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第二部分工程材料2.0基本要求•熟悉常用金属材料的性能、试验方法及其选用。•熟悉钢的热处理原理。•掌握常用金属材料的热处理方法及选用。了解常用工程塑料、特种陶瓷、复合材料的种类及应用2.1工程材料的分类和性能2.1.1工程材料的分类（P32）按功能和用途分：结构材料、功能材料按组成特点分：金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料2.1.2工程材料的性能工程材料的性能主要包括工艺性能和使用性能。•工艺性能是指材料使用某种工艺方法进行加工的难易程度（相对性）。•使用性能是指材料在正常工作条件下所表现出来的力学性能、物理性能和化学性能。2.1.2.1力学性能材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。简单地说，力学性能是指材料在外力作用下表现出来的性能。主要力学性能指标：硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等。材料力学性能主要取决于材料的组织成分和晶体结构。1.硬度硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力。常用测量硬度的方法：布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV肖氏硬度HS努氏硬度HK里氏硬度HL(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计测量压痕球形面积适用范围:＜450HBS;＜650HBW;AFHB102.0特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度及钢件退火、正火和调质厚的硬度。不宜在产品上进行试验符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。(2)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS压头：•圆锥角1200的金刚石圆锥体•小淬火滚球测量压痕深度广泛用于热处理质量检验，常用于检查淬火后的硬度。操作迅速简单，可在工件上直接试验，但检测结果离散度较大(3)维氏硬度HV(diamondpenetratorhardness)适用范围:测量薄板类;HV≈HBS;21891.0102.0dFAFHV测量压痕对角线比较长度压头：两对面夹角1360的金刚石四棱锥体特点：试验力任意选取，压痕测量精度高，硬度值准确，但需查表或计算效率低。(4)肖氏硬度HS是一种动载荷试验法，较为方便，可在现场测量大型工件的硬度，缺点是精度较低。(5)努氏硬度HK是一种显微硬度试验法，对表面淬火硬度或镀层、渗层等薄层区域硬度测定以及截面上的硬度分布的测定较为方便。(6)里氏硬度HL是一种新型的反弹式硬度测量方法，便于携带，常用于测量大型铸锻件、永久组装部件等，精度较高，可自动转换成洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度，并可直接打印结果。2.强度指标(1)拉伸试样GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：圆形、矩形、异型及全截面．常用标准圆截面试样。长试样：L0=10d0;短试样：L0=5d0拉伸试样拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机ΔlFΔlbΔluΔlFbbkFssogfeFepFp拉伸曲线•op段：比例弹性变形阶段；•pe段：非比例弹性变形阶段；•平台或锯齿（s段）：屈服阶段；•sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。•b点：形成了“缩颈”。•bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。•断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。弹性极限:Fe弹性极限载荷(N)σe=(Mpa)S0试样原始横截面积(mm2)Fsσs=(MPa)S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)屈服强度:产生明显塑性变形的最低应力值.屈服强度(塑性变形量为0.2%，微量塑性变形)F0.2σ0.2=(MPa)S0试样原始横截面(mm2)试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力试样产生0.2%残余塑性变形屈服点σs、屈服强度σ0.2是零件设计的主要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。Fb试样断裂前的最大载荷(N)σb=(MPa)S0试样原始横截面积(mm2)•它表示材料抵抗断裂的能力。•是零件设计的重要依据；也是评定金属强度的重要指标之一。3.塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。•(1)断面收缩率:是指试样拉断处横截面积的收缩量ΔS与原始横截面积S0之比。S0-S1ψ=——-—×100%S0•(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量ΔL与原始标距L0之比。l1-l0δ=——-—×100%l0•Δl=Δlu＋Δｌb•δ=Δl/l0=Δlu/l0+Δlb/l0•δ2~5%属脆性材科•δ≈5~10%属韧性材料•δ10%属塑性材料δδuδbσbσsσeεσEδ•塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定塑性。防止过载断裂；•塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。4.冲击韧性(notchtoughness):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。