第一章工程材料及力學(xué)性能

工程材料與熱加工基礎(chǔ)Ⅱ授課教師：蘇新清

材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第一章工程材料及力學(xué)性能§1-1工程材料及其分類一、工程材料概念工程材料—制造工程結(jié)構(gòu)、機(jī)器零件和工具的固體材料。工程材料學(xué)涉及的范圍只是固體材料中有關(guān)工程結(jié)構(gòu)、機(jī)器零件和工具制造，并且主要要求力學(xué)性能的材料，并研究這些材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝、性能和應(yīng)用之間的關(guān)系。二、工程材料的分類工程材料是用于制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件并主要要求力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料。按組成與結(jié)合鍵分：

(1)金屬材料(2)高分子材料(3)陶瓷材料(4)復(fù)合材料金屬材料以金屬鍵結(jié)合為主良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤;用量最大、應(yīng)用最廣泛.黑色金屬有色金屬輕金屬,重金屬,貴金屬,稀有金屬

鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達(dá)10億噸，在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整個用材的60%以上。

帶材異形材板材管材陶瓷材料以共價鍵和離子鍵為主;熔點(diǎn)高、硬度高、耐腐蝕、脆性大;分為傳統(tǒng)陶瓷、特種陶瓷和金屬陶瓷三類.激光燒結(jié)陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷又稱普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、長石等)為原料的陶瓷，主要用作建筑材料。

特種陶瓷又稱精細(xì)陶瓷，是以人工合成材料為原料的陶瓷，用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷發(fā)動機(jī)高分子材料

以分子鍵和共價鍵為主;塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小;包括塑料、橡膠及合成纖維等.分子鍵共價鍵高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

烯丙酰氯-苯乙烯雪碧，“晶晶亮，透心涼”的背后？圖片攝自：南京偉東包裝制品有限公司復(fù)合材料包括：金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料高分子復(fù)合材料

把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)燃燒室溫度最高的材料就是通過粉末冶金法制備的氧化物粒子彌散強(qiáng)化的鎳基合金復(fù)合材料。很多高級游艇、賽艇及體育器械等是由碳纖維復(fù)合材料制成的，它們具有重量輕，彈性好，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。航空發(fā)動機(jī)三、工程材料的應(yīng)用和發(fā)展隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對材料的要求越來越苛刻，結(jié)構(gòu)材料向高比強(qiáng)、高剛度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗輻照和多功能的方向發(fā)展。

國產(chǎn)東風(fēng)4D-0088內(nèi)燃機(jī)車美國F-117隱身飛機(jī)新材料在不斷地涌現(xiàn)。航空航天、機(jī)械工業(yè)是材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對產(chǎn)品的要求越來越高。

在產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中，會遇到越來越多的材料及材料加工方面的問題。要求機(jī)械工程技術(shù)人員掌握必要的材料科學(xué)與材料工程知識，具備正確選擇材料和加工方法、合理安排加工工藝路線的能力。

鑄造一級渦輪盤機(jī)械零件加工工藝材料毛坯零件鑄造鍛壓焊接粉末冶金切削加工型材熱處理四、工程材料熱加工基礎(chǔ)（零件毛坯的制造）1、鑄造毛坯熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法，稱為鑄造。

2、鍛造毛坯鍛壓是對坯料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形、改變尺寸、形狀及改善性能，用以制造機(jī)械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是鍛造與沖壓的總稱，屬于壓力加工的范疇。汽車一廠車身車間POLO底盤焊接

3、焊接結(jié)構(gòu)焊接的實(shí)質(zhì)是使兩個分離的物體通過加熱或加壓，或兩者并用，在用或不用填充材料的條件下借助于原子間或分子間的聯(lián)系與質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散作用形成一個整體的過程。使用性能和工藝性能使用性能：指材料在使用條件下（過程）表現(xiàn)出的各種性能，包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能工藝性能：指材料在加工成型過程中表現(xiàn)出的性能，即加工的難易程度，如鑄造性、焊接性等?！?-2工程材料的性能

工程材料的性能使用性能工藝性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性能可鍛性能可焊性能切削加工性能熱處理性工藝性

