1、重點掌握重點掌握 力學性能指標的物理意義和單位以及常用工程材力學性能指標的物理意義和單位以及常用工程材料的主要用途。料的主要用途。工程材工程材料料的性能的性能：使用性能：力學性能、物理性能、化學性能使用性能：力學性能、物理性能、化學性能外力作用下表現出來的特性。 通常外力稱為載荷/負荷。靜載荷大小不變沖擊沖擊載荷突然改變疲勞疲勞載荷大小、方向周期性變化工藝性能：工藝性能：拉伸試驗拉伸機上，緩慢加載 曲線分為四階段：1階段I（oe）彈性變形階段Fe -不產生永久變形的最大抗力2階段II（es）段屈服變形 Fs-產生微量永久變形時抗力）3階段III（sb）段Fb Fb均勻塑性變形階段4階段IV(B

2、K) 段 局部集中塑性變形 低碳鋼拉伸圖力力伸長曲線伸長曲線FesbkLFsFbO屈服屈服彈彈性性變變形形縮頸縮頸斷裂斷裂塑塑性性變變形形塑性變形塑性變形: :外力外力去除后不能消失去除后不能消失的變形的變形抗壓強度抗彎強度抗扭曲強度抗剪切強度n長試樣：10 簡寫為簡寫為 短試樣：5n同一種材料的5 10n硬度試驗方法：硬度試驗方法：（1 1）壓入法）壓入法（2 2）劃痕法）劃痕法（3 3）回跳法）回跳法壓入法壓入法)布氏硬度計布氏硬度計 1 1）. .壓頭：壓頭：淬火鋼球淬火鋼球 HBSHBS硬質合金鋼球硬質合金鋼球 HBWHBW2 2）. .試驗原理：試驗原理： 用一定直徑的壓頭（球體），

3、以相應試驗力壓入待測表面，保持規定時間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。 F F HB= = S Dh D h = 2 D d 2 2 22布氏硬度值布氏硬度值 450450的材料的材料 選用選用淬火鋼球淬火鋼球壓頭壓頭例如：例如：200HBS200HBS 350HBS 350HBS布氏硬度值布氏硬度值450450650650的材料的材料 選用選用硬質合金球壓頭壓頭例如：例如：550HBW550HBW 600HBW 600HBW 符號符號HBS或或HBW之前的數字表示之前的數字表示硬度值硬度值，符號后面的數字按順序分別表示符號后面的數字按順序分別表示球體直徑球體直徑、載荷載荷及及

4、載荷保持時間載荷保持時間。如如: :120HBS10/1000/30表示表示直徑為直徑為10mm的鋼的鋼球球在在1000kgf（9.807kN）載荷載荷作用下作用下保持保持30s測得的測得的布氏硬度值為布氏硬度值為120。4）. 特點：優點：測量誤差小（因壓痕大），數據穩定，重復性強。缺點：壓痕面積較大，測量費時。應用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測量成品零件或薄件的硬度。材料的材料的 b b與與HBHB之間的經驗關系：之間的經驗關系： 對于低碳鋼對于低碳鋼: : b b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 對于高碳鋼：對于高碳鋼： b b( (MPa)

5、MPa)3.4HB3.4HB 對于鑄鐵：對于鑄鐵： b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或0.6(HB-40)0.6(HB-40)1 1）. .壓頭：壓頭：120120金剛石圓錐體鋼球金剛石圓錐體鋼球鋼球鋼球 HRAHRAHRCHRCHRBHRB2 2）. .試驗原理：試驗原理： 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應試驗力壓入待測表面，保持規定時間卸載后卸除主試驗力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值。00112332h1h2h3h1-1 1-1 初載初載10kg h110kg h12-2 2-2 總載總載150kg h2150kg h23-3 3-3 卸

6、載卸載140kg h3140kg h3最后測得：最后測得：殘余壓痕深度增量 h hh=h3-h1h=h3-h1HR=h/0.002HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小例如：例如： 50HRC70HRA 50HRC40HRC 50HRB40HRC 3 3）. .特點：特點：優點優點：測量操作簡單，方便快捷，壓痕小；測量范圍大，能測較薄工件。缺點缺點：測量精度較低，可比性差，不同標尺的硬度值不能比較。HRA 硬、薄試件 HRB 輕金屬，未淬火鋼 HRC 較硬，淬硬鋼制品應用：維1 1）. .壓頭：壓頭： 錐面夾角為錐面夾角為136136的金剛石的金剛石正四棱錐體正四棱錐體2 2）

