1 绪论 第一章 机械工程材料的分类和性能

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布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
布氏硬度计
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(1) 布氏硬度 • 它是最古老最常用的试验方法，如图1-3（a）所示。 在力P的作用下，把直径为D的钢球(淬火钢球或硬质 合金球)压入被测物体中，布氏硬度值是载荷除以压 痕的球形面积（直径为d)，用HB 表示。 • 当布氏硬度机所用的压头是淬火钢球时，不能用作测 试太硬的材料(如淬火件等)，因材料太硬时，钢球会 变形，测出的硬度不准确，故一般只能测HB＜450的 材料，其硬度值以HBS表示；适于测定退火钢、正火 钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。布氏硬度在 450-650之间的材料，压头用硬质合金球，其硬度值 用HBW表示。 • 布氏硬度的优点是测量误差小，数据稳定；缺点是压 0 痕大，不能用于太薄件或成品件。
（1）伸长率用δ表示：
L1 L0 100% L0
式中 L0—拉伸试样标距原长； Ll—试样拉断后标距长度。
伸长率的数值和试样标距长度有关，标准圆形试样 有长试样(L0=10d0，d0为试样直径)和短试样(L0=5d0) 两种。
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（2）断面收缩率ψ(psi)
• 断面收缩率ψ：
S 0 S1 100% S0
式中 F—轴向拉力(N)； S—试样的横截面积(m2)。
L1 L0 L0
式中 L0--试样标距长度(mm)； L1-- 试样变形过程中和 F 对 应的总伸长(mm)。
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图l-2 低碳钢的ζ-ε曲线图
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ζ-ε 图显示了材料在单向拉应力作用下，从开始变形直至断裂整 个过程中的各种性质，它一般可以分为三个阶段： 1．弹性变形阶段(O-A) 在这个阶段，材料内部的原子之间距离只发生弹性伸长，所以应力 与应变呈直线关系，遵从虎克定律，此时如果卸掉载荷，试样就能 恢复到原来的长度。 2．塑性变形阶段(B-D) 此时，ζ与ε的关系偏离直线关系。在BC段，应力几乎不变，但应 变却不断增大。超过C点之后，因材料发生加工硬化，若要试样继 续变形就必须加大载荷，当应力达到最大值 (D点)后，试样的某一 部分截面急剧缩小，产生“缩颈”现象。在塑性变形阶段即使卸掉 载荷，试样也不能恢复到原来的长度。 3、断裂(E点) 在E点以后，试样的变形主要集中在缩颈部分，最终导致试样在缩 颈处发生断裂。拉伸曲线所显示出的材料本性主要是由于材料内部 微观结构的变化引起的，所以不同的材料在拉伸过程中会出现不同 形式的 ζ-ε曲线。 0
工程材料学
学时/学分：32/2 属必修考试科目：考试成绩占70%， 平时成绩占30%。
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绪
论
一、材料技术的发展与社会进步
• 材料是人类生产和社会发展的重要物质基础，也是日常生活中不可分割的 一个组成部分。自从地球上有了人类至今，材料的利用和发展构成了人类 文明发展史的里程碑 ： 人类最早使用的工具是石头（石器时代）；原始社会末期开始用火烧制 陶器，由此发展为以后的瓷器（中国古代文化的象征）， 随后发展起来的 青铜冶炼技术把人类带入青铜器时代；青铜器过渡到铁器（时代）生产工 具大发展—人类进入农业社会。 18世纪世界工业迅速发展（钢铁工业迅猛发展），造就了工业社会文明。 1863年光学显微镜问世，使人们开始步入材料的微观世界。1912年X射 线衍射技术和1932年电子显微分析技术及后来出现的各种先进的显微分析 技术，把人们带到了微观世界的更深层次。人们开始了对晶体微观结构的 研究，大大推动了材料学的研究与发展。新材料更是层出不穷，出现了 “高分子材料时代”、“半导体材料时代”、“先进陶瓷材料时代”、 “复合材料时代”、“人工合成材料时代”和即将进入的“纳米材料时 代”。 0 材料科学技术的发展和应用，促成了机械制造业的腾飞。
式中 S0—试样原始横截面积； S1— 断口细颈处的横截面积。
断面收缩率的数值不受试样尺寸的影响，用断面收缩 率表示塑性更能接近材料的真实应变。 δ 或 ψ 值愈大，说明材料的塑性愈好，良好的塑性是 材料进行压力加工的必要条件。
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4. 硬度
• 材料抵抗其他硬物压入其表面（抵抗局部塑性变形 ）的能 力称为硬度，它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。一般 情况下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。 • 硬度是材料最常见的性能指标之一。硬度的测定方法很多， 现在多用压入法测定。根据测量方法的不同，常用的硬度指 标有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等。用各种 方法所测量的硬度值不能直接相比较，可以通过硬度对照表 换算。 • 材料的硬度与它的力学性能如强度、耐磨性以及工艺性能， 如切削加工性、可焊性等之间存在着一定的对应关系，所以 在一些零件图样上，硬度是检验产品质量的重要指标之一。
