工程材料学

主讲人：张卫

上海交通大学材料科学与工程学院

2薛小怀 副教授

参考资料

《工程材料与制造工艺教程》，沈纫秋；

《工程材料》，李遇昌，王本德；

《船舶与海洋工程材料》，姜锡瑞；

《金属熔焊原理》，周振丰，张文钺。

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考核方式及考核内容

考核方式：平时成绩 + 闭卷考试成绩；

考试内容：课堂讲授内容；

联系方式： 021-54744246

zhw_sjtu@sjtu.edu.cn

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课程的主要内容

（ 1 ）金属的基础理论 材料的力学性能、纯金属结构与结晶、相结构与相图、铁碳合金、钢的热处理、塑性变形与再结晶。

（ 2 ）工程材料 钢、有色金属及其合金、非金属材料、复合材料。

（ 3 ）材料加工工艺 铸造、锻压、焊接、热处理。

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课程的目的

获得常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识。通过对基础科学和知识的综合和运用，初步具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料，正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力。

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课程的特点

内容庞杂，原理规律多，概念定义多；

许多内容 看不见，摸不着，枯燥、乏味。

难教；

难学。

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工程材料学第一讲钢的性能

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材料的分类

按结合键分为金属键（金属材料）、离子键（陶瓷材料）及共价键（高分子材料）；

按性能划分为结构材料（力学性能为主）和功能材料（物理性能为主）。

本课程以工程结构材料为主。

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材料的分类

物理性能： 熔点、密度、热膨胀性、导热性、导电性和磁性。

根据服役条件和用途的不同，选择不同物理性能的材料，成为选择材料的依据。

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化学性能： 常温或高温下抵抗各种介质侵蚀的能力，也称为化学稳定性（抗氧化性和耐腐蚀性， mm/y ）。

耐蚀性：抗大气、海水、酸、碱等腐蚀介质。

抗氧化性：抵抗高温、强腐蚀燃气或流体介质对材料性能的影响。

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材料的力学性能

除物理、化学性能外，一般设计与选材时以材料的力学性能做为主要依据。 材料的力学性能一般包括：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。 力学性能数据可以通过标准实验测定或者查阅相关手册。

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材料的力学性能—强度

金属在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。根据外力的不同强度可以分为：抗拉、抗压、抗弯、抗剪和抗扭强度等。 分别以应力（单位面积上的内力， P/

A ）和应变（单位长度上的伸长量 L/L0 ）代替 P 和 L 绘出的应力 - 应变可得到比例极限、弹性极限、屈服强度和抗拉强度指标等。

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低碳钢的拉伸曲线

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比例极限（ MPa）

金属材料的伸长量与载荷成正比的最大应力。应力小于比例极限时，符合虎克定律。 实际很难测定，国标规定：拉伸曲线上稍微偏离弹性直线的某点，该点的切线与载荷轴夹角的正切值较弹性直线与载荷轴间的夹角正切值增加 50%时，该点处的应力作为“规定比例极限”。

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弹性极限（ MPa）

材料能够承受，不产生塑性变形的最大应力。小于该点时载荷与伸长量呈非线性，但仍是弹性变形，大于该点为弹 - 塑性变形阶段。

国标规定：残余伸长量为标距程度 L0 的

0.01%时的应力作为“规定的弹性极限”。

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屈服强度（ MPa）

金属材料开始屈服时的最小应力（外力不增加塑性变形继续显著增加）。但是合金钢、铜合金、铝合金等没有明显的屈服点，因此国标规定：残余应变量达到 0.2%时的应力称为屈服极限，

用 0.2表示。

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由于变形引起强化作用使得变形抗力增加，金属材料能承受的最大应力称为抗拉强度。

抗拉强度（ MPa）

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工程上不仅希望有高的 s ，而且有一定

的屈强比（ s/b ），屈强比越小，结构的

安全性越高，万一突然超载，结构不会立即破断。否则材料强度的利用率很低，不能发挥材料的性能潜力。

屈强比

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几种典型材料的拉伸图

铸铁、碳钢、纯铝

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刚度

抵抗弹性变形的能力，用弹性模量表征。弹性模量主要取决于材料本身特性，表示金属原子间结合力大小的参数，冷变形、热处理、合金化等手段对弹性模量的提高作用不大。

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塑性

断裂前金属产生塑性变形的能力。通常用延伸率（ % ）和断面收缩率（ % ）表示， 表示塑性更能体现材料的真实应变。

—试样拉断后标距增加的长度与原标距长度百分比。

—试样拉断后断裂处截面积最大缩减量与原试样截面积百分比。

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硬度

表示材料软硬程度，表征材料对局部塑性变形抗力的指标。

一般来说硬度高，耐磨性好；硬度与强度之间有一定的联系，可由硬度估算强度；测量简便，不必破坏零件。

测量硬度的方法主要有布氏法、洛氏法与维氏法。

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布氏硬度（ HBS/W）

在布氏硬度机上测定。将直径为 D 的淬火钢球在一定的载荷 P 作用下压入所测材料，经过规定加载时间然后卸载，得到直径为 d 的压坑，载荷除以压坑面积得到布氏硬度值。

