应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 梁中，等等，统称为工程材料。其中用来制造各种机电产品的材料，称为机械工程材料.主要包括：1）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。2）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。3）复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的多 相材料。金属材料是制造机器的最主要材料。1、金属材料按含金属元素数量的多少分为：1）纯金属(一种金属).2）合金（以一种金属为基+其他金属或非金属） 第一章 金属材料及热处理基础知识2、 金属材料按是否含Fe元素分为：1）黑色金属：铁族材料，指Fe及以Fe为基的合金。 钢：碳钢，合金钢，特殊性能钢等。铸铁：灰铸铁，球墨铸铁，可锻铸铁，蠕墨铸铁 等。2）有色金属：非铁族材料，指黑色金属以外的所有 金属及合金。铜及铜合金。铝及铝合金，等等。3）粉末金材料 在机械制造中应用的金属以黑色金属为主，占90%以 上。那么，为什么金属材料或者黑色金属材料是用来制造 机器的最主要材料？这是因为：其具有优良的机械性能（力学性能）、工艺性能，并 具较好的物理性能及化学稳定性。那么，什么是金属材料的机械性能（力学性能）？什 么是金属材料的工艺性能？什么是金属材料的物理性 能及化学性能？第1节 金属材料的力学性能力学性能：金属在不同环境因素（温度、介质）下 ，承受外加载荷作用时所表现的行为。这种行为通常 表现为金属的变形和断裂。因此，金属材料的力学性 能可以理解为金属抵抗外加载荷引起的变形和断裂的 能力。常见的力学性能有：强度、塑性、刚度、弹性、 硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳。“失效现象”：如果金属材料对变形和断裂的抗力与服 役条件不相适应，就会使机件失去预定的效能而损坏 。常见的失效形式有断裂、磨损、过量弹性变形和过 量塑性变形。第一节 刚度、强度、塑性1、拉伸试样 试验前在试棒上打出标距 按国标规定标准拉伸试样可分为：) 板形试样：原材料为板材或带材) 圆形试样：长试样L010d0，短试样L0=5d0其中：L0为试样标距，d0为试样直径一、拉伸试验与拉伸曲线刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 来的。2、拉伸过程将试样装在拉力试验机夹头上，缓慢加载，直到把试样拉断为止，通过自动记录装置得到试样所受载荷F和伸长量L的关系曲线称为拉伸曲线；并由此测定该金属的强度、刚度、弹性和塑性。）当载荷不超Fp时，力 伸长曲线Op为一直线， 即试样的伸长量与载荷成 正比地增加，完全胡克定 律，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，力伸长曲 线不成直线，但试样仍处 于弹性变形阶段。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：）载荷超过Fe后，试样 开始有塑性变形产生。当 载荷达到Fs时，试样开始 产生明显的塑性变形，在 力伸长曲线上出现了水 平的或锯齿形的线段，这 种现象称为“屈服”。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：）当载荷继续增加到某 一最大值Fb时，试样的局 部截面缩小，产生所谓“ 缩颈”现象。由于试样局 部截面的逐渐减小，故载 荷也逐渐降低，当达到拉 伸曲线上k点时，试样随 即断裂。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：）由力伸长曲线可见 ，断裂时试样总伸长Of中 gf是弹性变形，Og(lk) 是塑性变形。塑性变形中 Oh（lb）是试样产生缩 颈前的均匀变形，hg（ lu）是颈部的集中变形 。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：gf.应力与应变曲线二、刚度和弹性 刚度：表征金属材料抵抗弹性变形 的能力 弱性模量E：表示引起单位变形时所 需要的应力。即材料的E越大，产生 的弹性变形越小，刚度越大。E值主要取决于材料的本性； 提高刚度的方法有增加横截面积或 改变截面形状。、弹性极限弹性极限e：是材料在不产生塑性 变形时所能承受的最大应力值。式中Fe试样在不产生塑性变形时 的最大载荷； A试样的原始横截面积弹性极限是工作中不允许有微量塑性变形零件(如 精密的弹性元件、炮筒等)的设计与选材的重要依据。（三）弹性比功弹性比功：又称弹性比能或应变能，它表示材料发生弹性变形 时可吸收能量的能力，在卸载时，又能完全释放能量而使材料恢复 原状。金属材料的弹性比功可用上图所示的应力应变曲线下影线 面积表示。弹簧是典型的弹性零件，主要起缓冲和储存能量的作用，它要 求材料具有大的弹性比功，由于弹性模量E对组织不敏感，故只有 通过合金化、热处理和冷塑性变形等方法来提高材料的弹性极限e ，从而提高其弹性比功。三、强 度 强度金属材料在外力作用下永久抵抗变形和断裂 的能力。按作用力性质不同，可分为屈服强度（屈服点） 及抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。 在工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服强度 和抗拉强度。分 类拉力屈服强度、抗拉强度压力抗压强度弯曲力抗弯强度剪切力抗剪强度1.屈服强度（屈服极限、屈服点）：当载荷增达到s点时，拉伸曲线出现了平台，即试 样所承受的载荷几乎不变，但塑性变形不断增加，这 种现象称为屈服。 屈服点和条件屈服强度0.2是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。用s表示。计算公式:s=Fs S0条件屈服强度0.2有些金属材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象 发生，为了衡量这些材料的屈服特性，规定产生永久 残余变形等于一定值(一般为标距长度的0.2%)时的应 力，称为条件屈服强度或简称屈服强度0.2 。 F0.2A00.2=F0.2试样标距产生.% 残余伸长时的载荷；A0试样的原始横截面积 。b=Fb S0Fb试样在破断前所 承受的载荷；A0试样的原始横截面 积。 计算公式:2、 抗拉强度（强度极限）:材料承受最大载荷时的应力。 用b表示。抗拉强度b是表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。 