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1、第一章第一章 工程材料基础知识工程材料基础知识第1页，本讲稿共28页力学性能是指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、硬度、塑性、冲击韧度、疲劳强度等；物理性能是指材料固有的属性，主要有密度、熔点、导电性、导热性、磁性等；化学性能是指材料在化学作用下表现出来的性能，主要有抗腐蚀性、抗氧化性等；其中，力学性能指标是一般机械制造中选用材料和鉴定材料工艺质量时的主要依据。第2页，本讲稿共28页一、强度一、强度 是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力越大，则强度越高。根据受力状况不同，可分为抗拉、抗压、抗弯、抗扭和抗剪强度等。其中，抗拉强度为最基本的强度指标。各种强度之间
2、有一定的联系。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属材料强度高低的指标。抗拉强度测定方法：拉伸试验第3页，本讲稿共28页拉伸试验的方法：用静拉伸力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。根据测得的数据，可求出有关的力学性能。1.拉伸试样GB6397-86规定金属拉伸试样有：圆形、矩形、异型及全截面常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0拉伸试样拉伸试样第4页，本讲稿共28页2.拉伸过程第5页，本讲稿共28页拉伸试验机拉伸试验机拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象第6页，本讲稿共28页3 3力伸力伸长长曲曲线线拉伸试验中记录的拉伸力与伸长的关系曲线叫做力
3、伸长曲线，也称拉伸图。拉伸试验中记录的拉伸力与伸长的关系曲线叫做力伸长曲线，也称拉伸图。低碳钢在拉伸过程中，其载荷与变形关系有以下几个阶段：低碳钢在拉伸过程中，其载荷与变形关系有以下几个阶段：1 1）弹性变形）弹性变形 当载荷不超过当载荷不超过 F Fe e 时，拉伸曲时，拉伸曲线线OOe e为直线，试样的伸长量与载为直线，试样的伸长量与载荷成正比。如果卸除载荷，试样仍能荷成正比。如果卸除载荷，试样仍能恢复到原来的尺寸，即试样的变形完恢复到原来的尺寸，即试样的变形完全消失。全消失。这种随载荷消失而消失的变形叫弹这种随载荷消失而消失的变形叫弹性变形。性变形。低碳钢的力低碳钢的力伸长曲线伸长曲线第
4、7页，本讲稿共28页2)2)塑性变形塑性变形 当载荷超过当载荷超过F Fe e后，试样将进一步伸长。此时若卸除载荷，弹性变形消失，后，试样将进一步伸长。此时若卸除载荷，弹性变形消失，而另一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的尺寸，这种载荷消失后而另一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的尺寸，这种载荷消失后仍继续保留的变形叫塑性变形。仍继续保留的变形叫塑性变形。当载荷达到当载荷达到F Fs s时，拉伸曲线出现了水平或锯齿形线段，表明在载荷基本不变的时，拉伸曲线出现了水平或锯齿形线段，表明在载荷基本不变的情况下，试样却继续变形，这种现象称为情况下，试样却继续变形，这种现象称为“屈服屈服
5、”。3 3）断裂）断裂 当载荷继续增加到某一最大值当载荷继续增加到某一最大值F Fb b时，试样的局部截面缩小，产生所谓的时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈缩颈”现象。由于试样局部截面的逐渐缩小，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上现象。由于试样局部截面的逐渐缩小，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上k k点时，试点时，试样随即断裂。样随即断裂。F Fk k为试样断裂时的载荷。为试样断裂时的载荷。第8页，本讲稿共28页在试样产生缩颈以前，由载荷所引起试样的伸长，基本上是沿着整个试样标距长度内发生的，属于均匀在试样产生缩颈以前，由载荷所引起试样的伸长，基本上是沿着整个试样标距长度内发生的，属于
