工程材料及熱處理課件

工程材料及熱處理工程材料及熱處理1課程的重要地位與作用進(jìn)入21世紀(jì)，能源、信息和新材料已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代文明的三大支柱．而新材料又是最重要的基礎(chǔ)。歷史證明，每一次重大新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)．往往都依賴(lài)于新材料的發(fā)展。材料的種類(lèi)、數(shù)量和質(zhì)量已是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平以及社會(huì)文明的重要標(biāo)志之一。我國(guó)把新材料的研究開(kāi)發(fā)放在了優(yōu)先發(fā)展的地位。工程材料與成型技術(shù)是機(jī)械制造過(guò)程的重要部分。使學(xué)生建立生產(chǎn)過(guò)程的基本知識(shí)，了解新材料，掌握現(xiàn)代制造工藝和方法，培養(yǎng)工程素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。課程的重要地位與作用進(jìn)入21世紀(jì)，能源、信息和新材料已成為現(xiàn)2常用工程材料常用工程材料3齒輪螺栓優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用30—55鋼：強(qiáng)度較高，有一定的塑性和韌度，經(jīng)熱處理后，用于齒輪、軸、螺栓等重要零件。齒輪螺栓優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用30—55鋼：強(qiáng)度較高，有4銼刀碳素工具鋼量規(guī)鉆頭鉆頭銼刀碳素工具鋼量規(guī)鉆頭鉆頭5曲軸彈簧優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼65—85鋼：有較高的強(qiáng)度、硬度和彈性，塑性和韌性較低，常用于彈簧和耐磨零件。曲軸彈簧優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼65—85鋼：有較高的強(qiáng)度、硬度和6撥叉變速齒輪合金滲碳鋼20Cr、20MnTi、20Cr2Ni4：有較高的韌度，經(jīng)熱處理后表面硬而耐磨，用于受沖擊載荷的重要零件。40Cr、40CrMn、38CrMnAl

：有較高的綜合力學(xué)性能，用于受力復(fù)雜的重要零件。撥叉變速齒輪合金滲碳鋼20Cr、20MnTi、20Cr27汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)連桿合金調(diào)質(zhì)鋼汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)連桿合金調(diào)質(zhì)鋼8合金彈簧鋼55Si2Mn、60Si2Mn：具有高屈強(qiáng)比，高疲勞強(qiáng)度，高彈性極限和韌性，用于彈簧等零件。合金彈簧鋼55Si2Mn、60Si2Mn：具有高屈強(qiáng)比，9滾珠滾珠軸承滾珠軸承鋼滾珠滾珠軸承滾珠軸承鋼10銑刀合金刃具鋼模具合金模具鋼

銑刀合金刃具鋼模具合金模具鋼

11螺紋規(guī)游標(biāo)卡尺千分尺量具用鋼螺紋規(guī)游標(biāo)卡尺千分尺量具用鋼12燃?xì)廨啓C(jī)耐熱鋼燃?xì)廨啓C(jī)耐熱鋼13破碎機(jī)顎板履帶鐵軌分道叉挖掘機(jī)斗齒耐磨鋼

破碎機(jī)顎板履帶鐵軌分道叉挖掘機(jī)斗齒耐磨鋼

14重型機(jī)械齒輪鑄鋼特點(diǎn)與應(yīng)用：

由于鑄造特性，一般用于制造形狀復(fù)雜，難以切削加工、尺寸大，難以鍛造加工的重要零件，如：大型齒輪、缸體、變速箱機(jī)架等。重型機(jī)械齒輪鑄鋼特點(diǎn)與應(yīng)用：由于鑄造特性15PE管材聚丙烯制成電容器外皮聚丙烯管子摩托車(chē)擋泥板PE管材聚丙烯制成電容器外皮聚丙烯管子摩托車(chē)擋泥板16橡膠彈性好，絕緣性好，耐磨損，耐化學(xué)腐蝕，耐放射性。主要用于彈性材料、密封材料、減振材料、傳動(dòng)材料。

