机械工程材料课件1 材料的性能

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渗碳体硬度极高（800HBW）,塑性和韧性极低，脆 性大，是一种硬而脆的相。在铁碳合金中，渗碳体常以 片状、网状、粒状等形态与其他相共存。渗碳体主要作 为强化相存在于钢铁中，它的数量、形态（片状、网状、 粒状等）、大小和分布对钢铁材料的性能有重要影响。 渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下可以分解出石墨。
维氏硬度试验原理——将顶部两相对面具有规定角度的 正四棱锥体金刚石压头用一定的试验力压入试样表面， 保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角 线长度，以压痕单位面积上承受的平均压力大小表示材 料的硬度。（与布氏硬度有相似之处）
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维氏硬度的特点及其应用：
优点：硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的 材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变，使维氏硬 度在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。目 前工业上所用到的几乎全部金属材料，维氏硬度试验都 可以测量，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬 的材料（3000个维氏硬度单位）。维氏硬度试验的试验 力可以很小，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。
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+ 铁碳合金基本相
铁素体——碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，用符号“F” 表示。铁素体保持α-Fe的体心立方晶格类型。铁素体的 强度、硬度较低，塑性、韧性较好。是工业纯铁的主要 组织。
奥氏体——碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，用符号“A” 表示。奥氏体保持γ-Fe的面心立方晶格类型。奥氏体具 有一定的强度和硬度，塑性、韧性较好。奥氏体属于高 温组织，具有良好的塑性和小的变形抗力，是锻造加工 的理想组织。
高分子材料（橡胶、塑料等）
非金属材料 无机非金属材料（S、P）
复合材料（金属陶瓷复合材料）
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材料的性能是机械制造过程中正确选用零件材料的重要 依据。

性、工艺性能 缺点：特别高温及特殊介质中，化学稳定性
差，资源有限 • 2高分子材料
优点：高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、 重量轻，易于成型，材料来源丰富
缺点：耐热差、尺寸稳定性低、强硬度低、 易老化，易燃
• 3 陶瓷材料 优点：熔点高、硬度高、化学稳定性高、耐
高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小
产生热应力
环境介质---对零件表面造成化学腐 蚀、电化腐蚀、摩擦磨损等
1.1.1力学负荷
静载荷
载荷
动载荷
拉伸/压缩
剪切 扭转 弯曲
交变载荷
冲击载荷
(a)拉伸 （b)压缩 （c)弯曲 （d)剪切 （e)扭转 静载荷的形式
1.1.2热负荷
• 高温下,温度↑ 强度↓ • 高温下,加载时间↑ 材料的强度↓ • 金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使
• b强度极限(抗拉强度σb ) 表示金属抵抗均匀变形和断
裂所能承受的最大应力—也是零件设计和评定材料的 重要指标。
• 比强度---材料的强度指标与密度的比值σb/ρ • 屈强比σs /σb表征材料强度潜力的发挥、利用程度以
及和该种材料所制零件工作时的安全程度。
屈服阶段
塑性指标
l1 l0 l0
布氏硬度试验原理图
布氏硬度计
洛氏硬度
洛氏硬度测量原理图
洛氏硬度计
5)冲击韧性
• 冲击韧性---在一定温度下，材料在冲击载 荷作用下抵抗破坏的能力。是强度和塑性 的综合指标。
冲击试样
6)疲劳强度
• 疲劳强度---应力低于一定值时，试样可以 经受无限周期循环而不破坏，该应力值称 为材料的疲劳强度.
使指材料的 用可加工性 。
性
性能

