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1、l工程材料与热加工基础工程材料与热加工基础IIl绪论绪论l简单介绍材料的重要性和材料的应用简单介绍材料的重要性和材料的应用l金属材料金属材料:l金属具有正的电阻温度系数，金属具有正的电阻温度系数，通常有良好的导电性、导热性、通常有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽。延展性、高的密度和高的光泽。包括纯金属和以金属元素为主的包括纯金属和以金属元素为主的合金。在工程领域有把金属及其合金。在工程领域有把金属及其合金分为两类合金分为两类：（：（1）黑色金属，即）黑色金属，即铁和铁基合金（钢铁及合金钢）；铁和铁基合金（钢铁及合金钢）；（2）有色金属，黑色金属以外的所有）有色金属，黑色金属以外
2、的所有金属及其合金，常见有铝及铝合金，铜金属及其合金，常见有铝及铝合金，铜及铜合金等及铜合金等。金属材料一般有良好。金属材料一般有良好的综合机械性能（强度、塑性和的综合机械性能（强度、塑性和韧性等），是工程领域应用最广韧性等），是工程领域应用最广的材料。的材料。l高分子材料高分子材料:l 又称聚合物，包括天又称聚合物，包括天然高分子材料（木材、棉、然高分子材料（木材、棉、麻等）和合成高分子材料麻等）和合成高分子材料（塑料，合成橡胶等）。（塑料，合成橡胶等）。其主要组分高分子化合物其主要组分高分子化合物是有许多结构相同的结构是有许多结构相同的结构单元相互连接而成。它具单元相互连接而成。它具有较高
3、的强度、良好的塑有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。缘性和低密度等优良性能。高分子材料发明虽晚，但高分子材料发明虽晚，但异军突起，因其物美价廉，异军突起，因其物美价廉，在工程材料中应用越来越在工程材料中应用越来越广。广。 l 复合材料复合材料: :l 由两种或两种以上材由两种或两种以上材料组成，其性能是它的组料组成，其性能是它的组成材料所不具备的。复合成材料所不具备的。复合材料可以有非同寻常的刚材料可以有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐度、强度、高温性能和耐蚀性。按基本材料分类，蚀性。按基本材料分类，它可分为金属基复合材料、它可分为金属基
4、复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料等。基复合材料等。复合材料复合材料具有极其优异性能，质轻，具有极其优异性能，质轻，强度高，韧性好，可制作强度高，韧性好，可制作运动器材，而在航空航天运动器材，而在航空航天领域更是无可替代。领域更是无可替代。l 铸造毛坯铸造毛坯l 熔炼金属，制熔炼金属，制造铸型，并将熔造铸型，并将熔融金属浇入铸型，融金属浇入铸型，凝固后获得一定凝固后获得一定形状和性能铸件形状和性能铸件的成形方法，称的成形方法，称为铸造为铸造。零件的毛坯零件的毛坯l锻造毛坯锻造毛坯l 锻压是对坯料施加外锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、力，使其产生塑性变形、改
5、变尺寸、形状及改善改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与加工方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力冲压的总称，属于压力加工的范畴。加工的范畴。l焊接结构焊接结构l 焊接的接的实质是使两是使两个分离的物体通个分离的物体通过加加热或加或加压，或两者并用，或两者并用，在用或不用填充材料的在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体扩散作用形成一个整体的过程。的过程。汽车一厂车身车间汽车一厂车身车间POLO底盘焊接底盘焊接第1章 材料的种类与性能l