人工合成礦物主要有剛玉和石英。o橡膠o17把鋼加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（隨爐冷）用途：鑄、鍛、焊毛坯的預(yù)備熱處理，以改善毛坯機(jī)械加工性能，去除內(nèi)應(yīng)力；性能要求不高的機(jī)械零件的最終熱處理。正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫淬火時(shí)間溫度普通熱處理退火(Annealing)正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫淬火時(shí)間溫度普通熱處理18把鋼加熱到相變溫度以上的某一溫度，使鋼呈奧氏體狀態(tài)，然后快速冷至室溫（油冷或水冷），從而獲得馬氏體組織提高鋼的硬度和耐磨性。正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫淬火時(shí)間溫度調(diào)質(zhì)：淬火+高溫回火。適用于各種重要的零件。淬火(Quenching)正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫淬火時(shí)間溫度調(diào)質(zhì)：淬火19

正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫淬火時(shí)間溫度將淬火后的工件加熱至低于相變點(diǎn)某一溫度，保持一段時(shí)間，然后冷卻，使組織成為較穩(wěn)定的狀態(tài)。硬度下降，但韌性有較大改善。淬火和回火必須配合使用

調(diào)質(zhì)：淬火+高溫回火。適用于各種重要的零件。（3）淬火(Quenching)（4）回火(Tempering)正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫淬火時(shí)間溫度調(diào)質(zhì)：淬火20在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織的情況下，利用快速加熱將表面層奧氏體化后進(jìn)行淬火，以強(qiáng)化零件表面

表面熱處理表面淬火表面熱處理表面淬火21一、學(xué)習(xí)方法—大學(xué)自學(xué)為主，主要靠自學(xué).

注意聽(tīng)好課，課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)；注意觀察和了解平時(shí)接觸到的機(jī)械裝置。二、學(xué)習(xí)態(tài)度--積極進(jìn)取、掌握主動(dòng).

主動(dòng)完成一定量的作業(yè)和思考題（不僅是老師布置的）。三、學(xué)習(xí)內(nèi)容--夯實(shí)基礎(chǔ)、學(xué)好專(zhuān)業(yè)、加大知識(shí)面

四、相信自己、挖掘潛能--什么都有可能因?yàn)橛须y度，所以更應(yīng)引起我們的重視。世上無(wú)難事，只怕有心人。學(xué)習(xí)方法和要求一、學(xué)習(xí)方法—大學(xué)自學(xué)為主，主要靠自學(xué).22本課程的主要內(nèi)容(三部分)一、材料科學(xué)基礎(chǔ)理論材料性能、材料結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、鐵碳合金及相圖、塑性變形二、熱處理理論與實(shí)踐熱處理原理、工藝、設(shè)備及基本操作三、常用的工程材料金屬材料、高分子材料、陶瓷材料本課程的主要內(nèi)容(三部分)一、材料科學(xué)基礎(chǔ)理論23第一章緒論1-1材料科學(xué)的發(fā)展與工程材料材料是人類(lèi)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是日常生活中不可分割的一個(gè)組成部分。自從地球上有了人類(lèi)至今，材料的利用和發(fā)展構(gòu)成了人類(lèi)文明發(fā)展史的里程碑：人類(lèi)最早使用的工具是石頭（石器時(shí)代）；原始社會(huì)末期開(kāi)始用火燒制陶器，由此發(fā)展為以后的瓷器（中國(guó)古代文化的象征），隨后發(fā)展起來(lái)的青銅冶煉技術(shù)把人類(lèi)帶入青銅器時(shí)代；青銅器過(guò)渡到鐵器（時(shí)代）生產(chǎn)工具大發(fā)展—人類(lèi)進(jìn)入農(nóng)業(yè)社會(huì)。18世紀(jì)世界工業(yè)迅速發(fā)展（鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展），造就了工業(yè)社會(huì)文明。

第一章緒論1-1材料科學(xué)的發(fā)展與工程材料材241863年光學(xué)顯微鏡問(wèn)世，使人們開(kāi)始步入材料的微觀世界。1912年X射線衍射技術(shù)和1932年電子顯微分析技術(shù)及后來(lái)出現(xiàn)的各種先進(jìn)的顯微分析技術(shù)，把人們帶到了微觀世界的更深層次。人們開(kāi)始了對(duì)晶體微觀結(jié)構(gòu)的研究，大大推動(dòng)了材料學(xué)的研究與發(fā)展。新材料更是層出不窮，出現(xiàn)了功能材料、高分子材料、半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、復(fù)合材料、人工合成材料、納米材料。按使用范圍材料可分為：工程材料和功能材料1863年光學(xué)顯微鏡問(wèn)世，使人們開(kāi)始步入材料的25工程材料的種類(lèi)：1．金屬材料