6、均匀变形；缩颈后，试样的伸长主要发生在颈部的一段长度内，属于集中变形。变形；缩颈后，试样的伸长主要发生在颈部的一段长度内，属于集中变形。4.4.强度指标强度指标强度指标是用应力值来表示的。试样受到载荷作用时，则内部产生大小与载荷相等而方向相反强度指标是用应力值来表示的。试样受到载荷作用时，则内部产生大小与载荷相等而方向相反的抗力的抗力(即内力即内力)。单位截面积上的内力，称为应力，用符号单位截面积上的内力，称为应力，用符号 表示。表示。屈服强度屈服强度 金属材料开始产生屈服时的应力，用金属材料开始产生屈服时的应力，用 s s表示。表示。式中式中 F Fs s 材料出现明显塑性变形前所承受的最大
7、材料出现明显塑性变形前所承受的最大 载荷载荷(N)(N)；A A 0 0 试样原始横截面积试样原始横截面积(mm2)(mm2)。第9页，本讲稿共28页抗拉强度抗拉强度 试样断裂前能够承受的最大应力，称为抗拉强度，用试样断裂前能够承受的最大应力，称为抗拉强度，用 b b表示。表示。式中式中 F Fb b 试样断裂前所能承受的最大载荷试样断裂前所能承受的最大载荷(N)(N)；A A 0 0 试样的原始横截面积试样的原始横截面积(mm2)(mm2)。低碳钢的屈服强度低碳钢的屈服强度 s s 约为约为240MPa240MPa，抗拉强度，抗拉强度 b b约为约为400MPa400MPa。工程上所用的金属
8、材料，不仅希望具有较高的工程上所用的金属材料，不仅希望具有较高的 s s，还希望具有一定的屈强比，还希望具有一定的屈强比(s s b)b)。屈强比越小，结构零件的可靠性越高，万一超载也能由于塑性变形而使金属的强度提高，屈强比越小，结构零件的可靠性越高，万一超载也能由于塑性变形而使金属的强度提高，不致于立即断裂。但屈强比太小，则材料强度的有利用率就太低。不致于立即断裂。但屈强比太小，则材料强度的有利用率就太低。第10页，本讲稿共28页二、塑性二、塑性二、塑性二、塑性 金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。在拉伸时它们分别为伸长率和断面收缩率。金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。在拉伸时它们
9、分别为伸长率和断面收缩率。1 1伸长率伸长率 伸长率是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比，用符号伸长率是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比，用符号 表示。表示。即：即：式中式中 l l0 0 试样的原始标距长度试样的原始标距长度(mm)(mm)；l l1 1 试样拉断后的标距长度试样拉断后的标距长度(mm)(mm)。第11页，本讲稿共28页2 2断面收缩率断面收缩率断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，用符号的百分比，用符号 表示。即：表示。即：式中式中 S So o 试样原始横截面积试样原始横截面
10、积(mm2)(mm2)；S S1 1 试样断裂处的横截面积试样断裂处的横截面积(mm2)(mm2)。伸长率的大小与试样的尺寸有关。试样长短不同，测得的伸长率是不同的。长、伸长率的大小与试样的尺寸有关。试样长短不同，测得的伸长率是不同的。长、短试样的伸长率分别用短试样的伸长率分别用 10 10 和和 5 5 表示，表示，1010也常写成也常写成。和和 是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性就越好，故可以进行是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性就越好，故可以进行压力加工；普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只能进行铸造。压力加工；普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只
11、能进行铸造。第12页，本讲稿共28页三、三、硬硬 度度 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属抵抗局部弹性变形、塑性变形、压痕硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属抵抗局部弹性变形、塑性变形、压痕或划痕的能力。或划痕的能力。硬度是金属材料的重要性能之一，也是检验工、模具和机械零硬度是金属材料的重要性能之一，也是检验工、模具和机械零件质量的一项重要指标。件质量的一项重要指标。常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。1.1.布氏硬度布氏硬度布氏硬度布氏硬度 测定原理测定原理是用规定的试验力是用规定的试验力F F，把直径为，
