第一章 工程材料的分類與性能

工程材料與成形技術(shù)基礎(chǔ)主講：韓洪濤教授通訊址：8832信息商務(wù)學(xué)院學(xué)習(xí)目標(biāo)1.重點(diǎn)了解工程材料的常用力學(xué)性能；2.了解工程材料的物理、化學(xué)及工藝性能并建立材料性能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)概念。信息商務(wù)學(xué)院

緒論信息商務(wù)學(xué)院

我國材料的歷史進(jìn)程

(Historicalperspective)漫長而又曲折的歷程：簡單→復(fù)雜單一性能→綜合性能結(jié)構(gòu)材料→功能材料單一材料→復(fù)合材料信息商務(wù)學(xué)院

石器時(shí)代（StoneAge）石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、紡輪、缽等

（西安半坡遺址）石斧信息商務(wù)學(xué)院

青銅器時(shí)代（BronzeAge）目前中國發(fā)現(xiàn)的最早期的青銅酒器之一銅爵（夏代）（河南省偃師縣二里頭出土）信息商務(wù)學(xué)院司母戊鼎是迄今出土的所有鼎中最大最重的，因其腹內(nèi)壁上有銘文“司母戊”三字而得名，是商王祭祀其母（名戊）的紀(jì)念器物。司母戊鼎（商代）（河南省安陽殷墟出土）信息商務(wù)學(xué)院這件四羊方尊重達(dá)34公斤，是我國現(xiàn)存商代青銅方尊中最大的一件。其造型動(dòng)靜結(jié)合，寓雄奇于秀美之間，可謂巧奪天工。四羊方尊（商代）（湖南省寧鄉(xiāng)縣出土）信息商務(wù)學(xué)院

湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍此劍鋒芒犀利，寒光閃閃，出土?xí)r插于漆木鞘里，保存如新，至今猶能斷發(fā)。經(jīng)分析測定，劍脊含錫低（10%），韌性好而不易折斷；刃部含錫高（20%），剛而鋒利。這種復(fù)合金屬制造技術(shù)其他國家直到近代才掌握。信息商務(wù)學(xué)院

這套編鐘包括鈕鐘19件，甬鐘45個(gè)，外加楚惠王贈送的一件這撥鐘，共65件，總重量達(dá)2500多公斤，是迄今中國發(fā)現(xiàn)的數(shù)量最多、保存最好的一套編鐘。合理的金屬成份配比和規(guī)范的外形尺寸，以及工藝上的特殊處理，使編鐘達(dá)到了令人贊嘆的音響效果，這在今天也不易辦到。曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國）（湖北省隨縣擂鼓墩出土）信息商務(wù)學(xué)院這件杜虎符便是現(xiàn)存最早的一件調(diào)兵憑證，一符剖為左右兩半，右邊留存于朝廷，左半交地方官吏或統(tǒng)兵將帥保管，使用時(shí)兩半相合，即為“符合”，表示命令驗(yàn)證可信。杜虎符（戰(zhàn)國秦）（陜西省西安北沉村出土）信息商務(wù)學(xué)院

