1、精密機械設計精密機械設計李月強李月強E-mail: MSN: QQ: 494618第七章第七章 工程材料及熱處理工程材料及熱處理概述材料工具生產力人類社會的進步石器時代青銅器時代鐵器時代工業時代在人類的發展史上，最先使用的工具是石器。我們的祖先用堅硬的容易縱裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石鋤。 早在新石器時代(公元前6000年公元前5000年)，中華民族的先人們用粘土(主要成分為SiO2，Al2O3)燒制成陶器。 我國在東漢時期發明了瓷器，成為最早生產瓷器的國家。瓷器于9世紀傳到非洲東部和阿拉伯國家，13世紀傳到日本，十五世紀傳到歐洲。瓷器成為中國文化的象征，對世界文明產生了

2、極大的影響。 我國青銅的冶煉在夏朝(公元前2140年始)以前就開始了，到殷、西周時期已發展到很高的水平。青銅主要用于制造各種工具、食器、兵器。 我國從青秋戰國時期(公元前770年公元前221年)已開始大量使用鐵器。 黃河鎮河大鐵牛(唐開元12年鑄)鋼的熱處理技術也達到了相當高的水平。西漢史記天官書中有“水與火合為淬”一說， 正確地說出了鋼鐵加熱、水冷的淬火熱處理工藝要點。漢書王褒傳中記載有“巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒”的制劍技術。明代科學家宋應星在天工開物一書中對鋼鐵的退火、淬火、滲碳工藝作了詳細的論述。在材料領域中還應該提到的是絲綢。絲綢是一種天然高分子材料，它在我國有著悠久的歷史，于十一世

3、紀傳到波斯、阿拉伯、埃及，并于1470年傳到意大利的威尼斯，進入歐洲。歷史充分說明，我們勤勞智慧的祖先，在材料的創造和使用上有著輝煌的成就，為人類文明、世界進步作出了巨大貢獻。在當代，材料、能源與信息作為現代社會和現代技術的三大支柱，發展格外迅猛。 從20世紀60年代到70年代，高分子材料每年以14的速度增長，而金屬材料的年增長率僅為4。到70年代中期，全世界的高分子材料和鋼的體積產量已經相等；除了用作結構材料代替鋼鐵外，目前正在研究和開發具有良好導電性能和耐高溫的高分子材料。 滌綸安全帶 尼龍齒輪 陶瓷材料的發展同樣十分引人注目，它除了具有許多特殊性能作為重要的功能材料(例如可作光導纖維、激

4、光晶體等)以外，其脆性和抗熱震性正在逐步獲得改善，是最有前途的高溫結構材料。機器零件和工程結構已不再只使用金屬材料制造了。 耐磨陶瓷 絕緣陶瓷 復合材料的研究和應用引起了人們的重視。如玻璃纖維樹脂復合材料(即玻璃鋼)、碳纖維樹脂復合材料已應用于宇航和航空工業中制造衛星殼體、宇宙飛行器外殼、飛機機身、螺旋槳等、發動機葉輪等；在交通運輸工業中制造汽車車身、輕型船艇等，在石油化工工業中制造耐酸、耐堿、耐油的容器、管道等。 玻璃鋼賽車殼體 玻璃鋼儲液罐 近年來超導材料、磁性材料、形狀記憶材料、信息材料等各種功能材料有很大的發展。 光纜磁浮列車（時速430公里）我國在新材料新工藝的研究和應用方面取得重大

5、成果研制成功性能優越、用途廣泛的新型結構鋼貝氏體鋼；研制出零電阻溫度為128.7 K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超導體(鉈系超導體)；鎂鋁合金的開發和應用研究取得重大成果。鎂鋁合金葉輪 鎂鋁合金手機殼 材料快速成型技術和材料表面處理技術在我國得到迅速發展。 分層實體快速成形減速機箱體原型 熔融沉積快速成形葉輪原型 殲7E戰斗機碳納米管材料的分類按材料的性質材料金屬材料非金屬材料黑色金屬及其合金材料有色金屬及其合金材料無機非金屬材料有機高分子材料按材料的應用材料結構材料：以力學性能為主要使用性能并兼具一 定物理、化學性能。功能材料：具有特異物理化學性質，如超導材料、激 光材料、生物材料、形狀記憶

