第一章工程材料基礎

★材料按結合鍵不同分：

金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復合材料★材料按用途不同分：

機械工程材料、土木工程材料、電工材料、電子材料

★材料按功能不同分：

結構材料、功能材料、磁性材料等

第一章工程材料基礎1.1工程材料分類材料分類復合材料金屬材料陶瓷材料高分子材料材料發(fā)展概括▲石器時代銅器時代：司母戊鼎（公元前11—16世紀）1130×780×1100戰(zhàn)國編鐘（前475—221年）65個總重2500Kg天然石，獸骨，樹枝泥巴（日曬→原始陶器；火燒→瓷器用具）鐵器時代滄州大獅（公元953年）重50T,長5.3m,寬3m人工復合材料塑料、橡膠、陶瓷、鈦合金、碳纖維、納米等陶器時代滄州鐵獅鑄造于公

元953年。鐵獅子通高5.78米，身長6.5米，體寬3.17米，重約40噸1.2工程材料的性能工程材料的性能〈使用性能—力學、物理、化學力學性能：指工程材料在不同環(huán)境下，承受各種外加載荷時所表現(xiàn)出的性能。不能說：機械性能如：強度、塑性、彈性、硬度、韌性、疲勞強度等在靜載荷作用下：強度、塑性、彈性、硬度在動載荷作用下：韌性在交變載荷作用下：疲勞強度工藝性能—鑄造、鍛壓、焊接、切削加工研究力學性能意義：是選擇和使用金屬材料的重要依據(jù)載荷：金屬材料在加工及使用過程中所受的外力。按作用性質分：靜載荷：指力大小不變或變化過程緩慢的載荷。如靜拉力、靜壓力動載荷：指力的大小和方向隨時間而發(fā)生改變，如沖擊載荷、交變載荷、循環(huán)載荷等沖擊載荷：在短時間內以較高速度作用于零件上的載荷。循環(huán)載荷：指大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷按作用形式不同分：1.3金屬材料的力學性能

1.拉伸實驗

（金屬的強度和塑性都是通過拉伸試驗測定）（GB/T228-2002）拉伸試樣（GB6397-86）長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0萬能材料試驗機

a)WE系列液壓式b)WDW系列電子式力－伸長曲線彈性變形階段屈服階段頸縮現(xiàn)象拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關系曲線。強化階段

(a)試樣(b)伸長(c)產生縮頸(d)斷裂拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象ΔLF0脆性材料的拉伸曲線（與低碳鋼試樣相對比）脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象。

2.應力-應變曲線應力

=F/S0應變

=(l-l0)/l03.強度概念：強度是指金屬材料抵抗永久變形（塑性變形）或斷裂

的能力。通過拉伸試驗測得大小。強度的大小通常用應力來表示1)彈性極限ee=Fe/S0e-----應力Pa1Pa=1N/m21MPa=106Pa

Fe——材料開始產生塑性變形時所承受的最大應力值。按載荷的作用方式不同，強度可分為：抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、和抗扭強度。注意：一般多以抗拉強度作為判別金屬強度高低的指標。工程上常用的金屬材料的強度指標：屈服點（σs）或規(guī)定殘余伸長應力（σr）抗拉強度(σb)2）屈服點（σs）:

指材料產生屈服時的應力規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應力材料屈服時的拉力（N）屈服點（屈服極限）原標準（GB228-76）：屈服強度屈服強度對有明顯屈服現(xiàn)象的材料3）抗拉強度:材料在拉伸條件下所能承受最大力的應力值拉伸過程中最大的拉力（N）若零件在使用時不允許產生過量塑性變形，應以材料的σs或σ0.2進行設計計算。若零件在使用時只要求不發(fā)生破壞，則以材料的σb來設計計算。因此σs和σb是機械零件設計計算的主要依據(jù)。4）強度的意義強度是指金屬材料抵抗塑性變形和斷裂的能力，一般鋼材的屈服強度在200～1000MPa之間。強度越高，表明材料在工作時越可以承受較高的載荷。當載荷一定時，選用高強度的材料，可以減小構件或零件的尺寸，從而減小其自重。因此，提高材料的強度是材料科學中的重要課題，稱之為材料的強化。4.剛度剛度—是指金屬材料或構件抵抗彈性變形的能力用彈性模量E表示，單位MpaE=

/E越大，剛度越大5、塑性

——在外力作用下金屬材料在斷裂前產生不可逆永久變形的能力常用的塑性判據(jù)：拉伸時的斷后伸長率和斷面收縮率1）斷后伸長率由于同一材料用不同長度的試樣測得的斷后伸長率δ數(shù)值不同，因此應注明試樣尺寸比例。如:δ10——試樣L0=10d0δ5——試樣L0=5d0試樣拉斷后的標距（mm）試樣原始標距（mm）2)斷面收縮率試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積（mm2）試樣原始截面積（mm2）δ和ψ是用來判斷材料在斷裂前所能產生的最大塑性變形量大小。一般認為ψ＞5％的材料為塑性材料，如低碳鋼；ψ＜5％的為脆性材料，如灰鑄鐵

.