金屬材料是用量最大、用途最廣的機(jī)械工程材料。它包含兩大類(lèi)型；黑色金屬和有色金屬。

(1)黑色金屬

黑色金屬是指鐵和以鐵為基的合金，即鋼鐵材料，它占金屬材料總量的95％以上。由于鋼鐵材料力學(xué)性能優(yōu)良和低廉的價(jià)格，所以在工程材料中一直占據(jù)著不可替代的主導(dǎo)地位。有一組數(shù)據(jù)可以說(shuō)明這一點(diǎn)。新中國(guó)的鋼產(chǎn)量從1949年的幾十萬(wàn)噸起步，產(chǎn)量每增加5千萬(wàn)噸/年上一個(gè)臺(tái)階：

工程材料的種類(lèi)：1．金屬材料26第一次用了37年，第二次用了10年，第三次用了5年，第四次僅用了2年（2003年產(chǎn)量達(dá)到2.2億噸，04年達(dá)到2.7億噸——生鐵2.5億噸，鋼材2.9億噸）。五次1年（05年達(dá)3.5億噸）。

(2)有色金屬

除鐵基合金之外的所有金屬及其合金材料。它可分為輕金屬(如鋁、鎂、鈦)，重金屬(如鉛、錫)，貴金屬(如金、銀、鎳、鉑)和稀有金屬（鎢、鉬、鋰、鈮、鎵、銦）等，其中以鋁、銅及其合金用途最廣。2．非金屬材料非金屬材料主要包括：高分子材料和無(wú)機(jī)非金屬材料和復(fù)合材料。第一次用了37年，第二次用了10年，第三次用了5年，第四次27(1)高分子材料

高分子材料又稱(chēng)聚合物材料，主要成分為碳和氫。按其用途和使用狀態(tài)又分為橡膠、塑料、合成纖維和膠粘劑等幾大類(lèi)型。

(2)無(wú)機(jī)非金屬材料主要指：水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等。3．復(fù)合材料

復(fù)合材料是把兩種或兩種以上的不同性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而構(gòu)成的。它不僅保留了組成材料各自的優(yōu)點(diǎn)，而且具有單一材料所沒(méi)有的優(yōu)異性能。復(fù)合材料通常分為三大類(lèi)：樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。(1)高分子材料281.定義：熱處理：

將金屬材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過(guò)改變材料表面或內(nèi)部的金相組織結(jié)構(gòu),來(lái)控制其性能的一種金屬熱加工工藝。2.發(fā)展從石器時(shí)代進(jìn)展到銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代的過(guò)程中，熱處理的作用逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。早在公元前770至前222年，中國(guó)人在生產(chǎn)實(shí)踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會(huì)因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。1-2熱處理1.定義：1-2熱處理29

公元前六世紀(jì)，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。中國(guó)河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說(shuō)明是經(jīng)過(guò)淬火的。隨著淬火技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬冷劑對(duì)淬火質(zhì)量的影響。三國(guó)蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。這說(shuō)明中國(guó)在古代就注意到不同水質(zhì)的冷卻能力了，同時(shí)也注意了油和尿的冷卻能力。中國(guó)出土的西漢(公元前206～公元24)中山靖王墓中的寶劍，心部含碳量為0.15～0.4%，而表面含碳量卻達(dá)0.6%以上，說(shuō)明已應(yīng)用了滲碳工藝。但當(dāng)時(shí)作為個(gè)人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發(fā)展很慢。

1863年，英國(guó)金相學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時(shí)，內(nèi)部會(huì)發(fā)生組織改變，鋼中高溫時(shí)的相在急冷時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。法國(guó)人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論，以及英國(guó)人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎(chǔ)。與此同時(shí)，人們還研究了在金屬熱處理的加熱過(guò)程中對(duì)金屬的保護(hù)方法，以避免加熱過(guò)程中金屬的氧化和脫碳等。

工程材料及熱處理ppt課件30

1850～1880年，對(duì)于應(yīng)用各種氣體（諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等）進(jìn)行保護(hù)加熱曾有一系列專(zhuān)利。1889～1890年英國(guó)人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專(zhuān)利。二十世紀(jì)以來(lái)

