金属材料及工艺---第1章 金属材料的种类与性能
第一章2金属材料的性能特点
四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度 和刀具寿命来表示。
切削加工
金属材料具有适当的硬度(170 HBS～230 HBS) 和足够的脆性时切削性良好。 改变钢的化学成分(加少量铅、磷)和进行适当 的热处理(低碳钢正火，高碳钢球化退火)可提高钢 的切削加工性能。 铜有良好的切削加工性能。
五、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。 含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透 性比较好, 碳钢的淬透性较差。
断后伸长率
A
A
11.3
δ5 δ10
ψ
%
%
断面收缩率
Z
三、硬度 硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。 即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。 1、布氏硬度 一定直径的硬质合金球（或钢球）在一定载 荷作用下压入试样表面。测量压痕直径, 计算硬 度值。 用钢球压头时硬度 用HBS表示 用硬质合金球时硬 度用HBW表示
布氏硬度计
布氏硬度计的使用
2、洛氏硬度 采用金刚石压头(或硬质合金球压头)， 加预载荷F0 ，压入深度h0 。再加主载荷F1 。 卸去主载荷F1，测量其残余压入深度h。 用h与h0之差△h来计算洛氏硬度值。 硬度直接从硬度计表盘上读得。 根据压头的种类和 总载荷的大小洛氏硬度常 用表示方式有: HRA、HRB、HRC
金属材料的强度与其化学成分和工艺有 密切关系。 纯金属的抗拉强度较低； 合金的抗拉强度较高。 纯铜抗拉强度： 60MPa 铜合金抗拉强度：600MPa～700MPa 纯铝抗拉强度： 40MPa 铝合金抗拉强度：400MPa～600MPa
退火状态的三种铁碳合金： 碳质量分数0.2%，抗拉强度为350MPa 碳质量分数0.4%，抗拉强度为500MPa 碳质量分数0.6%，抗拉强度为700MPa
工材习题集
（A）压应力（B）切应力（C）复合应力（D）拉应力
4．孕育剂的细化晶粒的作用是
（成化合物，并以此作为非自发形核的核心，增加晶核数
（C）提高冷却速度，增加过冷度
（D）降低液态金属的实际结晶温度，提高过冷度
5．实际晶体的冷曲线是
（D）一定温度和成分条件下，从液固两相中同时结晶一种晶体的反应
12．共析钢在727℃奥氏体化后，再缓慢加热至温度为1148℃时，珠光体的含碳量将
（A）从0.77％上升到2.11％（B）保持0.77％不变（C）高于0.77％（D）低于0.77％
13．最适合于热加工成形的相区是
（A）单相的A区（B）双相的F+A区（C）双相的L+A区（D）双相的A+Fe3C
4．已知γ－Fe的晶格常数（a=0.364nm）大于α-Fe的晶格常数（a=0.287nm），为什么γ－Fe冷至912℃转变为α-Fe时，体积反而增大？
5．画出面心立方晶体中的（100）、（110）、（111）晶面和[100]、[110]、[111]晶相，并计算以上各晶面和晶向晶面密度和晶向密度。
6．间隙固溶体与间隙化合物的区别？
10高分子材料的聚集态有、、三种。
三、选择题
1．晶体的位错属于：
（A）体缺陷（B）面缺陷（C）点缺陷（D）线缺陷
2．体心立方晶格中，密排面和密排方向分别是：
（A）(110)、<111>（B）(100)、<111>（C）(111)、<110>（D）<110>、(111)
3．面心立方结构中，密排面和密排方向分别是：
二、填空题
1．工程材料材料化过程中关键步骤分别是：金属材料；高分子材料；陶瓷材料。
1金属材料的种类与力学性能
第一讲金属材料的种类与力学性能于文强讲授各类机电产品，大多是由种类繁多、性能各异的工程材料通过加工制成的零件构成的。
工程材料分金属材料、非金属材料以及复合材料，其中金属材料是工程中应用最广泛的。
一.金属材料的种类金属材料是以过渡族金属为基础的纯金属及其含有金属、半金属或非金属的合金。
由于金属材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，能采用比较简便和经济的加工方法制成零件，因此金属材料是目前应用最广泛的材料。
工业上通常把金属材料分为两大类：一类是黑色金属，它是指铁、锰、铬及其合金，其中以铁为基的合金——钢和铸铁应用最广，占整个结构和工具材料的80%以上；另一类是有色金属，它是指黑色金属以外的所有金属及其合金。
这两类材料还可进一步细分为图1.1所示的系列。
金属材料黑色金属有色金属白口铸铁灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁特殊性能铸铁合金钢铸铁钢碳素钢轻金属（密度小于3.5g/cm2）：如铝、镁、钠、钙重金属（密度大于3.5g/cm2）：如铜、镍、锡、铅、锌贵金属：如金、银、铂、铑、铱稀有金属：如锆、铪、铌、钽、铍、铯、钛稀土金属：如钕、钪、钇放射性金属：如镭、铀、钍图1.1 不同系列的金属材料二. 金属材料的性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。
