机械工程师入职培训(三)工程材料

常用测量硬度的方法：
布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 肖氏硬度HS 努氏硬度HK 里氏硬度HL
(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )
测量压痕球形面积
布氏硬度计
HB 0.102F A
适用范围:
❖ ＜450HBS; ❖ ＜650HBW;
特别适用于测定灰铸铁、 轴承合金等具有粗大晶粒 或组成相的金属材料的硬 度及钢件退火、正火和调 质厚的硬度。不宜在产品 上进行试验
σe σs σb
E
ε
δu δb δ
•塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。 防止过载断裂； •塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。
4.冲击韧性( notch toughness ):
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
冲击试验机
冲击试样和冲击试验示意图
试样冲断时所消耗的冲击功A k为:
（温度、介质）下，承受各种外加载荷 （拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变 应力等）时所表现出的力学特征。简单地 说，力学性能是指材料在外力作用下表现 出来的性能。主要力学性能指标：硬度、 强度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性 等。
材料力学性能主要取决于材料的组织 成分和晶体结构。
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1. 硬度
硬度( hardness ):是指材料抵抗其他 硬物体压入其表面的能力。
σe = S0
弹性极限载荷( N ) ( M pa )
试样原始横截面积( mm2)
屈服强度:
产生明显塑性变形的最低应力值.
Fs
试样屈服时的载荷( N )
σs =
( M Pa )
S0
试样原始横截面积( mm2)
屈服强度( 塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)
F0.2
= σ0.2
S0
试样产生0.2%残余塑性变 形时的载荷(N)
Fe Fs
k
Fb
• 平台或锯齿（s段）：屈服阶
段； • sb段：均匀塑性变形阶段，是
强化阶段。
Fp
• b点：形成了“缩颈”。
o
g
Δl u Δl b
Δl
拉伸曲线
Δl • bk段：非均匀变形阶段，承载
f
下降，到k点断裂。
• 断裂总伸长为Of，其中塑形变
形Og(试样断后测得的伸长)，
弹性伸长gf。
弹性极限: Fe
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。
(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )
HV 0.10F20.189F1测量压痕对角线比较长度
A
d2
特点：试验
力任意选取，
压痕测量精
度高，硬度
值准确，但
需查表或计 算效率低。
压头： 两对面夹角1360的 金刚石四棱锥体
适用范围: ➢ 测量薄板类 ; ➢ HV≈HBS ;
(4)肖氏硬度 HS 是一种动载荷试验法，较为方便，可在现
场测量大型工件的硬度，缺点是精度较低。
（7）掌握钢的常规热处理（退火、正火、淬 火、回火、时效等）、表面淬火（火焰淬 火、感应加热淬火）、化学热处理（渗碳、 渗氮、碳氮共渗等）、铸铁（灰铸铁、可 锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁 等）热处理、有色金属（铝合金、铜合金 等）热处理方法的选用。
（8）了解热处理设备（燃烧炉、电阻炉、真 空炉、感应加热电源及淬火机床）。
A）洛氏硬度计 B）布氏硬度计 C）维氏硬度计 D）里氏硬度计
例2.（8. 2006单选1）测定灰铸铁、轴承合金等 具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度及钢 件退火、正火及调质后的硬度常采用
A）洛氏硬度试验 B）布氏硬度试验 C）维氏硬 度试验 D）努氏硬度试验
例3.(24. 2005单选2）广泛用于钢件淬火后的硬 度检测仪器是：A）洛氏硬度计 B）布氏硬度 计 C）维氏硬度计 D）肖氏硬度计
例6.（52. 2004简答5分）金属材料力学性能的 主要指标有哪些（至少列举5项）？用符号表示 常规力学性能的五项指标。
答：硬度、强度、塑性、韧性、刚度、耐磨性、 缺口敏感性等。超常规力学性能的五项指标： σb 、σe 、 δ 、ψ、 a k
2.2 金属材料及其热处理
• 2.2.0 考核知识点
A k = m g H – m g h (J)
冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。
AK
a k=
S0
(J/cm²)
5.疲劳强度( fatigue strength ): 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引
起断裂的最大应力值。
钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108
根据晶体缺陷的几何形态特征，可将 其分为以下三类：
点缺陷
线缺陷
面缺陷
点缺陷——空位和间隙原子和置换原子
线缺陷—位错
晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律 的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的 尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。最常见最基 本的位错是刃型位错和螺型位错
位错的存在以及位错密度的变化，对金属的 性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金 属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工 后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是 由于位错密度的增加所致。
2.2.1金属的晶体结构
2.2.1.1晶体的特性：熔点和各项异性
固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体 和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的 几何规律作周期性地排列 。非晶体中原子（或分子） 则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）
2.2.2.2金属的晶体结构
由于金属键结合力较强， 是金属原子总趋于紧密排列的 倾向，故大多数金属属于以下
2.强度指标 (1)拉伸试样 GB6397-86规定《金属拉伸试样》有： 圆形、矩形、异型及全截面． 常用标准圆截面试样。 长试样：L0=10d0; 短试样：L0=5d0
拉伸试样
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验机
F
b
• op段：比例弹性变形阶段； • pe段：非比例弹性变形阶段；
es p
金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复 合材料
2.1.2工程材料的性能 工程材料的性能主要包括工艺性能和