金屬物理的發(fā)展和其他新技術(shù)的移植應(yīng)用，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。一個(gè)顯著的進(jìn)展是1901～1925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳；30年代出現(xiàn)露點(diǎn)電位差計(jì),使?fàn)t內(nèi)氣氛的碳勢(shì)達(dá)到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進(jìn)一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)的方法；60年代，熱處理技術(shù)運(yùn)用了等離子場(chǎng)的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝；激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方法。工程材料及熱處理ppt課件31第二章材料的性能材料的主要性能是指:（3）化學(xué)性能（2）物理性能（1）力學(xué)性能1.使用性能｛2.工藝性能：加工成形的性能第二章材料的性能材料的主要性能是指:（3）化學(xué)性能（2）322.1材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能

工程材料制成的機(jī)械零部件在使用過(guò)程中要受到各種形式的力，材料在這些力的作用下所表現(xiàn)出的特性。包括：

強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、抗疲勞性和耐磨性等。材料的力學(xué)性能不僅取決于材料本身的化學(xué)成分，而且還和材料的微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料的力學(xué)性能是衡量工程材料性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，也是機(jī)械設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用材料的主要依據(jù)。材料的力學(xué)性能可以從設(shè)計(jì)手冊(cè)中查到，也可以用力學(xué)性能試驗(yàn)方法獲得。了解材料力學(xué)性能的測(cè)試條件、實(shí)驗(yàn)方法和性能指標(biāo)的意義將有助于了解工程材料的本性。2.1材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能332.1.1強(qiáng)度與塑性

材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力稱(chēng)為材料的強(qiáng)度。根據(jù)外力的作用方式，材料的強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。材料在外力作用下顯現(xiàn)出的塑性變形能力稱(chēng)為材料的塑性。材料的強(qiáng)度和塑性是材料最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，它可以通過(guò)拉伸試驗(yàn)獲得、一次完整的拉伸試驗(yàn)記錄還可以獲得許多其他有關(guān)該材料性能的有用數(shù)據(jù)，如材料的彈性、屈服極限和材料破壞所需的功等。所以拉伸試驗(yàn)是材料性能試驗(yàn)中最為常用的一種試驗(yàn)方法。2.1.1強(qiáng)度與塑性材料在外力作用下抵抗變形和斷裂34單向拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線單向拉伸試驗(yàn)及拉伸曲線35拉伸試樣L0=10d0，L0=5d0拉伸試樣L0=10d0，36彈性屈服強(qiáng)化局部變形斷裂低碳鋼試樣拉伸時(shí)的各階段特征彈性屈服強(qiáng)化局部變形斷裂低碳37工程材料及熱處理ppt課件38在拉伸過(guò)程中，拉伸試驗(yàn)機(jī)上的自動(dòng)記錄系統(tǒng)同時(shí)繪制出拉伸過(guò)程中的應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖，也稱(chēng)為σ(sigma)-ε(epsilon)曲線。圖的縱坐標(biāo)為應(yīng)力σ(單位為Pa)，橫坐標(biāo)為應(yīng)變?chǔ)?％)，σ和ε的定義可表示如下：式中F—軸向拉力(N)；S—試樣的橫截面積(m2)式中L0--試樣標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)；L1--試樣變形過(guò)程中和F對(duì)應(yīng)的總伸長(zhǎng)(mm)。在拉伸過(guò)程中，拉伸試驗(yàn)機(jī)上的自動(dòng)記錄系統(tǒng)同時(shí)39σ-ε圖顯示了材料在單向拉應(yīng)力作用下，從開(kāi)始變形直至斷裂整個(gè)過(guò)程中的各種性質(zhì)，它一般可以分為三個(gè)階段：1．彈性變形階段(O-a)在這個(gè)階段，材料內(nèi)部的原子之間距離只發(fā)生彈性伸長(zhǎng)，所以應(yīng)力與應(yīng)變呈直線關(guān)系，遵從虎克定律，此時(shí)如果卸掉載荷，試樣就能恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。2．塑性變形階段(b-d)此時(shí)，σ與ε的關(guān)系偏離直線關(guān)系。在dc段，應(yīng)力幾乎不變，但應(yīng)變卻不斷增大。超過(guò)c點(diǎn)之后，因材料發(fā)生加工硬化，若要試樣繼續(xù)變形就必須加大載荷，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值(c點(diǎn))后，試樣的某一部分截面急劇縮小，產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。在塑性變形階段即使卸掉載荷，試樣也不能恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。3、斷裂(e點(diǎn))在E點(diǎn)以后，試樣的變形主要集中在縮頸部分，最終導(dǎo)致試樣在縮頸處發(fā)生斷裂。拉伸曲線所顯示出的材料本性主要是由于材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化引起的，所以不同的材料在拉伸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同形式的σ-ε曲線。σ-ε圖顯示了材料在單向拉應(yīng)力作用下，從開(kāi)始變形直至斷裂整個(gè)40拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義根據(jù)σ-ε曲線可以計(jì)算出材料的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能指標(biāo)。1．彈性模量E2．屈服點(diǎn)σS3．抗拉強(qiáng)度(強(qiáng)度極限)σb4.伸長(zhǎng)率δ5．?dāng)嗝媸湛s率ψ(psi)1.彈性模量（剛度）E式中