塑性對材料的意義:1.是金屬材料進行壓力加工的必要條件;2.提高安全性:因為零件在工作時萬一超載，也會由于塑性變形使材料強化而避免突然斷裂

強度與塑性是一對相互矛盾的性能指標。在金屬材料的工程應用中，要提高強度，就要犧牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必須犧牲一部分強度。正所謂“魚和熊掌二者不能兼得”。但通過細化金屬材料的顯微組織，可以同時提高材料的強度和塑性。超塑性通常情況下金屬的伸長率不超過90%，而有些金屬及其合金在某些特定的條件下，最大伸長率可高達1000%～2000%，個別的可達6000%，這種現(xiàn)象稱為超塑性。由于超塑性狀態(tài)具有異常高的塑性，極小的流動應力，極大的活性及擴散能力，在壓力加工、熱處理、焊接、鑄造、甚至切削加工等很多領域被中應用。6、硬度硬度：硬度試驗方法:壓入法

它是材料性能的一個綜合的物理量。(表示金屬材料在一個小的體積范圍內金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力）硬度是各種零件和工具必須具備的力學性能指標。布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR）維氏硬度（HV）材料抵抗表面局部塑性變形的能力。1)布氏硬度(1)測定原理布氏硬度計

布氏硬度試驗原理圖(2)計算公式HBS：淬火鋼球作壓頭；適用于＜450HBSHBW：硬質合金作壓頭；適用于＜650HBW試驗時，根據(jù)被測的材料不同，球直徑、試驗力及試驗力保持時間按表1-1選擇材料種類布氏硬度范圍HBS（HBW）試樣厚度/mm0.102球的直徑/mm試驗力F/KN（kgf)試驗力保持時間/s鋼、鑄鐵140-4506～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)12<140>66～31010.05.09.807(1000)2.452(250)12非鐵金屬>1306～34～2<23010.05.02.529.42(3000)7.355(750)1.839(187.5)3036～1309～36～31010.05.09.807(1000)2.452(250)308～35>62.510.02.452(250)60表1-1布氏硬度試驗規(guī)范(3)表示方法XXXHBS(W)XX/XXX/XX硬度值壓頭直徑（mm）試驗力保持時間（s）500HBW5/750例：表示用直徑5mm硬質合金球在7355N試驗力作用下保持10~15s測得的布氏硬度值為500120HBS10/1000/30表示用直徑10mm鋼球壓頭在9807N試驗力作用下保持30s測得的布氏硬度值為120習慣上布氏硬度值不標出試驗規(guī)范，如170HBS。(4)適用范圍

常用于測小于450HBS的原材料或零件毛坯的硬度，不能測淬火鋼件的硬度。優(yōu)點：測值重復性強、測量結果準確缺點：壓痕大，不適合成品檢驗2)洛氏硬度測定原理硬度符號壓頭類型總實驗力F/N硬度值有效范圍應用范圍HRA金剛石圓錐體58870～85適用于測量硬質合金、表面淬硬層或滲碳層HRB直徑為1.588mm鋼球98025～100適用于測量非鐵金屬,退火、正火鋼等HRC金剛石圓錐體147020～67適用于調質鋼、淬火鋼等試驗時，根據(jù)被測的材料不同，壓頭的類型、試驗力及按表1-2選擇，對應的洛氏硬度標尺為HRA、HRB、HRC三種表1-2常用的三種洛氏硬度的試驗條件及應用范圍(2)符號(3)表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在鋼件熱處理質量檢查中應用最多。(4)適用范圍優(yōu)點：測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測。3)維氏硬度(1)測定原理用一定的試驗力F，將頂角為1360的金剛石四棱錐壓入金屬表面，保持一定時間后卸去試驗力，然后測出壓痕對角線長度d1、d2（mm），并求出壓痕對角線的平均值d。

(2)計算公式(3)表示方法硬度值+HV+試驗力/保持時間如：640HV30/20(4)適用范圍適用于測量零件薄的表面硬化層的硬度。7、沖擊韌性

強度、硬度、塑性等力學性能指標都是材料在靜載荷作用下的表現(xiàn)。

材料在工作時還經常受到動載荷的作用，沖擊載荷就是常見的一種。在設計和制造受沖擊載荷的零件和工具（如鍛錘、沖床、鉚釘槍等）時，必須考慮所用材料除具有足夠的靜載荷作用下得力學性能指標外，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別在于加載時間短、加載速率高、應力集中。由于加載速率提高，金屬形變速率也隨之增加。沖擊載荷對材料的作用效果或破壞效應大于靜載荷。