脆性材料在拉伸过程中，没有缩颈，抗拉强度b是就的断裂强度 。 1）伸长率（ ）伸长率是指试样拉断后标距增长量与原始标距的百分比，即：lk-l0l0100%=lk试样拉断后的标距,mm;l0试样的原始标距,mm。四、塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 和断面收缩率 2）断面收缩率（ ）断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，即：A0-AkA0=100%A0试样原始横截面积,mm2；A1试样断裂处的最小横截面积,mm2 。、越大，材料塑性越好。1.布氏硬度HB用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P 下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定 的时间后卸荷,测压痕直径d.布氏硬度试验原理图第二节 硬度硬度: 材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。测量硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头，在一定试验力下，压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。用同样的压头，在相同试验力作用下，压入金属材料表面时，若压入程度愈大，则材料的硬度值愈低；反之，硬度值就愈高。金属材料的硬度可用硬度仪来测试，常用的硬指标有 布氏硬度、洛氏硬度等。 、布氏硬度用直径为D的球体（硬质合金球或钢球），在规定 试验力F的作用下压入被测金属的表面，保持规定时间后 卸除载荷，测量试样表面压痕的直径d，由此计算压痕的 球缺面积S，用压痕单位面积的平均压力（F/S）作为测试 金属的布氏硬度值。测定条件： 压头为淬火钢球时, 以HBS表示,可测 450的材料；压头为硬质合金时, 以HBW表示,可测650的材料。 压头直径有10、5、2.5、2、1mm五种。布氏硬度计 计算公式：计算公式： 压头是直径为D的钢球或硬质合金球。 压头直径有10、5、2.5、2、1mm五种。布氏硬度表示方法：硬度符号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mm、载荷kgf（ N ）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。600HBW1/30/20表示用直径1mm的硬质合金球，在kgf（292.4N）载荷作用下保持s，测得的布氏硬度值为600。 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压 头还硬的材料。适于测量灰铸铁、非铁合金及较软钢材的硬度。另外：材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢: b(MPa)3.6HB对于高碳钢：b(MPa)3.4HB对于灰铸铁： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40)优缺点： 、洛氏硬度用一个顶角1200的金刚石圆锥体或一定直径的钢球 或硬质合金球为压头，在规定试验力作用下压入被测试 金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定 其硬度值。洛氏硬度计3-3为卸除主试验力后，由于被测试金属弹性变 形恢复，而使压头略为提高时的位置。这时，压 头实际压入试样的深度为h3。故由主试验力引起 的塑性变形而产生的残余压痕深度h=h3-h1，并以 此来衡量被测试金属的硬度。上图表示金刚石圆锥压 头的金属洛氏硬度试验原 理。图中0-0为圆锥压头 的初始位置；1-1为在初 试验力作用下，压头压入 深度为h1时的位置；2-2 为在总试验力（初试验力 +主试验力）作用下，压 头压入深度为h2时的位置 ；h（ h=h3-h1 ）愈大，被测试金属的硬度愈低；反之，则 愈高。根据h值及常数N和S，用下式计算洛氏硬度：洛氏硬度N h/SN给定标尺的数值，A、C标尺为100；B标尺为130。S-给定标尺的单位，通常取0.002mm； h残余压痕深度mm。洛氏硬度的分类及应用标标尺硬度 符号压头压头总载总载 荷 （kg） (N)应应用范 围围适用材料AHRA120金刚刚 石圆锥圆锥60（ 588.4N）7085硬质质合金、 表面淬火的钢钢BHRB1.588mm 钢钢球100 (980.7N)25100软钢软钢 、退火钢钢、 铜铜合金CHRC120金刚刚 石圆锥圆锥150 (1471N)2067淬火钢钢、调质钢调质钢 等洛氏硬度符号为HR，其中HRC应用最广，测量范围是2070。例如某零件硬度50HRC，表示用C标尺测定该零件表面的洛氏硬度值为50。实际测量时，硬度值一般均由硬度计的刻度盘 上直接读出。优点：是操作迅速简便，由于压痕较小，可在 成品表面或较薄的金属上进行试验。同时，采用不 同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度。缺点：是因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀 的材料，测得的硬度不够准确。故需测定三点，取 其算术平均值。一般用于测试淬火钢。 三、维氏硬度用一个金刚石正四棱锥体压头，在规定试验力F作用 下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸除试验力，然 后再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出 压痕的表面积S，用F/S作为被测试金属的硬度值，符号HV 。数显维氏硬度计维氏硬度符号HV之前的数值为硬度值，HV后面的数值依次表示试验力值（单位为kgf）和试验力保持时间（保持时间为10-15s时不标注）例如：640HV30表示在试验力294.2N下，保持10-15s测得的维氏硬度值为640。640HV30/20表示在试验力为294.2N下，保持20S测得的维氏硬度值为640。维氏硬度特点：载荷小，压入深度浅，可测试表面淬硬层及化学热处理的渗层等。应用：渗碳层、陶瓷、钢、有色金属、薄板、金属薄片、电镀层、微小物体材料，热处理碳化层、脱碳层和淬火硬化层的硬度测量。第三节 冲击韧度冲击载荷：以很大速度作用于工件上的载荷。受冲击载荷作用的零件：冲床的冲头、锻锤的锤杆、内燃机的活塞销与连杆、风动工具。对于承受冲击载荷的零件来说，仅具有足够的静载