工程材料第一章

趙杰副教授工程材料與金屬工藝學自我介紹

趙杰

哈爾濱工業(yè)大學電化學專業(yè)

博士畢業(yè)

研究方向：電化學表面工程與技術金屬表面處理

腐蝕科學7緒論講述機械制造所用的材料、鑄造、壓力加工、焊接、熱處理等技工方法。鑄造鍛造焊接毛坯熱處理機械加工零件裝配試車出廠學習本課程的基本要求：

了解工程材料的一般性質、應用范圍和選擇原則。

掌握各種主要加工方法的實質、工作特點和基本原理。第一章工程材料概論材料科學與工程材料材料科學的發(fā)展與展望材料科學概況及分類

金屬材料高分子材料無機非金屬材料復合材料1932LosAngelesOlympic24KPlateGoldCoin金手指（connectingfinger）電鍍金手指確保更好的電氣性能和耐插拔次數(shù)高分子材料按特性分為橡膠、纖維、塑料、高分子膠粘劑、高分子涂料和高分子基復合材料等水晶生物陶瓷-人造血管氣敏元件氧化鈦合金體系腐蝕產物影響腐蝕產物在體內的分布傷口愈合局部感染含Ni中等干擾無排出，但高血漿水平，可能有長期致癌效應含Co強烈干擾無排出，但高血漿水平，肝、腎水平，可能長期心血管和致癌反應含Cr無可能性顯著增大積累在所有器官內，特別是骨內，長期反應不明貴金屬Pt、Au、Ru干擾很強可能性顯著增大不明活潑金屬Ti、Ta等不明（產物不溶）不明（產物不溶）不明（產物不溶）合金元素對人體可能的影響“黃金絲植入術”源自英國，近年經臺灣傳入大陸，原理是將24K黃金，加入微量元素和骨膠原，制作成金絲，然后通過植入器植入皮膚。硅酸鹽碳纖維復合材料高速列車剎車片碳纖維復合材料潤滑材料高硬度材料美軍BLU-114型碳纖維炸彈石墨炸彈具有癱瘓供電系統(tǒng)等功能重量更輕、彈性更佳，增加操控性及擊球威力。納米花，一是可制成優(yōu)秀的防水涂料。在表面上涂有這種納米材料的物體，即使將它僅傾斜5度，在其表面上的小水滴也會很快滾掉，防水性能好。二是可用來作為制取新穎高率太陽能電池的基礎材料，應用前景十分誘人。納米浴缸、納米座便器，節(jié)水、環(huán)保、抗菌殺菌水、油等物質可在表面上滾動，如同在荷葉上自由滾動的露珠；同時它還透氣、防霉、防輻射機械工程材料金屬材料非金屬材料黑色金屬鋼有色金屬鑄鐵合金鋼無機非金屬材料有機材料塑料橡膠陶瓷合成纖維鋁合金銅合金其他有色合金第二章金屬材料的主要性能

彈性和塑性剛度強度沖擊韌性疲勞強度

使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學性能、物理性能和化學性能。

工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。金屬材料的性能是用來表征材料在給定外界條件下的行為參量。當外界條件發(fā)生變化時，同一種材料的某些性能也會隨之發(fā)生變化。神州9號飛船2.1金屬材料的力學性能力學性能（機械性能）：材料在各種不同的工作情況，從開始受力變形至破壞的全過程所表現(xiàn)的力學特征。金屬材料的力學性能主要有：剛度、強度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強度。載荷：材料在加工及使用過程中所受的外力。靜載荷：逐漸而緩慢地作用在工件上的力。沖擊載荷：突然增加或消失的載荷。交變載荷：載荷的大小和方向呈周期性的變化。

金屬材料的剛度、強度、彈性、塑性是通過拉伸實驗來測定的，標準試樣所示，把試樣安裝在拉伸試驗機上，并對試樣施加一個緩慢增加的軸向拉力，試樣產生變形，直至斷裂。圓形拉伸試樣拉伸試驗機低碳鋼的應力-應變曲線拉伸試樣應力