12、把直径为D D的硬质合金球压人被测金属表面，保持一的硬质合金球压人被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，在放大镜下测量被测试金属表面的压痕直径定时间后卸除载荷，在放大镜下测量被测试金属表面的压痕直径d d，由此计算压痕的球缺，由此计算压痕的球缺面积面积S S，然后再求出压痕的单位面积所承受的平均压力（，然后再求出压痕的单位面积所承受的平均压力（F/SF/S），以此作为被测试金属的布氏硬），以此作为被测试金属的布氏硬度值，如图度值，如图1-31-3所示。所示。第13页，本讲稿共28页 布氏硬度用符号布氏硬度用符号HBWHBW表示，习惯表示，习惯上只写明硬度的数值而不标出单位。上只写明硬度的数值而
13、不标出单位。硬度符号硬度符号HBWHBW前面的数值为硬度值，前面的数值为硬度值，符号后面的数值表示试验条件的指标，符号后面的数值表示试验条件的指标，依次为球体直径、试验力大小及试验依次为球体直径、试验力大小及试验力保持时间（力保持时间（101015 s15 s时不标注）。时不标注）。例如：例如：600HBW1/30/20600HBW1/30/20表示用表示用直径为直径为1mm1mm的硬质合金球，在的硬质合金球，在294N 294N 的试验力作用下保持的试验力作用下保持20s20s，测得的，测得的布氏硬度值为布氏硬度值为600600。第14页，本讲稿共28页 进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属
14、材料的种类和试样厚度，选进行布氏硬度试验时，应根据被测试金属材料的种类和试样厚度，选择不同大小的球体直径择不同大小的球体直径D D、试验载荷试验载荷F F和载荷保持时间。和载荷保持时间。GB/T231.1GB/T231.120022002规定：规定：1 1、球体直径有、球体直径有10mm10mm、5mm5mm、2.5mm2.5mm和和1mm1mm四种；四种；2 2、试验力（单位、试验力（单位N N）与球体直径平方的比值（）与球体直径平方的比值（0.102 F/D20.102 F/D2）有）有3030、1515、1010、5 5、2.52.5和和1 1共共6 6种（根据金属材料的种类和布氏硬度范
15、围，按种（根据金属材料的种类和布氏硬度范围，按表选定表选定0.102 F/D20.102 F/D2）；）；3 3、试验力的保持时间为、试验力的保持时间为101015s15s。对于要求试验力保持较长时间的材料，试验力。对于要求试验力保持较长时间的材料，试验力保持时间允许误差为保持时间允许误差为2s2s。布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，所以不宜测试成品或薄片金属的硬度。故试验结果较精确。但因压痕较大，所以不宜测试成品或薄片金属的硬度。第15页，本讲稿共28页 2.
16、2.洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度 测定原理测定原理用顶角为用顶角为120120的金刚石圆锥或的金刚石圆锥或直径为直径为1 1.588mm 588mm 的淬火钢球或硬质合金球作压头，在的淬火钢球或硬质合金球作压头，在初试验力初试验力F F0 0及总试验力及总试验力F F 分别作用下压入金属表面，分别作用下压入金属表面，然后卸除主试验然后卸除主试验力力F F1 1，在初试验力，在初试验力F F0 0下测定残余压入深度，用深度下测定残余压入深度，用深度的大小来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压人的大小来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压人0 0.002mm002mm为一个硬度单位为一个硬度单位。图图
17、1-4 1-4 洛氏硬度试验原理洛氏硬度试验原理 如图如图1-41-4所示。图中所示。图中0-00-0为金刚石圆锥压头没为金刚石圆锥压头没有和试样接触时的位置，有和试样接触时的位置，1-11-1为压头在初试验力为压头在初试验力 (100N)(100N)作用下，作用下，2-2 2-2 为在总试验力作用下，压头为在总试验力作用下，压头压入深度为压入深度为h h2 2 时的位置；时的位置；3-3 3-3 为卸除主试验力保留初为卸除主试验力保留初试验力后压头的位置试验力后压头的位置h h3 3。第16页，本讲稿共28页这样，压痕的深度这样，压痕的深度h h=h h3 3h h1 1，洛氏硬度的计算公式
