第一篇

机械工程材料与 金属热加工基础

第一章 机械工程材料

用来制造机械零件的工程材料一般分为三大类：

金属材料——钢铁、有色金属及其合金；

非金属材料——塑料、橡胶、合成纤维、木材涂料， 陶瓷、玻璃、搪瓷、水泥等；

复合材料——树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等

机械用材（2.5）

第一章 机械工程材料

§1—1 金属材料的主要性能力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能

一、金属材料的力学性能——金属在外加载荷（包括静载荷、冲击载荷、

交变载荷）作用下表现出来的特性。

强度 塑性 硬度 冲击韧性 疲劳强度

1 、强度——材料在外力作用下，抵抗破坏的能力（一般

以抗拉强度作为基本强度指标）。

第一章 机械工程材料

螺栓的变形与折断

齿轮轮齿的折断

（ 1 ）拉伸试验

按 GB6379-86规定制作试样，在万能试验机上缓慢进行拉伸，使试样承受轴向拉力P，并沿轴向产生伸长⊿ L （⊿ L =L1-L0 ），

直到试样断裂。

d0(A0)

0l

d1(A1)

1l

拉断前后的试棒形态

第一章 机械工程材料

拉伸实验（6）

第一章 机械工程材料

（ 2）拉伸曲线

Δl

F

o

eeF

ssF

bF

低碳钢拉伸曲线

力与变形成正比增加；段—oe

es段—力与变形成曲线增加，上部水平波动；

sb段— 力与变形同时增加截面收缩；弹变

屈服

缩颈

b点后—力减少变形加剧，发生颈缩，直到断裂。

将拉力 F 除以试样的原始横截面积 A0 称为应力 ,记为： σ

)MPa(A

F

0

式中：

σ —— 拉应力 (Mpa)

F—— 拉伸载荷 (N)

A0—— 试棒横截面积 (mm2)

b

（ 3）强度指标1）屈服点——指金属材料开始产生屈服时的应力，记为 。

s

0ss AF

式中： σs—— 屈服点（ Mpa ） Fs—— 屈服载荷 (N) ； A0—— 试棒原始截面积 (mm2)

* 屈服点一般作为低碳钢、中碳钢、退火钢等较软的材料的强度指标，用以表明这类材料抗永久变形的能力，它是设计和选材的重要依据之一。

第一章 机械工程材料F

o

es

b

eFsFbF

l

* 某些较硬的材料，如铸铁、高碳钢以及合金没有明显的屈服现象。通常规定，试棒产生 0.2% 的塑性变形时的应力值作为这类材料的条件屈服点，记为 。2.0

2 ）抗拉强度

0bb AF

——指材料在断裂前所能承受的最大拉应力，记为 。

b

式中：

第一章 机械工程材料F

lo

F

o

es

b

eFsFbF

lFb—— 试棒能承受的最大载荷 (N)

A0—— 试棒原始截面积 (mm2)

σb——抗拉强度 (Mpa)

* 抗拉强度表明了材料抵抗断裂破坏的能力，它也是设计和选材的重要依据之一。

第一章 机械工程材料

2 、塑性——材料在外力作用下产生不可逆永久变形（塑性

变形）而不断裂的能力。塑性指标：1）伸长率2）断面收缩率

%100l

ll

0

01

%100A

AA

0

10

—— 试棒原始截面积和断后截面积(mm2)

10 A,A

式中： ——试棒原始标长和断后标长(mm)

10 l,l

δ 或 ψ 数值越大，材料的塑性越好。

3 、硬度——材料抵抗更硬物体压入的能力。

硬度值不仅决定于材料本身的化学成分、金相组织和热处理方式的差别，而且还取决于试验的方法和条件，目前广泛采用压入法。根据适用的硬度范围不同，主要采用两种硬度指标量：

第一章 机械工程材料

洛氏硬度布氏硬度齿轮因硬度不足而磨损

第一章 机械工程材料（ 1）布氏硬度(HB)——以测量压痕面积来确定硬度值的硬度指标。

F

dD

h

布氏硬度试验原理

方法：用淬火钢球或硬质合金球作为压头，用规定的载荷 F 将压头压入被测材料表面，经规定的保持时间后卸除载荷。用读数放大镜测量压痕，并经过计算得出硬度值。

HBS ：淬火钢球压头（用于较软材料）。

（表格化）

HBW: 硬质合金球压头（用于较硬材料）。表达： 320HBS ， 470HBW

)dDD(D

F2102.0HB

22

（ 2）洛氏硬度(HR)——以测量压痕深度来确定硬度值的硬度指标。

* 布氏硬度压痕面积大，测量准确，又因压痕大，不宜测试薄件或成品件，主要测试铸铁、碳钢及退火、正火、和调质处理的钢材的硬度。

F

h

方法：用金刚石锥形压头或淬火钢球压头，用初始载荷 F1 和主载荷 F2 两次将压头压入被测材料表面，经规定的保持时间后卸除主载荷 F2, ，测量压痕深度，并经过计算得出硬度值。

