工程訓(xùn)練第一章工程材料基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)工程材料的分類

（Classification

ofengineeringmaterials）分類（classification）：工程材料種類繁多，常見(jiàn)分類方法。

按成分分類金屬材料高分子材料MetallicMaterialsPolymericMaterials按成分分類四者的關(guān)系陶瓷材料復(fù)合材料CeramicMaterialsCompositeMaterials第二節(jié)金屬材料

（mechanicalproperties

ofengineeringmaterials）一、金屬材料的性能定義：指材料在各種載荷（靜載荷、動(dòng)載荷）下表現(xiàn)出來(lái)的性能。鑄造性可鍛性可焊性切削加工性熱處理性

金屬材料的性能

使用性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能

工藝性能1.強(qiáng)度（strength）和塑性（plasticity）

金屬材料的強(qiáng)度、塑性指標(biāo)是在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試樣拉伸試樣的縮頸材料的拉伸曲線（以低碳鋼為例）1）oe段：直線、彈性變性2）es段：曲線、微量塑性變形階段。3）ss’段：屈服階段。4）s’b段：大量塑性變形階段。5）bk段：縮頸階段。ess′bk伸長(zhǎng)量Δι載荷F0FeFsFb

在低碳鋼拉伸曲線中，把F-Δl坐標(biāo)換成σ-ε（應(yīng)力—應(yīng)變）就可以直接在圖上讀出力學(xué)性能指標(biāo)。1）彈性極限(elasticlimit）定義：指材料產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值。用

e

表示，單位MPa。σe＝Fe/S0式中Fe彈性極限載荷(N)；S0試樣原始橫截面積(mm2)強(qiáng)度（strength）定義：材料抵抗外力作用下變形和斷裂的能力。3）屈服強(qiáng)度（yieldstrength）定義：表示材料發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。

用σs表示，單位為MPa(N/mm2=1MPa)。也用Re表示。

對(duì)于沒(méi)有明顯屈服強(qiáng)度的材料，如鑄鐵、高碳鋼等，測(cè)定σ困難，通常規(guī)定產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服強(qiáng)度，用σ0.2表示。對(duì)于一般機(jī)械零件而言，一般不允許發(fā)生塑性變形。

σs=Fs/S0

式中：Fs為屈服時(shí)的最小載荷（N）；S0為試樣原始截面積（mm2）國(guó)標(biāo)規(guī)定，應(yīng)區(qū)分為上屈服強(qiáng)度σsu和下屈服強(qiáng)度σsL，大炮長(zhǎng)時(shí)間發(fā)射，若炮膛材料發(fā)生塑性變形，影響炮彈發(fā)射的精度和易發(fā)生自爆。4）抗拉強(qiáng)度（tensilestrength）定義：指材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力。用σb表示，單位MPa。也用Rm表示。注：σs和σb是設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)。

舉例塑性（plasticity）定義：在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。判據(jù)：斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率。σb=Fb/S0

式中：Fb—最大外力（N）；S0—試樣橫截面積（mm2）1）斷后伸長(zhǎng)率(elongationafterfracture)定義：指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。用δ表示。無(wú)單位。用A表示。2）斷面收縮率(reductionofarea)定義：指試樣拉斷后縮項(xiàng)處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。用ψ

表示

。無(wú)單位。也用Z表示。d0L0長(zhǎng)試樣（δ10）：L0=10d0短試樣(δ5)：L0=5d0

δ

=(L1-L0)/L0×100％式中：L1—斷后標(biāo)距；L0—原始標(biāo)距。

ψ

=(S0-Su)/S0×100％式中：S0—原始橫截面積；Su—斷后最小橫截面積。塑性的意義：塑性良好的金屬可進(jìn)行各種塑性加工，同時(shí)使用安全性也較好。工程上一般把δ﹥5％的材料稱為塑性材料，δ﹤5％的材料稱為脆性材料。塑性的應(yīng)用：一般零件的抗斷裂設(shè)計(jì)時(shí)要考慮屈服強(qiáng)度和塑性。強(qiáng)度和塑性的區(qū)別：強(qiáng)度是表征材料變形抗力指標(biāo)；塑性是描述變形能力的指標(biāo)。2.硬度（hardness）定義：指材料抵抗局部變形的能力。硬度是衡量材料軟硬程度的判據(jù)。最常用的硬度指標(biāo)有：布氏硬度和洛氏硬度。（1）布氏硬度(Brinellhardness)