材料在外載或外載和環(huán)境（溫度、介質(zhì)等）共同作用下表現(xiàn)出來的性能，即材料抵抗外載引起的變形和斷裂的能力。本章重點(diǎn)：材料在靜載荷下的性能指標(biāo)，屈服強(qiáng)度（S或0.2)、抗拉強(qiáng)度（b）、硬度（HB、HRC）、塑性（、）靜載荷是指大小不變或變化過程緩慢的載荷。材料的靜載力學(xué)性能指標(biāo)主要有強(qiáng)度、塑性、硬度等。§1-3工程材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能是設(shè)計計算、材料選用、工藝評定及材料檢驗(yàn)的重要依據(jù)。是指其在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、環(huán)境）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)出來的行為，即材料抵抗外加載荷引起變形或斷裂的能力。材料力學(xué)性能的定義幾個概念1、變形材料在外力作用下引起尺寸和形狀的變化。分為：彈性變形—外力去除后，變形物體靠原子之間結(jié)合力又恢復(fù)原狀的變形。塑性變形—外力去除后，物體的一部分恢復(fù)了原狀，還保留一部分變形，這種殘留的永久變形叫塑性變形。2、應(yīng)變變形量與原尺寸之比。=L/L=V/V3、應(yīng)力單位面積上所受的力。=P/F4、屈服材料受力到一定值后，載荷不再增加而塑性變形繼續(xù)發(fā)生的現(xiàn)象。§2-1拉伸試驗(yàn)一、拉伸試驗(yàn)曲線是應(yīng)用最廣的力學(xué)性能試驗(yàn)方法之一。

測定材料在拉伸載荷作用下的一系列特性的試驗(yàn)，又稱抗拉試驗(yàn)。它是材料機(jī)械性能試驗(yàn)的基本方法之一，主要用于檢驗(yàn)材料是否符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和研究材料的性能。

根據(jù)GB6397-86規(guī)定，拉伸實(shí)驗(yàn)試樣可制成圓形、板形，分為長試樣和短試樣。低碳鋼拉伸曲線低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗(yàn)時，試驗(yàn)機(jī)以規(guī)定的速率均勻地拉伸試樣，試驗(yàn)機(jī)可自動繪制出拉伸曲線圖。拉伸曲線圖實(shí)際上是載荷－伸長變形量的曲線，如將載荷坐標(biāo)值和伸長坐標(biāo)值分別除以試樣原截面積和試樣標(biāo)距，就可得到應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖1.彈性變形階段2.屈服階段3.變形強(qiáng)化階段4.形成縮頸，局部變形階段低碳鋼拉伸曲線低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線1.彈性變形階段曲線中OA段是一條直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。如卸去外力，試件能恢復(fù)原來的形狀，這種性質(zhì)即為彈性，此階段的變形為彈性變形。與A點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力稱為彈性極限，以σp表示。應(yīng)力與應(yīng)變的比值為常數(shù)，即彈性模量E,E=σ/ε。彈性模量反映鋼材抵抗彈性變形的能力2.屈服階段應(yīng)力超過A點(diǎn)后，應(yīng)力、應(yīng)變不再成正比關(guān)系，開始出現(xiàn)塑性變形。應(yīng)力的增長滯后于應(yīng)變的增長，變形迅速增加，而此時外力則大致在恒定的位置上波動，直到B點(diǎn)，這就是所謂的“屈服現(xiàn)象”，似乎鋼材不能承受外力而屈服，所以AB段稱為屈服階段。與B點(diǎn)（此點(diǎn)較穩(wěn)定、易測定）對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度），用σs表示鋼材受力大于屈服點(diǎn)后，會出現(xiàn)較大的塑性變形，已不能滿足使用要求，因此屈服強(qiáng)度是設(shè)計上強(qiáng)度取值的依據(jù)，是工程結(jié)構(gòu)計算中非常重要的一個參數(shù)。

3.變形強(qiáng)化階段

當(dāng)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度后，由于鋼材內(nèi)部組織中的晶格發(fā)生了畸變，阻止了晶格進(jìn)一步滑移，鋼材得到強(qiáng)化，所以鋼材抵抗塑性變形的能力又重新提高，C-D呈上升曲線，稱為強(qiáng)化階段。對應(yīng)于最高點(diǎn)D的應(yīng)力值（σb）稱為極限抗拉強(qiáng)度，簡稱抗拉強(qiáng)度。

屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之比（即屈強(qiáng)比＝σs／σb）能反映材料的利用率和結(jié)構(gòu)安全可靠程度。屈強(qiáng)比越小，其結(jié)構(gòu)的安全可靠程度越高，但屈強(qiáng)比過小，又說明材料強(qiáng)度的利用率偏低，造成鋼材浪費(fèi)。4.形成縮頸，局部變形階段試件受力達(dá)到最高點(diǎn)C點(diǎn)后，其抵抗變形的能力明顯降低，變形迅速發(fā)展，應(yīng)力逐漸下降，試件被拉長，在有雜質(zhì)或缺陷處，斷面急劇縮小，直到斷裂。故CD段稱為頸縮階段。二、彈性1、彈性模量材料在彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變的比值。拉伸時E=/，在工程上E稱為材料的剛度，表征材料對彈性變形的抗力。E越大，在一定的外力下引起的彈性變形越小，即材料的剛度越大。對于一些精密的零件應(yīng)嚴(yán)格控制彈性變形量，如鍛模、鏜床的鏜桿等。注：零件的剛度與材料的剛度不是一回事，零件的剛度除取決于材料的剛度外，還與零件的結(jié)構(gòu)有關(guān)。零件拉伸時的剛度為A0E（A0為零件的截面積）。E的大小取決于材料的本性—原子結(jié)合鍵能的高低，鍵能大，E就大。材料成分與組織的變化對E的影響不明顯。三、強(qiáng)度材料在外力的作用下抵抗某種現(xiàn)象（塑性變形、斷裂）的能力。1、彈性極限（e）e=Pe/FoMPa

