工程材料与成形技术基础第2版教学课件ppt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

拉伸试样
一、强度
1. 弹性极限：材料承受最
e
大弹性变形时的应力。指标
为弹性极限e。
2. 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。
指标为弹性模量E。
Etg（MP） a
3. 强度：材料在外力作用下抵 抗变形和破坏的能力。
屈服点 s：材料发生微量塑 性变形时的应力值。
规定剩余伸长应力 0.2：剩 余变形量为0.2%时的应力值。
4. 韧脆转变温度
材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧 性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度的范围 称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。
韧
建造中的Titanic 号
Titanic 号钢板〔左图〕和近代船用钢板 〔右图〕的冲击试验结果
五、疲劳极限
材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。
玻璃纤维增强高分子复合材料
复合材料
现代航空发动机燃烧室 温度最高的材料就是通 过粉末冶金法制备的氧 化物粒子弥散强化的镍 基合金复合材料。很多 高级游艇、赛艇及体育 器械等是由碳纤维复合 材料制成的，它们具有 重量轻，弹性好，强度 高等优点。
航空发动机
材料的性能
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括 力学性能、物理性能和化学性能。
传统陶瓷又称普通陶瓷, 是以天然材料(如黏土、石 英、长石等)为原料的陶瓷, 主要用作建筑材料使用. 特种陶瓷又称精细陶瓷，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。
陶瓷制品
陶瓷发动机
高分子材料
共
以分子键和共价键
价 键
为主
塑性、耐蚀性、电
绝缘性、减振性好，
密度小
分
子
型冷扎辊的验收就采用肖氏硬度。
2) 努氏硬度 将两相对棱边夹角分别为 172 30 和130 的菱形锥体金刚石压头以规 定的试验力压入试样外表，以规定的保持时间后 卸除试验力，测量其压痕的长对角线，计算出压 痕投影面积，那么压痕投影单位面积所承受的平 均压力值就是努氏硬度值。用符号HK表示。
努氏硬度试验可以测量极薄、极细小试样， 又可测量如玻璃、玛瑙、矿石等脆性材料的硬度。 特别适用于对经外表热处理或化学热处理的工件 硬度和硬度梯度的测定。
第一章 工程材料的分类与性能
第一节 工程材料的分类
工程材料是用于制造工程构造和机械零件并主 要要求力学性能的构造材料。
按组成与结合键分： 1、金属材料 2、高聚物材料 3、陶瓷材料 4、复合材料
材料分类
黑色金属
金属材料
有色金属—轻金属,重金属,贵金属,稀有金属
以金属键结合为主 良好的导电性、导
材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲
劳极限。用-1表示。
疲劳失效的特点： 断裂前没有明显的塑性变形
发生断裂突然
危险性大、易产生事故
疲劳应力示意图
疲劳曲线示意图
光滑试样在对称应力循环条件下的纯弯曲疲劳 极限，用 -1表示。
钢铁材料S—N曲线属曲线1的形式，而其它大 多数金属材料的S—N曲线属曲线2的形式。
热性、延展性和金 属光泽 用量最大、应用最 广泛
金属键
铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界 年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整 个用材的60%以上。
带材
陶瓷材料
以共价键和离子键 为主
熔点高、硬度高、 耐腐蚀、脆性大
分为传统陶瓷、特 种陶瓷和金属陶瓷 三类
只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。
当l0=10d0 时，伸长率用 表示；
当l0=5d0 时，伸长率用 5 表示。显然， 5
>
③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征；
< 时，有颈缩，为塑性材料表征
三、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 的一个综合判据。
实验特点：
3) 莫氏硬度 是一种划痕硬度。硬度可以定义 为材料抵抗划痕的能力。将十种矿物按硬度逐 渐增高的次序排列，得到了莫氏硬度的等级如 下：(1)滑石；(2)石膏；(3)方解石；(4)氟石； (5)磷灰石；(6)长石；(7)石英；(8)黄石；(9) 蓝宝石或刚玉；(10)金刚石。
如果被测材料能划伤某一级莫氏等级的材料， 而不能划伤相邻高级的莫氏等级材料，那么就 此可以近似确定此材料的莫氏硬度值。如普通 玻璃大约是5.5级，淬硬钢大约是6.5级，这种 测量硬度的方法很粗略，适合于矿物识别。
布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬
的材料。 适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。 材料的 b与HB之间的经历关系： 对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢： b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： b(MPa)≈1HB或0.6(HB-40)
1. 冲击试验：摆锤式一次性冲击试验。〔U型口和V型口〕 2. 冲击吸收功：摆锤冲断试样所做的功，称为冲击吸收功，以
Ak表示。 Ak值对材料组织缺陷十分敏感，是检验冶炼和热加工质量的
有效方法。 对一般常用钢材来说，Ak越大，韧性越好。
3. 冲击韧性：是指材料抵抗冲击载荷作用而不破 坏的能力。指标为冲击韧性值ak 。
5) 超声波硬度 是用一根镶有金刚石锥体压头 的超声波传感器杆，在固定试验力作用下与试 件接触，压头压入试件后，杆的谐振频率发生 改变，通过测量传感器杆谐振频率的变化即可 测定试样硬度。
在试验中，其值可直接在刻度盘上读出，一般 用洛氏硬度或维氏硬度来表示。
四、冲击韧度
〔冲床的冲头、锻锤的锤杆、内燃机的活塞梢与连杆〕冲击载荷 的加载速度高，作用时间短，应力分布与变形不均。承受冲击载 荷的零件还须具有足够抵抗冲击载荷的能力，即冲击韧度。
对同一种材料采用不同的F和D进展试验时，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F和D的某种 选配关系，以保证布氏硬度的不变性。国标〔GB231-84〕规定， 据金属材料的种类和布氏硬度范围，选定F/ D2值。从而确定出 D值、F值和保持时间。
当载荷F与球体直径D选定时，硬度值只与压痕直径d有关。用刻 度放大镜测出压痕直径d，根据d值查表可求所测硬度值。
工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括 铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。
第二节 材料的力学性能