1）試驗(yàn)原理布氏硬度試驗(yàn)機(jī)2）表示方法HBS——選用淬火鋼球壓頭，適用范圍：小于450；HBW——選用硬質(zhì)合金壓頭，適用范圍：450~650。表示法：數(shù)字在前、字母在后。如200HBS，I50HBS～175HBS；標(biāo)注時(shí)不要寫成HBS=200，或HBS=150～175，或500HBS，不要出現(xiàn)單位；數(shù)值差不要超過(guò)30。3）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：壓痕較大，操作慢，不適用成品件和薄形件。4）應(yīng)用范圍

常用于測(cè)量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。2）表示方法數(shù)字在前、字母在后，如45HRC；35HRC～38HRC。HRC適用范圍數(shù)值20～67；小于或大于這個(gè)范圍均為標(biāo)注錯(cuò)誤！如17HRC；HRC=15～19等。3）常用標(biāo)尺

有A

、

B、C三種：①HRA，硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層；②HRB，有色金屬和退火、正火鋼等；③HRC，調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等注意：HRA、HRB、HRC分別測(cè)得的硬度，不可直接比較大小例如：50HRC<70HRA〤

100HRB>40HRC〤(2)洛氏硬度1）試驗(yàn)原理5）應(yīng)用范圍

可用于成品和薄件，但不宜測(cè)量組織粗大不均勻的材料；適用于測(cè)量硬度較高的材料，如淬火鋼件、硬質(zhì)合金等材料。4）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量迅速、簡(jiǎn)便、壓痕小、測(cè)量范圍大，能測(cè)較薄工件。

缺點(diǎn)：壓痕小，硬度波動(dòng)大，為提高精度通常測(cè)定三個(gè)不同點(diǎn)取平均值。硬度的應(yīng)用：在耐磨零件中必須考慮的性能指標(biāo)。如滾動(dòng)軸承等。3.沖擊韌性(impacttoughness)定義：材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。測(cè)得試樣沖擊吸收功,用符號(hào)

Ak

表示，Ak=mgH-mgh(J)，沖擊韌性值ak

就是試樣缺口處單位面積上所消耗的沖擊功。

ak﹦AK/S

，單位J/cm2。Titanic——含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic沉沒(méi)原因4.疲勞強(qiáng)度(fatiguestrength)

疲勞強(qiáng)度：指材料經(jīng)無(wú)數(shù)次交變載荷作用而不斷裂的最大應(yīng)力值。對(duì)于對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度用用σ-1表示，單位為MPa。疲勞現(xiàn)象：

承受載荷的大小和方同隨時(shí)間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。（80%的斷裂由疲勞造成）國(guó)標(biāo)規(guī)定：對(duì)于鋼鐵材料，一般規(guī)定疲勞極限對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107，有色金屬及合金為108。2按冶金質(zhì)量分類

普通鋼（S%≤0.055%，P%≤0.045%）優(yōu)質(zhì)鋼（S%、P%≤0.040%）

高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（S%≤0.030%，P%≤0.035%）

3按性能和用途分類碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼易切削結(jié)構(gòu)鋼等（二）鋼的牌號(hào)、性能和用途1按含碳量分類二、常用鋼材（一）鋼材分類低碳鋼（Wc<0.25%)中碳鋼(0.25%<Wc<0.6)高碳鋼(Wc>0.6)2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼用兩位數(shù)字表示。其中兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)。45鋼表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號(hào)后加字母A，如20A。3）

碳素工具鋼

用“T+數(shù)字+字母”表示，其中，“T”表示碳的漢語(yǔ)拼音字頭，數(shù)字表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù)。例如T8，表示平均含碳量為0.8%的碳素工具鋼。1.碳素鋼

1）碳素結(jié)構(gòu)鋼

表示方法：Q+最低屈服強(qiáng)度值+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)。Q235—A·F表示屈服強(qiáng)度為235MpaA級(jí)沸騰鋼。2.合金鋼經(jīng)常加入的元素有：Si、Mn、Cr、Ni、W、Ti、Al、Cu、稀土元素等。（2）合金鋼的分類2）

按用途分類合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼1）

按合金元素含量分類分類低合金鋼（＜5%）中合金鋼（5%～10%）高合金鋼（＞10%）3）合金結(jié)構(gòu)鋼按用途可分為

合金彈簧鋼合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼合金軸承鋼

牌號(hào)表示和碳鋼相類似。三、鋼的火花鑒別1.火花鑒別的基本知識(shí)鋼材在砂輪上磨削時(shí)，磨削出的細(xì)小鋼沫被加熱至熔融狀態(tài)，并被砂輪離心力作用拋射在空氣中產(chǎn)生明亮線條。鋼材中碳元素是形成火花的基本