材料的分類課件

學(xué)習(xí)目的：

通過學(xué)習(xí)，掌握金屬材料與熱處理的基本知識，為后續(xù)掌握閥門材料的選用奠定基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)要求：工掌握金屬的力學(xué)性能指標(biāo)及常用數(shù)據(jù)。掌握常用的機(jī)械工程材料類型、牌號、力學(xué)性能及用途。掌握鋼的熱處理的基本知識及常用的熱處理方法、工藝特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。初步具有選擇工程材料的能力。

金屬材料與熱處理基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目的：金屬材料與熱處理基礎(chǔ)概述

材料與人們的生活與生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)。我國材料的發(fā)展歷史悠久。材料的種類繁多。

材料、信息、能源和生物工程已成為當(dāng)代技術(shù)的四大支柱。概述材料與人們的生活與生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)。一、材料的分類

黑色金屬：鐵及其合金有色金屬：除鐵以外的金屬非金屬材料金屬材料復(fù)合材料高分子（C、H為主）陶瓷（硅酸鹽，C、O、N化物等）樹脂基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)或纖維增強(qiáng)一、材料的分類黑色金屬：鐵及其合金有色金屬：除鐵以性能工藝性能：鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性和熱處理工藝性等使用性能力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等化學(xué)性能：抗氧化性和耐腐蝕性物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性能和磁性能等。二、材料的性能性工藝性能：鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性和熱處理工藝性金屬材料的力學(xué)性能是指材料抵抗外力引起的變形和破壞的能力，主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞極限等。三、金屬材料的力學(xué)性能載荷——零件在使用過程中所受到的力，按方式不同可分為拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等。載荷可分為靜載荷與動(dòng)載荷。應(yīng)力——物體在外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間的相互作用力稱內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力稱應(yīng)力σ。變形——在外力作用下尺寸和形狀的變化。分彈性變形與塑性變形。金屬材料的力學(xué)性能是指材料抵抗外力引起的變形和破壞的能3.1強(qiáng)度MPa(MN/m2)

在載荷作用下材料抵抗永久變形和斷裂的能力。分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。應(yīng)用最廣的為拉伸試驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)度的測定。1Pa＝1N/m2（GB/T228—2002）3.1強(qiáng)度MPa(MN/m2) 在載荷作用下材料抵抗（1）拉伸試驗(yàn)設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)試樣（1）拉伸試驗(yàn)設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)試樣（2）拉伸三個(gè)階段A、彈性變形階段

0-p-eB、彈塑性變形階段

屈服-強(qiáng)化-頸縮

e-ss-s’s’-bb-kC、斷裂k

oPsNbkss’pemmDlPb拉伸曲線外力伸長量載荷－位移曲線不同性質(zhì)材料的拉伸曲線形狀是不相同的（2）拉伸三個(gè)階段oPsNbkss’pemmDlPb拉伸oσsMPabkss’pe

e

=DL/L0σb﹡應(yīng)力：σ試樣單位面積上所承受的力σ=P/AA：拉伸試樣橫截面面積P：試樣軸向拉力﹡應(yīng)變：ε試樣單位長度上的伸長量ε=(L1-L0)/L0=ΔL/L0L0：試樣原標(biāo)距長度L1

：試樣拉斷后的長度（3）拉伸曲線單位變換

應(yīng)力－應(yīng)變曲線

oσsMPabkss’pee=DL/L0σboσsMPabkss’pe

e=Dl/Lσb屈強(qiáng)服度

(σs)：材料產(chǎn)生屈服時(shí)的最小應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度(σb)：材料所能承受的最大應(yīng)力。力學(xué)性能oσsMPabkss’pee=Dl/Lσb屈σb條件屈服強(qiáng)度(σ0.2)：0.2σ0.2σε拉伸過程中，屈服現(xiàn)象不明顯的材料，根據(jù)國標(biāo)取殘余應(yīng)變量為0.2％時(shí)的應(yīng)力值為屈服強(qiáng)度記做σ0.2。σb條件屈服強(qiáng)度(σ0.2)：0.2σ0.2σε拉伸過程中，o1