工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。
1.力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。
这些性能是机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据。
1）强度材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。
根据外力的作用方式，材料的强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。
金属材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能机械制造中使用的材料品种很多，为了正确使用材料，并把它加工成合格的工件，必须掌握材料的使用性能和工艺性能。
使用性能，是指为保证工件正常工作材料应具备的性能，包括力学性能、物理和化学性能等。
工艺性能，是指材料在加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能和切削加工性等。
所谓力学性能，是指材料在外力作用下所表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等，是设计机械零件时选材的重要依据。
这些性能指标是通过试验测定的。
第一节刚度、强度、塑性刚度、强度和塑性是根据试验测定出来的。
将材料制成标准试样(图1-1a)，然后把试样装在试验机上施加静拉力，随着拉力的增加试样逐渐变形，直到拉断为止(图1-1b)。
将试样从开始到拉断所受的力F 及所对应的伸长量ΔL绘制在F—ΔL坐标上，得出力一伸长曲线。
低碳钢的力一伸长曲线如图1—2所示。
从图1—2可知，在OE 阶段，试样的伸长量随拉力成比例增加，若去除拉力后试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
超过E 点后，若去除拉力试样不能完全恢复原状，尚有一部分伸长量保留下来，这部分保留下来的变形称为塑性变形。
当拉力增加到F s 时，力一伸长曲线在S 点呈现水平台阶，即表示外力不再增加而试样继续伸长，这种现象称为屈服，该水平台阶称为屈服台阶。
屈服以后，试样又随拉力增加而逐渐均匀伸长。
达到B 点，试样的某一局部开始变细，出现缩颈现象。
由于在缩颈部分试样横截面积迅速减小，因此使试样继续伸长所需的拉力也就相应减小。
当达到K 点时，试样在缩颈处断裂。
低碳钢在拉伸过程中经历了弹性变形、弹一塑性变形和断裂三个阶段。
F —ΔL 曲线与试样尺寸有关。
为了消除试样尺寸的影响，把拉力F 除以试样原始横截面积A0，得出试样横截面积上的应力，同时把伸长量ΔL 除以试样原始标距L 0，得到试样的应变LL ε∆=0F A σ=σ—ε曲线与F —ΔL 曲线形状一样，只是坐标不同。
第一章金属力学性能与工艺性能
σ
s
：屈服强度
b：最大应力点 “缩颈” σb ：抗拉强度
3.断裂点（k）
强度指标：
1.弹性极限ζe ：是指材料由弹性过 渡到弹-塑性变形的最大应力。 2.屈服强度ζs ：是指材料产生明显 塑性变形时的应力。 需要注意的是，对于高碳钢等一 些相对脆性的金属材料往往没有 明显的屈服平台，规定产生0.2% 残余应变时所对应的应力值作为 其屈服极限，称为条件屈服强度， 记作ζ0.2。 3.抗拉强度ζb ：是指材料拉伸时所 能承受的最大应力。
σ-应力；F-轴向拉力； S-试样原始横截面积
ε =ΔL/L0=(L1-L0)/L0
ε-应变； L0-试样标距； L1-试样拉伸 后长度
应力-应变关系曲线特点（σ-ε曲线）
1.弹性变形阶段（oe） 2.塑性变形阶段（eb） 3.断裂点（k）
应力-应变关系曲线特点（σ-ε曲线）
1.弹性变形阶段（oe）
塑性指标：一般用伸长率(δ)或断面收缩率(Ψ)来反
映材料塑性的好坏。
1.伸长率： δ =(L1-L0)/L0
2.断面收缩率： Ψ=(S0-S1)/S0
三、硬度：
定义：硬度反映了材料表面抵抗其他硬物 压入的能力。 意义：硬度能较敏感地反映材料的成分与 组织结构的变化，与强度、耐磨性以及工艺 性能往往存在一定对应关系，故可用来检验 原材料和控制冷热加工质量。
测量方法：静载压入法
根据压头和载荷的不同，主要有布氏硬度(HB)、 洛氏硬度(HR)和维氏硬度 (HV) 等。
布氏硬度：1900年瑞典工程师布利涅尔
（Brinell）提出
将一定直径的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷下压入被 测金属的表面，并保持一定时间，然后卸除载荷，以金属表面球 形压痕单位面积上所承受载荷的大小来表示被测金属材料的硬度。
工程材料及机械制造基础习题及答案.