(Pe:材料在彈性變形范圍內(nèi)產(chǎn)生最大彈性變形時所承受的力，N。Fo試樣標(biāo)距部分的原始截面積，mm2）表示材料對微量塑性變形的抗力。一些精密零件，如精密彈簧、槍炮管等工作中不允許產(chǎn)生微量塑性變形，設(shè)計時應(yīng)以e選材。曲線中的OA’段為一直線，表明在這個應(yīng)力范圍內(nèi)，應(yīng)變與應(yīng)力成正比。對應(yīng)于A’點(diǎn)的應(yīng)力是保持正比關(guān)系的最大應(yīng)力，稱為比例極限。曲線中的A’A段，應(yīng)變與應(yīng)力不再是正比關(guān)系，但仍是彈性形變，過了A點(diǎn)以后，雖然撤去外力，形變會有殘留。對應(yīng)于A點(diǎn)的應(yīng)力叫做彈性極限。2、屈服強(qiáng)度（S或0.2)S=PS/FoMPa

(Ps:材料屈服時承受的力，N。Fo試樣標(biāo)距部分的原始截面積，mm2。）表示材料對明顯塑性變形的抗力。對拉伸曲線上不出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的材料(如中高碳鋼)。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以試樣塑性變形量為試樣標(biāo)距長度的0.2%時，材料承受的應(yīng)力為“規(guī)定屈服強(qiáng)度”，以0.2表示。大多數(shù)的機(jī)器零件在工作中都不允許產(chǎn)生明顯的塑性變形，因此，S是設(shè)計和選材的主要依據(jù)。3、抗拉強(qiáng)度（b）b

=Pb/FoMPa

(Pb:材料承受的最大載荷，N。Fo試樣標(biāo)距部分的原始截面積，mm2。）?？估瓘?qiáng)度表示材料抵抗外力而不致斷裂的最大應(yīng)力。對脆性材料，b也是材料的斷裂抗力指標(biāo)。對脆性材料,往往用b作為零件設(shè)計的依據(jù)，但是安全系數(shù)要放大。在工程上，不僅需要材料的屈服強(qiáng)度高，而且還需要考慮屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值（屈強(qiáng)比），根據(jù)不同的設(shè)備要求，其比值應(yīng)適當(dāng)。屈強(qiáng)比較小的材料制造的零件，具有較高的安全可靠性，因?yàn)樵诠ぷ鲿r萬一超載，也能由于塑性變形使金屬的強(qiáng)度提高而不致立刻斷裂。但如果屈強(qiáng)比太低，則材料強(qiáng)度的利用率會降低。因此，過大、過小的屈強(qiáng)比都是不適宜的。

四、塑性材料發(fā)生塑性變形而不斷裂的能力。常用延伸率和斷面收縮率表示。1、延伸率（）—試樣拉斷后標(biāo)距增長量與原始長度之比。=L1-L0/L0由于包括均勻伸長和集中伸長兩部分，其中集中伸長量與試樣的尺寸有關(guān)，所以同一材料10與5不同。51.210,比較材料塑性時只能是相同符號進(jìn)行比較。2、斷面收縮率（）—試樣拉斷處截面積的縮減量與原始截面積之比。=F0-F1/F0。

斷面收縮率不受試樣尺寸影響，能可靠地反映材料的塑性。圖3-1拉伸試樣（a）拉伸前（b）拉斷后和越大，材料的塑性越好。良好的塑性是材料進(jìn)行塑性加工（如冷沖壓、軋制、冷彎等）的條件。材料的塑性好，零件在工作中不會因超載而突然斷裂，較安全，這就是大多數(shù)零件除要求高強(qiáng)度外，還要有一定塑性的道理。

拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象§2-2硬度試驗(yàn)硬度:材料抵抗更硬物體壓入其表面的能力。由于硬度試驗(yàn)設(shè)備簡單、方便，不破壞工件，根據(jù)硬度值可估計出材料的強(qiáng)度值，并且硬度與材料的冷成形性、焊接性、切削加工性都有一定的聯(lián)系，所以硬度試驗(yàn)在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用很廣泛。在產(chǎn)品設(shè)計圖紙的技術(shù)條件中，也是一項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)。硬度試驗(yàn)方法壓入法劃痕法加載速率靜載試驗(yàn)法動載試驗(yàn)法布氏硬度洛氏硬度維氏硬度顯微硬度肖氏硬度錘擊布氏硬度莫氏硬度材料抵抗破斷的能力材料變形功的大小表明材料局部地區(qū)抵抗變形的能力HB=F/S壓痕深度1.布氏硬度HB常用的壓入法硬度試驗(yàn)有：以直徑為D的淬火鋼球（或硬質(zhì)合金球）為壓頭，以規(guī)定載荷P將壓頭垂直壓入被測金屬表面，停留一定時間卸載，在放大鏡下測定壓痕直徑d，根據(jù)d值查表確定硬度值。用淬火鋼壓頭測得的硬度用HBS表示，淬火鋼壓頭適合測較軟的材料HBS<450。硬質(zhì)合金球壓頭以HBW表示，適合測較硬的材料HB450~650。布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計

布氏硬度HB(Brinell-hardness)適用范圍:＜450HBS＜650HBW

符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。

布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量的壓痕面積大，精度高。缺點(diǎn)：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(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)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)2.洛氏硬度與布氏硬度不同，洛氏硬度是根據(jù)壓痕的深度而不是壓痕直徑計算硬度?？梢詮挠捕扔嬁潭缺P上直接反映出數(shù)值，無需測量壓痕深度。根據(jù)所加載荷和壓頭材料不同，洛氏硬度分為15種，但常用的有3種。分別用HRA、HRB、HRC表示。使用初始試驗(yàn)力F0將壓頭垂直壓入試樣表面，然后施加主試驗(yàn)力，使用總試驗(yàn)力F0+F1壓入并保持一段時間后，撤除主試驗(yàn)力，保持初始試驗(yàn)力。施加主試驗(yàn)力后與施加主試驗(yàn)力前壓痕深度的差值與材料的洛氏硬度值有著線性關(guān)系。洛氏硬度HR(Rockwellhardness)h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計1HRC≈10HBS鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、迅速，壓痕小，可用于成品檢驗(yàn)。缺點(diǎn)是測量精度不高。注：不同級別的硬度值間無可比性。只有查表轉(zhuǎn)換成同一級別后才能比較。洛氏硬度試驗(yàn)采用三種試驗(yàn)力，三種壓頭，它們共有9種組合，對應(yīng)于洛氏硬度的9個標(biāo)尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。這9個標(biāo)尺的應(yīng)用涵蓋了幾乎所有常用的金屬材料。最常用標(biāo)尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC標(biāo)尺用于測試淬火鋼、回火鋼、調(diào)質(zhì)鋼和部分不銹鋼。這是金屬加工行業(yè)應(yīng)用最多的硬度試驗(yàn)方法。HRB標(biāo)尺用于測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不銹鋼及較硬的銅合金。HRF標(biāo)尺用于測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合金。HRA標(biāo)尺盡管也可用于大多數(shù)黑色金屬，但是實(shí)際應(yīng)用上一般只限于測試硬質(zhì)合金和薄硬鋼帶材料?！?/p>

2－3沖擊實(shí)驗(yàn)上述的力學(xué)性能指標(biāo)都是在緩慢加載條件下測得的，但有許多機(jī)器零件在工作中受到?jīng)_擊載荷的作用。例如飛機(jī)起落架在起飛和降落時，火車啟動和剎車時，汽車行駛通過道路上的凹坑時都會受到?jīng)_擊。因此表征材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)性能具有重要的意義。沖擊韌性是指材料在沖擊載荷下抵抗變形和斷裂的能力。用10×10×55mm帶缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣，在擺錘的一次沖擊下打斷，測定試樣斷口處單位面積所消耗的功，即：ak=A/F=G（H-h)/F(J/cm2)J=Nm試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:Ak=mgH–mgh(J)沖擊韌性值ak梅氏試樣（U形缺口）和夏比試樣（V形缺口）沖擊韌性是對材料的微觀組織的微小變化十分敏感的性能，當(dāng)兩種材料的靜態(tài)拉伸性能基本一樣時，其沖擊值可能差別很大。另外，ak與溫度有很大關(guān)系，一般低溫時材料的ak低。實(shí)際中，在動載荷下工作的零件很少是因一次過載沖擊而破壞，往往是因小能量的多次重復(fù)沖擊而斷裂，這時用ak衡量其抗力不合適，而取決于b。球墨鑄鐵用來制做曲軸、連桿就是例子。ak影響因素1.ak值取決于材料及其狀態(tài)，同時與材料的形狀、尺寸有很大關(guān)系。同種材料的試樣，缺口越深越尖銳，缺口處應(yīng)力集中程度越大，越容易變形和斷裂，脆性越高。

ak值對