23.2剛度指標(biāo)

E=s/eεσ材料的剛度通常用彈性模量E來衡量。

彈性模量E：材料抵抗彈性變形的能力。是指在比例極限(σs)范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變比。o123.2剛度指標(biāo) E=s/eεσ材料的剛度通常用彈3.3塑性指標(biāo)

（2）斷面收縮率(Ψ)

A0-A1

y=———×100％

A0

（1）伸長率(δ)L1-L0δ=———×100％

L0lodol1d1材料產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。3.3塑性指標(biāo) ⑴良好的塑性可以順利地完成某些成型工藝，火焰筒的冷沖壓及渦輪盤、渦輪軸的鍛造等。⑵良好的塑性還可以在一定程度上保證零件的工作安全，在零件使用時(shí)萬一超載，塑性變形引起的強(qiáng)化作用使零件不致于突然斷裂。⑶過高地追求塑性，會(huì)降低材料的強(qiáng)度。⑴良好的塑性可以順利地完成某些成型工藝，火焰筒的冷沖壓及渦輪3.4硬度指標(biāo)

材料抵抗表面劃傷、磨損或局部塑性變形及破壞的能力常用硬度測定方法:硬物壓入法3.4硬度指標(biāo)材料抵抗表面劃傷、磨損（1）布氏硬度(HB)硬物：球形壓頭(D=10、5、2.5、2、1mm)載荷：P(kgf)

F

DhdHBS:普通淬火鋼球硬度值在450以下HBW:硬質(zhì)合金球硬度值在450～650

HBS(HBW)=———

FA表示為：500HBW5/750（1）布氏硬度(HB)硬物：球形壓頭(D=特點(diǎn)：

壓坑面積大，受材料不均勻度影響小，故測量誤差小，硬度值準(zhǔn)確、真實(shí)。不適于成品檢驗(yàn),主要用于測量較軟的金屬材料。布氏硬度(HB)主要用于鑄鐵、非鐵金屬及經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材。

特點(diǎn)：布氏硬度(HB)主要用于鑄鐵、非鐵金屬及經(jīng)退火、正火和（2）洛氏硬度(HR)壓頭頂角120°金鋼石圓錐（或直徑Φ1.588mm淬火鋼球）直接測量壓痕深度來確定硬度值。（2）洛氏硬度(HR)壓頭直接測量壓痕深度來確定硬度值載荷：▲初載荷10kg并壓入深度h1▲主載荷(50kg或90kg或140kg)使壓入深度達(dá)h2；▲卸除主載荷、保留初載荷， 壓入深度減小為h3。洛氏硬度的計(jì)算深度值 △h=h3-h1。

HR=———

01230123h1h3h2K=0.2壓頭被測材料K-△h0.002載荷：01230123h1h特點(diǎn)：測量簡便迅速，直接讀數(shù)，表面壓痕小。誤差稍大，需多點(diǎn)測量取平均值。壓頭主載荷測量范圍應(yīng)用材料HRA金剛石K=0.250kg20～88表面硬化層、硬質(zhì)合金等HRB淬火鋼球K=0.2690kg20～100有色金屬，退火、正火鋼等HRC金剛石K=0.2140kg20～70淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等特點(diǎn)：測量簡便迅速，直接讀數(shù)，表面壓痕小。誤差稍大，需多點(diǎn)測（3）維氏硬度(HV)壓頭：頂角為136°的金剛石正四棱錐體

HV=———

載荷P：分為六級(5,10,20,30,50,100Kg)ddF136

FA特點(diǎn)：測量精度高，測量范圍寬，應(yīng)用廣。不同載荷下維氏硬度可以相互比較。（3）維氏硬度(HV)壓頭：頂角為136°的金剛石正四棱錐體3.5沖擊韌性5510855108

2403022橫梁式懸梁式3.5沖擊韌性551085510824030沖擊吸收功（AK）：沖斷試樣所消耗的功(J) Ak=G(H-h)

ak=——(J/cm2)