⑴屈服强度Ós。 ⑵抗拉强度Ób。
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1.1 金属材料的力学性能
1.1.2塑性指标及应用
金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。 塑性指标也是由拉伸试验测得的， 常用伸长率和断面收缩率来 表示(biǎoshì)。
1.伸长率
试样拉断后， 标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率， 用符号 表示。其计算公式如下
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图1-1 载荷的作用 形式 (zuòyòng)
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1.1 金属材料的力学性能
金属材料受到载荷作用后， 产生的几何形状和尺寸的变化称为变形。 变 形分为弹性变形和塑性变形两种。
材料在载荷作用下发生变形， 而当载荷卸除后， 变形也完全消失。 这种随载荷的卸除而消失的变形称为弹性变形。
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1.1MPa；
F——外力，N；
S——横街(hénɡ jiē)面积，mm2。
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1.1 金属材料的力学性能
1.1.1强度指标及应用
金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。 强度的大小 通常用应力来表示， 强度愈高， 材料所能承受的载荷愈大。
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图1-5 布氏硬度试验(shìyàn)原理图
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1.1 金属材料的力学性能
⑵布氏硬度的表示方法。布氏硬度的表示符号为HBS和 HBW 两种。
压头为淬火钢球时用HBS表示， 一般适用于测量软灰铸铁、 有色金 属等布氏硬度值在450以下的材料。
压头为硬质合金(yìnɡ zhì hé jīn)球时， 用HBW表示， 适用于布氏 硬度值在650以下的材料。 符号 HBS或HBW之前的数字为硬度 值 符号后面按以下顺序用数字表示试验条件：
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r 0.2
Fr 0.2 S0
(MPa)
拉伸曲线分析
强化阶段
①在屈服阶段以后，欲使试 样继续伸长，必须不断加载。 即随着试样塑性变形增大，试 样变形抗力也逐渐增加，这种 现象称为变形强化（或称加工 硬化）。
②材料在拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度σb。
b
Fb S0
( MPa )
其含义是：当σ>=σb时，
1.3.2 多冲抗力
试验时，把标准冲击试样水平放在试验机支座上，缺口（脆性材料不开缺
口）位于冲击相背方向，并使样板的缺口位于制作中间。然后将具有一定重量
（质量为m）的摆锤举至一定高度h1，然后自由落下，将试样冲断。由于惯 性，摆锤冲断试样后继续上升到某一高度h2.根据功能原理可知：摆锤冲断试 样所消耗的功Ak=mgh1-mgh2。Ak称为冲击吸收功。冲击韧度αk表示为：
1.1.1 强度
强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和 断裂的能力。抵抗塑性变形和断裂的能力越大，则强度越高。常用
的强度指标是屈服点和抗拉强度。 材料在外力作用下发生变形的同时，在内部会产生一个抵抗变形的内力，其
大小和外力相等而方向相反。单位截面积上的内力称为应力。
低碳钢常温静载拉伸实验
材料开始产生塑性变形；当 σ<σs时，认为材料不产生塑性 变形。零件发生塑性变形，意
味着零件散失了对尺寸和公差
的控制，因此工程中常根据σs
确定材料的许用应力。
拉伸曲线分析
屈服阶段
④对于铸铁等脆性材料，无明显屈服 阶段，可用规定残余伸长应力σ0.2表示。 σ0.2表示试样卸除载荷后，其标距部分的 残余伸长率达到0.2%时的应力，也称为名 义屈服强度。
值用球面压痕单位表面积上所承受的

集中在局部，因此有5> 。
——由于伸长率与试样的 尺寸有关，因此用收缩率 表示塑性更接近真实变形。
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知识提高
③脆性材料与韧性材料
δ < 2 ~ 5% 脆性材科
δ ≈ 5 ~ 10% 韧性材料
δ > 10%
塑性材料
④ > 时，无颈缩，脆性材料
< 时，有颈缩，塑性材料
无颈缩试样
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洛氏硬度特点
➢操作快捷，适用范围广， 可用于成品检验；
➢测量结果分散度大，不 同标尺不可直接比较。
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3、维氏硬度
（1）测试原理
压头为对面 夹角136四棱锥， 测试原理同布 氏硬度相同。
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维氏硬度原理
维氏硬度压痕
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（2）维氏硬度特点
➢ 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点， 可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能相互 比较。
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小结
刚度：刚度设计中，考虑构件在受力时发 生的弹性变形量。主要力学性能是材料 的弹性模量。如精密机床主轴等零构件
弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计 弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧 和各类弹簧等
屈服强度和塑性：一般零件的抗断裂设 计。
断裂韧度：高强钢和重要构件的抗断裂 设计。如轮船、飞机、火箭等。
3、叙述布氏、洛氏、维氏硬度的特点及应用。
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3、韧脆转变
材料的冲击韧性随温度下降而下降，在 某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象 称韧脆转变。