第一章材料的种类与性能1．强度：强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
2．屈服强度：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。
3．弹性极限：产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。
4．弹性模量：材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。
5．抗拉强度：抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。
6．塑性：断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。
7．硬度：硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。
8．冲击韧度：冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。
9．断裂韧度：断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。
10．疲劳强度：疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。
11．黏着磨损：黏着磨损又称咬合磨损，其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着，在相对运动时黏着处又分离，使接触面上有小颗粒被拉拽出来，反复进行造成黏着磨损。
12．磨粒磨损：磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。
13．腐蚀磨损：腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落，与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。
14．功能材料：是具有某种特殊的物理性能，化学性能，生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。
15．使用性能：是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能，物理性能，化学性能等。
16．工艺性能：是指材料的可加工性，包括可锻性，铸造性能，焊接性，热处理性能及切削加工性。
17．交变载荷：大小，方向随时间呈周期性变化的载荷作用。
18．疲劳：是机械零件在循环或交变载荷作用下，经过较长时间的工作而发生断裂的现象。
20．蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
21．脆断：在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。
22．应力松弛：是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象。
金属材料工学第一章 金属材料的加热
在相同温度下，一切物体的辐射能以黑体最大。 黑度ε=c/c0，c0为绝对黑体的辐射系数，最大20.52kJ/(m2hK4)
用来加热工件的热量应由发热体、炉壁等辐射来的热量减去反射的热量 及其自身辐射的热量。 发热体与工件之间存在有挡板等遮热物时，将使辐射换热量减少。 气体介质（发热体与工件之间）：单原子气体如H2，O2，N2等不吸收辐射能。 CO2，H2O等都能吸收较多能量。 辐射炉旁，为了减少辐射热损失，采用浅色挡板还是深色挡板？
钢的热传导系数
• 大多数纯金属的导热系数随温度升高而降低。 • 金属的纯度对导热系数影响很大，其导热系数随其纯度的增高而增大，因此合金 的导热系数比纯金属要低。 • 非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数与温度、组成及结构的紧密程度有关， 一般随密度增加而增大，随温度升高而增大。
A<M<P 合金元素M含量对Fe-M二元 合金热传导系数的影响
氨分解装置 制备N2+H2
可逆氧化还原反应
H2-H2O气氛： Fe + H 2O ←⎯<570⎯°C→ Fe3O4 + H 2 , lg K p1 = 1455 / T −1.259 Fe + H 2O ←⎯>570⎯°C→ FeO + H 2 , lg K p3 = 724 / T − 0.391
CO-CO2气氛：
[ C ] Fe 3C , A + CO 2 ←⎯ → 2 CO , K
=
p
2 CO
p CO 2 ⋅ a C
H2-CH4气氛：
[ C ] Fe 3 C , A + 2 H 2 ←⎯ → CH
4, K
=
p CH 4
p2 H2
金属工艺学各章节习题、综合测试题(含答案)
名目第一局部章节习题………………..2页第二局部常见解答题……………..21页第三局部综合测试题…………….30页(摘自德州科技职业学院)第一局部章节习题第一章金属的力学性能一、填空题1、金属工艺学是研究工程上常用材料性能和___________的一门综合性的技术根底课。
2、金属材料的性能可分为两大类：一类喊_____________，反映材料在使用过程中表现出来的特性，另一类喊__________，反映材料在加工过程中表现出来的特性。
3、金属在力作用下所显示与弹性和非弹性反响相关或涉及力—应变关系的性能，喊做金属________。