18、为：，洛氏硬度的计算公式为：洛氏硬度洛氏硬度式中式中 h h 压痕深度；压痕深度；N N 给定标尺的数值，给定标尺的数值，A A、C C标尺为标尺为100100；B B标尺为标尺为130130。淬火钢球压头用于退火件、有色金属等较软材料的硬度测定；金刚淬火钢球压头用于退火件、有色金属等较软材料的硬度测定；金刚石压头适用于淬火钢等较硬材料的硬度测定。石压头适用于淬火钢等较硬材料的硬度测定。洛氏硬度所加载荷根据被测材料本身硬度不同而组成不同的洛氏硬度洛氏硬度所加载荷根据被测材料本身硬度不同而组成不同的洛氏硬度标尺，其中最常用的是标尺，其中最常用的是A A、B B、C C三种标尺。三种标尺。第17页
19、，本讲稿共28页优点：操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，优点：操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件的硬度。可测量较薄工件的硬度。缺点：精确性较差，硬度值重复性差，需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材缺点：精确性较差，硬度值重复性差，需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。料的硬度。第18页，本讲稿共28页3、维氏硬度、维氏硬度HV 原理：和HB相同，只是压头不同。HV=F/A=1.8544F/d2，kg/mm2 压头：锥面夹角为136的金刚石四棱锥体压头。表示：640HV、800H
20、V。适用范围：表面硬度（硬化层）。优点：载荷小，压痕浅，但测定麻烦。第19页，本讲稿共28页四、四、冲冲 击击 韧韧 度度 金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度。通常用一次摆锤金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度。通常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度，其试验原理如图冲击弯曲试验来测定金属材料的韧度，其试验原理如图1-61-6所示。所示。试验时，把标准试验时，把标准冲击试样的缺口背冲击试样的缺口背向摆锤方向放在冲向摆锤方向放在冲击试验机上，将摆击试验机上，将摆锤锤 扬起到规定高扬起到规定高度度H H1 1，然后自由落，然后自由落下，将试样冲断。下，将试样冲断。第20
21、页，本讲稿共28页 摆锤冲断试样所消耗的功为摆锤冲断试样所消耗的功为A AK=mg(K=mg(H H1 1H H2)2)，称做冲击吸收功，可从冲击试验机上直接，称做冲击吸收功，可从冲击试验机上直接读出，单位为焦耳（读出，单位为焦耳（J J）。用试样缺口处的横截面积）。用试样缺口处的横截面积S S去除去除A AK K所得的商即为该材料的冲击韧度值，用所得的商即为该材料的冲击韧度值，用符号符号K K表示，单位为焦耳厘米表示，单位为焦耳厘米2 (J2 (Jcm2)cm2)。即：。即：试样缺口有试样缺口有U U和和V V两种，冲击韧度值分别以两种，冲击韧度值分别以KUKU和和KVKV表示。表示。KUK
22、U值越大，材料的冲击韧度越好，断口处则会发生较大的塑性变形，断口呈灰色纤维状；值越大，材料的冲击韧度越好，断口处则会发生较大的塑性变形，断口呈灰色纤维状；KVKV值越小，材料的冲击韧度越差，断口处无明显的塑性变形，断口具有金属光泽值越小，材料的冲击韧度越差，断口处无明显的塑性变形，断口具有金属光泽而较为平整。而较为平整。强度、塑性两者均好的材料，强度、塑性两者均好的材料，KUKU值也高。值也高。加载速度越快，温度越低，表面及冶加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，则金质量越差，则KVKV值越低。值越低。第21页，本讲稿共28页五、五、疲疲 劳劳 强强 度度 有许多零件有许多零件(如齿轮、
23、弹簧等如齿轮、弹簧等)是在交变应力是在交变应力(指大小和方向随时间作用期性变化指大小和方向随时间作用期性变化)下工作的，零件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，通常这种破坏下工作的，零件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，通常这种破坏现象叫做金属的疲劳断裂。现象叫做金属的疲劳断裂。图图1-71-7是某材料的疲劳曲线，横坐标表是某材料的疲劳曲线，横坐标表示循环周次，纵坐标表示交变应力。示循环周次，纵坐标表示交变应力。从该曲线可以看出，材料承受的交从该曲线可以看出，材料承受的交变应力越大，疲劳破坏前能循环工作的变应力越大，疲劳破坏前能循环工作的周次越少；当循环交变应力减少到
