机械工程材料及热加工 机 械 工 程 系

材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 绪论 材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 金属材料 陶瓷材料 工程材料 高分子材料 复合材料

绪论 金属材料品种繁多，性能各不相同，特别是通过热处理，可使金属材料的性能显著提高。为了合理使用金属材料，必须研究金属材料的成分、组织、热处理与其性能间的关系和变化规律。 作为机械工程技术人员，必须掌握有关金属材料及热处理的基本理论和基本知识，了解金属材料的应用及零件设计时的合理选材，初步掌握正确运用热处理工艺、合理安排零件工艺路线的方法。

绪论 课程目标： 掌握工程材料的成分、组织、结构、力学性能与使用之间的关系及变化规律。 铁碳合金相图、奥氏体邓文冷却转变图的理解和应用 掌握常用金属材料的成分、组织、种类、牌号性能及应用，了解常见的非金属材料、符合材料的特点及用途 熟悉金属热处理的基本原理，掌握常用的热处理方法（四把火）及其适用范围 掌握铸造、锻压、焊接成型工艺的基本原理，熟悉他们的工艺特点及应用 具备选择材料及成型工艺的基本能力

第1章 材料的性能 引言 金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能；工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出来的各种性能，如铸造性能、锻造性能等。 在机械设计选材与制造中主要考虑力学性能。材料的力学性能是指材料受到各种载荷（外力）作用时，所表现出来的抵抗能力，主要包括强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限等。

材料的静载力学性能 静载荷： 是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。 材料的静载力学性能指标： 主要有强度、塑性、硬度等。

第1章 材料的性能 一、强度 金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用性质的不同，它可以分为静载荷、冲击载荷及循环载荷等三种。静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。 金属的抗拉强度和塑性是通过拉伸试验测定的。 万能试验机

第1章 材料的性能 1．拉伸试样 在国家标准中（GB/T 228-2010），对拉伸试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。通常采用圆柱形拉伸试样，如图1–1所示。 图中d0为标准试样的原始直径；l0为标准试样的原始标距长度。根据标距长度与直径之间的关系，拉伸试样可分为长试样（l0=10d0）和短试样（l0=5d0）两种。 图1-1 标 准 拉 伸 试 样

第1章 材料的性能 2．力–伸长曲线 力-伸长曲线是指拉伸试验中记录的拉伸力F与试样伸长量ΔL之间的关系曲线，一般由拉伸试验机自动绘出。图1–2为低碳钢试样的力–伸长曲线，图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示试样伸长量ΔL，单位为mm。 观察力–伸长曲线，明显地表现出下面几个变形阶段： （1）oe——弹性变形阶段 （2）es——屈服阶段 （3）sb——冷变形强化阶段 （4）bk——缩颈与断裂阶段

第1章 材料的性能 工程上使用的金属材料，大多没有明显的屈服现象。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”现象，如高碳钢、铸铁等。图1–3为铸铁的力–伸长曲线。

第1章 材料的性能 3．强度指标 （1）屈服点 在拉伸试验过程中，拉伸力不增加（保持恒定），试样仍然能继续伸长（变形）时的应力称为屈服点。用符号σs表示，单位为MPa。计算公式如下： σs= 式中 Fs——试样屈服时所承受的拉伸力，单位为N； S0——试样原始横截面积，单位为mm2。 对于无明显屈服现象的金属材料，按国家标准中的规定，可用屈服强度σ0.2表示。σ0.2是指试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长率达到0.2%时的应力。计算公式如下： σ0.2= 式中 F0.2——残余伸长率达0.2%时的拉伸力，单位为N； 屈服点σs和屈服强度σ0.2是工程上极为重要的力学性能指标之一，是大多数机械零件设计和选材的依据，是评定金属材料性能的重要参数。零件在工作中所承受的应力，超过屈服点或屈服强度时，会因过量的塑性变形而失效。

第1章 材料的性能 （2）抗拉强度 试样在拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度。用符号σb表示，单位为MPa。计算公式如下： σb= 式中 Fb——试样拉断前所承受的最大拉伸力，单位为N； S0——试样原始横截面积，单位为mm2。 零件在工作中所承受的应力，不应超过抗拉强度，否则会导致断裂。σb也是机械零件设计和选材的依据，也是评定金属材料性能的重要参数。

第1章 材料的性能 二、塑性 塑性是指金属材料在断裂前产生塑性变形的能力。通常用伸长率和断面收缩率来表示。 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δ表示。δ值可用下式计算： δ= ×100% 式中 l1——拉断试样对接后测出的标距长度，单位为mm； l0——试样原始标距长度，单位为mm。 必须说明，同一材料的试样长短不同，测得的伸长率数值是不相等的。长试样和短试样的伸长率分别用符号δ10和δ5表示，习惯上δ10也写成δ。

