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)．往往都依賴于新材料的發(fā)展。材料的種類、數(shù)量和質(zhì)量已是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟(jì)水平以及社會文明的重要標(biāo)志之一。我國把新材料的研究開發(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)械制造過程的重要部分。使學(xué)生建立生產(chǎn)過程的基本知識，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汽車萬向節(jié)連桿合金調(diào)質(zhì)鋼汽車萬向節(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擋泥板PE管材聚丙烯制成電容器外皮聚丙烯管子摩托車擋泥板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).

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

主動完成一定量的作業(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)好專業(yè)、加大知識面

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生產(chǎn)和社會發(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組成部分。自從地球上有了人類至今，材料的利用和發(fā)展構(gòu)成了人類文明發(fā)展史的里程碑：人類最早使用的工具是石頭（石器時代）；原始社會末期開始用火燒制陶器，由此發(fā)展為以后的瓷器（中國古代文化的象征），隨后發(fā)展起來的青銅冶煉技術(shù)把人類帶入青銅器時代；青銅器過渡到鐵器（時代）生產(chǎn)工具大發(fā)展—人類進(jìn)入農(nóng)業(yè)社會。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)顯微鏡問世，使人們開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。人們開始了對晶體微觀結(jié)構(gòu)的研究，大大推動了材料學(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)顯微鏡問世，使人們開始步入材料的25工程材料的種類：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)可以說明這一點(diǎn)。新中國的鋼產(chǎn)量從1949年的幾十萬噸起步，產(chǎn)量每增加5千萬噸/年上一個臺階：

工程材料的種類：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型。

(2)無機(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有的優(yōu)異性能。復(fù)合材料通常分為三大類：樹脂基復(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，通過改變材料表面或內(nèi)部的金相組織結(jié)構(gòu),來控制其性能的一種金屬熱加工工藝。2.發(fā)展從石器時代進(jìn)展到銅器時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所認(rèn)識。早在公元前770至前222年，中國人在生產(chǎn)實(shí)踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會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，說明是經(jīng)過淬火的。隨著淬火技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬冷劑對淬火質(zhì)量的影響。三國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。這說明中國在古代就注意到不同水質(zhì)的冷卻能力了，同時也注意了油和尿的冷卻能力。中國出土的西漢(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，說明已應(yīng)用了滲碳工藝。但當(dāng)時作為個人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發(fā)展很慢。

1863年，英國金相學(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，內(nèi)部會發(fā)生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論，以及英國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，人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護(hù)方法，以避免加熱過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)加熱曾有一系列專利。1889～1890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。二十世紀(jì)以來

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,使?fàn)t內(nèi)氣氛的碳勢達(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)氣氛碳勢的方法；60年代，熱處理技術(shù)運(yùn)用了等離子場的作用，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)計人員在設(shè)計過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)計手冊中查到，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在拉伸過程中，拉伸試驗(yàn)機(jī)上的自動記錄系統(tǒng)同時繪制出拉伸過程中的應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖，也稱為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ε(％)，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)距長度(mm)；L1--試樣變形過程中和F對應(yīng)的總伸長(mm)。在拉伸過程中，拉伸試驗(yàn)機(jī)上的自動記錄系統(tǒng)同時39σ-ε圖顯示了材料在單向拉應(yīng)力作用下，從開始變形直至斷裂整個過程中的各種性質(zhì)，它一般可以分為三個階段：1．彈性變形階段(O-a)在這個階段，材料內(nèi)部的原子之間距離只發(fā)生彈性伸長，所以應(yīng)力與應(yīng)變呈直線關(guān)系，遵從虎克定律，此時如果卸掉載荷，試樣就能恢復(fù)到原來的長度。2．塑性變形階段(b-d)此時，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)到原來的長度。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程中會出現(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，從開始變形直至斷裂整個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對組織不敏感的參數(shù)，其大小主要取決于金屬的本性，而與顯微組織無關(guān)。因此，熱處理、合金化、冷熱變形等對它的影響很小。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在拉伸過程中，載荷不增加而應(yīng)變?nèi)栽谠龃蟮默F(xiàn)象稱為屈服。拉伸曲線上與此相對應(yīng)的B點(diǎn)應(yīng)力σS，稱為材料的屈服點(diǎn)。對于在拉伸過程中屈服現(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)是評價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。抗拉強(qiáng)度是零部件設(shè)計和評定材料時的重要強(qiáng)度指標(biāo)。尤其是對于脆性材料，由于拉伸時沒有明顯的屈服現(xiàn)象，這時一般用抗拉強(qiáng)度指標(biāo)作為設(shè)計依據(jù)。強(qiáng)度σb與密度ρ（rou)之比稱為比強(qiáng)度，它也是零件選材的重要指標(biāo)。4.伸長率δ伸長率用δ表示：