4、金属反抗永久变形和断裂的能力称为强度，常用的强度判定依据是__________、___________等。
5、断裂前金属发生不可逆永久变形的能力成为塑性，常用的塑性判定依据是________和_________。
6、常用的硬度表示方法有__________、___________和维氏硬度。
二、单项选择题7、以下不是金属力学性能的是〔〕A、强度B、硬度C、韧性D、压力加工性能8、依据拉伸实验过程中拉伸实验力和伸长量关系，画出的力——伸长曲曲折折线〔拉伸图〕能够确定出金属的〔〕A、强度和硬度B、强度和塑性C、强度和韧性D、塑性和韧性9、试样拉断前所承受的最大标称拉应力为〔〕A、抗压强度B、屈服强度C、疲惫强度D、抗拉强度10、拉伸实验中，试样所受的力为〔〕A、冲击B、屡次冲击C、交变载荷D、静态力11、属于材料物理性能的是〔〕A、强度B、硬度C、热膨胀性D、耐腐蚀性12、常用的塑性判定依据是〔〕A、断后伸长率和断面收缩率B、塑性和韧性C、断面收缩率和塑性D、断后伸长率和塑性13、工程上所用的材料，一般要求其屈强比〔〕A、越大越好B、越小越好C、大些，但不可过大D、小些，但不可过小14、工程上一般规定，塑性材料的δ为〔〕A、≥1%B、≥5%C、≥10%D、≥15%15、适于测试硬质合金、外表淬火刚及薄片金属的硬度的测试方法是〔〕A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上方法都能够16、不宜用于成品与外表薄层硬度测试方法〔〕A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上方法都不宜17、用金刚石圆锥体作为压头能够用来测试〔〕A、布氏硬度B、洛氏硬度C、维氏硬度D、以上都能够18、金属的韧性通常随加载速度提高、温度落低、应力集中程度加剧而〔〕A、变好B、变差C、无妨碍D、难以判定19、判定韧性的依据是〔〕A、强度和塑性B、冲击韧度和塑性C、冲击韧度和多冲抗力D、冲击韧度和强度20、金属疲惫的判定依据是〔〕A、强度B、塑性C、抗拉强度D、疲惫强度21、材料的冲击韧度越大，其韧性就〔〕A、越好B、越差C、无妨碍D、难以确定三、简答题22、什么喊金属的力学性能？常用的金属力学性能有哪些？23、什么是疲惫断裂？如何提高零件的疲惫强度？四、计算题24、测定某种钢的力学性能时，试棒的直径是10mm，其标距长度是直径的五倍，Fb=33.81KN，Fs=20.68KN，拉断后的标距长度是65mm。
工程材料课后习题答案
《工程材料及机械制造基础》习题参考答案第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
３、一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛氏硬度的测试原理。
以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应力松弛？蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。
应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。
6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐方法：1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。
每个体心立方晶格的原子数为：2个。
塑性较好。
面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。
每个面心立方晶格的原子数为：4个。
塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。
第1章-金属材料的力学性能
龙芯
联想计算机
没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航
工业。
飞机发动机叶片
在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片
波音客机
没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。
二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列， 称作现代文明的三大支柱之一。
前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入
太空，令美国人震惊不已，认识到在导
短试样 ( l0 = 5d0)
（3）试样材料
2020年4月29日星期三
➢退火低碳钢 ➢铸铁
1.1.1 拉伸试验 ——（4）拉伸曲线
图1-4 低碳钢的F-ΔL曲线 2020年4月29日星期三 韧性断口
图1-5 铸铁拉伸曲线 脆性断口
1.1.1 拉伸试验
➢低碳钢拉伸过程中的变形阶段
弹性变形阶段——（op、pe段） 屈服阶段—— （es段） 强化阶段——（sb段） 缩颈阶段——（bk段）
压痕直径 d/㎜
3.96 3.98 4.00 4.02 4.04 4.06 4.08 4.10 4.12 4.14 4.16 4.18 4.20 4.22 4.24 4.26 4.28 4.30 4.32 4.34 4.36 4.38 4.40 4.42 4.44 4.46 4.48 4.50 4.52 4.54 4.56 4.58 4.60 4.62 4.64 4.66 4.68 4.70 4.72
2.58
564
2.60
555
2.62
547
2.64
