工程材料与成形技术基础 第2版 教学课件作者 庞国星 第一篇工程材料基础理论 1第一章工程材料的分类与性能.ppt

第一章 工程材料的分类与性能第一节第一节 工工程材料的分类程材料的分类l工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料要要求力学性能的结构材料l按组成与结合键分：按组成与结合键分： l 1 1、金属材料、金属材料l 2 2、高聚物材料、高聚物材料l 3 3、陶瓷材料、陶瓷材料l 4 4、复合材料、复合材料材料分类材料分类金属材料金属材料l以金属键结合为主以金属键结合为主 l良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽属光泽 l用量最大、应用最用量最大、应用最广泛广泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 金属键金属键铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达年产量已达年产量已达年产量已达1010亿吨，在机械产品中的用量已占整亿吨，在机械产品中的用量已占整亿吨，在机械产品中的用量已占整亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的个用材的个用材的个用材的60%60%以上。

以上 带材带材异形材异形材板材板材管材管材金属材料制品金属材料制品陶瓷材料陶瓷材料l以共价键和离子键以共价键和离子键为主为主l熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 l分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷种陶瓷和金属陶瓷三类三类 传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷又称普通陶瓷又称普通陶瓷又称普通陶瓷又称普通陶瓷, , , , 是以天然材料是以天然材料是以天然材料是以天然材料( ( ( (如黏土、石如黏土、石如黏土、石如黏土、石英、长石等英、长石等英、长石等英、长石等) ) ) )为原料的陶瓷为原料的陶瓷为原料的陶瓷为原料的陶瓷, , , , 主要用作建筑材料使用主要用作建筑材料使用主要用作建筑材料使用主要用作建筑材料使用. . . .特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机高分子材料高分子材料 l以分子键和共价键以分子键和共价键为主为主l塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好，密度小密度小 l包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及合成纤维等合成纤维等 分分子子键键共共价价键键高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用中被广泛应用中被广泛应用中被广泛应用 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯复合材料复合材料 l包括：包括：l金属基复合材料金属基复合材料l陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料l高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料复合材料l现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。

很多基合金复合材料很多高级游艇、赛艇及体育高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度高等优点高等优点 航空发动机航空发动机材料的性能l使用性能：使用性能：材料在使用过程中所表现的性能包括材料在使用过程中所表现的性能包括力学性能、物理性能力学性能、物理性能和和化学性能化学性能l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能包括材料在加工过程中所表现的性能包括铸造、锻压、焊接、热处理铸造、锻压、焊接、热处理和和切削性能等切削性能等l第二节第二节 材料的力学性能材料的力学性能l材料的力学性能是指材料在承受各种载荷时的行为材料的力学性能是指材料在承受各种载荷时的行为l载荷类型通常分为：静载荷、动载荷和变载荷通过不载荷类型通常分为：静载荷、动载荷和变载荷通过不同的实验可测得材料各种性质的性能判据同的实验可测得材料各种性质的性能判据l金属的强度、塑性一般是通过金属拉伸实验来测定的金属的强度、塑性一般是通过金属拉伸实验来测定的以拉伸载荷和试样伸长量为坐标所形成的曲线称为力以拉伸载荷和试样伸长量为坐标所形成的曲线称为力伸长曲线。

伸长曲线载荷的形式载荷的形式l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为为变形变形l外力去处后能够恢复外力去处后能够恢复 的变形称为的变形称为弹性变形弹性变形，l外力去处后不能恢复外力去处后不能恢复 的变形称为的变形称为塑性变形塑性变形低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉拉伸伸试试验验机机应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l0一、一、强度强度l1. 弹性极限：弹性极限：材料承受最材料承受最l大弹性变形时的应力指标大弹性变形时的应力指标 为弹性极限为弹性极限 el2. 刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力材料受力时抵抗弹性变形的能力指标为弹性模量指标为弹性模量E e l3. 强度：强度：材料在外力作用下抵材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力抗变形和破坏的能力 屈服点屈服点 s：材料发生微量塑性变：材料发生微量塑性变形时的应力值形时的应力值 规定残余伸长应力规定残余伸长应力 ：残余变形：残余变形量为量为0.2%时的应力值时的应力值 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受：材料断裂前所承受的最大应力值。