材料的力学性能是指材料在承受各种载荷时的行为。 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。 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— 伸长曲线。
载荷的形式
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称 为变形。
外力去处后能够恢复 的变形称为弹性变形，
外力去处后不能恢复 的变形称为塑性变形。
低碳钢的应力-应变曲线
应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0
拉 伸 试 验 机
1〕设备简单、操作迅速方便、直接、非破坏性试验。
2〕近似估计抗拉强度和耐磨性。
3〕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。
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 参考。
硬度试验方法三类：
压力法：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度、超
声波硬度；
划痕法：莫氏硬度、锉刀硬度；
3. 维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度计
维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字 按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间，如640HV30/20，30表 示30kgf，20表示保持20秒，10~15s不注。
根据施加的载荷范围不同，规定了三种维氏硬度的测定方法—维 氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。
2. 洛氏硬度 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，
A、B、C、D、E、F、G、H、K，常用的标 尺为A、B、C、D。
洛氏硬度 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状构造，减少外表缺陷，提高外表 光洁度，进展外表强化等方法可提高材料疲劳抗力。
六、断裂韧性
油轮断裂和北极星导 弹发动机壳体爆炸与 材料中存在缺陷有关
1943年美国T-2油轮发生断裂
裂纹扩展的基本形式
北 极 星 导 弹
1．低应力脆断：在屈服强度以下的脆性断裂。〔有些高 强度钢制造的零件和中、低强度钢制造的大型零件〕与机 件内部存在微裂纹有关。因此，这些微裂纹在外力作用下 是否易于扩展，扩展速度的快慢成为材料抵抗低应力脆断 的一种重要指标。 根据应力和裂纹扩展的取向不同，裂纹扩展可分为张开型 〔I型〕、滑开型〔II型〕和撕开型〔III型〕三种根本形式。 以张开型〔I型〕最危险，最容易引起脆性断裂。
4) 锉刀硬度 是一种划痕硬度，是利用经过标定 的硬度不同的几把锉刀，通过锉削试样或工件， 可以确定被测物的硬度范围。
标准锉刀：其形状、大小、刀纹都应当一致，每 两把锉刀相差5HRC。如果工件能被55HRC的 锉刀锉削，而不能被50HRC的锉刀锉削，便可 确定该工件的硬度在50HRC～55HRC之间。
常用的标尺为A、B、C。
洛氏硬度测试示意图 洛 氏 硬 度 计
h1-h0
符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺, 如50HRA、30HRB、60HRC、40HRD，图纸上标注时在2-5个范
围。 HRA用于测量高硬度材料，如硬质合金、外表淬火层和渗碳层。 HRB用于测量硬度较低的材料，如有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度的材料，如调质钢、淬火钢等。 HRD用于薄钢板、中等厚度外表硬化零件等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。
当实验力小于1.961N时，维氏硬度试验法又称显微硬度试验法。 维氏硬度保存了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到
极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、外表硬 化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。
4、其它硬度
1) 肖氏硬度 又名回跳硬度。是把规定形状和重 量的金刚石或钢球冲头从初始高度h0落在试样
曲线1有明显水平局部，易得出疲劳极限值，曲 线2不存在水平局部，人为规定某一循环次数断裂 时所能承受的最大应力作为条件疲劳极限，以
R(N)表示。
钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。 通过改善材料的形状构造，减少外表缺陷，提高外表
光洁度，进展外表强化等方法可提高材料疲劳抗力。
疲劳断口
轴的疲劳断口
包括塑料、橡胶及
键
合成纤维等
高分子材料在机械、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 中被广泛应用。
烯丙酰氯-苯乙烯
复合材料
是把两种或两种以上不同性质或不同构造的材料 以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。
包括： 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料
回跳法:肖氏硬度.
机械制造最广泛的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
H B0.102 2P
D(D D2d2)
1. 布氏硬度HB
压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于 布氏硬度值在450以下的材料。
压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏 硬度在650以下的材料。
符号HBS或HBW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、载荷及载荷保持 时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球 在1000kgf〔9.807kN〕载荷作用下保持30s测得的布 氏硬度值为120，10~15s不注。图纸上标注时在30~40 个范围。
抗拉强度 b：材料断裂前所 承受的最大应力值。
s
0.2
二、 塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
塑性的指标为：
断后伸长率： l1 l0 100%
l0
断面收缩率： F0 F1 10% 0
F0
拉 伸 试 样
的
颈
缩
现
象
断裂后
说明：
① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。
② 对于直径d0 一样的试样，l0 ， 。
外表上，冲头弹起一定高度h，测h与h0的比值
与肖氏硬度系数的乘积就是肖氏硬度值。用符号
HS表示。
HS = R× h/h0式中 R：肖氏硬度系数
肖氏硬度主要取决于材料弹性变形能力的大 小。试验时，冲头回跳高度与材料硬度有关。材 料愈硬其弹性极限愈高，冲头回跳高度越高。肖 氏硬度值是一个无量纲的值，可在硬度计上直接 读取。它适用于测量大型外表光滑的工件，如大