538
2.66
530
2.68
522
2.70
514
2.72
507
2.74
499
金属材料的结构与性能
第一章材料的性能第一节材料的机械性能一、强度、塑性及其测定1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的才能。
材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。
常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。
2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的才能。
塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。
二、硬度及其测定硬度是衡量材料软硬程度的指标。
目前，消费中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。
此时硬度可定义为材料抵抗外表局部塑性变形的才能。
因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。
硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。
此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有亲密联络。
三、疲劳机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。
疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的才能。
四、冲击韧性及其测定材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的才能被称为冲击韧性。
为评定材料的性能，需在规定条件下进展一次冲击试验。
其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。
五、断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的才能称为断裂韧性。
它是材料本身的特性。
六、磨损由于相对摩擦，摩擦外表逐渐有微小颗粒别离出来形成磨屑，使接触外表不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。
引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。
按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大根本类型。
第二节材料的物理化学性能1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。
不同用途的机械零件对物理性能的要求也各不一样。
2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀才能。
第三节材料的工艺性能一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。
金属材料的力学性能
（二）洛氏硬度（HR）（P7）
洛氏硬度是以压头压入金属材料的压痕深度来 表征材料的硬度。 压头：1）锥角为120°的圆锥金刚石； 2）Ф1.588mm的淬火刚球 压痕的深度直接可用百分表测出来，还需另外 的测量和计算，十分方便，效率高，是实际生 产中使用最普遍的一种硬度测量方法。
洛氏硬度测量原理（P7）
A0 A1 A 100% 100% A0 A0
断面收缩率与试样尺寸无关； 金属材料只有具备足够的塑性才能承受各种变 形加工。
二、硬度（P6）
硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能指标。是材料 抵抗局部塑性变形的能力，或者说抵抗其它硬物压入的 能力。 硬 度 计 种 类 ： 布 氏 硬 度 （ HB）、 洛 氏 硬 度 （ HR）、 维氏硬度（HV） 重要零件或零件的重要部位大多规定材料的硬度值。因 为：（ 1 ）硬度测量简便迅速，不需做试样，也不需破 坏试件；（ 2 ）多数金属材料的抗拉强度可以根据其硬 度值进行估算。所以硬度是一个很重要的力学性能指标。
早在上世纪20年代,Griffth就提出了著名的裂纹体的 脆断强度理论。 第二次世界大战后，广泛使用高强度材料，引起了一 系列的脆断事故。而且断裂应力远低于σs，即低应力 脆断。 为防止低应力脆断，不得不对其强度—断裂抗力进行 研究，从而形成断裂力学这门新学科。 根据断裂力学的分析，裂纹的尖端前沿存在应力集中， 形成裂纹尖端的应力场，其大小可用应力强度因子K1 来描述：
疲劳强度的影响因素（P10）
疲劳强度的影响因素： 1 ）材料本身的组织结 构状态； 2）表面粗糙度和应力状态。 提高零件疲劳强度的措施： 1、改善内部组织； 2 、设计上减小应力集中，转接处避免锐角 连接； 3、降低零件表面粗糙度； 4、强化表面，如表面淬火、表面滚压、渗 碳等。
金属材料及热处理
一般是指在自然界中含量较少、分布稀散及研究应用较少的有 色金属。稀有金属包括稀土金属、放射性稀有金属、稀有贵金属、 稀有轻金属、难溶稀有金属及稀有分散金属等。
第一章 金属的性能
三、 特种金属