銅車馬（戰(zhàn)國秦）（陜西省臨潼縣秦始皇陵西側(cè)出土）舉世聞名的秦始皇陵出土了許多珍貴的文物，其中兩乘銅車馬更是其中的精品，根據(jù)車銘，一乘名為“立車”（御者站立車上），另一乘名為“安車”（御者坐在車上），兩乘形制基本相仿，圖中所示為安車。安車的結(jié)構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，1500多個(gè)部件用嵌鑄、鉚接、焊接、銷釘?shù)确椒ńM裝而成，至今各鏈條仍很靈活，窗門開啟自如，牽引轅衡，還能拖動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，工藝甚為精湛。信息商務(wù)學(xué)院燈的結(jié)構(gòu)非常精巧，燈座、燈盤和燈罩都可以拆卸，圓形燈盤可以轉(zhuǎn)動(dòng)，兩塊瓦狀的罩板能夠開合，因而能任意調(diào)節(jié)燈光照射的方向和亮度的強(qiáng)弱大小。點(diǎn)燈后，虹吸裝置使蠟燭燃燒時(shí)的煙燼通過宮女的手臂納入體中，從而保持室內(nèi)空氣的清潔。燈座可以盛水，這便能使吸入宮女體內(nèi)的煙燼溶于水中。這件銅燈不僅體現(xiàn)出卓越的設(shè)計(jì)意匠，把實(shí)用功能、凈化空氣的科學(xué)原理和優(yōu)美的造型，有機(jī)結(jié)合成一體，也反映了高度的合金冶煉技術(shù)。在裝飾上采用通體鎏金，燦然發(fā)光，顯得富麗華美，讓人過目難忘。長信宮燈（西漢）（河北省滿城縣中山靖王墓出土）信息商務(wù)學(xué)院此爐爐身的盤和座是分鑄后用鐵釘鉚合，通體錯(cuò)金，爐盤飾錯(cuò)金流云紋。盤上部及蓋鑄出高低起伏，抵挺峻峭的群山，山間點(diǎn)綴以獵人和野獸，刻劃出一幅生意盎然的狩獵畫面。圈足飾錯(cuò)金卷云紋，座把透雕成三龍躍出水面，龍首頂托龍盤，勾畫出溝通天人的神山圖景。此器工藝精湛，外觀華美，不愧為博山爐中的代表作品。錯(cuò)金銀博山爐（西漢）（河北省滿城中山靖王墓出土）信息商務(wù)學(xué)院銅奔馬（馬踏飛燕）（東漢）（甘肅省武威縣雷臺漢墓出土）這件銅奔馬（也稱馬超龍雀），是東漢青銅藝術(shù)的杰出代表，現(xiàn)已作為中國旅游的標(biāo)志，成為中華民族向外展示自己文化傳統(tǒng)的代表。中國古代匠師運(yùn)用現(xiàn)實(shí)主義與浪漫主義相結(jié)合的藝術(shù)手法，以豐富的想象力，精巧的構(gòu)思，嫻熟的匠藝，把奔馬和飛鳥絕妙地結(jié)合在一起，以迅疾的飛鳥襯托奔馬的神速，不僅造型生動(dòng)活潑，而且巧妙地使奔馬的重心集中在蹄下的飛鳥上，將奔馬的奔騰不羈之勢與平實(shí)穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)凝為一體，它所具有的蓬勃的生命力和一往無前的氣勢，更是中華民族的象征。信息商務(wù)學(xué)院

鐵器時(shí)代（IronAge）湖南長沙砂子塘中國古代鐵器的金相組織戰(zhàn)國凹形鐵鋤信息商務(wù)學(xué)院

是中國現(xiàn)存最早的大型鑄鐵藝術(shù)品。后周（953年）滄州鐵獅信息商務(wù)學(xué)院此塔是中國現(xiàn)存鐵塔中保存得極為完整的一個(gè)。這座塔不用磚石木料，完全用生鐵鑄成，重五十三噸，整座塔身逐層迭加，不加焊接，形體瘦削挺拔，穩(wěn)健玲瓏。此塔鑄造工藝細(xì)膩，不論是總體結(jié)構(gòu)，還是細(xì)部裝飾，都看不出鑄造的痕跡，藝術(shù)上達(dá)到了完美的境地。玉泉鐵塔還有一奇：塔身是斜的。這是因?yàn)橛袢略诙跷鞯某缟骄X之中，北風(fēng)勁急，氣候變化很大。建筑家充分考慮到這一自然因素，使塔身向北傾斜，即使遭到再大的狂風(fēng)暴雨襲擊，鐵塔的重心始終保持平衡，屹立不倒。所以玉泉鐵塔雖經(jīng)歷了近千年的風(fēng)風(fēng)雨雨，仍然英姿挺拔，的確令人贊嘆。湖北當(dāng)陽宋代鐵塔信息商務(wù)學(xué)院

工程材料的分類及發(fā)展趨勢由于材料多用于工業(yè)、工程領(lǐng)域，故亦稱工程材料。復(fù)合材料工程材料金屬材料陶瓷材料高分子材料（1）根據(jù)其組成與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為信息商務(wù)學(xué)院

根據(jù)材料的性能特征，可分為結(jié)構(gòu)材料——是以力學(xué)性能為主的工程材料的統(tǒng)稱。工程材料結(jié)構(gòu)材料功能材料功能材料——是指以物理性能為主的工程材料的統(tǒng)稱。

信息商務(wù)學(xué)院

根據(jù)材料的用途，分為本教材側(cè)重介紹機(jī)械工程材料。建筑材料能源材料其他機(jī)械工程材料電子工程材料工程材料信息商務(wù)學(xué)院材料工程的加工成形技術(shù)