7、. .試驗原理：試驗原理： 與布氏硬度試驗原理基本相同。 只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。 以一定的試驗力將壓頭壓入試樣表面，保持規定時間卸載后，在試樣表面留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值。2 2）. .試驗原理：試驗原理： 用壓痕兩對角線的平均長度來計算。 維氏硬度的壓力一般可選5，10，20，30、50，100，120kg等，小于10kg的壓力可以測定顯微組織硬度。H V=F/Saad3 3）. .標注：標注： 與布氏硬度基本相同，在后面要標注試驗條件試驗力和保持時間（1015S不標）。 例：580HV30表示用30kgf (294.2N)試驗力保持1015S測

8、定的維氏硬度值為580。4 4）. .特點：特點：優點優點：適用范圍廣，測量精度高，可比性強；能測較薄工件缺點缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。應用應用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗。不適于大批生產和測量組織不均勻材料。 試樣沖斷時所消耗的試樣沖斷時所消耗的沖擊功沖擊功A kA k為為: : A k = m g H A k = m g H m g h (J) m g h (J)J/cmn交變應力大小n斷裂循環周次n疲勞曲線n疲勞曲線表明，隨著應力的減小，循環次數在增加，當應力降到一定值后，曲線趨于水平，這就意味著材料在此應力作用下無限次循環也不會產生斷裂，此應力稱為材料對稱彎曲

9、疲勞極限，用-l表示，單位為Ma 提高疲勞極限途徑提高疲勞極限途徑 1）改善零件的結構形狀）改善零件的結構形狀 2）降低表面粗糙度值）降低表面粗糙度值 3）采取表面強化）采取表面強化最佳硬度HB160/230 按材料的物質結構分類按材料的物質結構分類 可把設計材料分為四大類非晶體非晶體原子在空間作無序排列原子在空間作無序排列晶體具有固定的熔點，規晶體具有固定的熔點，規則的外形，具有各向異則的外形，具有各向異性。而非晶體沒有固定性。而非晶體沒有固定的熔點，呈現各向同性。的熔點，呈現各向同性。計算結果表明，不同晶向/晶面，其原子分布密度不同結合力不同性能不同（單晶體的各向異性） n= 8 n= 8

10、 1 18 81= 21= 2個個原子的半徑原子的半徑: R = 3 : R = 3 a a4 421881n=8n=81/8+61/8+61/2= 41/2= 4個個原子的半徑原子的半徑: : R = 2 R = 2 a a4 442n=12n=121/6+21/6+21/2+3 =61/2+3 =6原子的半徑原子的半徑: R = a / 2: R = a / 2632126112凝固與結晶 凝固：物質從液態經冷卻轉化為固態的過程。 結晶：通過凝固形成晶體物質的過程。 兩者聯系：均表示物質物質從液態轉化為固態的過程。 兩者區別：1、凝固：大概念，轉變產物是晶體/非晶體； 結晶：小概念，轉變產

11、物是晶體；2、凝固：一定的溫度范圍內進行，如玻璃； 結晶：有嚴格的平衡結晶溫度，如金屬 過冷是金屬結晶的必要條件。固體金屬：長程有序結構 液體金屬：成分起伏瞬時近程有序結構結晶核心/晶核長大 結晶本質：金屬從一種原子排列狀態過渡到另一種排列狀態的過程。 晶粒長大 :平面長大、樹枝狀長大 5、 合金的晶體結構的晶體結構幾個基本概念：合金，組元，相幾個基本概念：合金，組元，相合金的基本相結構可分為合金的基本相結構可分為固溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩大類。兩大類。兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組合而成并具有金屬特性的物質。合而成并具有金屬特性的物質。

12、組元組元-組成合金的基組成合金的基本單元。組元可以是金屬和非金屬本單元。組元可以是金屬和非金屬,也可以是化合物。也可以是化合物。材料中的直觀形貌材料中的直觀形貌,可以用肉眼觀察到可以用肉眼觀察到,也可也可以借助于放大鏡、顯微鏡觀察到的微觀形貌。以借助于放大鏡、顯微鏡觀察到的微觀形貌。 宏觀組織宏觀組織:肉眼或是肉眼或是30倍放大鏡所呈現的形貌；倍放大鏡所呈現的形貌；顯微組織顯微組織:顯微鏡觀顯微鏡觀察而呈現的形貌。察而呈現的形貌。合金中具有同一化學成分、同一晶體晶體結合金中具有同一化學成分、同一晶體晶體結構和性質并以界面相互隔開的均勻組成部分。構和性質并以界面相互隔開的均勻組成部分。（ 1）固