σ—應(yīng)力；

ε—應(yīng)變。拉伸曲線所確定的力學(xué)性能指標(biāo)及意義根據(jù)σ-ε曲線可以計(jì)算出材41彈性模量E值表征材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度。金屬的彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的參數(shù)，其大小主要取決于金屬的本性，而與顯微組織無(wú)關(guān)。因此，熱處理、合金化、冷熱變形等對(duì)它的影響很小。要想提高金屬制品的剛度，只能更換金屬材料、改變金屬制品的結(jié)構(gòu)形式或增加截面面積。2．屈服點(diǎn)σS在拉伸過(guò)程中，載荷不增加而應(yīng)變?nèi)栽谠龃蟮默F(xiàn)象稱(chēng)為屈服。拉伸曲線上與此相對(duì)應(yīng)的B點(diǎn)應(yīng)力σS，稱(chēng)為材料的屈服點(diǎn)。對(duì)于在拉伸過(guò)程中屈服現(xiàn)象不明顯的材料，規(guī)定以殘余變形量為0.2％時(shí)的應(yīng)力值作為它的條件屈服強(qiáng)度，記為σ0.2。機(jī)械零部件或構(gòu)件在使用過(guò)程中一般不允許發(fā)生塑性變形，所以材料的屈服點(diǎn)是評(píng)價(jià)材料承載能力的重要力學(xué)性能指標(biāo)。3．抗拉強(qiáng)度(強(qiáng)度極限)σb彈性模量E值表征材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度。42拉伸曲線上c點(diǎn)的應(yīng)力σb稱(chēng)為材料的抗拉強(qiáng)度，它表明了試樣被拉斷前所能承載的最大應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度是零部件設(shè)計(jì)和評(píng)定材料時(shí)的重要強(qiáng)度指標(biāo)。尤其是對(duì)于脆性材料，由于拉伸時(shí)沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，這時(shí)一般用抗拉強(qiáng)度指標(biāo)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。強(qiáng)度σb與密度ρ（rou)之比稱(chēng)為比強(qiáng)度，它也是零件選材的重要指標(biāo)。4.伸長(zhǎng)率δ伸長(zhǎng)率用δ表示：

式中L0—拉伸試樣標(biāo)距原長(zhǎng)；Ll—試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度。

伸長(zhǎng)率的數(shù)值和試樣標(biāo)距長(zhǎng)度有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣有長(zhǎng)試樣(L0=10d0，d0為試樣直徑)和短試樣(L0=5d0)兩種。拉伸曲線上c點(diǎn)的應(yīng)力σb稱(chēng)為材料的抗拉強(qiáng)度，435．?dāng)嗝媸湛s率ψ(psi)斷面收縮率ψ：式中S0—試樣原始橫截面積；S1—斷口細(xì)頸處的橫截面積。斷面收縮率的數(shù)值不受試樣尺寸的影響，用斷面收縮率表示塑性更能接近材料的真實(shí)應(yīng)變。

