現(xiàn)場對大型試件(如機床床身、大型齒輪等)進行硬度測量。莫氏硬度用于測量陶瓷和礦物的硬度。由于各種硬度的試驗條件不同，所以它們之間沒有直接的換算關(guān)系。標(biāo)注某種材料的硬度值時必須說明它的硬度測試方法。在工程圖樣上正確標(biāo)注材料硬度的方法是硬度值加硬度測試方法代號。如“洛氏硬度60”的書寫格式為“60HRC”。(5)其他硬度01緒論第一章機械工程材料的分類和性能

5.沖擊韌度(notchtoughness):

材料的韌性是指材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸收能量的能力，它是材料塑性和強度的綜合表現(xiàn)。材料的韌性與脆性是兩個意義上完全相反的概念，根據(jù)材料的斷裂形式可分為韌性斷裂和脆性斷裂。沖擊韌度是指材料在沖擊載荷的作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力,以在沖擊力作用下材料破壞時單位面積所吸收的能量ak表示。材料的沖擊韌度值常用一次擺錘沖擊試驗法測定，其試驗原理如圖1-4所示。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能圖1-4沖擊試驗示意圖

a)試件b)試驗示意圖01緒論第一章機械工程材料的分類和性能Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板01緒論第一章機械工程材料的分類和性能實際工作中的構(gòu)件常常是在交變載荷的作用下。力的大小和方向都隨時間呈周期性的循環(huán)變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂可以在低于材料的屈服強度的應(yīng)力下發(fā)生，斷裂前也無明顯的塑性變形，而且經(jīng)常是在沒有任何先兆的情況下突然斷裂，因此疲勞斷裂的后果是十分嚴重的。材料的疲勞強度可以通過疲勞試驗機進行測定。將光滑的標(biāo)準(zhǔn)試樣的一端固定并使試樣旋轉(zhuǎn)，在另一端施加載荷。在試樣旋轉(zhuǎn)過程中，試樣工作部分的應(yīng)力將承受周期性的變化，從拉應(yīng)力到壓應(yīng)力，循環(huán)往復(fù)，直至試樣斷裂。材料所受的交變應(yīng)力與斷裂循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系可以用圖1-5的疲勞曲線(也稱σ-N曲線)描述。經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)也不會發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。如果采用對稱的循環(huán)應(yīng)力，材料的疲勞強度σ-1表示。實際上，作無限次應(yīng)力循環(huán)的疲勞試驗是不可能的，一般鋼鐵的循環(huán)基數(shù)為107，有色金屬和某些超高強度鋼的循環(huán)基數(shù)為108。一般鋼鐵材料的σ-1值約為其σb的一半，而非金屬材料的疲勞極限一般遠低于金屬材料。6.疲勞強度(fatiguestrength):

01緒論第一章機械工程材料的分類和性能疲勞特性試驗示意圖

圖1-5材料的疲勞曲線（σ-N）

提高零件的疲勞抗力，除應(yīng)合理選材外，還應(yīng)注意其結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減少缺陷，降低表面粗糙度和進行表面強化等。01緒論第一章機械工程材料的分類和性能7.斷裂韌性工程上有時會出現(xiàn)材料在遠低于σb的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。如1943年1月美國一艘T-2油船停泊在裝貨碼頭時斷成兩半，計算的甲板應(yīng)力為7kg／mm2，遠低于σb(30-40kg／mm2)。美國北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動機殼體在實驗時發(fā)生爆炸，經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)破壞的原因是材料中