13、溶體固溶體-合金在固態下由組元間相互溶解而形成的相。合金在固態下由組元間相互溶解而形成的相。固溶體的最大特點是保持溶劑的晶體結構。固溶體的最大特點是保持溶劑的晶體結構。固溶體的類型：置換固溶體固溶體的類型：置換固溶體(a)和間隙固溶體和間隙固溶體(b)置換固溶體和間隙固溶體引起的點陣畸變。晶格畸變使晶體變置換固溶體和間隙固溶體引起的點陣畸變。晶格畸變使晶體變形抗力增加，材料的強度和硬度提高，這種現象稱為固溶強化形抗力增加，材料的強度和硬度提高，這種現象稱為固溶強化。2.金屬化合物金屬化合物金屬化合物的結構特點金屬化合物的結構特點溶劑溶劑A + 溶質溶質B = c bcc fcc cph例如例如

14、: 3Fe + C = Fe3C 體心體心 六方六方 復雜結構復雜結構n金屬化合物一般熔點較高，硬度高，脆金屬化合物一般熔點較高，硬度高，脆性大。人們可以通過固溶體的溶解度和性大。人們可以通過固溶體的溶解度和分布于其中的化合物的形狀、大小、數分布于其中的化合物的形狀、大小、數量和分布來調整合金的性能以滿足不同量和分布來調整合金的性能以滿足不同的需要。的需要。n（3）機械混合物）機械混合物常用金屬材料的分類常用金屬材料的分類金屬材料金屬材料黑色金屬材料有色金屬材料鋼純鐵鑄鐵輕金屬材料重金屬材料C0.02C2.114.5g/cm34.5g/cm3鐵的分類鐵的分類 生鐵生鐵是煉鋼原料，碳含量大于2，

15、以Fe3c狀存在，含硅量不大于1.7%， 。故硬而脆，斷口呈白色。 鑄造生鐵鑄造生鐵是鑄造材料，碳含量大于2.11，硅含量為1.25-3.6%.碳多以石墨狀態存在。斷口呈灰色。軟、易切削加工。 熟鐵熟鐵降碳至小于0.4就成了純鐵純鐵，也叫熟鐵。熟鐵很軟。 工業純鐵工業純鐵 C0.02 主要用作磁鐵芯鐵水先在高爐中從礦石中煉出來，這時候的鐵水含碳量和雜質都較高，常用來鑄成生鐵塊或直接送到轉爐去煉鋼，這種鐵水也可以進一步冶煉去掉些雜質（包括近一步脫碳）和使鐵三碳分解,，石磨狀態析出，用作澆鑄鑄件（鑄鐵）。 鐵水進一步冶煉降碳，含碳量進一步降低就成了鋼。鋼中也常加入其他合金元素，通過冶煉調節鋼中的合

16、金元素（包括碳）的比例關系，就煉成了各種型號的鋼，這種過程就是煉鋼。鋼材料分類鋼材料分類 鋼碳鋼合金鋼按含碳量分類：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼按鋼的品質分類：普通碳素鋼、優質碳素鋼按用途分類：碳素結構鋼、碳素工具鋼臺金結構鋼：低合金高強度鋼、合金滲碳鋼、合金 調質鋼、合金軸承鋼合金工具鋼：刃具鋼、量具鋼、模具鋼特殊用途鋼：不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等碳碳 鋼鋼碳鋼碳鋼：以鐵、碳為主要成分的合金。合金合金：指通過熔煉、燒結或者其它方法，將一種合金元素和另一種或者幾種元素結合在一起形成具有金屬特性的新物質。碳鋼分類（一）分類 C% 0.25% 低碳 0.25-0.60 % 中碳 0.60 高碳 P% S%

17、 0.045 0.055 普通碳鋼 0.040 0.040 優質碳鋼 0.035 0.030 高級優質碳鋼 用途：結構鋼，工具鋼 質量 0.035 P0.030 ）n按合金元素含量分低合金鋼（合金總含量we10 %）。n按正火或鑄造狀態的組織類型分n合金鋼可分為珠光體鋼、馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼及萊氏體鋼。n按主要用途分按主要用途分合金結構鋼工程結構用鋼（普通低合金鋼16Mn15MnTi ）機器零件用鋼滲碳鋼 20CrMnTi 調質鋼40Cr 彈簧鋼 60Si2Mn 軸承鋼GCr15 易切削鋼刃具鋼 9CrSi W18Cr4V模具鋼量具鋼合金工具鋼合金鋼合金結構鋼機器零件用鋼滲碳鋼 20C

18、rMnTi 調質鋼40Cr 彈簧鋼 60Si2Mn 軸承鋼GCr15 易切削鋼刃具鋼 9CrSi W18Cr4V模具鋼量具鋼合金工具鋼不銹鋼 1Cr18Ni9Ti 耐熱鋼 4Cr10Si2耐磨鋼 ZGMn13特殊性能鋼n“一 位數字（或無數字）+元素符號+數字+”，n其平均含碳量是用質量分數的千倍（wC1000）表示，當碳質量wC1.0%時，鋼號中不標出，n如n9SiCr鋼（成分：C0.9%，wSi1.5% ， wCr1.5%）CrWMn鋼（wC1.0%，wCr、 wW 、wMn均1.5%）。n高速鋼，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，它們的碳質量分數均1.0%，但不標明其數字；n如W

