第一章工程材料基礎知識第1頁，課件共28頁，創作于2023年2月力學性能是指材料在外力作用下表現出來的性能，主要有強度、硬度、塑性、沖擊韌度、疲勞強度等；物理性能是指材料固有的屬性，主要有密度、熔點、導電性、導熱性、磁性等；化學性能是指材料在化學作用下表現出來的性能，主要有抗腐蝕性、抗氧化性等；其中，力學性能指標是一般機械制造中選用材料和鑒定材料工藝質量時的主要依據。第2頁，課件共28頁，創作于2023年2月一、強度是指材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。抵抗變形和破壞的能力越大，則強度越高。根據受力狀況不同，可分為抗拉、抗壓、抗彎、抗扭和抗剪強度等。其中，抗拉強度為最基本的強度指標。各種強度之間有一定的聯系。一般情況下多以抗拉強度作為判別金屬材料強度高低的指標。抗拉強度測定方法：拉伸試驗第3頁，課件共28頁，創作于2023年2月拉伸試驗的方法：用靜拉伸力對標準試樣進行軸向拉伸，同時連續測量力和相應的伸長，直至斷裂。根據測得的數據，可求出有關的力學性能。1.拉伸試樣GB6397-86規定《金屬拉伸試樣》有：圓形、矩形、異型及全截面．常用標準圓截面試樣。長試樣：L0=10d0;短試樣：L0=5d0拉伸試樣第4頁，課件共28頁，創作于2023年2月2.拉伸過程第5頁，課件共28頁，創作于2023年2月拉伸試驗機拉伸試樣的頸縮現象第6頁，課件共28頁，創作于2023年2月3．力－伸長曲線拉伸試驗中記錄的拉伸力與伸長的關系曲線叫做力－伸長曲線，也稱拉伸圖。低碳鋼在拉伸過程中，其載荷與變形關系有以下幾個階段：1）彈性變形當載荷不超過Fe時，拉伸曲線Oe為直線，試樣的伸長量與載荷成正比。如果卸除載荷，試樣仍能恢復到原來的尺寸，即試樣的變形完全消失。這種隨載荷消失而消失的變形叫彈性變形。低碳鋼的力—伸長曲線第7頁，課件共28頁，創作于2023年2月2)塑性變形

當載荷超過Fe后，試樣將進一步伸長。此時若卸除載荷，彈性變形消失，而另一部分變形卻不能消失，即試樣不能恢復到原來的尺寸，這種載荷消失后仍繼續保留的變形叫塑性變形。

當載荷達到Fs時，拉伸曲線出現了水平或鋸齒形線段，表明在載荷基本不變的情況下，試樣卻繼續變形，這種現象稱為“屈服”。3）斷裂

當載荷繼續增加到某一最大值Fb時，試樣的局部截面縮小，產生所謂的“縮頸”現象。由于試樣局部截面的逐漸縮小，故載荷也逐漸降低，當達到拉伸曲線上k點時，試樣隨即斷裂。

Fk為試樣斷裂時的載荷。第8頁，課件共28頁，創作于2023年2月在試樣產生縮頸以前，由載荷所引起試樣的伸長，基本上是沿著整個試樣標距長度內發生的，屬于均勻變形；縮頸后，試樣的伸長主要發生在頸部的一段長度內，屬于集中變形。

4.強度指標強度指標是用應力值來表示的。試樣受到載荷作用時，則內部產生大小與載荷相等而方向相反的抗力(即內力)。單位截面積上的內力，稱為應力，用符號σ表示。屈服強度——金屬材料開始產生屈服時的應力，用σs表示。式中Fs——材料出現明顯塑性變形前所承受的最大載荷(N)；A0——試樣原始橫截面積(mm2)。第9頁，課件共28頁，創作于2023年2月抗拉強度——試樣斷裂前能夠承受的最大應力，稱為抗拉強度，用σb表示。式中Fb——試樣斷裂前所能承受的最大載荷(N)；

