工程材料

3第1章工程材料各类机电产品，大多是由种类繁多、性能各异的工程材料通过加工制成的零件构成的。工程材料分金属材料和非金属材料，其中金属材料是工程中应用最广泛的。本章主要介绍金属材料的力学性能、组织、热处理工艺等基本知识，以及常用金属材料和非金属材料的应用知识。1．1金属材料的力学性能金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。这些性能是机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据。1．1．1强度金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。1．拉伸试样拉伸试样的形状通常有圆柱形和板状两类。图1.1.1（a）所示为圆柱形拉伸试样。在圆柱形拉伸试样中d0为试样直径，ℓ0为试样的标距长度，根据标距长度和直径之间的关系，试样可分为长试样（ℓ0=10d0）和短试样（ℓ0=5d0）。2．拉伸曲线试验时,将试样两端夹装在试验机的上下夹头上,随后缓慢地增加载荷,随着4载荷的增加,试样逐步变形而伸长,直到被拉断为止。在试验过程中，试验机自动记录了每一瞬间负荷F和变形量Δℓ，并给出了它们之间的关系曲线，故称为拉伸曲线（或拉伸图）。拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力学特性。图1.1.1(b)为低碳钢的拉伸曲线。由图可见，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线a)拉伸试样b)拉伸曲线当载荷不超过Fp时，拉伸曲线OP为一直线，即试样的伸长量与载荷成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。载荷在Fp-Fe间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。当载荷超过Fe后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的长度，称为塑性变形或永久变形。当载荷增加到Fs时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。5当载荷继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上的k点时，试样就被拉断。3．强度强度是指金属材料在载荷作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。（1）弹性极限金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号σe表示：Feσe=————Ao式中Fe——试样产生弹性变形时所承受的最大载荷；Ao——试样原始横截面积。（2）屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度，用符号σs表示：Fsσs=————Ao式中Fs——试样屈服时的载荷；Ao——试样原始横截面积。生产中使用的某些金属材料，在拉图1.1.2屈服强度测定伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点σs。所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时,材料承受的应力称为“条件屈服强度”,并以符号σ0.2表示。σ0.2的确定方法如图1.1.2所示：在拉伸曲线横坐标上截取C6点，使OC=0.2%ℓ0，过C点作OP斜线的平行线，交曲线于S点，则可找出相应的载荷F0.2,从而计算出σ0.2。（3）抗拉强度（又称强度极限）金属材料在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb表示：Fbσb=————Ao式中Fb——试样在断裂前的最大载荷；Ao——试样原始横截面积。脆性材料没有屈服现象，则用σb作为设计依据。1．1．2塑性金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标有伸长率（δ）和断面收缩率（）。1．伸长率试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用表示：ℓ1­ℓ0δ=—————×100%ℓ0式中ℓ0——试样原标距长度(mm)；ℓl——试样拉断后标距长度(mm)。材料的伸长率随标距长度增加而减少。所以，同一材料短试样的伸长率5大于长试样的伸长率10。72．断面收缩率试样拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，用表示：A0­A1=——————×100%A0式中A0——试样原横截面积(mm)；A1——试样拉断后最小横截面积(mm)；、是衡量材料塑性变形能力大小的指标，、大，表示材料塑性好，既保证压力加工的顺利进行，又保证机件工作时的安全可靠。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成型工艺，而且在使用时万一超载，由于塑性变形，能避免突然断裂。1.1.3硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是指金属表面抵抗局部塑性变形或破坏的能力，是检验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标。目前生产上应用最广的静负荷压入法硬度试验有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1．布氏硬度布氏硬度试验原理如图1.1.3所示。它是用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的实验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径。布氏硬度值HBS或HBW是试验力F除以压痕球形表面积所得的商，即：)(/2102.0/)(22dDDDFAFHBWHBS8式中F——压入载荷(N)；A——压痕表面积(mm2)；d——压痕直径(mm)；D——淬火钢球(或硬质合金球)直径(mm)；布氏硬度值的单位为MPa,一般情况下可不标出；压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料；压头为硬质合金球时，用HBW表示，适用于布氏硬度值在650以下的材料。