19、18Cr4V鋼的成分為：nC 0.7%0.8%，W 18%，Cr 4%，V1.5%。n合金工具鋼均屬于高級優質鋼，但鋼號后不加“A”字。n屬于這一編號方法的鋼種還有n不銹鋼、奧氏體型和馬氏體型耐熱鋼 n根據刃具的工況條件，刃具鋼應該具有高硬度、高耐磨性、高彎曲強度和足夠的韌性，高熱穩定性n用于刃具的材料有碳素工具鋼、低合金工具鋼、高速鋼、硬質合金等n(a)低合金工具鋼為了克服碳素工具鋼淬透性差、易變形和開裂、及熱硬性差等缺點。在碳素工具鋼的基礎上加入少量的合金元素，一般不超過3%5%（質量分數），就形成了低合金工具鋼。 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2nHRA8287(HRC6269）HR

20、A89.592.5(HRC7075)模具鋼一般分為冷作模具和熱作模具鋼兩大類。前者用于制造冷沖模和冷擠壓模等，工作溫度大都接近室溫；后者用于制造熱鍛模和壓鑄模等，工作時型腔表面溫度可高達600以上 n量具鋼是用于制造量具的鋼，如卡尺、千分尺、塊規、塞尺等n對量具鋼的主要性能要求如下：n（1）工作部分有高的硬度和耐磨性，以防止在使用過程中因磨損而失效；組織穩定性高，熱處理變形小，在存放和使用過程中尺寸不變，以保證高的尺寸精度；n（2）有良好的磨削加工性。n（3）為了滿足上述高硬度、高耐磨性的要求，一般都采用含碳量高的鋼，通過淬火得到馬氏體。n最常用的量具用鋼為碳素工具鋼和低合金工具鋼n碳素工具鋼

21、由于采用水淬火，淬透性低，變形大，因此常用于制作尺寸小、形狀簡單、精度要求低的量具。常用的碳素工具鋼有T13A、T12A、50、55、60等；也可采用低碳鋼（如 10、15鋼）經滲碳熱處理。n低合金工具鋼（ 如GCr15 ）由于加入了少量的合金元素，提高了淬透性；又由于采用油淬火，減小了變形量。合金元素在鋼中形成合金滲碳體，提高了鋼的耐磨性。在這類鋼中，GCr15用得最多，這是由于滾動軸承鋼本身也比較純凈，鋼的耐磨性和尺寸穩定性都較好特殊性能鋼是指具有特殊的物理、化學性能的鋼，它的種類很多，其中最主要的是不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等 （1）不銹鋼（2）耐熱鋼（3）耐磨鋼n不銹鋼（又稱為不銹耐酸鋼）

22、是指能抵抗大氣或酸等化學介質腐蝕的鋼金屬腐蝕的一般概念金屬腐蝕的一般概念n金屬腐蝕通常可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩種類型n化學腐蝕是金屬在干燥氣體或非電解質溶液中的腐蝕，腐蝕過程不產生電流，鋼在高溫下的氧化屬于典型的化學腐蝕n電化學腐蝕是金屬與電解質溶液接觸時所發生的腐蝕，腐蝕過程中有電流產生，鋼在室溫下的銹蝕主要屬于電化學腐蝕n在發動機、化工、航空等部門有很多零件是在高溫下工作，要求具有高和耐熱性的鋼稱為耐熱鋼耐熱鋼的一般概念耐熱鋼的一般概念n鋼的耐熱性包括高溫抗氧化性和高溫強度兩方面的涵義n金屬的高溫抗氧化性是指金屬在高溫下對氧化作用的抗力；而高溫強度是指鋼在高溫下承受機械負荷的能力n所以耐熱鋼是高溫抗氧化性能好、高溫強度高的鋼。高溫抗氧化性高溫抗氧化性n金屬的高溫抗氧化性，通常主要取決于金屬在高溫下與氧接觸時，表面能形成致密且熔點高的氧化膜，以避免金屬的進一步氧化的能力n一般碳鋼在高溫下很容易氧化，這主要是由于在高溫下鋼的表面生成疏松多孔的氧化亞鐵FeO，容易剝落，而且氧原子不斷地通過FeO擴散，使鋼繼續氧化。n為了提高鋼的抗氧化性能，一般是采用合金化方法，加入鉻、硅、鋁等元素，使鋼在高溫下與氧接觸時，在表面形成致密的高熔點的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，牢固地附在鋼的表面，使鋼在高溫氣體中的氧化過程難以繼續進