1、工程材料及热处理（模具）1世界四大材料世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥钢铁、木材、塑料、水泥材料分：金属材料、非金属材料、复合材料材料分：金属材料、非金属材料、复合材料金属材料金属材料指钢铁、有色金属等材料指钢铁、有色金属等材料非金属材料非金属材料无机无机高分子材料（陶瓷、水泥、高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），木材等），有机有机高分子材料（如塑料、橡胶），高分子材料（如塑料、橡胶），复合材料复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料料。现在新材料现在新材料-纳米材料、智能材料纳米材料、智能材料2 工程技术系工程技术系 材料按材料按物质结构物质结构不同分不
2、同分：金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷料料)、复合材料、复合材料 材料按材料按用途用途不同分不同分：机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材机械工程材料、土木工程材料、电工材料、电子材料料 材料按材料按功能功能不同分不同分：结构材料、功能材料、磁性材料等结构材料、功能材料、磁性材料等3 工程技术系工程技术系材料分类材料分类复合材料复合材料金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料4 工程技术系工程技术系材料发展概括材料发展概括 石器时代石器时代铜器时代：铜器时代：司母戊鼎司母戊鼎（公元前（公元前11161116世纪）世纪）113
3、0113078078011001100战国编钟（战国编钟（前前475221475221年）年）6565个个 总重总重2500Kg2500Kg天然石，兽骨，树枝天然石，兽骨，树枝泥巴（日晒泥巴（日晒原始陶器；火烧原始陶器；火烧瓷器用具瓷器用具）铁器时代铁器时代 沧州大狮沧州大狮（公元公元953953年年 ）重）重50T,50T,长长5.3m,5.3m,宽宽3m3m人工复合材人工复合材 料料 塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等陶器时代陶器时代5 工程技术系工程技术系本课程的性质和目的本课程的性质和目的是机械类专业必修的一门专业技术基础课是机械类专业必修
4、的一门专业技术基础课2、目的：、目的：a获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。b熟悉常见金属材料的牌号、性能特点及应用；了解它熟悉常见金属材料的牌号、性能特点及应用；了解它 们之间成分、组织、性能、热处理的关系。们之间成分、组织、性能、热处理的关系。c 具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。d 为后续课程和从事技术工作打下基础。为后续课程和从事技术工作打下基础。1、性质：、性质：本教材的重点本教材的重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理：常见的材料牌号及应用，钢的热处理6 工程技术系工程技术系第
5、一章第一章 工程材料的性能工程材料的性能金属材料的性能金属材料的性能使用性能使用性能力学、物理、化学力学、物理、化学力学性能力学性能：受外力作用下所表现出的性能受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能不能说：机械性能 判据判据 如：如：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等第一节第一节 金属的力学性能金属的力学性能工艺性能工艺性能铸造、锻压、焊接、切削加工铸造、锻压、焊接、切削加工一、基本概念一、基本概念1、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。外力卸除后物体
6、又恢复到其原始形状和尺寸的特性。研究力学性能意义研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据7 工程技术系工程技术系2、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力相对、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力相对抗的力称为内力。抗的力称为内力。3、应力：单位面积上的内力。、应力：单位面积上的内力。4、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常以百、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常以百分比（分比（%）表示）表示5、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。按作用性质分：按作用性
7、质分：静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。8 工程技术系工程技术系冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷9 工程技术系工程技术系按作用形式不同分：按作用形式不同分：10 工程技术系工程技术系6、变形：、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。称为变形。分为弹性变形与塑性变形分为弹性变形与塑性变形 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去
8、处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。11 工程技术系工程技术系一、强度一、强度概念：强度是指金属材料在外力作用下抵抗永久变形（塑性变强度是指金属材料在外力作用下抵抗永久变形（塑性变形形）和断裂和断裂 的能力的能力。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。=F/S -应力应力 Pa 1 Pa=1N/m2 1M Pa=106Pa 按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。注意：一般多以抗拉
9、强度作为判别金属强度高低的指标。注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。12 工程技术系工程技术系p力伸长曲线力伸长曲线弹性变形阶段弹性变形阶段屈服阶段屈服阶段颈缩现象颈缩现象拉伸试验拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段强化阶段 13 工程技术系工程技术系 (a)试样(b)伸长(c)产生缩颈(d)断裂14 工程技术系工程技术系LF0 03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。15 工程技术系工程技术系 工程上常用的金属材料
10、的强工程上常用的金属材料的强度指标：度指标：屈服点（屈服点（Rel）抗拉强度抗拉强度(Rm)16 工程技术系工程技术系 强度的意义 强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度在2001000MPa 之间。强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小构件或零件的尺寸，从而减小其自重。因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题，称之为材料的强化。17 工程技术系工程技术系二、塑性 在外力作用下金属材料在断裂前产生不可逆永久变形的能力 常用的塑性判据：常用的塑性判据：拉伸时的拉伸时的断后伸长率断后伸长率和和断面收缩率断面收缩率18 工程技
