第一章工程材料基礎知識

10-1第一章工程材料基礎知識2023/12/26第一章工程材料基礎知識第一章工程材料基礎知識學習目標：了解工程材料的分類；了解常用材料（鋼鐵）的生產過程及規(guī)格；熟悉材料使用中應具備的性能；了解材料內部結構對性能的影響。第一章工程材料基礎知識第一章工程材料基礎知識第一節(jié)：工程材料的分類第二節(jié)：鋼鐵生產簡介第三節(jié)：金屬材料的性能第四節(jié)：金屬的晶體結構與結晶第五節(jié)：二元合金第六節(jié)：鐵碳合金第七節(jié)：碳鋼第八節(jié)：鑄鐵第九節(jié)：鋼的熱處理第十節(jié)：合金鋼第十一節(jié)：有色金屬材料第一章工程材料基礎知識一、工程材料：

是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔某種功能、被用來制造零件和工具的材料。二、工程材料種類：工程材料繁多，常見分類方法有：

按用途分、領域、成分等。第一節(jié)：工程材料的分類第一章工程材料基礎知識按用途分類：結構材料（如機械零件、工程構件）；工具材料（如量具、刃具、模具）；功能材料（如磁性材料、超導材料等）按領域分類：機械工程材料、建筑工程材料、能源工程材料、信息工程材料、生物工程材料等。第一節(jié)：工程材料的分類第一章工程材料基礎知識按成分分類：金屬材料、非金屬材料、復合材料。

金屬是工業(yè)中應用廣泛的材料，其中鋼鐵的用量最大。一般金屬具的優(yōu)良的工藝性能和力學性能；

非金屬材料中，合成高分子材料、特別是塑料的使用廣泛；而陶瓷具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、絕緣的特點，主要用于化工設備、電器絕緣件、機械加工刀具、發(fā)動機耐熱元件等；復合材料是指由兩種或兩種以上物理和化學性能不同的物質組成的材料，復合材料一般綜合了各組分材料的優(yōu)良性能，在生活用品、機器制造等各個領域已得到廣泛應用。第一節(jié)：工程材料的分類第一章工程材料基礎知識常用的按成分分類第一章工程材料基礎知識第二節(jié)

鋼鐵生產簡介

第一章工程材料基礎知識第二節(jié)鋼鐵生產簡介鋼鐵:是以Fe和C為主要組成元素，同時還含有Si、Mn、P、S等雜質元素的合金。包含生鐵與鋼。鋼:碳的質量分數較低（wc<2.11%），雜質元素的含量也較低的鐵碳合金，鋼一般具有較好的強韌性，是常用的金屬材料。生鐵:碳質量分數較高（wc>2.11%），雜質元素的含量也較高的鐵碳合金，生鐵硬度高、性脆，很少直接使用。鋼材：鋼錠或鋼坯經壓力加工成各種形狀規(guī)格的原材料。[鋼材生產流程]:鐵礦石→煉鐵（生鐵）→煉鋼（鋼）→

鋼材成型（鋼材）

第一章工程材料基礎知識一、煉鐵

煉鐵原料：鐵礦石是主要的煉鐵原料，有磁鐵礦“Fe3O4”、赤鐵礦“Fe2O3”、褐鐵礦2Fe2O3．3H2O”、菱鐵礦“FeCO3”。鐵礦石中除鐵的化合物外，還含有硅、錳、磷、硫等的化合物，這些統(tǒng)稱為脈石.焦炭;溶劑等.煉鐵方法：高爐煉鐵

過程煉鐵實質：是將鐵從礦石中還原的過程鐵礦石焦炭燒結工廠焦炭工廠

高爐鐵水第一章工程材料基礎知識二、煉鋼

煉鋼實質：是通過氧化降低生鐵中的碳與雜質元素的含量，使之達到標準規(guī)定的成分和性能。煉鋼原料：煉鋼的原料有生鐵、廢鋼、熔劑（石灰石等）、脫氧劑（硅鐵、錳鐵、鋁等）、合金料等。煉鋼過程：主要包括氧化、造渣、脫氧等。煉鋼方法：目前主要有氧氣頂吹轉爐煉鋼和電爐煉鋼等。

第一章工程材料基礎知識

電爐煉鋼：有感應爐煉鋼、電弧爐煉鋼等方法，常用的是電弧爐煉鋼。

電弧爐煉鋼：

1、它以轉爐鋼和廢鋼作原料、以鐵礦石和純氧作氧化劑，以電極與金屬爐料間的電弧熱提供冶煉熱源。

2、電弧爐冶煉溫度高（可達2000℃），能冶煉含有高熔點合金元素的合金鋼。

電弧爐煉鋼過程第一章工程材料基礎知識三、鋼材生產

鋼材種類：有鋼板、型鋼、鋼管、鋼絲等生產方法：主要有軋制（分冷軋與熱軋）、拉拔、擠壓、鍛造等方法

各種鋼材鋼板、型鋼、鋼絲、鋼管。

鋼板：鋼錠或鋼坯軋制成鋼板。鋼板可鍍鋅、鍍錫、鍍鉛、塑料復合等表面處理

中厚板：厚度為3~5mm，一般采用熱軋

薄板：厚度小于3mm，坯料為熱軋中厚板，采用冷軋

鋼帶：成卷供應，采用冷軋

型鋼：采用型材軋機軋制而成。有圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼、八角鋼、工字鋼、槽鋼、角鋼、T字鋼等。普通型鋼主要用于建筑、橋梁、車輛等，優(yōu)質型鋼主要用于機械零件、工具等