材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，稱為沖擊韌性。示例：玻璃在沖擊載荷作用下非常容易破裂，說明其沖擊韌性很低。1)沖擊試驗沖擊試樣沖擊試驗原理一次擺錘沖擊試驗沖擊韌性的表示方法2)原理沖擊韌性可以通過一次擺錘沖擊試驗來測定，試驗時將帶有U型或V型缺口的沖擊試樣放在試驗機架的支座上，將擺錘升至高度H1，使其具有勢能mgH1；然后使擺錘由此高度自由下落將試樣沖斷，并向另一方向升高至H2，這時擺錘的勢能為mgH2。所以，擺錘用于沖斷試樣的能量

AK=mg（H1-H2），即為沖擊功（焦耳/J）。1、試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)2、沖擊韌度ak

AK

ak=(J/cm2)

Sk沖擊吸收功和沖擊韌度就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。沖擊吸收功Ak

作為材料韌性判據(jù)，與溫度、試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內部組織和缺陷有關。1.沖擊韌度對材料內部缺陷反映很敏感能夠靈敏地顯示材料的宏觀缺陷和組織微小變化，因此在生產中可用來檢驗材料的冶金質量,熱加工質量沖擊韌度對材料的意義:2.沖擊韌度隨溫度下降越來越低→冷脆現(xiàn)象在韌脆轉變溫度以下，材料由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。材料的韌脆轉變溫度越低，說明低溫沖擊性能越好

低溫脆性——隨溫度降低，材料由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的現(xiàn)象。冷脆：材料因溫度降低導致沖擊韌性的急劇下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象。對壓力容器、橋梁、汽車、船舶的影響較大。

體心立方金屬具有韌脆轉變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。沖擊韌性與溫度有密切的關系，溫度降低，沖擊韌性隨之降低。當?shù)陀谀骋粶囟葧r材料的韌性急劇下降，材料將由韌性狀態(tài)轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度稱為轉變溫度（Tt

）。轉變溫度（Tt

）越低，表明材料的低溫韌性越好，對于在寒冷地區(qū)使用的材料要十分重要。金屬材料的成分對韌脆轉變溫度的影響很大，一般的碳素鋼，其韌脆轉變溫度（Tt

）大約為-20℃，某些合金鋼的韌脆轉變溫度（Tt

）可達-40℃以下。1912年4月號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒于冰海，成了20世紀令人難以忘懷的悲慘海難。20世紀80年代后，材料科學家通過對打撈上來的泰坦尼克號船板進行研究，回答了80年的未解之謎。由于Titanic號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，當船在冰水中撞擊冰山時，脆性船板使船體產生很長的裂紋，海水大量涌入使船迅速沉沒。下圖中左面的試樣取自海底的Titanic號，沖擊試樣是典型的脆性斷口，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。

人工作久了就會感到疲勞，難道金屬工作久了也會疲勞嗎？金屬的疲勞能得到恢復嗎？金屬材料在受到交變應力或重復循環(huán)應力時，往往在工作應力小于屈服強度的情況下突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。8、疲勞強度1)疲勞現(xiàn)象1998年6月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。事故的原因已經查清，是因為一節(jié)車廂的車輪“內部疲勞斷裂”引起的。首先是一個車輪的輪箍發(fā)生斷裂，導致車輪脫軌，進而造成車廂橫擺，此時列車正好過橋，橫擺的車廂以其巨大的力量將橋墩撞斷，造成橋梁坍塌，壓住了通過的列車車廂，并使已通過橋洞的車頭及前5節(jié)車廂斷開，而后面的幾節(jié)車廂則在巨大慣性的推動下接二連三地撞在坍塌的橋體上，從而導致了這場近50年來德國最慘重的鐵路事故。（1）交變載荷——引起疲勞破壞的外力，指載荷大小、甚至方向均隨時間變化的載荷，其在單位面積上的平均值即為變動應力。變動應力可分為規(guī)則周期變動應力(也稱循環(huán)應力)和無規(guī)則隨機變動應力兩種。金屬疲勞產生的原因（2）疲勞斷裂零件在循環(huán)應力作用下,在一處或幾處產生局部永久性累積損傷,經一定循環(huán)次數(shù)后突然產生斷裂的過程,稱為疲勞斷裂.