特种金属包括不同用途的结构金属和功能金属，其中有通 过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、 纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、 减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。
常用金属的物理性能
第一章 金属的性能
二、有色金属
有色金属是指除了铁、铬、铬以外的所有金属及其合金，通 常又将其分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属等。有色 金属中除了金为黄色，铜为赤红色以外，多数呈银白色。有 色金属合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电 阻温度系数小。
(1)重金属 一般是指ρ>4.5 g/cm3的有色金属，包括元
素周期表中的大多数过渡元素，如铜(Cu)、锌( Zn)、镍(Ni)、 钴(Co)、钨( W)、钼(Mo)、镉( Cd)及汞(Hg)等，此外，锑 ( Sb)、铋( Bi)、铅(Pb)及锡( Sn)等也属于重金属。重金属主 要用作各种用途的镀层及多元合金。
第一章 金属的性能
(2)轻金属
ρ<4.5 g/cm3的有色金属称为轻金属，如铝( Al)、镁( Mg)、 钙( Ca)、钾(K)、钠( Na)、铯( Cs)等。工业上常采用电化学或化 学方法对Al、Mg及其合金进行加工处理，以获得各种优异的性 能。
疲劳曲线示意图
第一章 金属的性能
3．产生疲劳的原因
许多机械零件在工作中往往受到冲击载荷 的作用，如内燃机的活塞销、冲床的冲头、锻 锰的锰杆和锻模等。制造这类零件所采用的材 料，其性能指标不能单纯用强度、塑性、硬度 来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力 ， 即韧性的大小。目前，工程上常用一次摆锰 冲击缺口试样来测定材料的韧性。材料韧性的 好坏是用冲击韧度来衡量的。
金属材料加工工艺
• ①制作母模：
• 母模是铸件旳基本模样，用于制造压型。可根据设计方案用合适旳料
• 制作母模。
• ②制作压型：压型是制造蜡模旳特殊铸型可采用易熔合金、石膏或
• 硅橡胶制作。用硅橡胶制作压型时，将母模均匀旳刷上压型常用钢或
• 铝合金加工而成，小批量时层硅橡胶，然后贴一层纱布，如此反复五 六次，视铸件旳大小决定。外层用石膏固定，待硅橡胶模固化后，取
•
形状
• ③将坯料在低于主要组元熔点旳温度下进行烧结，使之取得最终旳
•
性能。
•
• 常用旳金属粉末有铁、铜、镍、钻、钨、钼、铬和钛等粉末；合 金粉末有镍青铜合金、钛合金、高温合金、低合金钢和不锈钢等。
热处理
• 经过加热和冷却旳措施，变化金属内部或表面旳 绢织构造， 以取得预期性能旳工艺措施。根据热 处理时加热冷却规范旳基本特点及其对组织性能 旳影响，金属热处理可分为一般热处理、表面热 处理和特殊热处理。1. 一般热处理
• (3)挤压
•
将金属放入挤压筒内，用强大旳压力使坯料从模孔中挤出，
从而取得符合模孔截面旳 坯料或零件印加工措施。常用旳挤压措施
有：正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压。适合于挤压加工旳材料 主要有低碳钢、有色金属及其合金。经过挤压能够得到多种截面形状 旳型材或零件。
• (4)拔制
•
金属塑性加工措施之一。用拉力使大截面旳金属坯料强行穿
大旳凹凸起伏。
• ④将铜皮用胶固定在一张平板上，用多种型号和形状旳錾 子錾出某些精细旳造型，其司需要屡次退火。
• ⑤将制作好旳作品放在铁垫板上，找平，然后整顿好边沿。 • ⑥将作品需要抛光印地方进行抛光，然后进行电镀、化学
着色、防腐等后处理。
• 手工模锻：是指先做好母模再进行铸造成型， • 详细过程是(以紫铜浮雕为例)： • ①首先按设计构思，制作好浮雕泥胚。 • ②将泥胚翻制成玻璃钢。 • ③将铜皮用汽油喷灯过火，烧至红色，进行退
材料与工艺培训课程
材料与工艺二OOO年八月第一章绪论第一节引子第二章金属材料与工艺第一节金属材料工艺（一）切削工艺1．锯削2．车削3．刨削4．磨削5．铣削6．钻削7．其它切削工艺（二）焊接工艺1．电焊2．氩弧焊3．气焊4．点焊（三）板金工艺1．折板工艺2．卷板工艺3．拉伸工艺（四）其它工艺第三节金属材料的常规规格1．板材2．型材3．管材4．有色金属第三章非金属材料与工艺第一节木材与工艺（一）木材的构造（二）木材的工艺1．锯2．刨3．铲、凿、砍4．钻5．粘合6．弯木第二节陶瓷与工艺（一）轮转法（二）注型法（三）圈土法（四）土片法第三节塑料与工艺（一）塑料的种类（二）塑料的工艺1．注射成型2．挤出成型3．压延成型4．压制成型5．差压成型6．对模成型第四章材料的结构第一节机械固件连接1．螺丝固定连接2．螺栓固定连接3．铆钉固定连接4．榫铆固定连接第二节材料特性配合连接1．钩扣式连接2．按扣连接3．铰链连接第三节粘合连接第五章材料表面处理第一节机加工表面处理第二节模具加工表面处理第三节化学加工表面处理第四节喷涂加工表面处理材料与工艺平国安王泓绪论一、材料与工艺发展简史产品是由多种材料、多种结构，通过多种工艺手段加工而成的，人类的生产过程就是将原材料转变成产品的过程。
生产的目的不同，选择的原材料、加工方法和转变过程也不同。
通常将改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程，称为工艺过程，或简称为工艺。
图0-1 司母毋大方鼎（青铜器）图0-2 越王剑人类在同自然界的斗争中，不断改进用以制造工具的材料。
最早被使用的材料是天然的石头和木材，随着技术的发展，逐步发现和使用金属。
人类最早使用的金属材料是青铜。