11、术系工程技术系1、断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数值不数值不同，因此应注明试样尺寸比例。如同，因此应注明试样尺寸比例。如:10试样试样 L0=10d0 5 试样试样 L0=5d010100%oLLL试样拉断后的标距（mm）1L oL 试样原始标距（mm）19 工程技术系工程技术系2、断面收缩率010100%SSL试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）1S oS 试样原始截面积（mm2）.20 强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。正
12、所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。21 工程技术系工程技术系三、硬 度 硬度硬度:硬度试验方法硬度试验方法:压入法压入法 它是材料性能的一个综合的物理量。它是材料性能的一个综合的物理量。(表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力）硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。布氏硬度（布氏硬度（HB）洛氏硬度（洛氏硬度（HR）维氏硬度（维氏硬度（HV）22布氏硬度试
13、验原理图23 工程技术系工程技术系)/()(2102.0102.0)(222mmNdDDDFSFWHBS压2、计算公式HBS：淬火钢球作压头；适用于450HBSHBW：硬质合金作压头；适用于650HBW24 工程技术系工程技术系试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表验力保持时间按表1-1选择选择材料材料种类种类布氏硬度范围布氏硬度范围HBSHBS（HBWHBW）试样厚试样厚度度/mmmm0.1020.102球的直球的直径径/mmmm试验力试验力F/F/KNKN（k k g g f)f)试验力试验力保持时保持时间间/s s钢、
14、钢、铸铁铸铁140-450140-4506 63 34 42 222303010.010.05.05.02.52.529.42(3000)29.42(3000)7.355(750)7.355(750)1.839(187.5)1.839(187.5)1212140666 63 3101010.010.05.05.09.807(1000)9.807(1000)2.452(250)2.452(250)1212非铁非铁金属金属1301306 63 34 42 22662.52.510.010.02.452(250)2.452(250)6060表表1-1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范25 工程技术系
15、工程技术系3、表示方法XXX HBS(W)XX/XXX/XX硬度值压头直径（mm）试验力保持 时间（s）500HBW5/750/15例：表示用直径表示用直径5mm硬质合金球在硬质合金球在7355N试验力试验力作用下保持作用下保持1015s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为500120HBS10/1000/30表示用直径表示用直径10mm钢球压头在钢球压头在9807N试验力试验力作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如习惯上布氏硬度值不标出试验规范，如 170HBS。26二、洛氏硬度27 工程技术系工程技术系硬度符号符号压头类压头类
16、型型总实验总实验力力F/N 硬度值有效范围硬度值有效范围应用范围应用范围HRA金刚石金刚石圆锥体圆锥体58870 08585适用于测量硬质合金、表面淬硬层或适用于测量硬质合金、表面淬硬层或渗碳层渗碳层HRB直径为直径为1.588mm钢球钢球98025100100适用于测量非铁金属适用于测量非铁金属,退火、退火、正火钢等火钢等HRC金刚石金刚石圆锥体圆锥体1470206767适用于调质钢、淬火钢等适用于调质钢、淬火钢等试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表1-2选择，对应的洛氏硬度标尺为选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、H
17、RC三种三种表表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围2、符号002.0hkHR28 工程技术系工程技术系3、表示方法硬度值+HR52HRC70HRA例：洛氏硬度洛氏硬度HRC可以可以用于硬度很高的材料用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量，在钢件热处理质量检查中应用最多。检查中应用最多。4、适用范围优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测。29三、维氏硬度1、测定原理用一定的试验力F，将顶角为1360的金刚石四棱锥压入金属表面，保持一定时间后卸去试验力，然后测出压痕对角线长度d1、d2（mm），并求出压痕对角线的平均值d。30 工程技术系工程
18、技术系2、计算公式21891.0dFHV 3、表示方法硬度值+HV+试验力/保持时间如：640HV30/204、适用范围适用于测量零件薄的表面硬化层的硬度。31 工程技术系工程技术系四、冲击韧性 强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就是常见的一种。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、铆钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。32 工程技术系工程技术系 原理 冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支
19、座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。所以，摆锤用于冲断试样的能量 AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。33 工程技术系工程技术系34 工程技术系工程技术系1、试样冲断时所消耗的、试样冲断时所消耗的冲击功冲击功A k为为:A k=m g H m g h(J)2、冲击韧度冲击韧度a k AK a k=(J/cm)Sk二、冲击吸收功和冲击韧度就是试样缺口处单位截面积上就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。所消耗的冲击功。冲击吸收功 Ak 作为材料韧性判据，与温度、试样形状、尺寸、表面
20、粗糙度、内部组织和缺陷有关。35 工程技术系工程技术系1.冲击韧度对材料内部缺陷反映很敏感 能够灵敏地显示材料的宏观缺陷和组织微小变化，因此在生产中可用来检验材料的冶金质量,热加工质量冲击韧度对材料的意义:2.冲击韧度随温度下降越来越低冷脆现象 在韧脆转变温度以下，材料由韧性状态转变为脆性状态。材料的韧脆转变温度越低，说明低温冲击性能越好 36 工程技术系工程技术系第四节 疲劳强度交变应力：交变应力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力。材料的疲劳：材料的疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累计损伤，经一定循环次处产生局部永久性累计
21、损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度在多次交变应力作用，金属会在远小于抗拉强度b，甚至小甚至小于屈服点于屈服点s。的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）的应力下失效（出现裂纹或完全断裂）疲劳破坏的原因疲劳破坏的原因：应力集中应力集中微裂纹微裂纹扩展扩展断裂破坏。断裂破坏。疲劳强度（疲劳强度（-1）：金属材料经无穷多次（金属材料经无穷多次（107）应力循环）应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值。而不发生疲劳破坏的最大应力值。3738 工程技术系工程技术系39 工程技术系工程技术系40 工程技术系工程技术系