符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件：(1)球体直径；(2)试验力；(3)试验力保持时间(10～15s不标注)。例如：125HBSl0/1000/30表示用直径10mm淬火钢球在1000×9.8N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为125；500HBW5／750表示用直径5mm硬质合金球在750×9.8N试验力作用下保持10～15s测得的布氏硬度值为500。布氏硬度试验是在布氏硬度试验机上进行。当F／D2的比值保持一定时，能使同一材料所得的布氏硬度值相同，不同材料的硬度值可以比较。试验后用读数显微镜在两个垂直方向测出压痕直径，根据测得的d值查表求出布氏硬度值。布氏硬度试验的优点是测出的硬度值准确可靠，因压痕面积大，能消除因组织不均匀引起的测量误差；布氏硬度值与抗拉强度之间有近似的正比关系：b＝K·HBS(或HBW)（低碳钢K＝0.36，合金调质钢K＝0.325；灰铸铁K＝0.1)。布氏硬度试验的缺点是：当用淬火钢球时不能用来测量大于450HBS的材料；用硬质合金球时，亦不宜超过650HBW；压痕大，不适宜测量成品件硬度，也不宜测量薄件硬度；测量速度慢，测得压痕直径后还需计算或查表。9图1.1.3布氏硬度实验原理图图1.1.4洛氏硬度实验原理图2．洛氏硬度以顶角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作压头,以规定的试验力使其压入试样表面，根据压痕的深度确定被测金属的硬度值。如图1.1.4所示当载荷和压头一定时，所测得的压痕深度h(h3-h1)愈大，表示材料硬度愈低，一般来说人们习惯数值越大硬度越高。为此，用一个常数K(对HRC,K为0.2；HRB，K为0.26)减去h，并规定每0.002mm深为一个硬度单位，因此，洛氏硬度计算公式是：002.0/1002.0)(hhHRAHRC002.0/13026.0hhHRB根据所加的载荷和压头不同，洛氏硬度值有三种标度：HRA、HRB、HRC，常用HRC，其有效值范围是20-67HRC。洛氏硬度是在洛氏硬度试验机上进行，其硬度值可直接从表盘上读出。根据国标GB230-83和ISO推荐标准R80规定，洛氏硬度符号HR前面的数字为硬度值，后面的字母表示级数。如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60。洛氏硬度试验操作简便、迅速，效率高，可以测定软、硬金属的硬度；压痕小，可用于成品检验。但压痕小，测量组织不均匀的金属硬度时，重复性差，而且不同的硬度级别测得硬度值无法比较。103．维氏硬度维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，同样是根据压痕单位面积上所受的平均载荷计量硬度值，不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角为136°的正四棱锥体，如图1.1.5所示。维氏硬度试验是在维氏硬度试验机上进行。试验时，根据试样大小、厚薄选用(5～120)×9.8N载荷压入试样表面，保持一定时间后去除载荷，用附在试验机上测微计测量压痕对角线长度d,然后通过查表或根据下式计算维氏硬度值：HV=F/A=(1.8544×0.102×F/d2)MPa式中A——压痕的面积(mm)d——压痕对角线的长度(mm);F——试验载荷(N)。根据国标(GB4340-84)和ISO推荐标准R81规定,维氏硬度符号HV前是硬度值，符号HV后附以试验载荷。如640HV30/20表示在30×9.8N作用下保持20s后测得的维氏硬度值为640。图1.1.5维氏硬度实验原理图维氏硬度的优点是试验时加载小，压痕深度浅，可测量零件表面淬硬层，测量对角线长度d误差小，其缺点是生产率比洛氏硬度试验低，不宜于成批生产检验。1．1．4冲击韧性生产中许多机器零件，都是在冲击载荷(载荷以很快的速度作用于机件)下工作。试验表明，载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，易发生突然性破断。因此，使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲击11载荷的作用而不破坏的能力，即冲击韧性来衡量。目前应用最普遍的是一次摆锤弯曲冲击试验。将标准试样放在冲击试验机的两支座上，使试样缺口背向摆锤冲击方向(图1.1.6)，然后把质量为m的摆锤提升到h1高度，摆锤由此高度下落时将试样冲断,并升到h2高度。因此冲断试样所消耗的功为Ak=mg(h1-h2)。金属的冲击韧性ak就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功即：ak=Ak/A(J/cm2)式中ak——冲击韧性(J/cm2)；A——试样缺口处原始截面积(cm2)；Ak——冲断试样所消耗的功(J)。图1.1.6冲击试验原理1-支座2-试样3-指针4-摆锤冲击吸收功Ak值可从试验机的刻度盘上直接读出。Ak值的大小，代表了材料的冲击韧性高低。材料的冲击韧性值除了取决于材料本身之外，还与环境温度及缺口的状况密切相关。所以，冲击韧性除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量金属材料随环境温度下降由塑性状态变为脆性状态的冷脆转变温度，也用来考查材料对于缺口的敏感性。121.1.5疲劳强度许多机械零件是在交变应力作用下工作的，如轴类、弹簧、齿轮、滚动轴承等。虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度,但在长时间运转后也会发生断裂,这种现象叫疲劳断裂。它与静载荷下的断裂不同，断裂前无明显塑性变形,因此,具有更大的危险性。交变应力大小和断裂循环周次之间的关系通常用疲劳曲线来描述（图1.1.7）。疲劳曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。光滑试样的对称弯曲疲劳极限用σ-1表示。在疲劳强度的测定中，图1.1.7钢的疲劳曲线不可能把循环次数作到无穷大，而是规定一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏。常用钢材的循环基数为107，有色金属和某些超高强度钢的循环基数为108。疲劳破断常发生金属材料最薄弱的部位，如热处理产生的氧化、脱碳、过热、裂纹；钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕等缺陷均会产生应力集中，使疲劳强度下降。为了提高疲劳强度加工时要降低零件的表面粗糙度和进行表面强化处理，如表面淬火、渗碳、氮化、喷