沖擊

h試樣擺錘

HAkSn沖擊韌性（αK）：沖斷試樣橫截面單位面積上所消

耗的功(J/cm2)沖擊吸收功（AK）：沖斷試樣所消耗的功(J) Ak=G(H-3.6冷脆轉(zhuǎn)變溫度Tk

材料的沖擊功隨溫度下降而減小。

當(dāng)溫度降到某一值時(shí)會(huì)急劇減小使

材料呈脆性狀態(tài)。

不同材料的冷脆轉(zhuǎn)化溫度

由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)化溫度。3.6冷脆轉(zhuǎn)變溫度Tk

材料的沖擊功隨溫度下降3.7材料的疲勞強(qiáng)度

機(jī)械零件在交變載荷作用下，其工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度，甚至小于屈服強(qiáng)度時(shí)，在長時(shí)間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞強(qiáng)度:σ-1

是指材料經(jīng)無限多次（鋼材：107，有色金屬108

）應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂時(shí)的最大應(yīng)力，稱疲勞極限σr。它表征了材料抵抗疲勞斷裂的能力。對稱應(yīng)力時(shí)，疲勞強(qiáng)度用σ-1表示。鋼的疲勞強(qiáng)度大致為0.45—0.55

σb3.7材料的疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件在交變載荷作用3.8高溫力學(xué)性能蠕變：金屬材料長時(shí)間在一定溫度、一定應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于σ0.2

，也會(huì)緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。規(guī)律：溫度越高，工作應(yīng)力越大，則蠕變的發(fā)展越快，而產(chǎn)生斷裂的時(shí)間就越短。典型的蠕變曲線，曲線分為三個(gè)階段。a、蠕變減速階段。b、穩(wěn)態(tài)蠕變階段。C、蠕變加速階段，直至斷裂。

aabcdo變形第二階段第三階段第一階段時(shí)間溫度壓力恒定3.8高溫力學(xué)性能蠕變：金屬材料長時(shí)間在一定溫度、一定應(yīng)

蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度：蠕變強(qiáng)度是指金屬在一定溫度下、一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定變形量所能承受的最大應(yīng)力，高溫下金屬的強(qiáng)度可用蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度來表示，例如(1)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定變形量的蠕變強(qiáng)度，記為σδ/t

（MPa）

，T溫度，t時(shí)間（小時(shí)），δ變形量。

如σ0.2/1000=60MPa,表示在800℃下，1000小時(shí)內(nèi)引起0.2％變形量所能承受的最大應(yīng)力為60MPa。(2)穩(wěn)態(tài)蠕變速度達(dá)到規(guī)定值時(shí)的蠕變強(qiáng)度，記為σv

（MPa）。T溫度，v蠕變速度。如

σ1×10-5=60MPa,T600800TT蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度：蠕變強(qiáng)度是指金屬在一定溫度下、一定時(shí)間內(nèi)高溫持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度：指材料在高溫長時(shí)載荷作用下抵抗斷裂的能力。σt

（T溫度，t時(shí)間小時(shí)）。如σ100

=30MPa，表示在800℃，約100小時(shí)所能承受的最大應(yīng)力30MPa

。T800高溫持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度：指材料在高溫長時(shí)載荷作用下抵抗斷裂的能學(xué)習(xí)目的：

通過學(xué)習(xí)，掌握金屬材料與熱處理的基本知識，為后續(xù)掌握閥門材料的選用奠定基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)要求：工掌握金屬的力學(xué)性能指標(biāo)及常用數(shù)據(jù)。掌握常用的機(jī)械工程材料類型、牌號、力學(xué)性能及用途。掌握鋼的熱處理的基本知識及常用的熱處理方法、工藝特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。初步具有選擇工程材料的能力。

金屬材料與熱處理基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目的：金屬材料與熱處理基礎(chǔ)概述

材料與人們的生活與生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)。我國材料的發(fā)展歷史悠久。材料的種類繁多。