布氏硬度值在 450以下的材料选用普通淬火钢球，以 HBS表示；硬度值达到 650以下，选用硬质合金球。太硬可能引起钢球变形时不能用布氏硬度值表示。

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布氏硬度与 b之间的换算关系：

轧制钢、锻钢： b(0.34~0.36)HBS ；

冷变形黄铜、青铜： b0.4HBS ；

铸钢： b(0.3~0.4)HBS ；

灰铸铁： b0.1HBS ；

铸铝： b0.26HBS 。

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洛氏硬度（ HR）

以压头的压坑深度计量硬度大小。加载过程如下：

(1)加 10kg初载，压坑深度 h1 ，去除表面粗糙度的影响；

（ 2 ）加主载 50/90/140kg，压坑深度为 h2 ；

（ 3 ）卸主载保留初载，由于弹性恢复压坑深度为 h3 。

h3-h1=h 计算深度。

HR=K- h /0.002表示硬度值。

K— 常数，金刚石圆锥体 100，淬硬钢球 130

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常用洛氏硬度的三种标度

标尺符号 压头类型 载荷 /kg K 测量范围 测试例

HRA金刚石圆锥 60 100 70~85

表面硬化层，硬质合金等。

HRB淬火钢球 1.588

100 130 25~100铝合金、镁合金、退火钢等

HRC金刚石圆锥 150 100 20~67

淬火钢、调质钢等硬零件。

注：压坑小，多用于成品检验，但也因此对组织粗大成分不均匀的材料测量结果不准确。

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维氏硬度（ Hv）

单位压痕表面积所承受的抗力。

与布氏硬度法相似，不同点在于所加载荷较小，并且用顶角为 136 的金刚石棱锥体做压头。在载荷作用下测量对角线长度为 d 的压痕。

广泛用于测定工件表面硬化层或金属镀层以及薄片金属的硬度。

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冲击韧性

试样抵抗冲击载荷的能力。

结构服役时要承受冲击载荷，比如飞机起落架、发动机涡轮轴、锻锤锤头、火车挂钩、冲床的连杆和曲轴等。

采用摆锤冲击试验法测定。有两种表示方法：

Ak—摆锤冲断试样所做的功（ J ）；

ak—打断试件在其缺口处单位面积上消耗的能量（ J/cm2 ）。

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影响 ak 的因素：金属材料缺陷、淬火过

热、夹杂、裂纹、温度温度等都非常敏感。

需要注意的问题：大能量一次冲击抗力主要取决于材料的塑性，而小能量多次冲击抗

力则取决于材料的强度。片面追求过高的 ak ，

而使强度受到损害，导致零件早期失效。

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疲劳强度

疲劳：金属材料在交变载荷作用下，其工作应力

小于抗拉强度或屈服强度，零件发生突然断裂的现象。

疲劳易发构件：旋转或做往复运动的转轴、齿

轮、弹簧、连杆等零件上， 80%的零件失效与疲劳有关。

交变载荷形成两类应力：方向不变，大小变化

（重复应力）；方向和大小都发生变化（交变应力）。

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疲劳断裂原因

在交变载荷作用下，在零件表面的应力集中部位（晶界、孪晶、非金属夹杂、裂纹、软点、划痕等）或材料本身强度较低的部位（脱碳层）产生不均匀划移，造成驻留划移带，形成疲劳微裂纹。随着应力循环周次的进行，微裂纹进一步扩展，使零件有效截面积减少，减少到不能承受外加载荷作用时发生失效破坏。

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以疲劳源为中心逐渐向零件内部扩展的若干弧线光亮区和最后断裂的粗糙区（结晶状或纤维状）组成。

疲劳断口特征

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疲劳断口实例

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疲劳强度是试样经过无限次应力循环仍不发生断裂的最大应力，是评定疲劳抗力的指标，以应力做纵坐标，应力循环次数做横坐标，可以绘制一幅 S—N 曲线。

R= 下限应力 / 上限应力

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设计方面：避免尖角，保证零件的粗糙度；

材料方面：保证冶金质量，减少夹杂疏松；

工艺方面：强化零件表面，比如表面淬火、渗碳、氮化、喷丸、滚压等。表面硬度提高可减少划伤，在表层形成压应力。

改善疲劳强度的措施

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断裂韧性

低应力脆断：

（ 1 ）断裂应力低于材料屈服强度；

（ 2 ）即使是塑性材料，断裂前也没有任何征兆，呈脆性断裂。

传统力学不能解释该现象。

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传统力学：无缺陷均匀体；

断裂力学：有许多宏观裂纹的连续体。

实践也证明了材料破断总是从一些缺陷或裂纹处开始的，低应力脆断为该裂纹扩展的结果。

构件中裂纹的长度越长或深度越深，裂纹尖端的应力越集中，发生失稳破断的临界应力越小。

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裂纹在外力作用下扩展的方式

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断裂力学运用弹性力学的分析方法，对裂纹尖端弹性应力场进行分析，提出了一个描述裂纹尖端附近应力

场程度强弱的力学参数—应力强度因子 KI 。当 KI增大

到某一临界值时。裂纹失稳扩展，试样迅速断裂，称为

临界应力强度因子 KIC ，临界应力以 C表示，裂纹长度

aC 为临界裂纹长度。

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成分、热处理工艺、显微组织相同材料的 KIC 为

常数。

KIC 可作为材料防止脆性断裂的强度与韧性综合性

指标。

KIC越高表示材料阻止裂纹扩展的能力越大。

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思考题

（ 1 ）各种力学性能指标的含义及测试方法。

（ 2 ）冲击韧性、疲劳强度、应力强度影响因子的影响因素。

（ 3 ）碳钢件的刚性不足，有人采用热处理方法，有人改用合金钢，还有人建议改变截面形状，那种措施合理？为什么？

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