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

伸長率的數(shù)值和試樣標(biāo)距長度有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣有長試樣(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。硬度是材料最常見的性能指標(biāo)之一。硬度試驗(yàn)方法比較簡單快捷，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。不同測量方法得到的硬度值不能直接比較，必須通過表進(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，保持一定時間后卸掉載荷，此時試樣表面出現(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)用中一般不直接計算HB，可以根據(jù)測量的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出的硬度值以HBS表示，適用于測量硬度小于450HBS的材料，如結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵及有色金屬等；用硬質(zhì)合金球作為壓頭測出的硬度值以HBW表示，適用于測量硬度不超過650HBS的材料。布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是測量結(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試原理，用一個頂角為120O的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作為壓頭．先施加一個初載荷，然后在規(guī)定的主載荷作用下將壓頭壓人被測材料的表面。卸除主載荷后，根據(jù)壓痕的深度h=h1-h0，確定被測材料的洛氏硬度，該值可以直接從硬度計上的顯示器上讀出。用金剛石錐體壓頭和總載荷為588．4N下測得的硬度值以HRA表示，適用于測量高硬度的材料，如硬質(zhì)合金；用淬火鋼球壓頭和總載荷為980.7下測得的硬度值以HRB表示，適用于測量較軟的材料，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下測得的硬度值以HRC表示，適用于測量淬火鋼等硬材料。三種洛氏硬度中，以HRC應(yīng)用得最多。洛氏硬度測量迅速簡便，壓痕小，可在成品零件上檢測，也可測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試原理，用一個頂角為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)。測量壓痕兩對角線的平均長度d，計算壓痕的面積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，硬度測量精確度高于布氏硬度和洛氏硬度，適用于測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量從軟到硬的各種工程材料，測定范圍0~1000HV。3、維氏硬度維氏硬度測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，把有u型或v型缺口(脆性材料不開缺口)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，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)是把材料的斷裂過程與裂紋擴(kuò)展時所需的功聯(lián)系起來，它對評估材料的使用壽命和設(shè)計可靠運(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發(fā)生塑性變形，更不會發(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，有時會在工作應(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，或者它們在使用過程中擴(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。一旦裂紋長度達(dá)到某一臨界尺寸時，裂紋的擴(kuò)展速度就會劇增，從而導(dǎo)致斷裂。材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力稱為斷裂韌度。比較常見而且又比較危險的裂紋是張開型裂紋，又稱為I型裂紋(右圖)。假設(shè)平板上的裂紋長度為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(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的增大或裂紋增長時，KI也相應(yīng)增大，當(dāng)KI增大到某一臨界值時，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。這個應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱為材料的斷裂韌度，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)力的大小無關(guān)。KIC可通過試驗(yàn)測定，查表可得常見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失穩(wěn)擴(kuò)展的最大裂紋長度；反過來，可以根據(jù)材料中已存在的裂紋長度(可由無損探傷測出),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間呈周期性的循環(huán)變化的應(yīng)力稱為交變應(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，斷裂前也無明顯的塑性變形，而且經(jīng)常是在沒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)度可以通過疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測定。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σ-N曲線)描述?？v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，經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)也不會發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱為材料的疲勞極限，通常用σr表示(r是應(yīng)力循環(huán)對稱次數(shù))，單位為MPa。如果采用對稱的循環(huán)應(yīng)力，材料的疲勞強(qiáng)度σ-1表示。由于疲勞試驗(yàn)時不可能進(jìn)