疲勞斷裂由疲勞裂紋產生—擴展—瞬時斷裂三個階段組成。

盡管疲勞失效的最終結果是部件的突然斷裂,但實際上它們是一個逐漸失效的過程，從開始出現(xiàn)裂紋到最后破斷需要經過很長的時間。疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個區(qū)域組成，即疲勞裂紋產生區(qū)（裂紋源）、裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。（3）疲勞斷口（3）疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）2）疲勞曲線：實驗證明，一般鋼鐵材料所受交變應力最大值σmax與其失效前的應力循環(huán)次數(shù)（疲勞壽命）N的曲線關系。當應力低于某值時，材料經受無限次循環(huán)應力也不發(fā)生疲勞斷裂，此應力稱為材料的疲勞極限，記作σR（R為應力比），就是S-N曲線中的平臺位置對應的應力。通常，材料的疲勞極限是在對稱彎曲疲勞條件下（R＝－1）測定的，對稱彎曲疲勞極限記作σ-1。疲勞極限若疲勞曲線上沒有水平部分，常以規(guī)定斷裂循環(huán)次數(shù)對應的應力為條件疲勞極限。對一般低、中強度鋼：107周次對高強度鋼：108周次對鋁合金，不銹鋼：108周次對鈦合金：107周次在工程中，有時根據(jù)零件壽命的要求，在規(guī)定的某一循環(huán)周次下，測出σmax，并稱之為疲勞強度，實際上就是條件疲勞極限。3)提高疲勞極限的途徑(1)在零件結構設計中盡量避免尖角、缺口和截面突變。(2)提高零件表面加工質量。(3)對材料表面進行強化處理。1.4金屬的工藝性能金屬材料對加工工藝的適應性稱為工藝性能。一、鑄造性能二、鍛壓性能三、焊接性能四、切削加工性能金屬（材料）及合金在鑄造工藝中獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。1、流動性：熔融金屬的流動能力稱為流動性。主要受金屬化學成份和澆注溫度等的影響。2、收縮性：鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性。3、偏析傾向：金屬凝固后，內部化學成分和組織的不均勻現(xiàn)象稱為偏析。鑄造性能：鍛造性能：用鍛壓成形方法獲得優(yōu)良鍛件的難易程度稱為鍛造性能。鑄鐵不能鍛壓。焊接性能：焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應性。切削加工性能：切削加工（性能）金屬材料的難易程度稱為切削加工性能。1.斷裂韌度低應力脆斷—工作應力遠低于屈服點時發(fā)生脆性斷裂由裂紋引起形式有張開型、滑開型、撕開型其中張開型最危險斷裂韌度KⅠc表示金屬材料抵抗脆性斷裂的能力1.5金屬材料的其他性能2.高溫下的力學性能特點（1）強度溫度升高而降低，鋼鐵材料工作溫度一般不超過550℃（2）發(fā)生蠕變現(xiàn)象材料高溫力學性能的表示方法蠕變極限σTδ/t持久強度σTt

3.金屬的物理性能

–指金屬在重力、電磁場、熱力（溫度）等物理因素作用下，所表現(xiàn)出的性能或固有屬性。包括密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等1）密度—指在一定溫度下單位體積金屬的質量2）熔點—金屬和合金從固態(tài)向液態(tài)轉變時的溫度。純金屬有固定的熔點，合金的熔點決定于它的化學成分。

3）導熱性—金屬傳導熱量的能力。常用熱導率表示4）導電性—金屬能夠傳導電流的性能。常用電阻率表示5）熱膨脹率—金屬隨著溫度的變化而膨脹、收縮的特性。熱脹冷縮6）磁性—金屬在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強弱的性能。分為鐵磁性、順磁性、抗磁性金屬4、金屬的化學性能1）耐腐蝕性—金屬在常溫下抵抗氧、水及其他化學介質腐蝕破壞作用的能力。2）抗氧化性—金屬在加熱時抵抗氧化作用的能力。3）化學穩(wěn)定性—是金屬的耐腐蝕性與抗氧化性的總稱。一、判斷題1.有些沒有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料其屈服點可用符號σr0.2表示2.一般來說硬度高的金屬材料耐磨性也好。3.壓痕直徑越大，材料硬度越高。4.甲零件的硬度為250HBS，乙零件的硬度為52HRC，則甲比乙的硬度高。5.材料在受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛度。6.材料在多次交變載荷作用下的破壞現(xiàn)象稱為疲勞。7.強度高的材料，韌性都低。8.沖擊吸收功是機械零件設計選材的主要依據(jù)。9.某些機械零件工作時承受應力遠小于材料的屈服點，也能發(fā)生突然性斷裂。10.拉伸試驗時，試樣的伸長量與拉伸力總成正比。11.屈服點代表試樣在試驗過程中力不增加，而仍能繼續(xù)伸長（變形）時的應力。12.金屬材料的硬度越高，其抵抗局部彈性變形能力越強。二、選擇題1、拉伸試驗可測定材料的（）。A.強度B.硬度C.塑性D.韌性2、材料在動載荷作用下表現(xiàn)的力學性能是（