工程材料(第一章)

要有好的弹性，应从提高材料的弹性极限及降 低弹性模量入手。
弹性变形失效： • 过量的弹性变形失效（如轴类零件的弯曲
变形…） • 失去弹性功能的弹性变形失效（弹簧秤、
安全阀…）
弹性变形失效的原因：过载、超温或材料 变质。（原设计考虑不周、计算错误或选 材不当）
弹性变形失效的预防措施： • 选择合适的材料或构件结构（E值高的、
136
HV = ——F— A
载荷P：分为六级 (5,10,20,30,50,100Kg)
根据材料硬度和厚度选择， 且维氏硬度不随载荷变 化。
特点（HV）：
• 测量精度高，测量范围宽，应用 广。不同载荷下维氏硬度可以相 互比较。特别适用于测定工件表 面硬化层、金属镀层及薄片金属 的硬度。
硬度的应用:
承载截面积大的…） • 确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束
条件 • 采用减少变形影响的连接件
1.1.3 塑性
在外力作用下材料产生永久变形
而不被破坏的能力。
do
★ 伸长率(δ)
L1-L0
lo
δ = ———×100％
L0
d1
★断面收缩率(Ψ)
A0-A1
y = ——— ×100％
l1
A0
注： ＊试样分长短两种，同一材料 δ5>δ10 。 ＊Ψ与试样的尺寸无关，能更准确地 表达材料的性能。 ＊δ、Ψ值越大，表示金属的塑性越 好。
金属塑性变形的特点：不可逆性、变形量不恒 定、慢速变形及伴随材料性能的变化。
塑性变形失效：金属构件产生的塑性变形量 超过允许的数值称为塑性变形失效
塑性变形失效的原因及预防措施： 原因—过载、偏载、加工及热处理产生残余应
力、材料微观不均匀等因素。
预防措施—合理选材（ σs、材料质量）、准确
确定构件的工作载荷（正确计算、合理设 计）、严格工艺规程、严禁构件超载运行、 监测腐蚀环境。
材料的塑性
的塑性
1.2 硬度
是指材料的软硬程度；表征了材料 抵抗表面局部塑性变形及破坏的能力。
常用硬度测定方法: 硬物压入法
1.2.1 布氏硬度(HB)
硬物：球形压头(D = 10、5、2.5、2、1mm) 载荷：P (kgf) HBS:普通淬火钢球
硬度值在450以下
F
HBW:硬质合金球
D
h
硬度值在450～650 d
格的气密性，要采用 σ0.01，甚至 σ0.001。而对 于桥梁、建筑物等大型
工程结构的构件则可以
容许更大的残余变形量 如σ0.5.
0.2
%
2. 抗拉强度(σb) 指材料所能承受的最大应力。
MPa
b
σb
（σp表示比
s s’
σs
e p
k
例极限；
σe 表示弹性
极限）
o
e =D l/L
1.1.2 刚度与弹性模量(E)
拉延 翻边
板料
冲孔、 落料
强度和塑性的主要指标
名称
符 号
屈服强度 σs
抗拉强度 σb
物理意义
工程意义
材料对开始塑性变 塑性材料零件设
来自百度文库
形的抗力
计的主要依据
材料对最大均匀塑 脆性材料零件设
性变形的抗力
计的主要依据
延伸率 δ
断面收缩 率
ψ
材料断裂前产生塑 为避免零件脆断，
性变形的能力，即 材料应具有一定
★刚度是指零件或构件抵抗弹性 变形的能力。
（取决于材质 与结构形状； 材质方面取决 于它的弹性模 量）
★弹性模量 是指在比例 σ
极限(σp )范围内， 应力与应变之比。
E=s/e
（1、2）钢：2×105MPa o （ 3）铝：0.7×105MPa
1 弹簧钢 2 低碳钢
3铝
ε
不同E值的材料，不能只从E值大小判断其弹 性好坏，要依据发生塑性变形前最大弹性变形 量的大小而定。
合金等
HR 淬火 980 25～
B 钢球
100
红 有色金属， 退火、正 火钢等
HR 金刚 1470 20～67
黑
C石
淬火钢、 调质钢等
特点（HR）：
• 测量简便迅速，直接读数，表面 压痕小，对表面粗糙度要求低。 但误差稍大，需多点测量取平均 值。
1.2.3 维氏硬度(HV)
F
压 头 ： 顶 角 为 136° 的 金 刚石正四棱锥体
或140kg)使压入深度达h2 ； ▲卸除主载荷、保留初载荷，
压入深度减小为h3 。 洛氏硬度的计算深度值
△h= h3 -h1
K-△h HR = ———
0.002
0
0
压头
1
1
3
3
2
2
被测材料
洛 压头 主载 测量范 刻度颜色 应用材料
氏
荷/N 围
HR 金刚 588 70～85
黑
A石
表面硬化 层、硬质
F
HBS(HBW)= ———
A
特点（HB）：
• 压痕面积大，较好地反映综合性能； 且数值准确，特别适合粗大晶粒。
• 不宜用于检测成品、小件、薄件的 硬度。
1.2.2 洛氏硬度(HR)
硬物：顶角120°金钢石圆锥(或Φ1.588mm淬火钢球)
h2 h3
h1 K= 0.2
载荷： ▲初载荷10kg并压入深度h1 ▲ 主 载 荷 (50kg 或 90kg
s s’
b
k
承受的力 σs
e
p
﹡应变：试样单
位长度上的
伸长量
%
o
e =D L/L ε
1.屈服强度
MPa
b
σb
屈服强度(σs)：
s s’
k
指材料产生
σs
e p
屈服时的最
小应力。
o
e =D l/L
条件屈服强度(σ0.2)：残余应变量为0.2 ％时的应力值(国标规定)。
允许的残余应变量可因 σb 构件的服役条件而定。 如高压容器，为保持严 σ0.2
do
测定方法：
拉伸试验 标准试样
lo (a)园试样
ao
D bo
L0 (b)板材试样
拉伸试验
设备及标准试样
力学性能
拉伸三个阶段
b
N
﹡弹性变形阶段
Pb
s s’
k
0-p-e
Ps
e p
﹡弹塑性变形阶段
屈服-强化-缩颈）
e-s s-s′ s′-b b-k
﹡断裂 k
o
Dl
mm
拉伸曲线
MPa
σ
﹡应位力面：积试上样所单σb
◆对于工具、模具和有耐磨性要求的 零件的使用性能指标，
◆零件强度的估算，如对于低碳钢， 也可采用硬度与强度换算表(见附录)。
1.3 冲击韧性（动态力学性能指标）
• 韧性：材料抵抗裂纹萌生扩展的能 力。包括：冲击韧性和断裂韧性。
• 冲击韧性：表征材料抵抗冲击载荷 的能力，是材料在断裂前所能吸收 能量大小的度量，是一种能量参数 （力与速度）。
第一章
工程材料的性能
使用性能
物理性能：密度、熔点、 导电性、导热性、热膨 胀性和 磁性等
化学性能：抗氧化性和 耐腐蚀性
性
机械性能：强度、硬
能
度、塑性、韧性、疲
劳强度等
工艺性能：铸造性能、可锻性、可焊 性、切削加工性和热处理工艺性等
1.1 强度与塑性 1.1.1 强度MPa((MN/m2 )
在外力作用下材料抵抗塑性变形 和断裂的能力。