内容发布更新时间 : 2024/5/4 18:49:29星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第1章 工程材料

工程材料分为金属材料和非金属材料两大类。其中金属材料是应用最广泛的。本章主要介绍金属材料的力学性能、组织、热处理工艺等基本知识，以及常用金属材料和非金属材料的应用知识。

1．1金属材料的力学性能

金属材料的性能：包括使用性能和工艺性能。

使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。

工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。

金属材料的力学性能 ： 指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。

1．1．1强度

1．拉伸式样 2．拉伸曲线 3．强度

（1）弹性极限 σe = Fs/A0

符号： σe ：材料在载荷作用下产生弹性变 形时所能承受的最大应力。是弹簧类零件的选材和 设计依据。

(2)屈服极限 σs = Fs/A0

符号：

σs ： 材料产生屈服现象时的最小应力。

Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）。

A0 ：试样原始横截面积（mm）。?0.2。

是一般零件的选材和设计依据。 (3)抗拉强度

指试样拉断前所承受的最大拉应力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。 σb = Fb/A0 当材料的内应力σ＞σb时，材料将产生断裂。

σb常用作脆性材料的选材和设计的依据。

1．1．2塑性

塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。 1．断后伸长率

指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。 δ=(L1-L)/L x 100% L:标距（本实验L=100）

L1:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。 2．断面收缩率

指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

Ψ=(A0-A1)/A0 x 100% A0:试件原横截面积。 A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。

塑性材料的塑性好坏,对零件的加工和使用都有重要的实际意义。

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1．1．3硬度

定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标。其物理含义与试验方法有关。

硬度的测试方法有：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

1.布氏硬度

原理：用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。 布氏硬度值 ：用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。 如：120HBS 500HBW 优缺点：

（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）。 （2）可测的硬度值不高。

（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低。

测量范围： 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等。

2。洛氏硬度

原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。

洛氏硬度值 ： 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC。 优缺点：

（1）试验简单、方便、迅速。

（2）压痕小，可测成品，薄件。

（3）数据不够准确，应测三点取平均值。 （4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。

测量范围 ： 用于测量淬火钢、硬质合金等材料。

3．维氏硬度

原理：用夹角为136°的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F（49.03-980.07N） 压入试样表面，测出压痕对角线长度d。

维氏硬度值：用压痕对角线长度表示。如：640HV。 优缺点：

（1）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）。 （2）可测成品与薄件载荷 （3）试样表面要求高，费工。

测量范围 ： 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。

1．1．4 冲击韧性

生产中许多机器零件,都是在冲击栽荷下工作。实验表明，载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，易发生突然性破断。因此，使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必须用冲击韧性来衡量。抵抗冲击栽荷的作用而不破坏的能力称为冲击韧性。

1．1．5疲劳强度

许多机械零件是在交变应力作用下工作的，如轴类、弹簧、齿轮、滚动轴承等。虽然零件所受的交变应力数值小于屈服极限，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象叫疲劳断裂。它与静栽荷下的断裂不同，断裂前无明显的塑性变形，因此，具有更大的危险性。

疲劳强度的概念：

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1．2 铁碳合金

1．2．1金属的晶体结构与结晶

1．晶体的基本概念 (1)晶体

晶体的特点是：

①原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。

②具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。 ③晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。

（2）晶格、晶胞、晶格常数

2．常见金属的晶格类型 (1)体心立方晶格

每个晶胞原子数n=8×1/8+1=2(个)

属于体心立方晶格类型的金属有α-Fe（912℃以下的钝铁）、铬、钼、钨等。 (2)面心立方晶格

每个晶胞中的原子数为n=8×1/8+6×1/2=4(个)

属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe（1394－912℃的钝铁）、铝、铜、银等。塑性最好。(3)密排六方晶格

密排六方晶胞中的原子数n=12×1/6+2×1/2＋3=6(个)。塑性最差。 3．金属的实际晶体结构 (1)单晶体与多晶体的概念

单晶体即原子排列得非常整齐，晶格位向完全一致，且无任何缺陷存在。 多晶体即由许多位向不同的晶体组成，且其内部还存在着多种晶体缺陷。 (2) 金属的晶体缺陷

点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 三种缺陷对晶体力学性能的影响：

点缺陷、线缺陷：强度、硬度增加，塑性、韧性降低。 面缺陷：不仅强度、硬度增加，塑性、韧性也有所改善。

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