•
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2 高分子材料
高分子材料又称聚合物材料，主要成分为碳和氢。 按其用途和使用状态又分为橡胶、塑料、合成纤维和 胶粘剂等几大类型。
3 无机非金属材料
主要指水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等。
4 复合材料
是把两种或两种以上的不同性质或不同组织结构 的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构成的。它 不仅保留了组成材料各自的优点，而且具有单一材料 所没有的优异性能。复合材料通常分为三大类： 树脂 基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。
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比强度 ( specific strength ): 材料的强度值与密度值之比。 名称 密度 (g / cm3) 2.7 纯铝 纯铁 7.87 强度 ( Mpa ) 80～100 180～280 比强度
30～37
23～36
纯钛
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4.5
405～500
90～111
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3. 塑 性
是指材料在外力作用下破坏前可承受最大塑性变形的 能力。常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。
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第一节 工程材料的分类
1．金属材料
金属材料是用量最大、用途最广的机械工程材料。它包含两大类型；黑色 金属和有色金属。 • (1)黑色金属 黑色金属是指铁和以铁为基的合金，即钢铁材料，它占金 属材料总量的 95 ％以上。由于钢铁材料力学性能优良和低廉的价格，所以 在工程材料中一直占据着不可替代的主导地位。有一组数据可以说明这一 点。新中国的钢产量从 1949 年的15.8万吨起步，产量每增加 5千万吨/ 年上 一个台阶： 第一次用了37年，第二次用了10年，第三次用了5年，第四次仅用了2年 （ 2003 年产量达到 2.2 亿吨， 04 年达到 2.7 亿吨）。五次1 年--05 年达 3.5 亿 吨。07年4.89亿吨。 2012年中国粗钢产量已超过7亿吨！ 目前中国钢铁总产量相当于世界前十大产钢国的总产量之和！粗钢产量 分别是美国和日本的5倍！ • (2)有色金属 除铁基合金之外的所有金属及其合金材料。它可分为轻金 属( 如铝、镁、钛)，重金属(如铅、锡)，贵金属(如金、银、镍、铂)和稀 有金属（钨、钼、锂、铌、镓、铟）等，其中以铝、铜及其合金用途最广。
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材料的主要性能
材料的主要性能是指:
（1）力学性能
1.使用性能 （2）物理性能
（3）化学性能
2.工艺性能 ——加工成形的性能
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第二节 机械工程材料的力学性能
• 材料在力的作用下所表现出的特性即为材料的力学性能。 通常把力的作用称为载荷或负荷。材料的力学性能包括 强度、硬度、塑性、韧性、疲劳特性、耐磨性等。材料 在外力作用下发生的形状和尺寸变化称为变形，外力去 除后能够恢复的变形称为弹性变形，外力去除后不能恢 复的变形称为塑性变形。材料的力学性能不仅取决于材 料本身的化学成分，而且还和材料的微观组织结构有关。 • 材料的力学性能是衡量工程材料性能优劣的主要指标， 也是机械设计人员在设计过程中选用材料的主要依据。 材料的力学性能可以从设计手册中查到，也可以用力学 性能试验方法获得。了解材料力学性能的测试条件、实 验方法和性能指标的意义将有助于了解工程材料的本性。
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（2）抗拉强度(强度极限) σ
b
• 拉伸曲线上 D 点的应力 ζb 称为材料的抗拉 强度，它表明了试样被拉断前所能承载的 最大应力。抗拉强度是零部件设计和评定 材料时的重要强度指标。尤其是对于脆性 材料，由于拉伸时没有明显的屈服现象， 这时一般用抗拉强度指标作为设计依据。 • 强度ζb与密度ρ（rou)之比称为比强度，它 也是零件选材的重要指标。
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三、基本要求
1、建立工程材料学的基本概念，培养良好的工程意识。 2、掌握必要的材料科学的理论基础。 3、熟悉各类常用工程材料，包括金属材料、高聚物材 料、陶瓷材料等的成分、结构、性能应用特点及牌号 表示方法；掌握强化金属材料的基本途径；了解新型 材料的发展及应用。 4、掌握选择零件材料及成形工艺的基本原则和方法步 骤，了解失效分析方法及其应用，了解表面处理技术 的应用；具有初步做到合理选择材料、正确选择加工 方法及安排工艺路线的能力。 5、了解与本课程有关的新材料、新技术、新工艺。