AKak=(J/cm²)S05.疲劳强度(fatiguestrength):表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb6.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：E=σ/ε材料的E越大，刚度越大；E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关，一般用AE表示。2.1.2.2物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；2.1.2.3化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；2.1.2.4工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。例1.（25.2007单选2分）精度较高，便于携带，常用于测量大型铸锻件和永久组装件的硬度计A）洛氏硬度计B）布氏硬度计C）维氏硬度计D）里氏硬度计例2.（8.2006单选1）测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度及钢件退火、正火及调质后的硬度常采用A）洛氏硬度试验B）布氏硬度试验C）维氏硬度试验D）努氏硬度试验例3.(24.2005单选2）广泛用于钢件淬火后的硬度检测仪器是：A）洛氏硬度计B）布氏硬度计C）维氏硬度计D）肖氏硬度计例4（12.2011单选1分）常用于检测零件较薄硬化层（如0.1mm厚）硬度的仪器是：A）布氏硬度计B）洛氏硬度计C）肖氏硬度计D）维氏硬度计例5.（7.2006单选1分）材料在无数次交变应力作用下而不致引起断裂的最大应力称为A）断裂强度B）疲劳强度C）抗拉强度D）屈服强度例6.（52.2004简答5分）金属材料力学性能的主要指标有哪些（至少列举5项）？用符号表示常规力学性能的五项指标。答：硬度、强度、塑性、韧性、刚度、耐磨性、缺口敏感性等。超常规力学性能的五项指标：σb、σe、δ、ψ、ak2.2金属材料及其热处理•2.2.0考核知识点（1）熟悉晶体的两大特性，金属最常见的三种晶体结构类型，实际金属材料中的晶体缺陷，常用的三种细化晶粒方法，纯金属在固体下的两种转变，合金相结构的三种类型；（2）熟悉铁碳合金相图中固态下的几种基本组织，各主要点温度、碳的质量分数及意义，典型铁碳合金结晶过程分析，碳对铁碳平衡组织和性能的影响、相图的应用；（3）熟悉金属材料常见的化学分析方法，金相分析方法，无损探伤方法及适用范围；（4）熟悉钢的热处理原理（铁碳合金平衡图、钢在加热、冷却、回火时的转变）（5）熟悉典型零件（轴类、弹簧、齿轮类、滚动轴承类、模具类、工具类、铸铁件类、有色金属类等）的热处理应用。（6）熟悉金属材料的选择和使用原则。（7）掌握钢的常规热处理（退火、正火、淬火、回火、时效等）、表面淬火（火焰淬火、感应加热淬火）、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）、铸铁（灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁等）热处理、有色金属（铝合金、铜合金等）热处理方法的选用。（8）了解热处理设备（燃烧炉、电阻炉、真空炉、感应加热电源及淬火机床）。2.2.1金属的晶体结构2.2.1.1晶体的特性：熔点和各项异性固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）2.2.2.2金属的晶体结构由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。1、体心立方晶格2、面心立方晶格8×1／8＋1＝2（个）。8×1／8＋6×1／2＝4（个）3、密排六方晶格晶体缺陷晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。12×1／6＋2×1／2＋3＝6（个）这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷线缺陷面缺陷点缺陷——空位和间隙原子和置换原子线缺陷—位错晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。最常见最基本的位错是刃型位错和螺型位错位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。刃型位错示意图a)晶格立体模型b)平面图面缺陷——晶界和亚晶界实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。晶界的过渡结构示意图亚晶界结构示意图多晶体示意图2.2.2.3金属的结晶结晶：晶体物质由液态转变成固态的过程。凝固：非晶体由液态转变成固态的过程。结晶的一般过程：To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致):平衡结晶温度•过冷现象•过冷度ΔT=T0–T1•过冷是结晶的必要条件。结晶的一般规律•形核•长大形核、长大实际金属的多晶粒结构晶粒的粗细对金属力学性能影响颇大。晶粒愈细，其强度、韧性和塑性也愈好。细化晶粒的三种途径：1）提高冷却速度－自发形核V冷△TN晶粒细小2）变质处理－非自发形核3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。2.2.2.4金属在固态下的转变纯金属在固态下的转变有两种：同素异晶转变磁性转变（纯铁磁性转变温度768度）•纯铁的同素异晶转变反应式:1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Feα-Feγ-Fe2.2.2.5合金的相结构由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。1、固溶体合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。固溶体中的晶格畸变示意图a)间隙固溶体b)置换固溶体2、金属化合物金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类