第1章工程材料的基本知识

第1章 工程材料的基本知识主要内容： 1.1 金属材料 1.2 非金属材料的力学性能

一、工程材料的种类： 工程材料：金属材料、非金属材料和复合材料； 1、金属材料：黑色金属、有色金属 2、非金属材料：高分子材料、陶瓷材料 3、复合材料：金属基复合材料、非金属基复合材料

1、使用性能：力学性能、物理性能、化学性能； 2、工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能；

二、工程材料的主要性能：

1.1 金属材料 金属材料的力学性能也称机械性能，指金属材料在外载荷

1.1.1 金属材料的力学性能

作用下，其抵抗变形和破坏的能力； 注意：材料在不同的外部条件和载荷作用下，会呈现出不 同的特性； 如：常温状态下和高、低温状态下金属材料的力学性 能就不一样； 静载荷和动载荷作用下金属材料的力学性能也不一样；

常见的金属材料的力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等；

1、强度和塑性 (1)强度 强度是指金属材料在外(静)载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 强度指标一般用单位面积所承受的载荷(即力)表示， 符号为σ,单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度 和抗拉强度。 屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时 的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。 抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能 承受的最大应力值，用σb表示。 对于大多数机械零件(如压力容器),工作时不允许产 生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因 断裂而失效的零件(如螺栓),而用抗拉强度作为其强度设 计的依据。

(2)塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断 裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。 伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分 率，用符号δ表示。 断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截 面积之比，用 表示。 伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性 越差。 良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也 是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。

2、硬度

硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。一般 地说，硬度越高，耐磨性越好，强度也比较高； 硬度的测试方法很多，生产中常用的硬度测试方法(压入 硬度法)有布氏硬度测试法和洛氏硬度试验方法两种。 (一)布氏硬度试验法 布氏硬度试验法

是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球 作为压头，在载荷P的作用下压入被测试金属表面，保持一定 时间后卸载，测量金属表面形成的压痕直径d,以压痕的单位 面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值。 布氏硬度指标有HBS和HBW,前者所用压头为淬火钢球， 适用于布氏硬度值低于450的金属材料，如退火钢、正火钢、 调质钢及铸铁、有色金属等；后者压头为硬质合金，适用于布 氏硬度值为450~650的金属材料，如淬火钢等。 布氏硬度测试法，因压痕较大，故不宜测试成品件或薄片 金属的硬度。

(二)洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120°的金刚石圆锥体或 直径为 1.558mm(1/16英寸)的淬火钢球为压头，以一不定 的载荷压入被测试金属材料表面，根据压痕深度可直接在洛氏 硬度计的指示盘上读出硬度值。常用的洛氏硬度指标有HRA、 HRB和HRC三种。 采用120 金刚石圆锥体为压头，施加压为600N时，用 HRA表示。其测量范围为60~85,适于测量合金、表面硬化钢 及较薄零件。 采用 1.588mm淬火钢球为压头，施加压力为1000N时， 用HRB表示，其测量硬度值范围为25~100,适于测量有色金 属、退火和正火钢及锻铁等。 采用120 金刚石圆锥体为压头，施加压力为1500N时，用 HRC表示，其测量硬度值范围为20~67,适于测量淬火钢、调 质钢等。 洛氏硬度测试，操作迅速、简便，且压痕小不损伤工件表 面，故适于成品检验。 硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高， 其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值 也越高。

3、 冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用ak表示， 单位为J/cm2。 冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定，即把被测材 料做成标准冲击试样，用摆锤一次冲断，测出冲断试样所消 耗的冲击AK,然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击 功ak表示冲击韧性。 ak值越大，则材料的韧性就越好。ak值低的材料叫做脆性 材料，ak值高的材料叫韧性材料。很多零件，如齿轮、连杆等， 工作时受到很大的冲击载荷，因此要用ak值高的材料制造。铸 铁的ak值很低，灰口铸铁ak值近于零，不能用来制造承受冲击 载荷的零件。

