工程材料第一章材料的性能
工程材料的性能
布氏硬度操作
(3)表示方法 表示方法 例如： 例如： 120HBS10/1000/30 （4）特点： ）特点： (5)适用范围：铸铁、 适用范围：铸铁、 适用范围 铸钢、 铸钢、非铁金属材 料及热 处理后钢材 毛坯或半成品. 毛坯或半成品
2.洛氏硬度(HR) 2.洛氏硬度(HR) 洛氏硬度 (1)测试原理 测试原理： (1)测试原理： (2)表示方法 表示方法： (2)表示方法： 硬度标尺：HRA、 硬度标尺：HRA、 HRB、 HRB、HRC C标尺最常用 特点： （3）特点： (4)适用范围 适用范围： (4)适用范围： 在批量的成品或半 成品质量检验中广泛 使用. 使用.
KⅠ≥KⅠc时 裂纹就会扩展而导致低应力脆断， 当 KⅠ≥KⅠc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断，此 式称为K判据。 式称为K判据。
K 2 ac = 1C ） （ Yσ
Y a
1.3 材料在动载荷作用下的力 学性能
动载荷是指突加的、冲击性的， 动载荷是指突加的、冲击性的，大小和方向随 时间而变化的载荷。 时间而变化的载荷。 材料在动载荷作用下的力学 性能，包括冲击韧度和疲劳强度。 性能，包括冲击韧度和疲劳强度。
屈服点σ 和屈服强度σ (3) 屈服点σs和屈服强度σ0.2 抗拉强度σ (4) 抗拉强度σb
(5) 塑性 断后伸长率δ 1）断后伸长率δ 100% ［（L δ＝［（L1-L0）/L0］×100% 注意： 注意： δ和δ5的区别
2）断面收缩率ψ 断面收缩率ψ ψ＝［(S0－S1)/S0］×100% 100%
1.布氏硬度（HB） 1.布氏硬度（HB） 布氏硬度 (1)测试原理 用一直径为D 测试原理： (1)测试原理：用一直径为D的 钢球或硬质合金球， 钢球或硬质合金球，以相应的试验 力压入试样表面，保持一定时间后， 力压入试样表面，保持一定时间后， 卸除试验力， 卸除试验力，在试样表面得到一直 径为d的压痕， 径为d的压痕，用试验力除以压痕 表面积所得的值即为布氏硬度值， 表面积所得的值即为布氏硬度值， HB表示 表示。 用HB表示。 计算公式： 计算公式：
材料的性能
第一章材料的性能材料的性能通常包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指材料在特定的条件下，弄保证安全可靠工作所必备的性能，其中包括力学性能、物理性能和化学性能。
工艺性能是指材料在加工过程中所反映出来的性能，如铸造性能、锻造性能、切削加工性能和热处理性能等材料的使用性能材料的力学性能：是指材料在各种形式外力作用下，抵抗变形和断裂的能力，它是衡量材料性能极其重要的指标。
1.弹性：材料所受的外力去除后能恢复其原来形状的性能。
2.刚度：材料抵抗弹性变形的能力。
3.强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。
4.塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
5.硬度：衡量材料软硬程度的指标，是材料抵抗更硬物质压入其表面的能力，也可以说是抵抗局部塑性变形的能力。
6.冲击韧度：材料在冲击载荷作用下抵抗破环的能力成为冲击韧度，简称韧度。
7.疲劳强度：抵抗疲劳破坏的能力。
疲劳强度是在疲劳实验机上测定的。
8.断裂韧度：抵抗裂纹失稳扩张导致材料断裂的能力。
材料的物理性能：材料收到自然界中光、重力、温度场、电场和磁场等作用反映的性能。
1.热性能2.电性能3.磁性能4.光学性能材料的化学性能：材料与其它化学物质起化学反应时显示出来的那些性能。
1.抗氧化性：材料在高温下抵抗周围介质的氧与其作用而不被损坏的能力。
2.抗腐蚀性：材料抵抗空气、水、酸、碱、盐及各种溶液、润滑油等介质侵蚀的能力成为耐蚀性，也叫抗腐蚀性。
材料的工艺性能铸造性能：主要是指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾向。
其性能主要取决于材料的流动性和收缩性。
锻造性能：主要是指金属材料承受外力锻打变形而自身不被破环的能力，它包括金属的塑性和抗变形能力。
焊接性能：是指两种相同或不同的材料，通过加热、加压或两者并用将其连接在一起所表现出来的性能。
切削性能：是指材料用切削刀具进行加工时所表现出来的性能。
它决定了刀具的使用寿命和被加工零件的表面粗糙度。
凡使道具使用寿命长且加工后表面粗糙度低的材料，其切削性能好。
《机械工程材料》复习习题及答案
第一章材料的性能1．1 名词解释δb δb δsδ0.2 δ-1 a k HB HRC1．2 填空题1．材料常用的塑性指标有(延伸率)和(断面收缩率)两种，其中用(延伸率)表示塑性更接近材料的真实变形。
2．检验淬火钢成品件的硬度一般用( 洛氏)硬度，检测退火件、正火件和调质件的硬度常用(布氏)硬度，检验氮化件和渗金属件的硬度采用(维氏)硬度试验。
3．材料的工艺性能是指( 铸造)性能、(锻造)性能、(焊接)性能、(切削加工)性能和(热处理)性能。
4．工程上常用金属材料的物理性能有( 熔点)、(密度)、（导电性）、(磁性)和(热膨胀性)等。
5．表征材料抵抗冲击载荷能力的性能指标是(冲击韧性ak )，其单位是( J/cm2 )。
1．3 简答题2．设计刚性好的零件，应根据何种指标选择材料?采用何种材料为宜?3．常用的硬度方法有哪几种?其应用范围如何?这些方法测出的硬度值能否进行比较?1．4 判断1．金属的熔点及凝固点是同一温度。
( 错)2．导热性差的金属，加热和冷却时会产生内外温度差。
导致内外不同的膨胀或收缩，使金属变形或开裂。
( 对)3．材料的强度高，其硬度就高，所以刚度大。
( 错)4．所有的金属都具有磁性，能被磁铁所吸引。
( 错)5．钢的铸造性比铸铁好，故常用来铸造形状复杂的工件。
( 错)1．5 选择填空1．在有关零件图图纸上，出现了几种硬度技术条件的标注方法，正确的标注是( D )。
(a)HBS650—700 (b)HBS＝250—300Kgf/mm2(c)HRCl5—20 (d) HRC 45—702．在设计拖拉机缸盖螺钉时应选用的强度指标是( a )。