材料、信息、能源和生物工程已成為當(dāng)代技術(shù)的四大支柱。概述材料與人們的生活與生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)。一、材料的分類

黑色金屬：鐵及其合金有色金屬：除鐵以外的金屬非金屬材料金屬材料復(fù)合材料高分子（C、H為主）陶瓷（硅酸鹽，C、O、N化物等）樹脂基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)或纖維增強(qiáng)一、材料的分類黑色金屬：鐵及其合金有色金屬：除鐵以性能工藝性能：鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性和熱處理工藝性等使用性能力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等化學(xué)性能：抗氧化性和耐腐蝕性物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性能和磁性能等。二、材料的性能性工藝性能：鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性和熱處理工藝性金屬材料的力學(xué)性能是指材料抵抗外力引起的變形和破壞的能力，主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞極限等。三、金屬材料的力學(xué)性能載荷——零件在使用過程中所受到的力，按方式不同可分為拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等。載荷可分為靜載荷與動(dòng)載荷。應(yīng)力——物體在外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間的相互作用力稱內(nèi)力，單位面積上的內(nèi)力稱應(yīng)力σ。變形——在外力作用下尺寸和形狀的變化。分彈性變形與塑性變形。金屬材料的力學(xué)性能是指材料抵抗外力引起的變形和破壞的能3.1強(qiáng)度MPa(MN/m2)

在載荷作用下材料抵抗永久變形和斷裂的能力。分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。應(yīng)用最廣的為拉伸試驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)度的測定。1Pa＝1N/m2（GB/T228—2002）3.1強(qiáng)度MPa(MN/m2) 在載荷作用下材料抵抗（1）拉伸試驗(yàn)設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)試樣（1）拉伸試驗(yàn)設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)試樣（2）拉伸三個(gè)階段A、彈性變形階段

0-p-eB、彈塑性變形階段

屈服-強(qiáng)化-頸縮

e-ss-s’s’-bb-kC、斷裂k

oPsNbkss’pemmDlPb拉伸曲線外力伸長量載荷－位移曲線不同性質(zhì)材料的拉伸曲線形狀是不相同的（2）拉伸三個(gè)階段oPsNbkss’pemmDlPb拉伸oσsMPabkss’pe

e

=DL/L0σb﹡應(yīng)力：σ試樣單位面積上所承受的力σ=P/AA：拉伸試樣橫截面面積P：試樣軸向拉力﹡應(yīng)變：ε試樣單位長度上的伸長量ε=(L1-L0)/L0=ΔL/L0L0：試樣原標(biāo)距長度L1

：試樣拉斷后的長度（3）拉伸曲線單位變換

應(yīng)力－應(yīng)變曲線

oσsMPabkss’pee=DL/L0σboσsMPabkss’pe

e=Dl/Lσb屈強(qiáng)服度

(σs)：材料產(chǎn)生屈服時(shí)的最小應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度(σb)：材料所能承受的最大應(yīng)力。力學(xué)性能oσsMPabkss’pee=Dl/Lσb屈σb條件屈服強(qiáng)度(σ0.2)：0.2σ0.2σε拉伸過程中，屈服現(xiàn)象不明顯的材料，根據(jù)國標(biāo)取殘余應(yīng)變量為0.2％時(shí)的應(yīng)力值為屈服強(qiáng)度記做σ0.2。σb條件屈服強(qiáng)度(σ0.2)：0.2σ0.2σε拉伸過程中，o1

23.2剛度指標(biāo)

E=s/eεσ材料的剛度通常用彈性模量E來衡量。

彈性模量E：材料抵抗彈性變形的能力。是指在比例極限(σs)范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變比。o123.2剛度指標(biāo) E=s/eεσ材料的剛度通常用彈3.3塑性指標(biāo)

（2）斷面收縮率(Ψ)