使用性能。 •工艺性能是指材料使用某种工艺方法进行 加工的难易程度（相对性）。 • 使用性能是指材料在正常工作条件下所表 现出来的力学性能、物理性能和化学性能。
2.1.2.1 力学性能 材料的力学性能是指材料在不同环境
( M Pa )
试样原始横截面( mm2)
σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力
试样产生0.2%残余塑性变形
屈服点 σs 、屈服强度σ0.2是零件设计的主要依据； 也是评定金属强度的重要指标之一。
抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 • 它表示材料抵抗断裂的能力。 • 是零件设计的重要依据；也是评定金
三种晶格类型。
1、体心立方晶格 8×1／8＋1＝2（个）。 2、面心立方晶格 8×1／8＋6×1／2＝4（个）
3、密排六方晶格
12×1／6＋2×1／2＋3＝6（个）
晶体缺陷 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排
列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则 和完整。把这些区域称为晶体缺陷。
这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性 能、化学性能、机械性能）将产生显著影 响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强 度远远低于通过原子间的作用力计算所得 数值。
例4 （12. 2011单选1分）常用于检测零件较薄 硬化层（如0.1mm厚）硬度的仪器是：A）布氏 硬度计 B）洛氏硬度计C）肖氏硬度计 D）维 氏硬度计
例5.（7. 2006单选1分）材料在无数次交变应力 作用下而不致引起断裂的最大应力称为
A）断裂强度 B）疲劳强度 C）抗拉强度 D）屈 服强度
晶界的过渡结构示意图
亚晶界结构示意图
多晶体示意图
2.2.2.3金属的结晶 结晶：晶体物质由液态转变成固态的过程。 凝固：非晶体由液态转变成固态的过程。
结晶的一般过程：
温
度
理论冷却曲线
To
结晶平台(是由结晶潜热导致):平衡结晶温度
T1
实际冷却曲线
时间
• 过冷现象 • 过冷度
ΔT = T0 – T1 • 过冷是结晶的必要条件。
2.1.2.2物理性能： 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、 磁性等；
2.1.2.3化学性能： 耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；
2.1.2.4工艺性能： 铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工 性、热处理工艺性等。
例1.（25. 2007单选2分）精度较高，便于携带， 常用于测量大型铸锻件和永久组装件的硬度计
（1）熟悉晶体的两大特性，金属最常见的三 种晶体结构类型，实际金属材料中的晶体 缺陷，常用的三种细化晶粒方法，纯金属 在固体下的两种转变，合金相结构的三种 类型；
（2）熟悉铁碳合金相图中固态下的几种基本 组织，各主要点温度、碳的质量分数及意 义，典型铁碳合金结晶过程分析，碳对铁 碳平衡组织和性能的影响、相图的应用；
钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: σ-1 = (0.45～0.55)σ b
6.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。
弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料 抵抗弹性变形的能力。即：
E=σ / ε
材料的E越大，刚度越大； E对组织不敏感；
零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有 关，一般用AE表示。
第二部分 工程材料
2.0 基本要求 •熟悉常用金属材料的性能、试验方法及其 选用。 •熟悉钢的热处理原理。 •掌握常用金属材料的热处理方法及选用。 了解常用工程塑料、特种陶瓷、复合材料 的种类及应用
2.1工程材料的分类和性能
2.1.1 工程材料的分类（P32） 按功能和用途分：
结构材料、功能材料 按组成特点分：
S0
•(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ L 与原
始标距L 0之比。
l 1 - l0
δ = ——-—× 100%
l0
• Δl=Δlu＋Δｌb
σ
• δ= Δl/l0=Δlu/l0 + Δlb/l0
•δ < 2 ~ 5% 属脆性材科 •δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料 •δ > 10% 属塑性材料
结晶的一般规律
• 形核 • 长大
形核、长大
实际金属的多晶粒结构
晶粒的粗细对金属力学性能影响颇大。晶 粒愈细，其强度、韧性和塑性也愈好。 细化晶粒的三种途径：
❖1）提高冷却速度－自发形核
V冷
△T
N
晶粒细小
❖2）变质处理－非自发形 核
❖3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
2.2.2.4金属在固态下的转变 纯金属在固态下的转变有两种：
（3）熟悉金属材料常见的化学分析方法，金 相分析方法，无损探伤方法及适用范围；
（4）熟悉钢的热处理原理（铁碳合金平衡图、 钢在加热、冷却、回火时的转变）
（5）熟悉典型零件（轴类、弹簧、齿轮类、 滚动轴承类、模具类、工具类、铸铁件类、 有色金属类等）的热处理应用。
（6）熟悉金属材料的选择和使用原则。
属强度的重要指标之一。
Fb
= σb
S0
试样断裂前的最大载荷(N) ( M Pa ) 试样原始横截面积( mm2)
3.塑性:
是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被 破坏的能力。
• (1)断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩
量ΔS与原始横截面积S0之比。
S0 - S 1 ψ = ——-—× 100%
刃型位错示意图 a) 晶 格 立 体 模 型 b) 平 面 图
面缺陷——晶界和亚晶界
实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在 着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个 原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状 态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高， 在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。
测量压痕深度
压头：
10HRC≈HBS
•圆锥角1200的金刚洛氏硬度测试示意图
石圆锥体
•小淬火滚球
洛氏硬度
h1-h0
广泛用于热处理质 量检验，常用于检 操作迅速简单，可在工件上直接试验， 查淬火后的硬度。 但检测结果离散度较大
(3)维氏硬度 HV
( diamond penetrator hardness )
(5)努氏硬度 HK 是一种显微硬度试验法，对表面淬火硬度
或镀层、渗层等薄层区域硬度测定以及截面上 的硬度分布的测定较为方便。
(6)里氏硬度 HL 是一种新型的反弹式硬度测量方法，便于
携带，常用于测量大型铸锻件、永久组装部件 等，精度较高，可自动转换成洛氏硬度、布氏 硬度、维氏硬度、肖氏硬度，并可直接打印结 果。