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

HB 0.102

2P
D( D D 2 d 2 )
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
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
异形材
板材
管材
金属材料制品
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


传统陶瓷又称普通陶瓷, 是以天然材料(如黏土、石

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结构，减少表面缺陷，提高表面 光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面 光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
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： 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； 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。
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， 常用的标尺为A、B、C。
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

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。
E tg （MPa）

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。 规定残余伸长应力0.2：残余变 形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度b：材料断裂前所承受 的最大应力值。

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。


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。
维氏硬度保留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、表面硬
化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。
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。
应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0 拉 伸 试 验 机
低碳钢的应力-应变曲线
拉伸试样
一、强度

1. 弹性极限：材料承受最 大弹性变形时的应力。指标 为弹性极限e。

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，则就此 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。
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 表面上，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。它适用于测量大型表面光滑的工件，如大 型冷扎辊的验收就采用肖氏硬度。
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、表面淬火层和渗碳层。


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、中等厚度表面硬化零件等。
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。
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。
30~40个范围。

Hale Waihona Puke 对同一种材料采用不同的F和D进行试验时，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
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结构和机械零件并主
要要求力学性能的结构材料。

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
金属材料
黑色金属
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 热性、延展性和金 属光泽 用量最大、应用最 广泛
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
航空发动机
材料制成的，它们具有
重量轻，弹性好，强度 高等优点。
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。

工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括

2) 努氏硬度 将两相对棱边夹角分别为17230 和130的菱形锥体金刚石压头以规定的试验力压 入试样表面，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， 则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。 特别适用于对经表面热处理或化学热处理的工件 硬度和硬度梯度的测定。
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结构的材料 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
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

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。
度放大镜测出压痕直径d，根据d值查表可求所测硬度值。

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之间的经验关系：
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)