6、 第一节第一节 概述概述l一、工程材料的分类一、工程材料的分类工程材料的分类工程材料的分类金属材料金属材料非金属材料非金属材料钢铁材料钢铁材料非铁金属非铁金属高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料二二 课程的性质和内容课程的性质和内容 工工程程材材料料与与热热加加工工基基础础是是机机械械类类、近近机机械械类类各各专专业业学学生生的的一一门门技术基础课技术基础课。本课程的内容有本课程的内容有: l）工程材料的性能：）工程材料的性能：以力学性能为主以力学性能为主，还要考虑物理性能、化学性，还要考虑物理性能、化学性能及工艺性能；能及工艺性能；2）金属学基本理论：）金属学基本理论：使学生
7、获得有关工程材料的基本理论和基本使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识；常用工程材料成分知识；常用工程材料成分 组织组织 性能性能 应用之间关系的应用之间关系的一般规律。一般规律。 3）热处理方面：）热处理方面：掌握钢的热处理基本原理和工艺，掌握热处理各掌握钢的热处理基本原理和工艺，掌握热处理各种工艺方法的目的，以便正确选用热处理工艺方法，合理安排工艺种工艺方法的目的，以便正确选用热处理工艺方法，合理安排工艺路线。路线。 l4）常用工程材料：）常用工程材料：掌握常用的工业用钢、铸铁、掌握常用的工业用钢、铸铁、非铁金属及其合金的成分、组织、性能和用途；非铁金属及其合金的成分、组织、性能和用途
8、；l5）热加工基础：）热加工基础：掌握铸造、锻压和焊接的特点掌握铸造、锻压和焊接的特点及应用范围，掌握金属的铸造性能、锻造性能和及应用范围，掌握金属的铸造性能、锻造性能和焊接性能；能初步分析各种热加工零件的结构工焊接性能；能初步分析各种热加工零件的结构工艺性，具有初步选择零件毛坯的能力。艺性，具有初步选择零件毛坯的能力。l6）零件材料与毛坯的选择：）零件材料与毛坯的选择：熟悉常用工程材料熟悉常用工程材料的生产工艺过程，的生产工艺过程，正确选择零件的材料、毛坯，正确选择零件的材料、毛坯，并初步安排热处理在工艺过程中的位置。并初步安排热处理在工艺过程中的位置。合理选合理选用工程材料的初步能力。用工
9、程材料的初步能力。l第二节第二节 材料的性能材料的性能l材料的性能材料的性能：使用性能和工艺性能使用性能和工艺性能l 1. 使用性能：指材料在使用条件下（过程）使用性能：指材料在使用条件下（过程）表现出的各种性能，包括物理性能、化学性能、表现出的各种性能，包括物理性能、化学性能、力学性能力学性能-材料在外载或外载和环境（温度、材料在外载或外载和环境（温度、介质等）共同作用下表现出来的性能，即材料抵介质等）共同作用下表现出来的性能，即材料抵抗外载引起的变形和断裂的能力。抗外载引起的变形和断裂的能力。l 2. 工艺性能：指材料在加工成型过程中表现工艺性能：指材料在加工成型过程中表现出的性能，即加工
10、的难易程度，如铸造性、焊接出的性能，即加工的难易程度，如铸造性、焊接性等。性等。l 材料的力学性能是设计计算、材料选用、工艺材料的力学性能是设计计算、材料选用、工艺评定及材料检验的重要依据。评定及材料检验的重要依据。工程材料的性能工程材料的性能 使用性能使用性能工艺性能工艺性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能l铸造性能铸造性能 l可锻性能可锻性能l可焊性能可焊性能l切削加工性能切削加工性能l热处理性工艺性热处理性工艺性机械零件加工工艺机械零件加工工艺材材料料毛毛坯坯零零件件铸造铸造锻压锻压焊接焊接粉末冶金粉末冶金切削加工切削加工型材型材热处理热处理l重点介绍力学性能重点介绍力学
11、性能l一一、强度与塑性强度与塑性l（一）强度：指材料在外力作用下抵抗变形和断一）强度：指材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。裂的能力。l 大小：用单位面积上作用的力的大小来表示，大小：用单位面积上作用的力的大小来表示，即用应力大小表示强度高低。即用应力大小表示强度高低。l 单位：单位：Mpa( MN/m2 )l 类型：根据载荷作用方式不同强度分为抗拉、类型：根据载荷作用方式不同强度分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪、抗扭强度等。抗压、抗弯、抗剪、抗扭强度等。l 一般多以一般多以抗拉强度（拉伸强度）抗拉强度（拉伸强度）b b为基本为基本强度指标。强度指标。l 1. 拉伸强度的测试方法拉伸强度的测试方法