=P/F0應變

=(l-l0)/l0拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線應力

=P/F0應變

=(L-L0)/L0應力應變

拉伸曲線OE—彈性變形階段(彈性極限e)低碳鋼拉伸曲線ES—屈服階段(屈服極限S)當載荷超過E點，試樣產生塑性變形。

材料承受的，不產生永久變形的最大應力為彈性極限e當載荷增加到S點時，載荷不增加，塑性變形繼續(xù)產生。出現(xiàn)水平線段，稱為屈服。S為屈服點。

出現(xiàn)明顯塑性變形時的應力為屈服極限sS一、彈性和塑性材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復的變形稱為塑性變形。拉伸曲線OE—彈性變形階段(彈性極限e)低碳鋼拉伸曲線ES—屈服階段(屈服極限S)當載荷超過E點，試樣產生塑性變形。

材料承受的，不產生永久變形的最大應力為彈性極限e當載荷增加到S點時，載荷不增加，塑性變形繼續(xù)產生。出現(xiàn)水平線段，稱為屈服。S為屈服點。

出現(xiàn)明顯塑性變形時的應力為屈服極限sS拉伸曲線SB—均勻塑性變形階段BK—縮頸階段低碳鋼拉伸曲線當載荷增加B點，試樣截面局部出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。截面縮小，載荷下降，K點時試樣被拉斷。低碳鋼拉伸曲線縮頸拉伸曲線SB—均勻塑性變形階段BK—縮頸階段低碳鋼拉伸曲線當載荷增加B點，試樣截面局部出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。截面縮小，載荷下降，K點時試樣被拉斷。低碳鋼拉伸曲線拉伸曲線oe—彈性變形階段ees—屈服階段Ssb—均勻塑性變形階段bk—縮頸階段低碳鋼拉伸曲線彈性變形－塑性變形－縮頸-斷裂彈性變形：變形可逆；應力應變呈線性關系。退火低碳、中碳和高碳鋼的拉伸曲線工程上使用的材料并不是都有明顯的四個階段，如脆性材料。一、彈性材料在外力的作用下將發(fā)生變形，外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形。指標為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時的應力。試樣發(fā)生完全彈性變形的最大載荷（N）；試樣的原始橫截面積（mm2）。二、剛度材料受力時抵抗彈性變形的能力指標為彈性模量E

彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。

金屬材料在靜載荷作用時，在斷裂前產生塑性變形的能力，反映材料塑性的力學性能。

指標有延伸率和斷面收縮率。三、塑性伸長率：試樣拉斷后其標距長度的相對伸長值斷面收縮率：試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大相對收縮值斷裂后

δ5

δ10δ5和δ10分別表示用L0=5d和L0=10d(d為試棒的直徑)兩種不同長度試棒測定的伸長率。δ5較大，δ10較小。如鋼材的δ5

大約為δ10

的1.2倍。因此，只有相同符號的伸長率才能進行比較。

塑性指標不能直接用于零件設計計算，只能根據(jù)經驗來選定材料的塑性。一般來說，伸長率達30%或斷面收縮率達50%的材料，即可滿足絕大多數(shù)零件的要求。對零件來說，對塑性的要求有一定的限度，不是越大越好。四、強度材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。

指標為s和b

屈服強度s：材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限。

大多數(shù)合金鋼、銅合金以及鋁合金的拉伸曲線無明顯屈服現(xiàn)象。脆性材料，如普通鑄鐵、鎂合金等，甚至在斷裂之前也不發(fā)生塑性變形（無水平線段）工程規(guī)定：試樣產生0.2%殘余塑性變形時的應力值為該材料的條件屈服強度。0.2條件屈服強度0.2：殘余變形量為0.2%時的應力值拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象抗拉強度b：材料斷裂前所承受的最大應力值屈強比：材料變形直至破壞的行為過程？什么條件下會發(fā)生破壞？構件必須“強”，不發(fā)生破壞！必須“剛硬”，不因變形過大而影響正常工作如何控制設計才能保證構件有必要的強度和剛度？12結論：四、硬度布氏硬度洛氏硬度維氏硬度金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，也是衡量金屬材料軟硬程度的一種力學性能指標。在布氏硬度計上測量，用一定直徑的淬火鋼球或硬質合金球為壓頭，以相應的實驗力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后，卸除實驗力，在試樣表面形成壓痕，以壓痕球形表面所承受的平均負荷作為布氏硬度值。布氏硬度實驗原理圖布氏硬度HB※

