工程材料

張繼/p>

第一章概論§1材料發(fā)展概況§2材料的性能§3工程材料的分類§4材料的結(jié)合方式及工程材料鍵性§5零件的失效形式及選材原則石器鐵器

象形尊(西周)石器時代青銅器時代鐵器時代新材料時代材料是人類進化的里程碑。由于材料的重要性，歷史學家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時代。§1材料發(fā)展概況材料科學的重要地位每一個應用科學家和工程師（機械的、土木工程的、電氣的或其它方面的）都必不可少地要用到材料，不論產(chǎn)品是橋梁、計算機、宇宙飛船、心臟起博器、核反應堆、還是汽車的排氣裝置，工程師們都必須完全了解他們所用材料的性能和行為特征。以汽車為例，汽車制造中要使用各種各樣的材料：鋼鐵、玻璃、塑料、橡膠等。而僅僅對鋼材一項而言，就有2000多種不同種類和型號的品種供我們選擇。地位：材料、能源、信息，三大技術(shù)在進行材料選擇時，工程師必須首先考慮使用性能，再考慮材料的工藝性能。使用性能：在使用條件下所表現(xiàn)的性能，包括材料的物理、化學和力學性能；工藝性能：材料在加工過程中所反映的性能，包括鑄造性能、壓力加工性能、切削加工性能、焊接性能、熱處理性能等。

§2材料的性能一.定義:

力學性能是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。二.指標:彈性、塑性、韌性、強度、硬度和疲勞強度等?！?.1材料的力學性能三.拉伸試驗拉伸試樣拉伸試驗機彈性、塑性、強度拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象四.拉伸圖低碳鋼鑄鐵1.彈性(elasticity):金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形,當外力去掉后能恢復到原來形狀及尺寸的性能。2.彈性變形(elasticdeformation):

隨載荷撤除而消失的變形。3.彈性極限(elasticlimit):

Fe

彈性極限載荷(N)

σe

=

(Mpa)

S0

試樣原始橫截面積(mm2)4.強度(strength):

材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。種類:

屈服強度，抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗扭強度等。

(2)屈服強度(yieldstrength):

屈服點SFs

σs

=

(Mpa)

S0試樣屈服時的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)

(3)條件屈服強度(塑性變形量為0.2%)(4)抗拉強度(tensilestrength):

試樣在斷裂前所能承受的最大應力。F0.2

σ0.2=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面(mm2)試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時的載荷(N)Fb

試樣斷裂前的最大載荷(N)

σb=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面積(mm2)五.塑性(plasticity):是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。(1)斷面收縮率(percentagereductioninarea):

是指試樣拉斷處橫截面積Sk的收縮量與原始橫截面積S0之比。

S0-Sk

ψ=×100%S0

(2)伸長率(延伸率)specificelongation:

是指試樣拉斷后的標距伸長量Lk與原始標距L0之比。Lk–L0δ=×100%L0

δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料六.硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV肖氏硬度HS常用測量硬度的方法(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計

(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)在規(guī)定的載荷下將球型壓頭，壓入金屬的表面。①壓頭材料：硬質(zhì)合金(符號：HBW）:HB≥450淬火鋼球（符號：HBS）:HB≤450②壓頭規(guī)格：φ2.5φ5φ10③載荷:F=2.5D2(軟金屬)F=10D2(有色金屬)F=30D2(黑色金屬)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(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)HB

b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵

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。(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計①壓頭材料：金剛石(符號：HRA、HRC):K=0.2淬火鋼球（符號：HRB）:K=0.26②壓頭規(guī)格：120°金剛石圓錐體；1.588mm淬火鋼球③載荷:60Kgf(HRA)100Kgf(HRB)150Kgf(HRC)在規(guī)定的載荷下將圓錐或球型壓頭，壓入金屬的表面。原理符號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(zhì)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(diào)質(zhì)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。缺點：測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕(3)維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)在規(guī)定的載荷下將四棱錐金剛石壓頭，壓入金屬的表面。原理:①壓頭材料：四棱錐金剛石壓頭②壓頭規(guī)格：夾角136°金剛石四棱錐③載荷:1、3、5、10、20、30、50、100、120

測量薄板類;HV≈HBS七.沖擊韌性(notchtoughness):

材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:

Ak

=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值ak

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。AK

ak=(J/cm2)S0Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。八.疲勞強度(fatiguestrength):

表示材料經(jīng)無數(shù)次交變載荷作用而不致引起斷裂的最大應力值。鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關(guān)系:

σ-1

=(0.45～0.55)σb疲勞斷口通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，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）九、斷裂韌性油輪斷裂和北極星導彈發(fā)動機殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)

1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導彈裂紋擴展的基本形式應力強度因子：描述裂紋尖端附近應力場強度的指標。斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴展的能力。

C為斷裂應力，aC為臨界裂紋半長，單位為

十.比強度(specificstrength):

材料的強度值與密度值之比。名稱密度(g/cm3)強度(Mpa)比強度純鋁2.780～10030～37純鐵7.87180～28023～36純鈦4.5405～50090～111金屬材料的

物理性能1.密度

2.熔點

3.導熱性4.導電性5.熱膨脹性6.磁性

1.耐腐蝕性

2.抗氧化性

金屬材料的化學性能§2.2

材料的工藝性能1鑄造性能2鍛造性能3切削加工性能4焊接性能5熱處理性能§3工程材料的分類

工程材料是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔某種功能、被用來制取零件和元件的材料。

一.按材料的化學組成分類

（1）金屬材料（2）無機非金屬材料（3）高分子材料（4）復合材料(1)金屬材料用量最大、應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

（2）無機非金屬材料

包括水泥、玻璃、耐火材料和陶瓷等。主要原料是硅酸鹽礦物，又稱硅酸鹽材料。（3）高分子材料按來源分為天然高分子材料(蛋白、淀粉、纖維素等)和人工高分子材料(合成塑、合成橡膠、合成纖維)。按性能及用途可分為塑料、橡膠、膠粘劑、涂料。（4）復合材料由基體材料增強材料復合而成?；w材料