δ或ψ值愈大，說(shuō)明材料的塑性愈好，良好的塑性是材料進(jìn)行壓力加工的必要條件。5．?dāng)嗝媸湛s率ψ(psi)斷面收縮率ψ：442.1.2硬度材料抵抗其他硬物壓人其表面的能力稱(chēng)為硬度，它是衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。一般情況下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。硬度是材料最常見(jiàn)的性能指標(biāo)之一。硬度試驗(yàn)方法比較簡(jiǎn)單快捷，而且材料的硬度與它的力學(xué)性能如強(qiáng)度、耐磨性以及工藝性能，如切削加工性、可焊性等之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以在一些零件圖樣上，硬度是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。工程上常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。不同測(cè)量方法得到的硬度值不能直接比較，必須通過(guò)表進(jìn)行硬度換算。1、布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)是用載荷為F的力把直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入試樣的表面，保持一定時(shí)間后卸掉載荷，此時(shí)試樣表面出現(xiàn)直徑為d的壓痕。用載荷F除以壓痕表面積所得的商，作為被測(cè)材料的布氏硬度值：2.1.2硬度材料抵抗其他硬物壓人其表面的45式中F--載荷(N)；D--鋼球直徑(mm)；d--壓痕直徑(mm)。布氏硬度的單位為MPa，但習(xí)慣上不標(biāo)單位。實(shí)際應(yīng)用中一般不直接計(jì)算HB，可以根據(jù)測(cè)量的d值在相關(guān)的表中直接查出布氏硬度值。用淬火鋼球作為壓頭測(cè)出的硬度值以HBS表示，適用于測(cè)量硬度小于450HBS的材料，如結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵及有色金屬等；用硬質(zhì)合金球作為壓頭測(cè)出的硬度值以HBW表示，適用于測(cè)量硬度不超過(guò)650HBS的材料。布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是壓痕大，不適合成品檢驗(yàn)。

46布氏硬度試驗(yàn)示意圖布氏硬度試驗(yàn)示意圖472、洛氏硬度洛氏硬度測(cè)試原理，用一個(gè)頂角為120O的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭．先施加一個(gè)初載荷，然后在規(guī)定的主載荷作用下將壓頭壓人被測(cè)材料的表面。卸除主載荷后，根據(jù)壓痕的深度h=h1-h0，確定被測(cè)材料的洛氏硬度，該值可以直接從硬度計(jì)上的顯示器上讀出。用金剛石錐體壓頭和總載荷為588．4N下測(cè)得的硬度值以HRA表示，適用于測(cè)量高硬度的材料，如硬質(zhì)合金；用淬火鋼球壓頭和總載荷為980.7下測(cè)得的硬度值以HRB表示，適用于測(cè)量較軟的材料，如退火、正火鋼或有色金屬等；用金剛石錐體壓頭和總載荷為1471N下測(cè)得的硬度值以HRC表示，適用于測(cè)量淬火鋼等硬材料。三種洛氏硬度中，以HRC應(yīng)用得最多。洛氏硬度測(cè)量迅速簡(jiǎn)便，壓痕小，可在成品零件上檢測(cè)，也可測(cè)定較薄工件或表面有較薄硬化層的硬度，但由于壓痕比較小，易受材料微區(qū)不均勻的影響，因而數(shù)據(jù)的重復(fù)性比較差。2、洛氏硬度洛氏硬度測(cè)試原理，用一個(gè)頂角為1248洛氏硬度試驗(yàn)示意圖洛氏硬度試驗(yàn)示意圖493、維氏硬度維氏硬度測(cè)定原理基本上與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕凹陷單位面積上的力為硬度值，但使用的是錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體，壓痕是四方錐形(圖1—5)。測(cè)量壓痕兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度d，計(jì)算壓痕的面積AV，用HV表示維氏硬度：式中F--載荷(N)；A--壓痕面積(mm2)。維氏硬度的單位為Mpa，一般不標(biāo)。維氏硬度所用載荷小，壓痕深度淺，硬度測(cè)量精確度高于布氏硬度和洛氏硬度，適用于測(cè)量較薄的材料或表面硬化層、金屬鍍層的硬度。由于維氏硬度的壓頭是金剛石角錐．載荷可調(diào)范圍大，所以維氏硬度可用于測(cè)量從軟到硬的各種工程材料，測(cè)定范圍0~1000HV。3、維氏硬度維氏硬度測(cè)定原理基本上與布氏硬度50維氏硬度試驗(yàn)示意圖維氏硬度試驗(yàn)示意圖51三種硬度三種硬度522.1.3韌性材料的韌性是指材料在塑性變形和斷裂的全過(guò)程中吸收能量的能力，它是材料塑性和強(qiáng)度的綜合表現(xiàn)。材料的韌性與脆性是兩個(gè)意義上完全相反的概念，根據(jù)材料的斷裂形式可分為韌性斷裂和脆性斷裂。1.沖擊韌度是指材料在沖擊載荷的作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力。材料的沖擊韌度值常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)法測(cè)定，其試驗(yàn)原理如圖1-6所示。2.1.3韌性材料的韌性是指材料在塑性變形和斷53