(a) δb (b) δs(c) δ0.2(d) δp3．在作疲劳试验时，试样承受的载荷为( c )。
(a)静载荷(b)冲击载荷(c)交变载荷4．洛氏硬度C标尺使用的压头是( b )。
(a)淬硬钢球(b)金刚石圆锥体(c)硬质合金球5．表示金属密度、导热系数、导磁率的符号依次为( d )、( f )、( c )。
第一章工程材料的分类及性能
2.本课程与相关课程的关系：
本课程应安排在金属工艺学实习及 应用力学课程之后进行,即学生应具 有材料的机械性能和金属加工工艺 方面的基本知识。为后续课程和毕 业设计等打好选择材料和使用材料 的基础。
3.课程的基本教学要求 ：
重点阐述工程材料的性能与其组织结构 之间的联系;
说明如何通过工艺手段改变材料的组织 结构,以达到提高材料性能的目的;
2.强度
σ s：屈服强度（开始产生塑性变形的应力） 。 σ b：抗拉强度（材料在拉伸过程中承受的最
大工程应力）。 σ k：断裂强度（材料发生断裂时的应力）。
σ p、 σ e、 σ s、 σ b、 σ k的单位：Mpa （与应力的相同）
Байду номын сангаас
3.塑性
伸长率δ：试样拉断后标距的相对伸长量：
GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算 值（摘录）
5.疲劳强度
材料在无数次的交变载荷的作用下不发 生疲劳断裂的最大应力（钢经受107循环 不发生断裂的最大应力）；
弯曲疲劳强度的表示：σ-1； 疲劳强度σ-1与抗拉强度之比约为
0.45~0.55。
重复循环变化的载荷：
疲劳曲线：
6.韧性
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 称为冲击韧性，简称韧性。
材料抵抗裂纹失稳扩展的性能称为断裂 韧性。
材料的韧性是材料断裂时所需的能量。
（1）冲击韧性：
标准冲击试样：
冲击功与冲击韧性计算公式：
•冲击功：
AkG (H 1H2)
•冲击韧性：
ak
Ak S
韧脆转变温度TK：
三、材料的化学性能
耐腐蚀性； 高温抗氧化性； 抗老化性能； 降解性。
工程材料基础
2.金属化合物 组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。 它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体 Fe 3 C 就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，一般具有高硬度和高脆 性。
3.机械混合物
由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物按一 定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。
在晶界处，晶粒之间的晶向和晶面均不相同。
• 晶向：晶体中质点的位置、质点列 （在一个方向上 的质点，“可用一条线串起来的质点”）的方向 • 晶面：阵点（晶粒中有序排列的原子、离子、分子 等质点）构成的平面
a)
b)
d)
c)
液态金属的结晶过程示意图
5）单晶体。 结晶后，每个晶核长成为一个晶体，称为 单晶体。
冷却曲线图
4、结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图所示，在液体 金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排列 的原子团，成为结晶的核心，即晶核 （形核过程）。然 后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成晶 粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续产 生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完全 消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大小 不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。
二、 金属的结晶
1、结晶。 指金属的原子由近程有序状态（液态）转变成 长程有序状态（晶态）的过程。 2、纯金属结晶的冷却曲线。 金属液非常缓慢的冷却时， 记录温度随时间而变化的曲线，如图所示。出现水平线段 的原因是结晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向周围 散失的热量。 3、过冷。 在实际结晶过程中，金属 液只有冷却到理论结晶温度（熔点） 以下的某个温度时才结晶的现象。理 论结晶温度 T 0 和实际结晶温度 T n 之间 的温度差 T 叫过冷度，它与冷却速 度有关，冷却越快，过冷度越大。
工程材料的分类与性能
Fe 7.86
250～ 1539 330 16 25～ 0.84 55 70～ 85 65
Ti 4.51
250～ 1660 300 3 50～ 0.17 70 76～ 88 100
Pb 11.34
18 327 7 45 — 90 4
钢材硬度换算
HRC≈2HRA-104 （HRC=20~60） HB≈10HRC （HRC=20~60）
HB≈2HRB
钢材强度、硬度换算 σb≈3.4HB （HB=125~175） σb≈3.6HB （HB＞175）
四、冲击韧度
是指材料抵抗冲击载荷作用 而不破坏的能力。
指标为冲击韧
性值a k(通过冲
金属和退火、正火钢等。
HRC用于测量中等硬度材料，如调 质钢、淬火钢等。 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。
洛氏硬度压痕
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