A0——試樣的原始橫截面積(mm2)。低碳鋼的屈服強度σs約為240MPa，抗拉強度σb約為400MPa。工程上所用的金屬材料，不僅希望具有較高的σs，還希望具有一定的屈強比(σs／σb)。屈強比越小，結構零件的可靠性越高，萬一超載也能由于塑性變形而使金屬的強度提高，不致于立即斷裂。但屈強比太小，則材料強度的有利用率就太低。第10頁，課件共28頁，創作于2023年2月二、塑性金屬發生塑性變形但不破壞的能力稱為塑性。在拉伸時它們分別為伸長率和斷面收縮率。1．伸長率伸長率是指試樣拉斷后的標距伸長量與原始標距的百分比，用符號δ表示。即：式中l0——試樣的原始標距長度(mm)；

l1——試樣拉斷后的標距長度(mm)。

第11頁，課件共28頁，創作于2023年2月2．斷面收縮率斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號ψ表示。即：式中So——試樣原始橫截面積(mm2)；

S1——試樣斷裂處的橫截面積(mm2)。

伸長率的大小與試樣的尺寸有關。試樣長短不同，測得的伸長率是不同的。長、短試樣的伸長率分別用δ10和δ5表示，δ10也常寫成δ。

δ和ψ是材料的重要性能指標。它們的數值越大，材料的塑性就越好，故可以進行壓力加工；普通鑄鐵的塑性差，因而不能進行壓力加工，只能進行鑄造。第12頁，課件共28頁，創作于2023年2月三、硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標，是指金屬抵抗局部彈性變形、塑性變形、壓痕或劃痕的能力。

硬度是金屬材料的重要性能之一，也是檢驗工、模具和機械零件質量的一項重要指標。常用的硬度試驗方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度三種。1.布氏硬度

測定原理——是用規定的試驗力F，把直徑為D的硬質合金球壓人被測金屬表面，保持一定時間后卸除載荷，在放大鏡下測量被測試金屬表面的壓痕直徑d，由此計算壓痕的球缺面積S，然后再求出壓痕的單位面積所承受的平均壓力（F/S），以此作為被測試金屬的布氏硬度值，如圖1-3所示。第13頁，課件共28頁，創作于2023年2月

布氏硬度用符號HBW表示，習慣上只寫明硬度的數值而不標出單位。硬度符號HBW前面的數值為硬度值，符號后面的數值表示試驗條件的指標，依次為球體直徑、試驗力大小及試驗力保持時間（10～15s時不標注）。例如：600HBW1/30/20表示用直徑為1mm的硬質合金球，在294N的試驗力作用下保持20s，測得的布氏硬度值為600。第14頁，課件共28頁，創作于2023年2月

進行布氏硬度試驗時，應根據被測試金屬材料的種類和試樣厚度，選擇不同大小的球體直徑D、試驗載荷F和載荷保持時間。GB/T231.1－2002規定：1、球體直徑有10mm、5mm、2.5mm和1mm四種；2、試驗力（單位N）與球體直徑平方的比值（0.102F/D2）有30、15、10、5、2.5和1共6種（根據金屬材料的種類和布氏硬度范圍，按表選定0.102F/D2）；3、試驗力的保持時間為10～15s。對于要求試驗力保持較長時間的材料，試驗力保持時間允許誤差為±2s。布氏硬度試驗法因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內被測金屬的平均硬度，故試驗結果較精確。但因壓痕較大，所以不宜測試成品或薄片金屬的硬度。第15頁，課件共28頁，創作于2023年2月2.洛氏硬度

測定原理——用頂角為120°的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的淬火鋼球或硬質合金球作壓頭，在初試驗力F0及總試驗力F分別作用下壓入金屬表面，然后卸除主試驗力F1，在初試驗力F0下測定殘余壓入深度，用深度的大小來表示材料的洛氏硬度值，并規定每壓人0.002mm為一個硬度單位。圖1-4洛氏硬度試驗原理

如圖1-4所示。圖中0-0為金剛石圓錐壓頭沒有和試樣接觸時的位置，1-1為壓頭在初試驗力(100N)作用下，2-2為在總試驗力作用下，壓頭壓入深度為h2時的位置；3-3為卸除主試驗力保留初試驗力后壓頭的位置h3。第16頁，課件共28頁，創作于2023年2月這樣，壓痕的深度h=h3－h1，洛氏硬度的計算公式為：