A0-A1

y=———×100％

A0

（1）伸長率(δ)L1-L0δ=———×100％

L0lodol1d1材料產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。3.3塑性指標(biāo) ⑴良好的塑性可以順利地完成某些成型工藝，火焰筒的冷沖壓及渦輪盤、渦輪軸的鍛造等。⑵良好的塑性還可以在一定程度上保證零件的工作安全，在零件使用時(shí)萬一超載，塑性變形引起的強(qiáng)化作用使零件不致于突然斷裂。⑶過高地追求塑性，會(huì)降低材料的強(qiáng)度。⑴良好的塑性可以順利地完成某些成型工藝，火焰筒的冷沖壓及渦輪3.4硬度指標(biāo)

材料抵抗表面劃傷、磨損或局部塑性變形及破壞的能力常用硬度測定方法:硬物壓入法3.4硬度指標(biāo)材料抵抗表面劃傷、磨損（1）布氏硬度(HB)硬物：球形壓頭(D=10、5、2.5、2、1mm)載荷：P(kgf)

F

DhdHBS:普通淬火鋼球硬度值在450以下HBW:硬質(zhì)合金球硬度值在450～650

HBS(HBW)=———

FA表示為：500HBW5/750（1）布氏硬度(HB)硬物：球形壓頭(D=特點(diǎn)：

壓坑面積大，受材料不均勻度影響小，故測量誤差小，硬度值準(zhǔn)確、真實(shí)。不適于成品檢驗(yàn),主要用于測量較軟的金屬材料。布氏硬度(HB)主要用于鑄鐵、非鐵金屬及經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材。

特點(diǎn)：布氏硬度(HB)主要用于鑄鐵、非鐵金屬及經(jīng)退火、正火和（2）洛氏硬度(HR)壓頭頂角120°金鋼石圓錐（或直徑Φ1.588mm淬火鋼球）直接測量壓痕深度來確定硬度值。（2）洛氏硬度(HR)壓頭直接測量壓痕深度來確定硬度值載荷：▲初載荷10kg并壓入深度h1▲主載荷(50kg或90kg或140kg)使壓入深度達(dá)h2；▲卸除主載荷、保留初載荷， 壓入深度減小為h3。洛氏硬度的計(jì)算深度值 △h=h3-h1。

HR=———

01230123h1h3h2K=0.2壓頭被測材料K-△h0.002載荷：01230123h1h特點(diǎn)：測量簡便迅速，直接讀數(shù)，表面壓痕小。誤差稍大，需多點(diǎn)測量取平均值。壓頭主載荷測量范圍應(yīng)用材料HRA金剛石K=0.250kg20～88表面硬化層、硬質(zhì)合金等HRB淬火鋼球K=0.2690kg20～100有色金屬，退火、正火鋼等HRC金剛石K=0.2140kg20～70淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等特點(diǎn)：測量簡便迅速，直接讀數(shù)，表面壓痕小。誤差稍大，需多點(diǎn)測（3）維氏硬度(HV)壓頭：頂角為136°的金剛石正四棱錐體

HV=———

載荷P：分為六級(5,10,20,30,50,100Kg)ddF136

FA特點(diǎn)：測量精度高，測量范圍寬，應(yīng)用廣。不同載荷下維氏硬度可以相互比較。（3）維氏硬度(HV)壓頭：頂角為136°的金剛石正四棱錐體3.5沖擊韌性5510855108

2403022橫梁式懸梁式3.5沖擊韌性551085510824030沖擊吸收功（AK）：沖斷試樣所消耗的功(J) Ak=G(H-h)

ak=——(J/cm2)

沖擊

h試樣擺錘

HAkSn沖擊韌性（αK）：沖斷試樣橫截面單位面積上所消

耗的功(J/cm2)沖擊吸收功（AK）：沖斷試樣所消耗的功(J) Ak=G(H-3.6冷脆轉(zhuǎn)變溫度Tk

材料的沖擊功隨溫度下降而減小。

當(dāng)溫度降到某一值時(shí)會(huì)急劇減小使

材料呈脆性狀態(tài)。

不同材料的冷脆轉(zhuǎn)化溫度

由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)化溫度。3.6冷脆轉(zhuǎn)變溫度Tk

材料的沖