工程材料性能

教學(xué)重點(diǎn)1、工程材料的教學(xué)目標(biāo)和方法；2、準(zhǔn)確理解力學(xué)性能、強(qiáng)度、塑性有關(guān)名次概念，拉伸曲線，強(qiáng)度、塑性指標(biāo)的表示方法。3、硬度指標(biāo)的表示方法和實(shí)際應(yīng)用。4、韌性指標(biāo)的表示方法和實(shí)際應(yīng)用。

教學(xué)難點(diǎn)1、機(jī)械產(chǎn)品的制造過程；2、拉伸曲線與條件屈服強(qiáng)度；3、布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度；4、疲勞的概念、表示方法、提高疲勞強(qiáng)度措施。本節(jié)重點(diǎn)與難點(diǎn)強(qiáng)度是指金屬材料抵抗塑性變形（永久變形）和斷裂的能力。抵抗塑性變形和斷裂的能力越大，則強(qiáng)度越高。1.1.1材料的強(qiáng)度1、拉伸試樣

1.1.1材料的強(qiáng)度2、拉伸曲線右圖是低碳鋼的力-伸長曲線，圖中縱坐標(biāo)表示力拉伸力F，單位為N；橫坐標(biāo)表示絕對伸長量Δl，單位為mm。1.1.1材料的強(qiáng)度3、強(qiáng)度指標(biāo)試樣受到外力作用時，在其內(nèi)部產(chǎn)生大小與外力相等而方向相反的相互作用力，稱為內(nèi)力。單位截面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，拉伸時的應(yīng)力用符號σ表示。1）屈服點(diǎn)（又稱屈服強(qiáng)度）2）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是指試樣斷裂前能夠承受的最大拉應(yīng)力，用σb表示。1.1.2材料的塑性斷后伸長率是指試樣拉伸斷裂時的絕對伸長量與原始長度的百分比，用符號δ表示。即：

斷后伸長率大小與試樣尺寸有關(guān)。長試樣的斷后伸長率用δ10或δ表示，短試樣的斷后伸長率用δ5表示，同一材料的δ10＜δ5，但二者不能直接比較大小。金屬材料在外力作用下發(fā)生塑性變形而不破壞的能力稱為塑性。1、斷后伸長率

1.1.2材料的塑性2、斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷后，縮頸處（斷口處）橫斷面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號ψ表示。即：δ和ψ是材料的重要性能指標(biāo)。它們的數(shù)值越大，材料的塑性越好。如果材料具有良好的塑性，則可避免材料在壓力加工過程中發(fā)生開裂而破壞；而普通鑄鐵的塑性差，因而不能進(jìn)行壓力加工，只能進(jìn)行鑄造。同時,由于材料具有一定的塑性，故能保證材料不致因稍有超載而突然斷裂，增加了材料使用的安全可靠性。金屬材料抵抗其他更硬物體壓入表面的能力稱為硬度，是衡量材料軟硬程度的判據(jù)，它表征材料抵抗表面局部彈性變形、塑性變形或抵抗破壞的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。1.2.1布氏硬度

布氏硬度是用單位壓痕面積的力作為布氏硬度值的計(jì)量即試驗(yàn)力除以壓痕表面積，符號用HBS（用淬火鋼球壓頭）或HBW（用硬質(zhì)合金壓頭）表示，即：

布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖

布氏硬度表示方法：1.2.1布氏硬度硬度值一般不標(biāo)單位。當(dāng)壓頭為淬火鋼球時，用HBS表示；當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金時，用HBW表示。符號HBS或HBW之前寫出硬度值，符號后面用數(shù)字依次表示壓頭直徑、試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時間（10～15s不標(biāo)）等試驗(yàn)條件。例如，150HBS10/1000/30。一般在零件圖或工藝文件上標(biāo)注材料要求的布氏硬度時，不規(guī)定試驗(yàn)條件，只需標(biāo)出要求的硬度值范圍和硬度符號，如210～230HBS。

布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：1.2.1布氏硬度

優(yōu)點(diǎn)是測定的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)，常用于測定退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。

缺點(diǎn)是對不同材料需要更換壓頭和改變載荷，且壓痕較大，壓痕直徑的測量也較麻煩，易損壞成品的表面，故不宜在成品上進(jìn)行試驗(yàn)。1.2.2洛氏硬度洛氏硬度是用壓痕深度作為洛氏硬度值的計(jì)量即，符號用HR表示，其計(jì)算公式為：

壓頭類型：1.2.2洛氏硬度淬火鋼球壓頭多用于測定退火件、有色金屬等較軟材料的硬度，壓入深度較深；金剛石壓頭多用于測定淬火鋼等較硬材料的硬度，壓入深度較淺。

采用不同的壓頭與總試驗(yàn)力，組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺。我國常用的是HRA、HRB、HRC三種，其中HRC應(yīng)用最廣。其試驗(yàn)規(guī)范見表1.1。洛氏硬度無單位，須標(biāo)明硬度標(biāo)尺符號，在符號前面寫出硬度值，如58HRC、76HRA。

試驗(yàn)規(guī)范及表示方法:

洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：1.2.2洛氏硬度

優(yōu)點(diǎn)是操作迅速、簡便，硬度值可從表盤上直接讀出；壓痕較小，可在工件表面試驗(yàn)；可測量較薄工件的硬度，因而廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗(yàn)。

缺點(diǎn)是精確性較低，硬度值重復(fù)性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位測試數(shù)次，取其平均值來代表材料的硬度。此外，用不同標(biāo)尺測得的硬度值彼此之間沒有聯(lián)系，也不能直接進(jìn)行比較。

1.2.3維氏硬度維氏硬度也是以單位壓痕面積的力作為硬度值計(jì)量。試驗(yàn)力較小，壓頭是錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體，見圖所示。維氏硬度用符號HV表示。維氏硬度表示方法：

在符號HV前方標(biāo)出硬度值，在HV后面按試驗(yàn)力大小和試驗(yàn)力保持時間（10～15s不標(biāo)出）的順序用數(shù)字表示試驗(yàn)條件。例如：640HV300。

維氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：1.2.3維氏硬度

優(yōu)點(diǎn)是可測軟、硬金屬，特別是極薄零件和滲碳層、滲氮層的硬度，其測得的數(shù)值較準(zhǔn)確，并且不存在布氏硬度試驗(yàn)?zāi)欠N載荷與壓頭直徑比例關(guān)系的約束。此外，維氏硬度也不存在洛氏硬度那樣不同標(biāo)尺的硬度無法統(tǒng)一的問題，而且比洛氏硬度能更好地測定薄件或薄層的硬度。

缺點(diǎn)是硬度值的測定較為麻煩，工作效率不如洛氏硬度，因此不太適合成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。外力的瞬時沖擊作用所引起的變形和應(yīng)力比靜載荷大得多，因此在設(shè)計(jì)承受沖擊載荷的零件和工具時，不僅要滿足強(qiáng)度、塑性、硬度等性能要求，還必須有足夠的韌性。

1.3.1韌性簡介

1、沖擊吸收功

韌性是指金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。

根據(jù)功能原理可知：擺錘沖斷試樣所消耗的功AK=mgh1-mgh2。AK稱為沖擊吸收功，單位焦耳（J），用AK除以試樣缺口處的橫截面積Ｓ所得的商即為該材料的沖擊韌度，用符號αK表示，即：

沖擊吸收功AK與溫度有關(guān)，見右下圖所示。韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫抗沖擊性能越好。

1.3.1韌性簡介

1.3.1韌性簡介

2、多沖抗力

金屬材料抵