洛氏硬度式中h——壓痕深度；N——給定標尺的數值，A、C標尺為100；B標尺為130。

淬火鋼球壓頭用于退火件、有色金屬等較軟材料的硬度測定；金剛石壓頭適用于淬火鋼等較硬材料的硬度測定。

洛氏硬度所加載荷根據被測材料本身硬度不同而組成不同的洛氏硬度標尺，其中最常用的是A、B、C三種標尺。第17頁，課件共28頁，創作于2023年2月優點：操作迅速、簡便，可從表盤上直接讀出硬度值，不必查表或計算，而且壓痕小，可測量較薄工件的硬度。缺點：精確性較差，硬度值重復性差，需要在材料的不同部位測試數次，取其平均值來代表材料的硬度。第18頁，課件共28頁，創作于2023年2月3、維氏硬度HV原理：和HB相同，只是壓頭不同。HV=F/A=1.8544F/d2，kg/mm2

壓頭：錐面夾角為136°的金剛石四棱錐體壓頭。表示：640HV、800HV。適用范圍：表面硬度（硬化層）。優點：載荷小，壓痕淺，但測定麻煩。第19頁，課件共28頁，創作于2023年2月四、沖擊韌度

金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱為沖擊韌度。通常用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定金屬材料的韌度，其試驗原理如圖1-6所示。

試驗時，把標準沖擊試樣的缺口背向擺錘方向放在沖擊試驗機上，將擺錘揚起到規定高度H1，然后自由落下，將試樣沖斷。第20頁，課件共28頁，創作于2023年2月

擺錘沖斷試樣所消耗的功為AK=mg(H1－H2)，稱做沖擊吸收功，可從沖擊試驗機上直接讀出，單位為焦耳（J）。用試樣缺口處的橫截面積S去除AK所得的商即為該材料的沖擊韌度值，用符號αK表示，單位為焦耳／厘米2(J／cm2)。即：

試樣缺口有U和V兩種，沖擊韌度值分別以αKU和αKV表示。

αKU值越大，材料的沖擊韌度越好，斷口處則會發生較大的塑性變形，斷口呈灰色纖維狀；

αKV值越小，材料的沖擊韌度越差，斷口處無明顯的塑性變形，斷口具有金屬光澤而較為平整。

強度、塑性兩者均好的材料，αKU值也高。加載速度越快，溫度越低，表面及冶金質量越差，則αKV值越低。第21頁，課件共28頁，創作于2023年2月五、疲勞強度

有許多零件(如齒輪、彈簧等)是在交變應力(指大小和方向隨時間作用期性變化)下工作的，零件在這種交變載荷作用下經過長時間工作也會發生破壞，通常這種破壞現象叫做金屬的疲勞斷裂。

圖1-7是某材料的疲勞曲線，橫坐標表示循環周次，縱坐標表示交變應力。

從該曲線可以看出，材料承受的交變應力越大，疲勞破壞前能循環工作的周次越少；當循環交變應力減少到某一數值時，曲線接近水平，即表示當應力低于此值時，材料可經受無數次應力循環而不破壞。第22頁，課件共28頁，創作于2023年2月

我們把材料在無數次交變載荷作用下而不破壞的最大應力值稱為疲勞強度。

通常光滑試樣在對稱彎曲循環載荷作用下的疲勞強度用σ-1表示。

對鋼材來說，我們把經受10E+7周次或更多周次而不破壞的最大應力定為疲勞強度。

對于有色金屬，一般則需規定應力循環次數在10E+8或更多周次，才能確定其疲勞強度。

影響疲勞強度的因素主要有循環應力、溫度、材料的化學成分及顯微組織、表面質量和殘余應力等。第23頁，課件共28頁，創作于2023年2月

上述力學性能指標，都是用小尺寸的光滑試樣或標準試樣，在規定性質的載荷作用下測得的。光滑試樣或標準試樣的力學性能指標不能直接代表材料制成零件后的性能。1、因為實際零件尺寸往往很大，尺寸增大后，材料中出現缺陷(如孔洞、夾雜物，表面損傷等)的可能性也增大；2、零件在實際工作中所受的載荷往往是復雜的，零件的形狀、表面粗糙度值等也與試樣差異很大。第24頁，課件共28頁，創作于2023年2月機械工程材料

金屬材料高分子材料黑色金屬有色金屬塑料合成橡膠合成纖維輕有色金屬鋁、鎂等重有色金屬銅、鉛等稀有金屬稀土等鑄鐵碳鋼合金鋼陶瓷材料硅酸鹽材料玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料等新型陶瓷除SiO2以外的其他氧化物、碳化物、氮化物材料復合材料纖維增強復合材料粒子增強復合材料層疊復合材料一、工程材料的分類第二節工程材料的類型及其特征第25頁，課件共28頁，創作于2023年2月按零件在機械或機器中實現的功能，將制造材料