(1)屈服强度(σS) (2)抗拉强度(σb)
加载荷 弹性变形 塑性变型形 断裂 σS==Fs/S0 屈服
σb==Fb/S0
(3)伸长率(δ) δ=Lk－L0/L0 × 100 ％ ( 4 )断面收缩率(Ψ ) Ψ =S0－Sk/s0 × 100 ％
1.2 硬度 ------金属材料抵抗其他 物体压入其表面的能力 布氏硬度-----HBS(适用测量硬度值小于450 的材料) -----HBW(适用测量硬度值小于650 的材料)
2.3
合金的晶体结构和相图
1,合金------二个或二个以上的金属元素 熔合在一起(Fe+C=铁碳合金,Cu+Zn=黄铜) 2,组元------组成合金的独立单元 (Fe, Cu, C, Fe3C) 3,合金系--------(铁碳合金,铝硅合金等) 4,相-------结构相同,化学成分相同(液相,固相等) 5,组织-------反映相的大小,形态及分布情况.在 显微镜下能观察到的金属的微观形态和面貌. 又称金相组织.
第 3节 合金工具钢 (刃具钢,模具钢,量具钢)
(1)刃具钢 ▲低合金工具钢(9SiCr,Cr2,9Mn2V,CrWMn) 含量特点: 碳素工具钢+5%合金元素 热处理特点:锻造→退火→机械加工→淬火→ 低温回火→ ▲高速钢(W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2) 含量特点: 碳素工具钢+大于10%合金元素 热处理特点:P.57图5.6
常用金属的晶体结构
1、体心立方晶格：
(BCC; BodyCentered Cubic)
2、面心立方格： (FCC; FaceCentered Cubic)
3、密排六方格：
(HCP; Hexagonal Close-packed)

第一章 金属材料的力学性能
（二）变形（金属材料受载荷作用发生几何形状和尺寸
的变化。）
弹性变形：载荷去除后，可完全恢复的变形。 塑性变形：载荷去除后，不可恢复的永久变形。
金属材料的弹性变形可用于控制机构运动、缓冲 与吸振、储存能量等。金属材料塑性变形可用于 成型产品的加工，70%的金属材料是通过塑性变形 加工成型的。
第一章 金属材料的力学性能
（一）载荷（金属材料在加工和使用过程中所受的外力）
静载荷：指大小不变或变动很慢的载荷。 如地面所受讲台的压力，千斤顶工作所受的载荷。
冲击载荷：指突然增加的载荷。 如铁匠用铁锤锻打工件、高速行驶的汽车相撞的
载荷。 交变载荷：指周期性或非周期性的动载荷。 如电扇主轴、弹簧工作时所受的载荷。
第一章 金属材料的力学性能
1.强度
定义：是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。 抵抗能力越大，则强度越高。衡量强度大小的指标主要有 屈服强度和抗拉强度。 抗拉强度Rm：材料断裂前所承受的最大应力值。
计算公式如下： Rm = Fb / SO
Fb──试样承的最大载荷（N）； S0──试样原始横截面积（mm2）； Rm ──抗拉强度（MPa）。
HRB用于测量低硬度材料, 如有 色金属和退火、正火钢等。
HRC用于测量中等硬度材料，如 调质钢、淬火钢等。
第一章 金属材料的力学性能
力学性能：金属材料在外力作用时表现来的性能。 力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。
在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时， 大多以力学性能为主要依据，因此熟悉和掌握金属材料的 力学性能是非常重要的。力学性能不仅是本章学习的重点， 同时也是整个教材的学习重点，希望同学们要努力学习掌 握好这些内容。先来学习准备知识。