的最大应力值s0.2二、二、二、二、 塑性：塑性：塑性：塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力塑性的塑性的塑性的塑性的指标为：指标为：指标为：指标为： 断后伸长率：断后伸长率：断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形l 对于直径对于直径d0 相同的试样，相同的试样，l0 ， 只有当只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性为常数时，塑性值才有可比性 当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示； 当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示显然，表示显然， 5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征；时，无颈缩，为脆性材料表征； 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征三、硬度三、硬度l硬度：硬度：材料抵抗局部变形的能力软硬的指标表征强度与塑性材料抵抗局部变形的能力软硬的指标表征强度与塑性的一个综合判据的一个综合判据l实验特点：实验特点： l1 1）设备简单、操作迅速方便、直接、非破坏性试验。

设备简单、操作迅速方便、直接、非破坏性试验l2 2）近似估计抗拉强度和耐磨性近似估计抗拉强度和耐磨性l3 3）硬度与切削加工性、焊接性、冷成型性能间联系，加工工艺）硬度与切削加工性、焊接性、冷成型性能间联系，加工工艺参考l4 4）检验材料和热处理质量、热处理工艺合理性及评定工艺性能）检验材料和热处理质量、热处理工艺合理性及评定工艺性能参考l硬度试验方法三类：硬度试验方法三类：l 压力法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度、压力法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度、超声波硬度；超声波硬度；l 划痕法：莫氏硬度、锉刀硬度；划痕法：莫氏硬度、锉刀硬度；l 回跳法回跳法: :肖氏硬度肖氏硬度. .l机械制造最广泛的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度机械制造最广泛的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度 l1. 布氏硬度布氏硬度HB l压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适适用用于于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料以下的材料l压压头头为为硬硬质质合合金金时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布布氏氏硬度在硬度在650以下的材料以下的材料l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值，符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保保持持时时间间。

如如120HBS10/1000/30表表示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf（）载载荷荷作作用用下下保保持持30s测测得得的的布布氏氏硬硬度度值值为为120，1015s不注不注图纸上标注时在图纸上标注时在3040个范围l对同一种材料采用不同的对同一种材料采用不同的F F和和D D进行试验时，能否得到同一的布氏进行试验时，能否得到同一的布氏硬度值，关键在于压痕几何形状的相似，即建立硬度值，关键在于压痕几何形状的相似，即建立F F和和D D的某种选配的某种选配关系，以保证布氏硬度的不变性国标（关系，以保证布氏硬度的不变性国标（GB231-84GB231-84）规定，据金）规定，据金属材料的种类和布氏硬度范围，选定属材料的种类和布氏硬度范围，选定F/ DF/ D2 2值从而确定出值从而确定出D D值、值、F F值和保持时间值和保持时间l当载荷当载荷F F与球体直径与球体直径D D选定时，硬度值只与压痕直径选定时，硬度值只与压痕直径d d有关用刻有关用刻度放大镜测出压痕直径度放大镜测出压痕直径d d，根据，根据d d值查表可求所测硬度值值查表可求所测硬度值 l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。

测量误差小，数据稳定l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料l适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度铸铁及有色金属的硬度l材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: b(MPa) 对于高碳钢：对于高碳钢： b(MPa) 对于铸铁：对于铸铁： b(MPa)1HB或或0.6(HB-40)2. 2. 洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0l根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，A、B、C、D、E、F、G、H、K，常常用用的的标标尺为尺为A、B、C、D 洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0l根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常用的标尺为常用的标尺为A、B、C l符号符号HRHR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺, ,l如如50HRA50HRA、30HRB30HRB、60HRC60HRC、40HRD40HRD，图。