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2.强 度
（1）屈服点和屈服强度σ
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。
S
• 在拉伸过程中，载荷不增加而应变仍在增大的现象称 为屈服。拉伸曲线上与此相对应的B点称屈服点，其应 力称屈服应力 σ S 。对于在拉伸过程中屈服现象不明 显的材料，规定以残余变形量为 0.2 ％时的应力值作 为它的条件屈服强度，记为σ 0.2 。 • 机械零部件或构件在使用过程中一般不允许发生塑性 变形，所以材料的屈服点是评价材料承载能力的重要 力学性能指标。
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拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验机
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在拉伸过程中，拉伸试验机上的自动记录系统同时绘制出拉伸 过程中的应力一应变曲线图，也称为ζ(sigma)-ε(epsilon)曲线。 图的纵坐标为应力ζ (单位为Pa)，横坐标为应变ε (％)，ζ和ε的 定义可表示如下：
F S
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• 不同材料的拉伸曲线
退火低碳钢
中碳调质钢
淬火钢及铸铁
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低、中回火钢
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拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
根据 ζ-ε 曲线可以计算出材料的强度、塑性等 力学性能指标。 1．弹性模量E 2．屈服点ζS 3．抗拉强度(强度极限) ζb 4. 伸长率δ 5．断面收缩率ψ (psi)
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第一章 机械工程材料的分类与性能
工程材料是指工程上使用的材料，其种类繁多，有许多不同 的分类方法： 若按材料的化学成分、结合键的特点分，可分为金属材料、 高聚物材料、无机非金属材料和复合材料四大类。 按性能特点和用途分为结构材料和功能材料：结构材料是以 力学性能为主要使用性能，用于制造工程结构和机器零件的材料； 功能材料是以物理、化学性能或生物功能等为主要使用性能，用 于制造具有特殊功能的元器件的材料。 材料性能是指材料在外界因素作用下表现出来的行为。在选 择材料时，必须考虑材料的相关性能，使之与所要求的性能相符 合。材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两大类：使用性能 是指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。工艺性能是指材料在加工过程中所表现的性能，包 括铸造、锻压、焊接、热处理和切削加工性能等。
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二、课程的重要地位与作用
• 进入21世纪，能源、信息和新材料已成为现代科学技术和现代 文明的三大支柱．而新材料又是最重要的基础。历史证明，每 一次重大新技术的发现．往往都依赖于新材料的发展。 • 材料的种类、数量和质量已是衡量一个国家科学技术、国民经 济水平以及社会文明的重要标志之一。我国把新材料的研究开 发放在了优先发展的地位。 • 工程材料学是机械制造过程的重要部分。 • 工程材料学是一门主干技术基础课。 • 在于使学生建立生产过程的基本知识，了解新材料，掌握现代 制造工艺和方法，培养工程素质、实践能力和创新设计能力。
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拉伸试验及拉伸曲线
评价材料力学性能的指标是通 过拉伸试验测定的。 拉伸试验可以在拉伸实验机上 进行，被测试的材料按国家标准 制成如图1—1所示的光滑圆柱形 标准拉伸试样。试样中间截面均 匀的部分作为测量延伸量的基本 长度，称为标距L0。试样的两端 放在拉伸试验机的夹头内夹紧， 然后缓慢而均匀地施加轴向拉力。 随着拉力的增加，试样被拉长， 直至拉断为止。 • 图1—1 拉伸试样示意图 • a)拉伸前 b)拉伸后
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1．弹性模量（刚度）E
图1-2中的直线段OA的斜率即为材料的弹性模量E：
σ E ε
式中
ζ—应力； ε —应变。
弹性模量 E 值表征材料产生弹性变形的难易程度。 金属的弹性模量是一个对组织不敏感的参数，其大小 主要取决于金属的本性，而与显微组织无关。因此， 热处理、合金化、冷热变形等对它的影响很小。要想 提高金属制品的刚度，只能更换金属材料、改变金属 制品的结构形式或增加截面面积。