12、-拉伸实验拉伸实验l 根据根据GB6397-86 规定，拉伸实验试样可制成规定，拉伸实验试样可制成圆形、板形，分为长试样和短试样。圆形、板形，分为长试样和短试样。图3-1拉伸试样（a）拉伸前（b）拉断后拉伸试验拉伸试验机机拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象拉伸过程拉伸过程图1-2低碳钢的拉伸曲线图图 低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线l 将试样放在拉伸实验机上缓慢加载拉伸，直将试样放在拉伸实验机上缓慢加载拉伸，直至拉断试样，得到拉伸图，有拉伸图可知对低碳至拉断试样，得到拉伸图，有拉伸图可知对低碳钢而言，拉伸过程分为以下几个阶段：钢而言，拉伸过程分为以下几个阶段：l （1）弹性变形阶段
13、）弹性变形阶段;l （2）屈服变形阶段）屈服变形阶段;l （3）变形强化阶段）变形强化阶段;l （4）缩颈阶段）缩颈阶段;l （5）断裂。）断裂。l 不同材料在拉伸中经历的过程不同材料在拉伸中经历的过程有所不同。有所不同。l Flblulp Fpe Fe Fbb Fssgflop段：比例弹性变形阶段；段：比例弹性变形阶段；lpe段：非比例弹性变形阶段；段：非比例弹性变形阶段；l平台或锯齿（平台或锯齿（es段段）：屈服）：屈服阶段阶段(解释解释)；lsb段：均匀塑性变形阶段，段：均匀塑性变形阶段，即强化阶段。即强化阶段。lb点点：形成了：形成了“缩颈缩颈”。lbk段：非均匀变形阶段，承段：非均匀
14、变形阶段，承载下降，到载下降，到k点断裂。点断裂。l断裂总伸长为断裂总伸长为Of，其中塑形其中塑形变形变形Og(试样断后测得的伸长试样断后测得的伸长)，弹性伸长，弹性伸长gf。 KO图图 几种类型的应力几种类型的应力-应变曲线应变曲线（a）硬化程度较高材料的硬化程度较高材料的-曲线曲线 （c）强化能力较强材料的强化能力较强材料的-曲线曲线（b）脆性材料的脆性材料的-曲线曲线 （d）塑性变形能力大的材料之塑性变形能力大的材料之-曲线曲线低、中回火钢淬火钢及铸铁退火低碳钢中碳调质钢l2.应力应力-应变应变 l 应力：材料受外载作用时，内部产生与外力抗应力：材料受外载作用时，内部产生与外力抗衡的力称
15、为内力，单位面积上的内力称为应力衡的力称为内力，单位面积上的内力称为应力l（）l 应变：应变：=伸长量伸长量l/原长度原长度l0 l 3. 弹性极限弹性极限e 、屈服极限、屈服极限s 、抗拉强度、抗拉强度bl 弹性极限弹性极限e ：材料保持弹性变形而不产生塑材料保持弹性变形而不产生塑性变形所受的最大应力，性变形所受的最大应力，是弹性零件的设计依据是弹性零件的设计依据。l 0.01 -试样残余伸长量为试样残余伸长量为0.01%时的应力作为规时的应力作为规定的定的e 。l 屈服极限屈服极限s ：材料产生屈服时的最小应力，表：材料产生屈服时的最小应力，表征材料抵抗塑性变形的能力。征材料抵抗塑性变形的
16、能力。 s =P s/F0ls是设计和选材的主要依据之一，不容许有是设计和选材的主要依据之一，不容许有明显塑性变形的零件（如紧固螺栓），以明显塑性变形的零件（如紧固螺栓），以s为强为强度设计指标。度设计指标。l 对拉伸曲线上无明显屈服现象的材料，国家对拉伸曲线上无明显屈服现象的材料，国家标准规定：试样塑性变形量为标距长度的标准规定：试样塑性变形量为标距长度的0.2%时承受的应力作为时承受的应力作为“规定屈服极限规定屈服极限”，用，用“0.2 ”表示表示 。l b 材料材料 能承受的最大应力，能承受的最大应力， b =P b/F0 l它易测量且较为精确，表示材料对它易测量且较为精确，表示材料对最