通過材料制備技術(shù)得到的材料，大多數(shù)不是材料的最終產(chǎn)品，需要進(jìn)一步的后續(xù)加工處理。

玻璃材料有它的特殊性，從原材料配制、熔化，到熔體快冷成形為制品，必須一步完成。

材料的常規(guī)加工技術(shù)主要有鍛造、沖壓、軋制、擠壓、拉拔、焊接以及注射成形等。信息商務(wù)學(xué)院

課程總體目標(biāo)和任務(wù)本課程是機(jī)械類專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。

本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)：生產(chǎn)一線技術(shù)人員，學(xué)習(xí)本課程的重要性，為機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、工藝加工提供必要的課程基礎(chǔ)。信息商務(wù)學(xué)院

希臘字母表及其讀音序號大寫小寫中文注音1Αα阿爾法2Ββ貝塔3Γγ伽馬4Δδ德爾塔5Εε伊普西龍6Ζζ截塔7Ηη艾塔8Θθ西塔9Ιι約塔10Κκ卡帕11Λλ蘭布達(dá)12Μμ繆信息商務(wù)學(xué)院

希臘字母表及其讀音序號大寫小寫中文注音13Νν紐14Ξξ克西15Οο奧密克戎16Ππ派17Ρρ肉18Σσ西格馬19Ττ套20Υυ宇普西龍21Φφ佛愛22Χχ西23Ψψ普西24Ωω歐米伽信息商務(wù)學(xué)院1、本課程安排1）教學(xué)學(xué)時(shí)：30學(xué)時(shí)2）時(shí)間安排：1-15周2.成績評定期末考試80%b)平時(shí)作業(yè)10%c)課堂提問5%d)考勤5%3.其他（手機(jī)、課代表等）課程安排及成績評定信息商務(wù)學(xué)院教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)要求能力要求1.材料的強(qiáng)度、塑形2.材料的硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度3.材料的物理、化學(xué)性能1.掌握材料硬度的測量方法及表示方法2.理解工程材料的強(qiáng)度、塑形、韌性及疲勞強(qiáng)度3.了解材料的物理化學(xué)性能的應(yīng)用初步具有工程材料硬度測試的能力第一章工程材料的分類與性能信息商務(wù)學(xué)院課前案例分析承載減震傳載、防裂箱體底座齒輪傳動(dòng)軸信息商務(wù)學(xué)院軸、齒輪、箱體應(yīng)具備何種性能才能滿足使用要求這些性能用什么指標(biāo)衡量怎樣衡量課前思考信息商務(wù)學(xué)院第一節(jié)工程材料的分類

工程材料金屬材料復(fù)合材料陶瓷和高分子材料金屬材料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、鍛、焊及切削加工性能信息商務(wù)學(xué)院定義:

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。

指標(biāo):

彈性、剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌度和疲勞強(qiáng)度等。作用在機(jī)件上的外力——載荷第二節(jié)材料的力學(xué)性能靜載荷動(dòng)載荷信息商務(wù)學(xué)院1.彈性變形：

材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后恢復(fù)其原來形狀，這種隨外力消失而消失的變形，稱為彈性變形。FFF信息商務(wù)學(xué)院2.塑性變形:

材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復(fù)的變形，稱為塑性變形。FFF信息商務(wù)學(xué)院3．?dāng)嗔?/p>

斷裂——塑性變形進(jìn)行到一定程度，材料內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，在外力繼續(xù)作用下，裂紋逐步擴(kuò)展最終使材料相互分離的現(xiàn)象，稱之為斷裂。變形的三個(gè)階段彈性變形塑性變形斷裂信息商務(wù)學(xué)院4．應(yīng)力和應(yīng)變⑴內(nèi)力材料在外力的作用下，其內(nèi)部就會產(chǎn)生相應(yīng)的作用力以抵抗變形，并在整體上與外力達(dá)到平衡。這種材料內(nèi)部一部分物質(zhì)相對另一部分物質(zhì)的相互作用稱為內(nèi)力。FFF=F’

（MPa）外力——內(nèi)力——應(yīng)力F’Fσ=F’