24、某一周次越少；当循环交变应力减少到某一数值时，曲线接近水平，即表示当应力数值时，曲线接近水平，即表示当应力低于此值时，材料可经受无数次应力循低于此值时，材料可经受无数次应力循环而不破坏。环而不破坏。第22页，本讲稿共28页 我们把材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力我们把材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力值称为疲劳强度。值称为疲劳强度。通常光滑试样在对称弯曲循环载荷作用下的疲劳强度用通常光滑试样在对称弯曲循环载荷作用下的疲劳强度用-1-1表示。表示。对钢材来说，我们把经受对钢材来说，我们把经受10E+710E+7周次或更多周次而不破坏的最周次或更多周次而不破坏的最大应力定为疲
25、劳强度。大应力定为疲劳强度。对于有色金属，一般则需规定应力循环次数在对于有色金属，一般则需规定应力循环次数在10E+810E+8或更多周次，或更多周次，才能确定其疲劳强度。才能确定其疲劳强度。影响疲劳强度的因素主要有循环应力、温度、材料的化学影响疲劳强度的因素主要有循环应力、温度、材料的化学成分及显微组织、表面质量和残余应力等。成分及显微组织、表面质量和残余应力等。第23页，本讲稿共28页 上述力学性能指标，都是用小尺寸的光滑试样或标准试样，在规上述力学性能指标，都是用小尺寸的光滑试样或标准试样，在规定性质的载荷作用下测得的。定性质的载荷作用下测得的。光滑试样或标准试样的力学性能指标不能直接代
26、表材料制成光滑试样或标准试样的力学性能指标不能直接代表材料制成零件后的性能。零件后的性能。1 1、因为实际零件尺寸往往很大，尺寸增大后，材、因为实际零件尺寸往往很大，尺寸增大后，材 料中出现缺陷料中出现缺陷(如孔洞、夹杂物，表面损伤等如孔洞、夹杂物，表面损伤等)的可能的可能性也性也 增大；增大；2 2、零件在实际工作中所受的载荷往往是复杂的，、零件在实际工作中所受的载荷往往是复杂的，零件的形状、表面粗糙度值等也与试样差异很大。零件的形状、表面粗糙度值等也与试样差异很大。第24页，本讲稿共28页机械工程材料 金属材料高分子材料黑色金属有色金属塑料合成橡胶合成纤维轻有色金属 铝、镁等重有色金属 铜
27、、铅等稀有金属 稀土等铸铁碳钢合金钢陶瓷材料硅酸盐材料 玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料等新型陶瓷 除SiO2以外的其他氧化物、碳化物、氮化物材料复合材料纤维增强复合材料粒子增强复合材料层叠复合材料一、工程材料的分类第二节 工程材料的类型及其特征第25页，本讲稿共28页按零件在机械或机器中实现的功能，将制造材料分为结构材料和功能材料。用于制造实现运动和传动动力的零件的材料称为结构材料，用于制造实现其他功能的零件的材料称为功能材料。功能材料是利用物质的各种物理和化学特性及其对外界环境敏感的反应，从而实现各种信息处理和能量转换，主要有弹性材料、膨胀材料、形状记忆合金和磁性材料等。二、各类材料的特征1.金
28、属材料的特征良好的导电性、导热性、塑性和工艺性能等。金属能在一定外力作用下发生一定的永久变形而不致破裂，这就是金属材料具有高塑性的原因。第26页，本讲稿共28页2.高分子材料的特征相对分子质量大于5000的高分子化合物为主要成分的材料。有机高分子材料由相对分子质量大于10000的以碳、氢为主的有机化合物组成，具有高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性及质量轻等优良性能。易于成型，原料来源丰富。有机高分子材料是由低分子化合物聚合而成的，又称高聚物。第27页，本讲稿共28页3.陶瓷材料的特征陶瓷是一种无机非金属材料，是由金属和非金属形成的化合物。特点：熔点高、硬度高、化学稳定性高，耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘。应用：内燃机火花塞，引爆温度2500度，要求材料绝缘和耐化学腐蚀。4.复合材料两种或两种以上材料复合而成的一种多相材料，它们保留了组成材料各自的优点，从而获得单一材料无法具备的优良综合性质。第28页，本讲稿共28页