17、大均匀变形最大均匀变形的抗力，或对断裂的抗力。的抗力，或对断裂的抗力。l 4. 弹性弹性 固态工程材料均具有弹性行为，即固态工程材料均具有弹性行为，即在力的作用下产生变形且变形量与力成线性关系，在力的作用下产生变形且变形量与力成线性关系，外力去除后变形完全消失，物体恢复到原来形状，外力去除后变形完全消失，物体恢复到原来形状，这种变形叫弹性变形。这种变形叫弹性变形。l 用弹性模量用弹性模量E来表征材料抵抗弹性变形的能来表征材料抵抗弹性变形的能力，工程上力，工程上E称为刚度，称为刚度，l E= / （Mpa）l 材料的弹性模量材料的弹性模量E由材料本性决定，反映了由材料本性决定，反映了材料内部原子
18、间的结合力强弱，与成分和组织变材料内部原子间的结合力强弱，与成分和组织变化关系不明显。化关系不明显。l 材料的刚度和零件的刚度不是一会事，零件材料的刚度和零件的刚度不是一会事，零件的刚度还与零件的结构（厚度、截面积）有关。的刚度还与零件的结构（厚度、截面积）有关。l （二）塑性（二）塑性 材料在外力作用下产生永久变形材料在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力（或材料在外力作用下断裂前而不被破坏的能力（或材料在外力作用下断裂前具有塑性变形的能力）。有两个指标：具有塑性变形的能力）。有两个指标：l 1. 伸长率（伸长率（，又称延伸率）又称延伸率）l =（l1-l0)/l0 100% l 对同一种
19、材料，长试样和短试样测出的对同一种材料，长试样和短试样测出的 不不同，分别用同，分别用 5 、 10表示。表示。l 2.断面收缩率（断面收缩率（ ）l =（F0-F1）/F0 100% l 不受试样尺寸影响。不受试样尺寸影响。l l二、二、 硬度硬度l 硬度是指材料的软硬程度，即抵抗另一硬物硬度是指材料的软硬程度，即抵抗另一硬物压入其中的能力，表征材料抵抗表面局部塑性变压入其中的能力，表征材料抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力。形及破坏的能力。l 硬度的测量方法一般用压入法，即用一定的硬度的测量方法一般用压入法，即用一定的压力将压头压入材料表面，根据压力大小、压痕压力将压头压入材料表面，根据压力
20、大小、压痕面积或深度来确定硬度大小。面积或深度来确定硬度大小。l 常用的硬度测定方法有以下几种：常用的硬度测定方法有以下几种：l（一）布氏硬度（一）布氏硬度HBl 压头：直径分别为压头：直径分别为 10、5、2.5、2、1mm ,有有淬火钢球和硬质合金球两类。淬火钢球和硬质合金球两类。l 大小：用单位压痕面积上所承受的平均压力大小：用单位压痕面积上所承受的平均压力大小来表示。大小来表示。l 数值小于数值小于450 ，用，用HBS表示，压球为普通淬表示，压球为普通淬火球；如火球；如l 数值在数值在450 650 ，用，用HBW表示，压球为硬质表示，压球为硬质合金球；合金球；l 数值大于数值大于6
21、50，不用该方法测定硬度。，不用该方法测定硬度。l 特点：压坑大，误差小；不宜检测成品、小特点：压坑大，误差小；不宜检测成品、小件、薄件；主要用于毛坯、原料硬度检测；需计件、薄件；主要用于毛坯、原料硬度检测；需计算。算。图1-3布氏硬度测试原理布氏硬度计布氏硬度计 l 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。及载荷保持时间。l 如如:120HBS10/1000/30表示表示直径为直径为10mm的钢的钢球球在在1000kgf（9.807kN）载荷）载荷作用下作用下保持保
22、持30s测测得的得的布氏硬度值为布氏硬度值为120。 l （二）洛氏硬度（二）洛氏硬度HRl 压头：压头：1.588mm的淬火钢球和顶角为的淬火钢球和顶角为120的金刚石锥。的金刚石锥。l 加载方式加载方式 ：(1)加初载加初载10Kg;l (2) 再加主载，有再加主载，有50、90、140K g l 大小：大小： 用压痕深度表示。用压痕深度表示。l 计算方法：计算方法：HR=（K-h）/0.002l K常数，常数， h两次加载压痕深度差，两次加载压痕深度差， 0.002 mm为一个硬度单位，硬度值在硬度计上直为一个硬度单位，硬度值在硬度计上直接读出。接读出。l 图1-4洛氏硬度测试原理h1-