/S信息商務(wù)學(xué)院⑵應(yīng)力①真實(shí)應(yīng)力

σ=F/S1

S1——桿件瞬時(shí)直徑的d1所對應(yīng)的橫截面積②工程應(yīng)力

σ=F/S0

S0——桿件的原始橫截面積按國際單位，應(yīng)力的單位常用MPa(兆帕)，1MPa＝1MN/㎡=1N/m㎡。單位面積的內(nèi)力稱為材料的應(yīng)力。信息商務(wù)學(xué)院單位長度的伸長量稱為應(yīng)變。

ε＝△l/l0⑶應(yīng)變信息商務(wù)學(xué)院單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)FFL拉伸試樣（GB6397-86）長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0GB——國標(biāo)6397——序列號86——年號信息商務(wù)學(xué)院靜拉伸實(shí)驗(yàn)是指在室溫下，將標(biāo)準(zhǔn)試樣卡在材料試驗(yàn)機(jī)上，緩慢的在試樣兩端施加載荷，使試樣受軸向拉力，引起試樣沿軸向伸長，試樣一般進(jìn)行到拉斷為止。目的：測定試樣對外加載荷的抗力，可以求出材料的強(qiáng)度指標(biāo)，測定試樣在破斷前塑性變形的大小，可以求出材料的塑性變形。全過程可以看材料在拉力下變形的整個(gè)過程。信息商務(wù)學(xué)院1.彈性變形階段2.塑性變形階段縮頸現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)中得出的拉伸力與伸長量的關(guān)系曲線。強(qiáng)化階段屈服階段3.斷裂信息商務(wù)學(xué)院kbb—極限載荷點(diǎn)Fee—彈性極限點(diǎn)sS—屈服點(diǎn)K—斷裂點(diǎn)opp—比例極限點(diǎn)OP段：彈性變形階段PES段：彈性－塑性變形階段（過渡段）SBK段：塑性變形階段材料隨著變形量增加，變形抗力增加的現(xiàn)象稱為強(qiáng)化。K：斷裂階段信息商務(wù)學(xué)院強(qiáng)度：彈性模量的單位同應(yīng)力的單位Pa、MPa材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。（1）彈性極限σe和彈性模量E

彈性變形階段的極限應(yīng)力值稱為彈性極限，用σe來表示。E＝σ/ε（應(yīng)力/應(yīng)變）彈性模量E表征了材料抵抗變形的能力E—材料抵抗彈性變形的能力越大。信息商務(wù)學(xué)院當(dāng)材料單位面積上所受的應(yīng)力σe<σ<σs時(shí)，只產(chǎn)生微量的塑性變形。當(dāng)σ>σs時(shí)，材料將產(chǎn)生明顯的塑性變形。條件屈服強(qiáng)度:σ0.2=F0.2/S0（MPa）（2）屈服強(qiáng)度（σS）指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。屈服強(qiáng)度—是塑性材料選材和評定的依據(jù)。

ΔLF0F0.20.2%L0信息商務(wù)學(xué)院

σb=Fb/S0（MPa）（3）抗拉強(qiáng)度（σb）抗拉強(qiáng)度是材料在拉斷前承受最大載荷時(shí)的應(yīng)力。它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應(yīng)力。應(yīng)用：抗拉強(qiáng)度是脆性材料選材的依據(jù)。

信息商務(wù)學(xué)院2.塑性常用δ和ψ作為衡量塑性的指標(biāo)。伸長率：材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。斷面收縮率:FFL良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。信息商務(wù)學(xué)院拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)機(jī)信息商務(wù)學(xué)院硬度是材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。硬度測量能夠給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念，

硬度試驗(yàn)簡單易行，又無損于零件，而且可以近似的推算出材料的其它機(jī)械性能，因此在生產(chǎn)和科研中應(yīng)用廣泛。硬度試驗(yàn)方法很多，機(jī)械工業(yè)普遍采用壓入法來測定硬度，壓入法又分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。

信息商務(wù)學(xué)院硬度硬度是指材料抵抗局部變形，特別是塑形變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據(jù)。材料的硬度越高，則耐磨性越好，故將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)之一硬度布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV信息商務(wù)學(xué)院1.布氏硬度（HB）：

⑴原理信息商務(wù)學(xué)院⑵應(yīng)用主要適用于各種未經(jīng)淬火的鋼、退火、正火狀態(tài)的鋼；結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)件；鑄鐵、有色金屬、質(zhì)地輕軟的軸承合金等原材料。符號壓頭類型硬度值有效范圍HBS淬火鋼球﹤450HBW硬質(zhì)合金鋼球450～650信息商務(wù)學(xué)院⑶優(yōu)缺點(diǎn)