冲击韧性值越大，则其韧性越好，塑性也越好；反之 冲击韧性值越小，则其脆性越大 ； 注意： 1、材料的冲击韧性值受试验环境温度的影响大；随 温度的降低而减小；存在韧脆转变温度； 2、材料的冲击韧性值还受试样形状、表面粗糙度和 内部组织的影响；

4、疲劳强度和蠕变强度

(1)疲劳强度

交变载荷：大小和方向作周期性变化的载荷； 虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但 在长时间运转后，在无显著的外观变形的情况下，也会发生突 然断裂，这种现象称为疲劳断裂； 疲劳强度：金属材料经受无数次交变载荷作用而不引起断 裂的最大应力值； 提高金属材料疲劳强度的方法：改善材料的内部组织、结 构设计中避免应力集中点、降低表面粗糙度、表面强化处理；

(2)蠕变强度和持久强度 在长期高温载荷条件下，金属材料对塑性变形的抵抗能力称为蠕变强度；对断裂的抵抗能力称为持久强度；

1.1.2 铁碳合金状态图

详见:铁碳合金状态图分析

铁碳合金状态图

2.2.1 铁碳合金的基本组织1、铁素体(F或α) 铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立 方晶格。碳在α-Fe中的溶解度很小，727℃时0.0218%;室 温时为0.0008%,几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧 性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。

2、奥氏体(A或γ) 奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶 格。碳在γ-Fe中的溶碳量较高，1148℃时2.11%;727℃时为 0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶 粒呈多边形，晶界较铁素体平直。

3、渗碳体(Fe3C) 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69%, 具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，脆性 很大。 4、珠光体(P) 珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是奥氏 体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。显微组织 是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳 体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。 5、莱氏体(Ld或Ld') 莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在1148℃ 恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。

2.2.2 铁碳合金状态图分析目前应用的铁碳 合金状态图是含碳 量为0~6.69%的铁 碳合金部分(即Fe -Fe3C部分),因 为含碳量大于6.69% 的铁碳合金在工业 上无使用价值。右 图为简化后的Fe- Fe3C状态图。

1、主要特性点 1)A点 纯铁的熔点，温度1538℃,Wc=0

2)G点 纯铁的同素异构转变点，冷却到912℃时,发生γF→α-Fe 3)Q点 600℃时,碳在α-Fe中的溶解度,Wc=0.0057% 4)D点 渗碳体熔点,温度1227℃,Wc=6.69%

5)C点 共晶点，温度1148℃,Wc=4.3% 成分为C的液相，冷却到此温度时，发生共晶反 应：Lc→Ld(AE+Fe3C) 6)E点 碳在γ-Fe中的最大溶解度,温度1148℃,Wc=2.11% 7)S点 共析点，温度727℃,Wc=0.77% 成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反 应：As→P(Fp+Fe3C)

8)P点 碳在α-Fe中的最大溶解

度,温度727℃,Wc=0.0218%

2、特性线 1)ACD线 液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳 合金在此线以上处于液相。 2)AECF线 固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此 线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。 3)ECF水平线 共晶线，Wc>2.11%的铁碳合金，缓冷至该线(1148℃) 时，均发生共晶转变，生成莱氏体。

4)ES线 碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏 体中最大溶解度是E点(wC=2.11%),随着温度的降低， 碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳 体Fe3CⅡ。 5)GS线 奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。 6)PSK水平线 共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度(727℃) 时，将发生共析转变生成珠光体(P),wC>0.0218%的铁 碳合金均会发生共析转变。

7)GP线 0<Wc<0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出 铁素体的终了线。 8)PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线。在727℃时，Wc=0.0218%, 溶碳量最大，在600℃时，Wc=0.0057%。 在727℃缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少， 铁素体中多余的碳将以渗碳体(三次渗碳体Fe3CⅢ)的形 式析出。一般情况下，忽略Fe3CⅢ的存在。

以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却 过程中的相变。若是加热过程，则相反。

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