由W，Mo，Cr，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta的九種炭化物和Fe族（Fe，Co，Ni）金屬結合而成的合金總稱，一般指WC-Co合金?！操|合金是一種主要由硬質相和粘結相組成的粉末冶金產品。硬質合金是目前世界上強度最高的合金??！硬質合金硬質合金鋸片硬質合金鎢鋼在布氏硬度計上測量，用一定直徑的淬火鋼球或硬質合金球為壓頭，以相應的實驗力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后，卸除實驗力，在試樣表面形成壓痕，以壓痕球形表面所承受的平均負荷作為布氏硬度值。布氏硬度實驗原理圖布氏硬度HB布氏硬度計實驗力（kgf）；球體直徑（mm）；壓痕平均直徑（mm）。式中布氏試驗時，只需測量出d值即可從有關表格上查出相應的布氏硬度值。Contents壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料壓頭為硬質合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在450~650的材料HB前數(shù)字表示硬度值,符號后分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間直徑為10mm的鋼球在1000kgf載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120

120HBS10/1000/30布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調質鋼,鑄鐵

及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經驗關系：對于低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵可以直接從洛氏硬度計表盤上讀出，是一個相對值，規(guī)定每0.002mm壓痕深度為一個洛氏硬度單位。HR=(K-h)/0.002洛氏硬度HR洛氏硬度是一個無量綱的材料性能指標，使用金剛石壓頭時，常數(shù)K為0.2，使用鋼球壓頭時，K為0.26.洛氏硬度試驗原理HR=K-h/0.002洛氏硬度計根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。

符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調質鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。成品件缺點：測量結果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕HRA采用外加載荷為60kgf，用于測量高硬度薄層，常用硬度值為70-85HRA；HRB采用直徑1.588mm的鋼球，100kgf的外加載荷，用于硬度較低的材料，常用硬度值為25-100HRB。

HRC采用頂角為120°的金剛石圓錐體為壓頭，施加150kgf的外力，主要用于淬火鋼等較硬材料的測定，常用硬度值為20-67HRC；測試原理與布氏硬度相同，但壓頭采用錐面夾角136°的金剛石正四棱錐體，維氏硬度試驗所用載荷小，壓痕深度淺，適用于測量零件薄的表面硬化層的硬度。試驗載荷可任意選擇，故可測硬度范圍寬。維氏硬度HVAv-壓痕面積；F試驗力；d-壓痕兩對角線平均長度維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標為沖擊韌性值ak采用擺錘沖擊試驗機來測定金屬材料的沖擊值。三、沖擊韌性沖擊韌度值用下式計算：沖擊韌度（J/cm2）

；沖擊吸收功（J）；擺錘重量（N）；擺錘抬升高度（m）；擺錘沖擊后的高度（m）；試樣缺口底部處橫截面積（cm2）。式中

沖擊韌度ak越大，表明材料的韌性越好，受到沖擊時不易斷裂。ak與試樣形狀、表面粗糙度、內部組織有關，還與試驗溫度相關。沖擊試驗溫度一般為10～35oC。韌脆轉變溫度：韌材料可以由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)而發(fā)生脆斷

材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度1965年，英國北海油田在一個晚上因氣溫突然下降，使海上鉆井臺產生冷脆，造成重大事故。因此，對處在低溫或嚴寒地區(qū)工作的機器零件，設計時應特別注意材料脆性轉變溫度。TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質量直接有關Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結果Titanic近代船用鋼板四、疲勞材料在低于s的重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。應力愈高，循環(huán)次數(shù)愈少，反之亦然。當應力低到一定值時，循環(huán)次數(shù)無窮大，表示材料可經無限次應力循環(huán)而不失效；此應力即為疲勞強度（疲勞極限）疲勞曲線疲勞斷口通過改善材料的形狀結構，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）

物理性能指不發(fā)生化學反應就能表現(xiàn)出來的性能，如密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等。

1.3金屬材料的物理和化學性能槍支內腔工業(yè)生產中防止局部滲碳要鍍銅。通信設備錄音機修復機器磨損插座銅的高導電和低熱阻的特性使其在大功率LED芯片制造領域得到大規(guī)模的應用，以解決LED散熱的問題。LED魔力打造水立方奧運期間72變銀光亮厚銀（德國）化學性能是材料在化學介質的作用下所表現(xiàn)出來的性能。如材料的耐腐蝕性能、抗氧化性能和化學穩(wěn)定性能