第1章 材料的性能 2．断面收缩率 试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。用符号ψ表示。ψ值可用下式计算： ψ= ×100% 式中 S0——试样原始横截面积，单位为mm2； S1——试样拉断后缩颈处最小横截面积，单位为mm2。 金属材料的伸长率和断面收缩率数值越大，说明其塑性越好。塑性直接影响到零件的成形加工及使用，例如低碳钢的塑性好，能通过锻压加工成形，而灰铸铁塑性差，不能进行压力加工。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。

拉伸试验的主要力学性能指标小结 力学性能 性能指标 说 明 符号 名称 强度 σb 抗拉强度 试样在拉断前承受的最大应力值 σs 屈服强度 说 明 符号 名称 强度 σb 抗拉强度 试样在拉断前承受的最大应力值 σs 屈服强度 材料开始产生屈服现象时的应力 σ0.2 条件屈服强度 对于无明显屈服的材料，规定产生0.2%残余伸长时所对应的应力值 塑性 δ（ δ5、δ10） 延伸率 断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，试样的长度/直径比为5、10时记为δ5、δ10 ψ 断面收缩率 试样拉断处横截面积减缩量与原始横截面积的百分比 弹性 σe 弹性极限 由弹性变形过渡到弹性-塑性变形时的应力 σp 比例极限 弹性变形时应力与应变成正比关系的最大应力 刚性 E 弹性模量 完全弹性变形时应力与应变的比值，表征材料产生弹性变形的抗力

三、硬度 硬度是衡量金属软硬程度的一种性 能指标，是指金属抵抗局部变形， 特别是塑性变形、压痕或划痕的能 力 工程中常用的硬度指标有： 布氏 硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

硬度的种类及测试方法 硬度试验方法 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 显微硬度 HB=F/S 材料表面抵抗压入时引起塑性变形的能力 压痕深度 加载速率 静载 试验法 动载 压入法 划痕法 材料变形功的大小 硬度试验方法 肖氏硬度 锤击布氏硬度 莫氏硬度 材料抵抗局部断裂的能力

布氏硬度计 1. 布氏硬度( Brinell-hardness ) 用于测定硬度不高的金属材料。主要有铸铁、有色金属、低合金结构钢、结构钢调质件等。

1. 布氏硬度( Brinell-hardness ) 测定原理： 用一定大小的载荷F，把直径为D的淬火钢球压入被测金属的表面，保持一定的时间后卸除载荷，用金属压痕的表面积，除载荷所得的商值即为布氏硬度值。 F

适用范围: ＜450HBS 布氏硬度测量示意图 450~650HBW D d F 适用范围: ＜450HBS 450~650HBW

第1章 材料的性能 布氏硬度 布氏硬度值是指球面压痕单位表面积上所承受的平均压力。选择硬质合金球压头时，用符号HBW表示。布氏硬度值可用下式计算： HBW= =0.102× 布氏硬度试验时，压头球体直径D、试验力F和试验力保持时间，应根据被测金属的种类、硬度值范围及试样的厚度进行选择，见表1–1。

布氏硬度测试规范： 根据材料的软硬和试样的不同选择合适的载荷P与钢球直径D。

布氏硬度值的表示方法 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（mm）、载荷及（N）载荷保持时间（s） 。 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。 550HBW5/750，表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N （750*9.8）试验力的作用下，保持10~15s时测得的布氏硬度值为550。

布氏硬度的特点 为了使同一材料用不同的P和D值测得的HB值相同，应使P/D2=常数。 压坑面积大，误差小， 但不宜检验成品、小件、薄件； 多用于毛坯及原材料。

2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness ) h1-h0 洛氏硬度测试示意图

2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness ) 测试原理：洛氏硬度试验是用锥顶角为120º的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在初试验力和主试验力的先后作用下，压入试样的表面，经规定保持时间后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。用符号HR来表示。

2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness ) 用金刚石圆锥体压头进行试验时，k为100；用淬火钢球压头进行试验时，k为130。 e——残余压痕深度增量，单位为mm。 洛氏硬度没有单位，试验时硬度值可直接从洛氏硬度计的刻度盘上读出。 （2）常用洛氏硬度标尺及其适用范围 由于试验时选用的压头和总试验力的不同，洛氏硬度的测量尺度也就不同，常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种，其中C标尺应用较为广泛。三种洛氏硬度标尺的试验规范和应用范围见表1–2。

2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness ) 表1–2 常用洛氏硬度的试验条件和应用范围 标尺 硬度符号 压头 初试验力/N 主试验力/N 总试验力/N 测量范围 应用举例 A HRA 金刚石圆锥 98．1 490．3 588．4 70~85 硬质合金、表面淬火层、渗碳层等 B HRB 钢球 882．6 980．7 25~100 退火或正火钢、非铁金属等 C HRC 1373 1471．1 20~67 调质钢、淬火钢等