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。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验 、
aC
第三节 工程材料的其他性能
物理性能 —— 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。
一些金属的物理性能及机械性能
元素符号 Al Al 2.70 80～ 660 110 60 32～ 2.09 40 70～ 90 20 Cu Mg Ni Fe Ti Pb Sn
元素符号 密度，kg/m3×103
说明： ① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数
第1章 工程 材料的种类和力学性能
传统的无机非金属材料 之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不同 ，可分为两大类，即普通陶瓷 和特种陶瓷。
根据陶瓷坯体结构及其基 本物理性能的差异，陶瓷制品 可分为陶器和瓷器。
陶瓷制品
陶瓷发动机
• 普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过 粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生 陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。
材料的强度、塑性指标是通过拉伸实验 测定的。
应力 σ=F/S0
σ (N /m2) ；
F —作用力，(N) S0—试样原始截面 积(m2)。
剪应力τ＝F/SO
材料单位面积上的内力称为应力（Pa），以
σ表示。
应变ε(%) ⊿L—试样标距部分伸长量，(mm)；
L0 —试样标距部分长度(mm)。ε=⊿L/L0
根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、 生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。
传统的无机非金属材料 之三：水泥
水泥是指加入适量水 后可成塑性浆体，既能在 空气中硬化又能在水中硬 化，并能够将砂、石等材 料牢固地胶结在一起的细 粉状水硬性材料。
水泥的种类很多，按其用途和性能可分为： 通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所 含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥 、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以 及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目 前水泥品种已达一百多种。
l lO
ll lO
lO lO
l
100lO% lO
100%
剪应变 γ 剪模量 G
a h
tan
且有 G
• 弹性变形 形①的弹外性力变撤形除：后当，产变生形变随σ 即消失。
第一章工程材料的力学性能
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW 补充说明： （1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为
所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影 响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。 （2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的 距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于 6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍， 对于软金属则不得小于3倍
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度 HBW、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （一）试验原理
布氏硬度试验规范
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第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （二）应用范围
布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度 测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对 应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小 直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用 于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成 品检测。
最大力伸长率（Agt)：最大 力时原始标距的伸长与原 始标距之比的百分率。
最大力非比例伸长率（Ag)
二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面 各之比的百分率。
第二节 材料的硬度
材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它 是衡 量材料软硬程序的力学性能指标。
洛氏硬度计
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR （一）实验原理
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR (二)应用范围（共15个标尺） 示例：60HRBW