23、h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计l 种类：见下表。种类：见下表。l 特点：压坑小，可测量成品、薄件，操作方特点：压坑小，可测量成品、薄件，操作方便迅速，但测量误差大，应取多点，取平均值。便迅速，但测量误差大，应取多点，取平均值。l 不同的不同的HR无可比性，只能换成同一的无可比性，只能换成同一的HR方可方可比较。比较。l （三）（三） 维氏硬度维氏硬度l 原理与布氏硬度相似，但只有一种压头原理与布氏硬度相似，但只有一种压头-l相对两面间夹角为相对两面间夹角为136的金刚石正四面锥，载荷的金刚石正四面锥，载荷较布氏硬度小，硬度大小与载荷大小无关，适合较布氏硬度小，硬度
24、大小与载荷大小无关，适合各种金属，尤其是表面层，精度高。各种金属，尤其是表面层，精度高。适用范围适用范围: 测量薄板类测量薄板类 ; HVHBS ;l三、三、 冲击韧性冲击韧性l 1. 概念：材料抵抗冲击载荷的能力，或材料在概念：材料抵抗冲击载荷的能力，或材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。l 2. 试样：见图试样：见图l 3.测定方法：一般用一次摆锤冲击方法见图。测定方法：一般用一次摆锤冲击方法见图。l 4.表示方法：常用表示方法：常用 k（J/ cm2）。）。l k= A k /F ， A k 试样变形和断裂吸收的试样变形和断裂吸收的能量，能量，
25、F试样缺口处截面积。试样缺口处截面积。图1-6标准冲击试样图1-8摆锤式冲击试验冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为: A k = m g H m g h (J) 冲击韧性值冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。截面积上所消耗的冲击功。 AK a k = (J/cm) S0l四、疲劳强度四、疲劳强度l 表征材料抵抗疲劳断裂的能力，用材料经表征材料抵抗疲劳断裂的能力，用材料经无限多次应力循环仍不断裂时的最大应力表示。无限多次应力循环仍不断裂时的最大应力表示。l 符号：
26、符号： r ， l r 在在-1+1之间；之间；l r=1，表示静载荷；表示静载荷；l r=-1，表示对称循环应力；表示对称循环应力；l r=0，表示脉动应力。表示脉动应力。l r应力循环特性系数应力循环特性系数(min/max)l五、高温力学性能五、高温力学性能l 一般情况下，随温度的升高材料的强度、弹一般情况下，随温度的升高材料的强度、弹性模量降低、塑性增加，若高温时间长，塑性也性模量降低、塑性增加，若高温时间长，塑性也会显著降低。会显著降低。l 1.蠕变强度：指材料在高温长时间载荷作用蠕变强度：指材料在高温长时间载荷作用下抵抗塑性变形的能力。有两种表示方法：下抵抗塑性变形的能力。有两种表
27、示方法：l （1） T/t -在规定时间内达到某一规定的变在规定时间内达到某一规定的变形量时的应力作为蠕变强度。形量时的应力作为蠕变强度。l （2） T- 在一定温度下，稳态蠕变速率达在一定温度下，稳态蠕变速率达到某一定值时的应力作为蠕变强度。到某一定值时的应力作为蠕变强度。l 高温下不允许有过量塑性变形的零件以蠕变高温下不允许有过量塑性变形的零件以蠕变强度为设计指标。强度为设计指标。l 2. 持久强度：指材料在高温长时间载荷作用持久强度：指材料在高温长时间载荷作用下抵抗断裂的能力。下抵抗断裂的能力。l 大小用给定温度下，恰好使材料经过规定时大小用给定温度下，恰好使材料经过规定时间（间（t）发生断裂的应力值，用发生断裂的应力值，用t T 表示。表示。l 考虑高温寿命时，以持久强度为设计指标。考虑高温寿命时，以持久强度为设计指标。图3-11变动载荷示意图（a）载荷大小变化（b）、（c）载荷大小及方向都变化（d）载荷大小及方向无规则变化图3-11变动载荷示意图（上）（a）载荷大小变化（b）载荷大小及方向都变化图3-11变动载荷示意图（下）（c）载荷大小及方向都变化（d）载荷大小及方向无规则变化图1-10疲劳试验装置图1-11疲劳曲线示意图图1-12典型蠕变曲线图1-13裂纹扩展的基本形式图1-14 裂纹顶端前缘应力场