6、材料等。90%5%5%材料的使用比例鋼鐵材料鋼鐵材料有色金屬材料有色金屬材料其他材料其他材料一、金屬材料的工程性能應力極限應力極限強度指標彈性模量彈性模量彈性指標延展性延展性 塑性指標沖擊韌度沖擊韌度韌性指標彈性能和韌性能彈性能和韌性能硬度硬度預備知識1、應力APpm微面積 上的平均應力AdAdPAPpAlim0m-m截面上K點的全應力應力是一點處內力的集度，通俗的說，應力是單位面積上的力。2、應變xudxduxuxlim0線段 上的平均線應變x線應變線應變是單位長度的伸長量。1、應力極限（、應力極限（Stress limit）強度指標強度指標 主要有： 比例極限 屈服極限 強度極限 疲勞極限

7、psbr彈性階段 Oa屈服階段 ab強化階段 bfc局部變形階段cd比例極限比例極限：應力與應變成正比的最大應力。無殘余變形，彈性階段。屈服極限屈服極限：應力幾乎不變而應變增加的最小應力。出現了顯著塑性變 形，屈服階段。強度極限強度極限：斷裂前的最大應力。標志材料失去承載能力，強化階段。疲勞極限疲勞極限：N次應力循環后，材料不發生疲勞破壞的最大應力。冷作硬化冷作硬化：常溫下經過塑性變形使材料強度提高，塑性降低的現象。2、彈性模量（、彈性模量（Modulus of elasticity）彈性指標彈性指標 反映了材料抵抗變形的能力，是衡量材料剛度的性能指標。 數值上等于產生單位應變所需要的應力。

8、在比例極限范圍內： EG彈性模量剪切彈性模量GE單向應力狀態下的虎克定律E=tgG=tg3、延展性（、延展性（ Ductility ）塑性指標塑性指標 衡量材料塑性性能的指標，包括伸長率和斷面收縮率。 （1）伸長率伸長率：（Elongation after fracture） %1000LL0LL標距內的伸長量（斷裂后）標距原長塑性材料：結構鋼、鋁合金、青銅、低碳鋼脆性材料：鑄鐵、高碳工具鋼、混凝土、石料%5%5（2）斷面收縮率斷面收縮率：（Reduction of area after fracture）%1000AA0AA斷裂處面積的縮小量原面積4、沖擊韌度（、沖擊韌度（Impact to

9、ughness）韌性指標韌性指標 衡量材料承受沖擊載荷的能力。韌性是材料破壞所需要的功。 沖擊韌度是材料缺口處單位面積上所消耗的沖擊功。 FAmkJFAkkk)/(2試樣擊斷時所消耗的沖擊功缺口處的截面積5、彈性能和韌性能（、彈性能和韌性能（Resiliency and ductile energy） 彈性能：在彈性變形范圍內，應變能以勢能的形式儲存在材料內 部，撤去外力后勢能全部釋放，這種應變能稱為彈性能。 韌性能：材料在斷裂前所能吸收的能量稱為韌性能。6、硬度（、硬度（Hardness） 表明材料表面在一個小體積范圍內抵抗彈性變形、塑性變形或破裂的能力。 常采用壓痕深度或壓痕單位表面積所承

10、受的載荷作為硬度值高低的指標。 （1）布氏硬度布氏硬度（Brinell hardness） 利用一個一定直徑的硬鋼球，在一定載荷下壓入材料表面，保 持數秒使其達到穩定狀態，然后將載荷卸除。 布氏硬度值（HB）由單位壓痕表面積上所承受的載荷數表示。 （2）維氏硬度維氏硬度（Vickers hardness） 與布氏硬度試驗原理相同，只是用頂角為136度的金剛石棱錐體 作為壓印頭。 維氏硬度值（HV）由單位壓痕表面積上所承受的載荷數表示。 （3）洛氏硬度洛氏硬度C（Rockwell C hardness） 洛氏硬度測定法根據壓印頭的種類和載荷的大小可分為若干種， 應用最廣泛的是洛氏硬度C。 洛氏硬度C值（HRC）以頂角為120度的金剛石圓錐作為壓印頭。 先加98 N的初載荷，再加1372N的主載荷，停留一定時間后將主載荷 卸去，材料回彈一部分，以此時的壓痕深度作為硬度值的計算依據。 002. 0100hHRC金屬材料工程性能的影響因素金屬材料工程性能的影響因素：1、含碳量的影響、含碳量的影響：鋼的含碳量越高，材料的強度和硬度越高，塑性降低。