我国使用金属材料的历史悠久，在河南安阳殷墟留存的司母毋大方鼎（青铜器）铸成于约公元前1400年至公元前1000年的商朝（图0-1）。
公元前五世纪，我国的制剑技术已经很高明。
1965年在湖北省江陵县出土的春秋越王勾践的宝剑，仍然银光闪闪、寒气逼人，这说明当时的钢铁冶练、锻造和热处理技术已达很高水平（图0-2）。
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炼钢方法
技术我国要比其它国家早1600多年。
钢的热处理
技术也达到了相当高的水平。西汉《史记· 天官书》中有
“水与火合为淬”一说， 正确地说出了钢铁加热、水冷的淬 火热处理工艺要点。《汉书· 王褒传》中记载有“巧冶铸干将 之朴，清水淬其锋”的制剑技术。明代科学家宋应星在《天 工开物》一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺作了详细的 论述。钢铁生产工具的发展，对社会进步起了巨大的推动作 用。
1.2 金属材料的性能
金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能：力学性能、物理性能和化学性能。
工艺性能：金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各 种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切 削加工、热处理等）应具备的性能。
1.2.1 力学性能
1. 强度: 材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为 材料的强度。
涤纶安全带
尼龙齿轮
陶瓷材料的发展同样十分引人注
目，它除了具有许多特殊性能作为重要 的功能材料(例如可作光导纤维、激光 晶体等)以外，其脆性和抗热震性正在 逐步获得改善，是最有前途的高温结构 材料。机器零件和工程结构已不再只使 用金属材料制造了。
耐磨陶瓷
绝缘陶瓷
随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、 化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越 来越高、越来越多的要求。传统的单一材料已不
4. 冲击韧度
冲击载荷； 冲击韧度α K；一次冲击试验
(a) 试样安装 (b) 冲击试验机 图1.2.4 冲击韧度试验原理 1、7—支座 2、3—试样 4—刻度盘 5—指针 6—摆锤
r
5. 疲劳强度
交变应力 疲劳破坏 疲劳曲线 疲劳强度 材料疲劳强度用σ r表示，r表示交变应力循环系数，对 称应力循环时的疲劳强度用σ -1表示。 规定钢铁材料经受107循环，有色金属经受108循环时 的应力值确定为σ -1。 产生疲劳破坏的主要原因
青铜器
春秋战国时期《周 礼· 考工记》中记载 了钟鼎、斧斤等六类 青铜器中的锡含量， 称为“六齐(剂)”。
书中写道：“六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金 而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之 齐；三分其金而锡居一，谓之大刃（剑）之齐；五分其金而 锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴（铜镜）燧 （阳燧）之齐”。这是世界上最古老的关于青铜合金成分的 文字记载。这表明我们的祖先已经认识到了青铜的性能与成 分之间的密切关系。（阳燧是指凹面镜而言,”燧”即取火之 器,阳燧是取火于太阳之镜 ）
在材料领域中还应该提到的是
丝绸。
丝绸是一种天然高分子材料，它在我国有着悠 久的历史，于十一世纪传到波斯、阿拉伯、埃及， 并于1470年传到意大利的威尼斯，进入欧洲。中国 丝绸，名扬四海。
历史充分说明，我们勤劳智慧的祖先， 在材料的创造和使用上有着辉煌的成就，为 人类文明、世界进步作出了巨大贡献。
2 、新材料新工艺重大成果
瓷器
我国在东汉时期发明了瓷器， 成为最早生产瓷器的国家。 瓷器于9世纪传到非洲东部 和阿拉伯国家，13世纪传到 日本，十五世纪传到欧洲。 瓷器成为中国文化的象征， 对世界文明产生了极大的影 响。直到今天，中国瓷器仍 畅销全球，名誉四海。
青铜器
我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到 殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造各种 工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重 达8750 N, 外型尺寸为1.33 m×0.78 m×1.10 m, 是迄今世 界上最古老的大型青铜器。从湖北隋县出土的战国青铜编钟 是我国古代文化艺术高度发达的见证。
铁人
我国从青秋战国时期(公元前 770年～公元前221年)已开始 大量使用铁器。
从兴隆战国铁器遗址中发掘出 了浇铸农具用的铁模，说明冶 铸技术已由泥砂造型水平进入 铁模铸造的高级阶段。到了西 汉时期, 炼铁技术又有了很大 的提高，采用煤作为炼铁的燃 料，这要比欧洲早1700多年。 在河南巩县汉代冶铁遗址中， 发掘出20多座冶铁炉和锻炉。 炉型庞大，结构复杂，并有鼓 风装置和铸造坑。可见当年生 产规模之壮观。
HBW=
(N/mm2)
图1.2.3 布氏硬度测试原理
布氏硬度值按下式计算：
HB HBW= 所加载荷 （N / m m2） (N/mm2) 压痕表面积