沖擊試驗(yàn)示意圖

a)試件b)試驗(yàn)示意圖沖擊試驗(yàn)示意圖

a)試件b)試驗(yàn)54沖擊韌度=沖擊吸收功/試樣的斷口處截面積（cm2）沖擊韌度=沖擊吸收功/試樣的斷口處截面積（cm2）55沖擊韌度值αK沖擊試驗(yàn)時(shí)，把有u型或v型缺口(脆性材料不開(kāi)缺口)的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣背向擺錘方向放在沖擊試驗(yàn)機(jī)上，將質(zhì)量為m的擺錘升到規(guī)定的高度H1，然后自由落下將試樣擊斷。在慣性的作用下，擊斷試樣后的擺錘會(huì)繼續(xù)上升到某一高度H2。根據(jù)功能原理，擺錘擊斷試樣所消耗的功AK=mg(H1-H2)。AK可以從沖擊試驗(yàn)機(jī)上直接讀出，稱(chēng)為沖擊吸收功。AK除以試樣缺口處橫截面積S的值則為該材料的沖擊韌度值，用符號(hào)αK表示，單位為J／cm2：

根據(jù)試樣的缺口型式，U型缺口和V型缺口試樣的沖擊韌度值分別以αKU和αKV表示。不同型式試樣的沖擊韌度值不能直接進(jìn)行比較或換算。沖擊韌度值αK沖擊試驗(yàn)時(shí)，把有u型或v型缺口56斷裂韌度是以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的材料韌度指標(biāo)。斷裂力學(xué)是把材料的斷裂過(guò)程與裂紋擴(kuò)展時(shí)所需的功聯(lián)系起來(lái)，它對(duì)評(píng)估材料的使用壽命和設(shè)計(jì)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)件具有重要的指導(dǎo)意義。在工程構(gòu)件和機(jī)械零件設(shè)計(jì)中，通常都是用材料的屈服點(diǎn)作為材料的許用應(yīng)力[σ]（[σ]=σS/n，n>1）。一般認(rèn)為，只要零件的工作應(yīng)力小于或等于許用力就不會(huì)發(fā)生塑性變形，更不會(huì)發(fā)生斷裂。但是，一些用高強(qiáng)度鋼制造的零件或大型焊接構(gòu)件，如橋梁、船舶等，有時(shí)會(huì)在工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服點(diǎn)，甚至低于許用應(yīng)力的條件下，突然發(fā)生脆性斷裂，這樣的斷裂稱(chēng)之為低應(yīng)力脆斷。

在傳統(tǒng)的材料力學(xué)中都是假定材料內(nèi)部是完整的、連續(xù)的，所以從材料力學(xué)的角度無(wú)法解釋材料的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。實(shí)際上材料或構(gòu)件本身不可避免會(huì)存在各種冶金或加工缺陷，這些缺陷相當(dāng)于裂紋，或者它們?cè)谑褂眠^(guò)程中擴(kuò)展成為裂紋。2.斷裂韌度斷裂韌度是以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的材料韌度指標(biāo)。斷57近代斷裂力學(xué)認(rèn)為，低應(yīng)力脆斷正是由于這些微裂紋在外力作用下的擴(kuò)展造成的。一旦裂紋長(zhǎng)度達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，裂紋的擴(kuò)展速度就會(huì)劇增，從而導(dǎo)致斷裂。材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力稱(chēng)為斷裂韌度。比較常見(jiàn)而且又比較危險(xiǎn)的裂紋是張開(kāi)型裂紋，又稱(chēng)為I型裂紋(右圖)。假設(shè)平板上的裂紋長(zhǎng)度為2α，在垂直裂紋面的外力拉伸作用下，受裂紋的影響，材料各部位的應(yīng)力分布不均勻，在裂紋尖端的前沿產(chǎn)生的應(yīng)力集中應(yīng)力最大。根據(jù)斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)，只要裂紋兩端很尖銳，頂端附近各點(diǎn)應(yīng)力σ的大小取決于比例系數(shù)KI。由于KI反映了裂紋尖端附近各應(yīng)力點(diǎn)的強(qiáng)弱，故稱(chēng)為應(yīng)力強(qiáng)度因子KI(單位為MPa·m)。近代斷裂力學(xué)認(rèn)為，低應(yīng)力脆斷正是由于這些微裂紋在外力作用下的58應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式為：