測量誤差較小，結(jié)果準(zhǔn)確。壓痕面積大，受測量不均勻度影響較小，不宜在產(chǎn)品上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也不適用于薄片和面積狹長的零件。

標(biāo)注：D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示此硬度值120在D=10mm，P=3000kgf，T=10秒的條件下得到的。簡單標(biāo)注：200～230HB或300～330HBS信息商務(wù)學(xué)院低碳鋼：σb≈3.6HB高碳鋼：σb≈3.4HB調(diào)質(zhì)合金鋼：σb≈3.25HB灰鑄鐵：σb≈1HB材料的硬度與抗拉強(qiáng)度有相應(yīng)的關(guān)系。抗拉強(qiáng)度測定需破壞性實(shí)驗(yàn)，往往用硬度來折算抗拉強(qiáng)度。HB與σb之間的關(guān)系：信息商務(wù)學(xué)院2.洛氏硬度（HRC）FFF1200（1）原理加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值信息商務(wù)學(xué)院符號壓頭類型總實(shí)驗(yàn)力（F/kN）硬度值有效范圍適用范圍HRA120°金剛石圓錐0.588470～85HRA硬而薄的硬質(zhì)合金，表面淬火鋼，滲透層HRBΦ1.588mm鋼球0.980725～100HRB非鐵金屬，退火、正火鋼HRC120°金剛石圓錐1.471120～67HRC淬火鋼，調(diào)質(zhì)鋼（2）應(yīng)用范圍信息商務(wù)學(xué)院優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、迅速，效率高，可直接測量成品件及高硬度的材料。（3）優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：壓痕小，測量不準(zhǔn)確，需多次測量。信息商務(wù)學(xué)院3.維氏硬度維氏硬度實(shí)驗(yàn)原理與布氏硬度相同，同樣是根據(jù)壓痕單位面積上的平均載荷計(jì)量硬度值，不同的是維氏硬度的壓頭采用金剛石制成的錐面夾角為136°的正四棱錐體。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)試樣大小、厚薄選用（5~120）×9.8N載荷壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后去除載荷，用附在試驗(yàn)機(jī)上測量壓痕對角線長度d，然后查表或根據(jù)下式計(jì)算維氏硬度值。適用于測量表面強(qiáng)化處理的機(jī)械零件和很薄的產(chǎn)品。HV≈HBS(試驗(yàn)錄像）信息商務(wù)學(xué)院沖擊韌性

韌性——材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。沖擊韌性——金屬材料抵抗沖擊載荷面不破壞的能力稱為沖擊韌性。試樣：55×10×10，精磨。U缺口和V缺口。信息商務(wù)學(xué)院沖擊吸收功：AK=G（H1–H2）（J）試驗(yàn)原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。信息商務(wù)學(xué)院沖擊韌性實(shí)驗(yàn)信息商務(wù)學(xué)院韌性材料斷裂前吸收的變形能量稱作韌性。韌性的重用指標(biāo)為沖擊韌度。沖擊韌度通常采用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測定。（試驗(yàn)錄像）信息商務(wù)學(xué)院試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌度ak

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。A—試樣缺口處的橫截面積（cm2）信息商務(wù)學(xué)院工程中常把缺口橫截面積處單位面積上的沖擊吸收功稱為沖擊韌度，亦稱沖擊韌性值。沖擊韌度：αk=AK/S（J/m2）

沖擊韌度（沖擊韌性值、沖擊值）材料的沖擊韌性與塑性之間有一定的聯(lián)系，αk大，材料的塑性大，但塑性大的材料，αk值不一定高沖擊值（沖擊韌性值）的大小與很多因素有關(guān)，不僅受試樣形狀，表面粗糙度，內(nèi)部組織等的影響，而且與試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境、溫度有關(guān)，沖擊韌性值一般是作為選擇材料的參數(shù)，并沒有確定的物理意義。信息商務(wù)學(xué)院疲勞極限疲勞極限：材料在無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下不引起破壞的最大應(yīng)力。用以表征材料抵抗疲勞斷裂的能力?！h(huán)基數(shù)鋼：

受交變載荷作用的零件，在其所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低