布氏硬度试验适用于测量退火钢、正火钢及常见的 铸铁和有色金属等较软材料。布氏硬度试验的压痕面积 较大，测试结果的重复性较好，但操作较繁琐。
（2）洛氏硬度
纳米
复合材料。
碳纳米管
总之，材料科学和材料工程发展很快。我们需要 掌握材料科学的基本理论和基本知识，研究和发 明新的材料和新的工艺，合理地使用各种工程材 料，为我国的现代化建设事业作出贡献。
二、 工程材料的分类
各类机电产品，大多是由种类繁多、性能各异的 工程材料通过加工制成的零件构成的。由于材料的种 类繁多，用途甚广，因此分类的方法也很多。 在工程上通常按材料的化学成分、结合键的特点 将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料及 复合材料等几大类，其中金属材料是工程中应用最广 泛的。 金属材料是以过渡族金属为基础的纯金属及其 含有金属、半金属或非金属的合金。
件的表面处理。 我国汽车工业发展迅猛，汽车材料需求迅速增 加。
新型轿车
电动汽车
航空、航天事业迅速崛起， 带动航空、航天材料的发展。
1966年我国成功发射人造卫星； 1999年11月21日我国载人航天工程第一艘 试验飞船“神舟”一号飞行成功； 2003年10月15日中国第一艘载人飞船“神 舟”五号飞行成功；
金属材料及工艺
第1 章
金属材料的种类与性能
1.1 金属材料的种类
一、材料的发展及应用
1 、中华民族对材料发展的重大贡献
石器
在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。我们的祖 先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料 制成石刀、石斧、石锄。
陶器
早在新石器时代(公元前6000年～公元前5000年)，中华民族 的先人们用粘土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。马家窑 (甘肃)文化时期的陶器以砂质和泥质红陶为主，表面彩绘有 条带纹、波纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等。
图1.2.2 低碳钢的应力―应变曲线图
2、塑性
（1）伸长率 δ10(或δ) 和δ5
l l0 100% l0
A0 A 100% A0
（2）断面收缩率
一般把δ >5%的材料称为塑性材料，δ <5% 的材料称为脆性材料。
3. 硬
度
材料抵抗更硬物体压入的能力称为硬度。常用的硬度指 标有布氏硬度、洛氏硬度等。 (1) 布氏硬度
白口铸铁 灰铸铁 铸铁 黑色金属 钢 金属材料 球墨铸铁 可锻铸铁 特殊性能铸铁 碳素钢 合金钢
轻金属（密度小于 3.5g/cm2） ：如铝、镁、钠、钙 重金属（密度大于 3.5g/cm2） ：如铜、镍、锡、铅、锌 有色金属 贵金属：如金、银、铂、铑、铱 稀有金属：如锆、铪、铌、钽、铍、铯、钛 稀土金属：如钕、钪、钇 放射性金属：如镭、铀、钍
黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)
我国古代创造了三种 。第一种是从矿石中 直接炼出自然钢。用这种钢作的剑在东方各国享有盛誉，东 汉时传入了欧洲；第二种是西汉时期的经过“百次”冶炼锻 打的百炼钢；（炒钢”，因在冶炼过程中须不断搅拌，有如炒菜一样而得名。其法是
将生铁加热成半液态或液态，靠鼓风或撒入精矿粉，使硅、锰、碳氧化，让含碳量降低到 钢的成分范围。炒钢多是一种低碳钢；控制得好，也有中碳钢、高碳钢；有时也得到熟
几种常用洛氏硬度级别试验规范及应用范围见表1.2.1。 为了区别洛氏硬度试验所使用的压头类型，新标准增 加了在硬度符号后面追加符号“S”或“W”的规定。 洛氏硬度试验测试方便，操作简捷；试验压痕较小， 可测量成品件；测试硬度值范围宽，采用不同标尺可测 定各种软硬不同和厚薄不同的材料，但应注意，不同级 别的硬度值间无可比性。由于压痕较小，测试值的重复 性差，必须进行多点测试，取平均值作为材料的硬度。
2008年9月25日中国第三艘载人飞船“神 舟”七号飞行成功。
人造卫星
运载火箭
飞船
“神舟”七号飞行成
功
超7隐形战斗机---研制了超7隐形战斗机，2003年8月30日首
飞成功
。
歼7E战斗机
在C60和碳纳米管新型碳材料的研究方面取 得许多新的成果,利用碳纳米管作为衬底, 制 备出均匀、致密的金刚石薄膜，并用碳纳米 管作为晶须增强复合材料，制作
镁铝合金叶轮
镁铝合金手机壳
材料快速成型技术和 材料表面处理技术在我 国得到迅速发展。
分层实体快速成形减速机箱体原型
熔融沉积快速成形叶轮原型
激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽
车发动机缸套、凸轮轴、石油抽油管、纺织用锭杆
等零件的表面强化上得到应用。
化学气相沉积(CVD)可制造出高硬度、
高耐磨性的金黄色TiN薄膜, 用于耐磨零件和装饰
能满足使用要求。 的研究和应 用引起了人们的重视。如玻璃纤维树脂复合材料 (即玻璃钢)、碳纤维树脂复合材料已应用于宇航 和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、 飞机机身、螺旋桨等、发动机叶轮等；在交通运 输工业中制造汽车车身、轻型船艇等，在石油化 工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。
复合材料
拉伸试样: 按照GB/T228-2002规定的圆柱形拉伸试样
如图1.2.1（a）所示：
图1在外加载荷作 用下的变形过程一般可分为
三个阶段 ，即弹性变形、
塑性变形和断裂。 （1）弹性模量E 弹性极限 σe （2）屈服强度σs