002.0

hKHR

金刚石压头 (k=0.2)

淬火钢压头 (k=0.26)

第一章 机械工程材料

第一章 机械工程材料 为了能用一种硬度计测量从软到硬的材料硬度，采用不同的压头和载荷组合来测定硬度：HRA: 用金刚石压头、小载荷，适用硬度为 70∽85HRA

的硬质合金、表面淬火层和渗碳层的较硬表层或薄壁材料。

HRB: 用淬火钢球压头、中载荷，适用硬度范围为25∽100HRB 的非铁金属、退火、正火钢等较软材料。

HRC: 用金刚石压头、大载荷，适用硬度范围为70∽85HRC 的淬火钢、调质钢等较硬的整体材料。

表达： 60HRC ， 55HRA

* 洛氏硬度 HRC测量硬度高，操作简便迅速，压痕小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。

硬度实验（2.5）

第一章 机械工程材料

4 、冲击韧度（脆韧性）——材料在冲击载荷下，抵抗破坏的能力。（ 1 ）冲击试验

冲击试样（ 2 ）冲击韧度指标

利用冲击试验机冲断试样所消耗的冲击吸收功，通过计算断口单位面积上的消耗功来表示冲击韧度 αk 。

)cm/J(A

W 2

d

kk

式中： Wk—— 冲击吸收功 (J)

Ad—— 试样断口截面积(cm2)

冲击实验（2）

第一章 机械工程材料

5 、疲劳强度—— 材料在反复改变大小或同时改变大小和方向的交变载荷作用下，抵抗破坏的能力。疲劳：金属在循环的交变应力作用下，在一处或多处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳失效前无明显的塑性变形而发生断裂，具有危险性，大多数零件失效是由疲劳造成。

静强度断裂 疲劳断裂

粗 糙 光滑区

第一章 机械工程材料

疲劳强度指标：疲劳极限 疲劳曲线

循环次数 N

应力

r4

4N

1

1N

2

2N

3

3N

不断裂——材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分的应力值 σr 。

t

t

对称循环时： 1r 脉动循环时： 0r

第一章 机械工程材料二、金属材料的其它性能1 、物理性能

——金属材料本身的固有属性。（ 1）密度：单位体积中材料的质量 ρ(kg/m3)×103 。*要求重量轻时应使用低密度材料。 )84.7:Fe,69.2:Al,74.1:Mg(

（ 2）熔点：材料的熔化温度（ oC) 。* 高温工作材料要求熔点高。（难熔w:3380,Mo:2610,V;1890)（ 3）热膨胀性：用线膨胀系数表示 αe （ K-1╳10-6)。* 对精密仪器零件或异钟材料焊接是非常重要的性能指标。

（ 4）导电性：用电阻率高低表示（ Ω•m ） /10-8 。* 金属的导电性好 ，非金属的导电性差。纯金属的导电性比合金的导电性好。

)Al,Cu,Ag(

第一章 机械工程材料

（ 5）导热性：用热导率表示 λ （ W/m.K）。

* 金属越纯导热性越好 ，非金属的导热性差。导热性高的材料常用来制造热交换器等传热设备中的零件。

)Al,Cu,Ag(

2 、化学性能——材料在室温或高温下抵抗各种化学介质作用的能力。

（ 1）耐蚀性：抵抗化学腐蚀或电化学腐蚀的能力。

* 腐蚀是机械、化工等行业中造成一些隐蔽性和突发性事故的重要原因。化工设备、医疗器械、食品器械、制药器械等应采用耐酸碱腐蚀、耐空气、水溶液等腐蚀的材料，如不锈钢等。

（ 2）高温抗氧化性：指材料在迅速氧化后，能在表面形成一层连续、致密并与基体结合牢固的膜，从而阻止材料进一步氧化的能力。

第一章 机械工程材料

* 工业高温加热炉管、气轮机、烟气轮机等高温设备应采用高温抗氧化材料。3 、工艺性能——材料在制造机械零件和工具的过程中，采用某种加工方法制成成品的难易程度。（ 1）铸造性

（ 2）锻造性

（ 3）焊接性

（ 4）切削加工性

第一章 机械工程材料课 后 小 结

金属材料的主要性能

力学性能物理性能化学性能工艺性能

金属材料的力学性能

强度塑性硬度冲击韧性疲劳强度

0ss AF 0bb AF

%100l

ll

0

01

%100A

AA

0

10

k

1 0

HBS HRC