2.洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness ) 洛氏硬度优缺点 洛氏硬度试验压痕较小，对试样表面损伤小，可用来测定成品、半成品或较薄工件的硬度； 试验操作简便，可直接从刻度盘上读出硬度值； 由于采用不同的硬度标尺，洛氏硬度的测试范围大，能测量从极软到极硬各种金属的硬度。 由于压痕小，当材料的内部组织不均匀时，硬度数值波动较大，不能反映被测金属的平均硬度，因此，在进行洛氏硬度试验时，需要在不同部位测试数次，取其平均值来表示被测金属的硬度。

3. 维氏硬度 HV (Viker’s hardness) 式中 F——试验力，单位为N； d——压痕两对角线长度的算术平均值，单位为mm。

第1章 材料的性能 维氏硬度试验所用的试验力可根据试样的大小、厚薄等条件进行选择，常用试验力的大小在49.03~980.7N范围内。 维氏硬度值的表示方法与布氏硬度相同，硬度数值写在符号的前面，试验条件写在符号的后面。对于钢及铸铁，当试验力保持时间为10~15s时，可以不标出。例如： 642HV30表示，用294.2N试验力保持10~15s测定的维氏硬度值为642。 642HV30/20表示，用294.2N试验力保持20s测定的维氏硬度值为642。

由于维氏硬度试验时所加试验力较小，压痕深度较浅，故可测量较薄工件的硬度，尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，其结果精确可靠。因维氏硬度值具有连续性，范围在5~1000HV内，所以适用范围广，可测定从极软到极硬各种金属的硬度。但维氏硬度试验操作比较缓慢，而且对试样的表面质量要求较高。

*4. 显微硬度（Micro-hardness） 测试原理： 与维氏硬度完全相同，只是所用载荷要小得多。常用于测定材料中某个相的硬度。

几种硬度指标小结 硬度种类 硬度符号 压头类型 载荷/kgf 硬度值有效范围 典型应用 布氏 HBS 10mm淬火钢球 1000 <450 退火、正火或调质钢件 HBW 10mm硬质合金球 <650 淬火钢等较硬材料 洛氏 HRA 120°金刚石圆锥 60 70-85 硬质合金、表面淬火钢 HRB 1.588mm淬火钢球 100 25-100 退火钢、有色合金 HRC 150 20-67 一般淬火钢件 维氏 HV 136°金刚石四棱锥 5－120 0-1000 经表面处理后的材料表面层

材料的动载力学性能 动载荷是指由于运动而产生的作用在构件上的力。 根据作用的性质不同分为交变载荷与冲击载荷。 动载力学性能指标主要有冲击韧性和疲劳强度。

一、冲击韧度 韧性： 材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧度。为了测定金属的冲击韧度，通常要进行夏比冲击试验。

一、冲击韧度 1．测试原理 夏比冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的，利用的是能量守恒原理。试验时，将被测金属的冲击试样放在冲击试验机的支座上，缺口应背对摆锤的冲击方向，如图1–7所示。摆锤冲断试样所消耗的势能即是摆锤冲击试样所作的功，称为冲击吸收功，用符号ak表示。 图1-7

一、冲击韧度 试验时，ak值可直接从试验机的刻度盘上读出。AK值的大小就代表了被测金属韧性的高低，但习惯上采用冲击韧度来表示金属的韧性。冲击吸收功AK除以试样缺口处的横截面积S0，即可得到被测金属的冲击韧度，用符号αK表示。其计算公式如下： 式中 αK——冲击韧度，单位为J/cm2； AK——冲击吸收功，单位为J； S0——试样缺口处横截面积，单位为cm2。 一般将αK值低的材料称为脆性材料，αK值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口比较平整，有金属光泽；韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，没有金属光泽。

一、冲击韧度 2．冲击试样 为了使夏比冲击试验的结果可以互相比较，冲击试样必须按照国家标准（GB/T229-1994）制作，如图1–8所示。常用的冲击试样有夏比U型缺口试样和夏比V型缺口试样两种，其相应的冲击吸收功分别标为AKU和AKV，冲击韧度则标为αKU和αKV。 1–8 夏比V型缺口试样 夏比U型缺口试样

3．韧脆转变温度 金属的冲击吸收功与冲击试验时的温度有关。同一种金属材料在一系列不同温度下的冲击试验中，测绘的冲击吸收功与试验温度之间的关系曲线，称为冲击吸收功–温度曲线，如图1–9所示。 当温度降至某一范围时，冲击吸收功急剧下降，金属由韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变。金属由韧性状态向脆性状态转变的温度称为韧脆转变温度。韧脆转变温度是衡量金属冷脆倾向的指标。 在选择金属材料时，应考虑其工作条件的最低温度必须高于金属的韧脆转变温度。