KI式中Y—與裂紋形狀加載方式及試樣有關(guān)的量；

σ—外加應(yīng)力(MPa)；α—裂紋的半長(zhǎng)(m)。KI值與裂紋尺寸、形狀和外加應(yīng)力的大小有關(guān)。隨著外應(yīng)力σ的增大或裂紋增長(zhǎng)時(shí)，KI也相應(yīng)增大，當(dāng)KI增大到某一臨界值時(shí)，裂紋前端的內(nèi)應(yīng)力將大到足以使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，從而發(fā)生脆斷。這個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱(chēng)為材料的斷裂韌度，用KIC表示。KIC是量度材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展阻力的物理量，是材料抵抗低應(yīng)力脆性斷裂的韌性參數(shù)。它與材料的成分、熱處理以及加工工藝有關(guān)，與裂紋的形狀、尺寸以及外加應(yīng)力的大小無(wú)關(guān)。KIC可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，查表可得常見(jiàn)工程材料的斷裂韌度KIC值。應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式為：59工程材料及熱處理ppt課件60帶有裂紋的零件在外力作用下，不發(fā)生脆斷的條件是KI>KIC。如材料的KIC已知，可以根據(jù)工作應(yīng)力，估算出材料中允許存在而又不會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展的最大裂紋長(zhǎng)度；反過(guò)來(lái)，可以根據(jù)材料中已存在的裂紋長(zhǎng)度(可由無(wú)損探傷測(cè)出),估算出材料不致造成脆斷的最大應(yīng)力。帶有裂紋的零件在外力作用下，不發(fā)生脆斷的條件是KI>KIC。612.1.3疲勞強(qiáng)度力的大小和方向都隨時(shí)間呈周期性的循環(huán)變化的應(yīng)力稱(chēng)為交變應(yīng)力。材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。疲勞斷裂可以在低于材料的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生，斷裂前也無(wú)明顯的塑性變形，而且經(jīng)常是在沒(méi)有任何先兆的情況下突然斷裂，因此疲勞斷裂的后果是十分嚴(yán)重的。材料的疲勞強(qiáng)度可以通過(guò)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。下圖是材料的疲勞特性試驗(yàn)示意圖。將光滑的標(biāo)準(zhǔn)試樣的一端固定并使試樣旋轉(zhuǎn)，在另一端施加載荷。在試樣旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，試樣工作部分的應(yīng)力將承受周期性的變化，從拉應(yīng)力到壓應(yīng)力，循環(huán)往復(fù)，直至試樣斷裂。2.1.3疲勞強(qiáng)度力的大小和方向都隨時(shí)間呈周62疲勞特性試驗(yàn)示意圖疲勞特性試驗(yàn)示意圖63材料的疲勞曲線（σ-N）材料的疲勞曲線（σ-N）64材料所受的交變應(yīng)力與斷裂循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系可以用上圖疲勞曲線(也稱(chēng)σ-N曲線)描述。縱坐標(biāo)為交變應(yīng)力σ，橫坐標(biāo)為循環(huán)周數(shù)N。從σ-N曲線可以看出,σ愈小，N愈大。當(dāng)應(yīng)力低于某數(shù)值時(shí)，經(jīng)無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱(chēng)為材料的疲勞極限，通常用σr表示(r是應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱(chēng)次數(shù))，單位為MPa。如果采用對(duì)稱(chēng)的循環(huán)應(yīng)力，材料的疲勞強(qiáng)度σ-1表示。由于疲勞試驗(yàn)時(shí)不可能進(jìn)