4．多次冲击试验 在实际工作中，承受冲击载荷作用的零件或工具，经过一次冲击断裂的情况很少。大多数情况是在小能量多次冲击作用下而破坏的，这种破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，与大能量一次冲击的破坏过程有本质的区别。小能量多次冲击试验的原理如图1–10所示。 实践证明，冲击韧度高的金属材料，小能量多次冲击抗力不一定高。一般金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于金属的塑性，而在小能量多次冲击的情况下，其冲击抗力主要取决于金属的强度。

五、疲劳强度 1．疲劳现象 许多机械零件都是在循环载荷的作用下工作的，如曲轴、齿轮、弹簧、各种滚动轴承等。循环载荷是指大小、方向都随时间发生周期性变化的载荷。 承受循环载荷作用的零件，在工作过程中，常常在工作应力还低于制作材料的屈服点或屈服强度的情况下，仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳。 疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同，不管是韧性材料还是脆性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形作为预兆，故具有很大的危险性。

第1章 材料的性能 疲劳断裂是在零件应力集中的局部区域开始发生的，这些区域通常存在着各种缺陷，如划痕、夹杂、软点、显微裂纹等等，在循环载荷的反复作用下，产生疲劳裂纹，并随应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效承载面积不断减少，最后达到某一临界尺寸时，发生突然断裂。因此，疲劳破坏的宏观断口是由疲劳裂纹的策源地及其扩展区（光滑部分）和最后断裂区（粗糙部分）组成的，如图1–11所示。

金属在循环应力（图1-13）作用下能经受无限次循环而不断裂的最大应力值，称为金属的疲劳强度，对称循环应力的疲劳强度用符号σ-1表示。 2．疲劳强度 在循环载荷作用下，金属所承受的循环应力σ和断裂时相应的应力循环周次数N之间的关系，可以用曲线来描述，这种曲线称为σ–N疲劳曲线，如图1–12所示。 金属在循环应力（图1-13）作用下能经受无限次循环而不断裂的最大应力值，称为金属的疲劳强度，对称循环应力的疲劳强度用符号σ-1表示。 图1-13 对称循环交变应力

实际上，金属材料不可能做无数次循环应力试验，一般都是求疲劳极限，即对应于规定的循环基数，试样不发生断裂的最大应力值。对于铁金属，一般规定应力循环基数为107周次；对于非铁金属，则应力循环基数规定为108周次。 金属的疲劳极限受很多因素的影响，如工作条件、材料成分及组织、零件表面状态等。改善零件的结构形状、降低零件表面粗糙度、采取各种表面强化方法、尽可能减少各种热处理缺陷等都可以提高零件的疲劳极限。

金属的工艺性能 工艺性能是指金属在制造各种机械零件或工具的过程中，对各种不同加工方法的适应能力，即金属采用某种加工方法制成成品的难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能等。

金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、收缩性和偏析等。灰铸铁和青铜的铸造性能比较好 一、铸造性能 金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、收缩性和偏析等。灰铸铁和青铜的铸造性能比较好 流动性是指熔融金属的流动能力，它主要受金属的化学成分和浇注温度的影响，流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件； 收缩性是指铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象，收缩不仅影响铸件的尺寸精度，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形及开裂等缺陷，所以用于铸造的金属其收缩率越小越好； 偏析是指铸件凝固后其内部化学成分不均匀的现象，偏析严重时能造成铸件各部分的组织和力学性能相差很大，降低铸件的质量。

第1章 材料的性能 二、锻造性能 金属利用锻压加工方法成形的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要取决于金属的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能就越好，例如碳钢在加热的状态下有较好的锻造性能；铸铁则不能进行锻造。 三、焊接性能 焊接性能是指金属对焊接加工的适应能力，即在限定的施工条件下被焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定使用要求的能力。焊接性能好的金属可以获得没有裂缝、气孔等缺陷的焊缝，焊接质量好，并且焊接接头具有一定的力学性能。如低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳钢、铸铁的焊接性能较差。

四、切削加工性能 切削加工性能是指金属在切削加工时的难易程度。切削加工性能好的金属对使用的刀具磨损小，零件表面粗糙度低。影响切削加工性能的因素主要有金属的化学成分、组织状态、硬度、导热性、冷变形强化等。一般认为金属的硬度在170-230HBS范围内时，最易切削加工。如铸铁、铜合金、铝合金具有良好的切削加工性能，而高合金钢的切削加工性能较差。通常对金属进行适当的热处理，是改善其切削加工性能的重要途径。