。

第一章工程材料基礎知識

鋼絲：采用直徑為6~9mm的熱軋線材（盤條）拉拔而成。退火的低碳鋼絲可用于捆扎物體、也可編織成各種用品；高碳鋼絲可制成各種彈簧，或用多根鋼絲捻成合股的鋼絲繩和鋼索，用于吊索、電線、電纜、固定物體等。

鋼管：焊管與分無縫管。

有縫管：用鋼板或鋼帶卷壓成形，然后焊接而成。縫鋼管應用廣泛，主要用于自來水管、煤氣管等。第一章工程材料基礎知識無縫管：管采用斜軋穿孔機將實心鋼坯穿孔后，再經冷拔或熱軋而制成。無縫鋼管主要用于石油、化工等行業(yè)。

第一章工程材料基礎知識第三節(jié)

金屬材料的性能

第一章工程材料基礎知識材料的性能使用性能工藝性能力學性能物理性能化學性能鑄造性能鍛壓性能熱處理性能焊接性能是保證工件的正常工作應具備的性能。是材料在被加工過程中適應各種冷熱加工的性能。切削加工性能第一章工程材料基礎知識力學性能定義:是指金屬材料在外力的作用下所表現出來的抵抗能力。第一章工程材料基礎知識力學性能強度硬度斷裂韌度疲勞強度主要指標：塑性韌性第一章工程材料基礎知識強度塑性拉伸試驗第一章工程材料基礎知識*拉伸試樣：長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0d0L0第一章工程材料基礎知識拉伸試驗拉伸試驗機第一章工程材料基礎知識液壓式萬能電子材料試驗機第一章工程材料基礎知識力—伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形塑性變形:外力去除后不能消失的變形第一章工程材料基礎知識彈性(elasticity):金屬材料受外力作用時產生變形,當外力去掉后能恢復到原來形狀及尺寸的性能。彈性變形(elasticdeformation):

隨載荷撤除而消失的變形。彈性極限(elasticlimit):

Fe彈性極限載荷(N)

σe

=

(Mpa)

S0

試樣原始橫截面積(mm2)第一章工程材料基礎知識拉伸試樣的頸縮現象第一章工程材料基礎知識力—伸長曲線FesbkLFsFbO屈服彈性變形縮頸斷裂塑性變形第一章工程材料基礎知識強度(strength):

材料在力的作用下抵抗變形和破壞的能力。種類:

抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗扭強度等。

(2)屈服強度(yieldstrength):屈服點S

Fs

σs

=

(Mpa)

S0試樣屈服時的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)第一章工程材料基礎知識(3)抗拉強度(tensilestrength):試樣在斷裂前所能承受的最大應力。

Fb試樣斷裂前的最大載荷(N)

σb=

(Mpa)

S0試樣原始橫截面積(mm2)第一章工程材料基礎知識塑性(plasticity):是指材料在載荷作用下產生塑性變形而不被破壞的能力。(1)斷面收縮率(percentagereductioninarea):是指試樣拉斷處橫截面積S1的收縮量與原始橫截面積S0之比。

S0-S1

ψ=×100%S0

第一章工程材料基礎知識(2)斷后伸長率(延伸率)specificelongation:

是指試樣拉斷后的標距伸長量L1與原始標距L0之比。

L1–L0δ=×100%L0

δ<2~5%屬脆性材科δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料第一章工程材料基礎知識長試樣：δ10簡寫為δ

短試樣：δ5

同一種材料的δ5>δ10第一章工程材料基礎知識硬度(hardness)1.定義：

是指材料抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力。第一章工程材料基礎知識2.硬度試驗方法：（1）壓入法（2）劃痕法（3）回跳法第一章工程材料基礎知識

布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV壓入法第一章工程材料基礎知識(一)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計

第一章工程材料基礎知識觀看布氏硬度第一章工程材料基礎知識1.壓頭：淬火鋼球HBS硬質合金鋼球HBW第一章工程材料基礎知識2.試驗原理：

用一定直徑的壓頭（球體），以相應試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。第一章工程材料基礎知識第一章工程材料基礎知識

FFHB=——=————SDh

Dh=———2Dd——–——22

22第一章工程材料基礎知識布氏硬度值

450的材料

選用淬火鋼球壓頭例如：200HBS350HBS3、布氏硬度測量方法應用第一章工程材料基礎知識布氏硬度值450~650的材料

選用硬質合金球壓頭例如：550HBW600HBW第一章工程材料基礎知識4.標注：符號HBS或HBW之前的數字表示硬度值，符號后面的數字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。第一章工程材料基礎知識5.特點：優(yōu)點：測量誤差小（因壓痕大），數據穩(wěn)定，重復性強。缺點：壓痕面積較大，測量費時。應用：常用于測量較軟材料、灰鑄鐵、有色金屬、退火正火鋼材的硬度。不適于測量成品零件或薄件的硬度。第一章工程材料基礎知識(二)洛氏硬度HR(Rockwllhardness)第一章工程材料基礎知識觀看洛氏硬度第一章工程材料基礎知識1.壓頭：120o金剛石圓錐體鋼球鋼球HRAHRCHRB第一章工程材料基礎知識2.試驗原理：

用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值。第一章工程材料基礎知識3、洛氏硬度值的表示：70~85HRA25~100HRB20~70HRC第一章工程材料基礎知識HRA、HRB、HRC分別測得的硬度，不可直接比較大小例如：50HRC<70HRA〤50HRB>40HRC〤第一章工程材料基礎知識4.特點：優(yōu)點：測量操作簡單，方便快捷，壓痕??；測量范圍大，能測較薄工件。缺點：測量精度較低，可比性差，不同標尺的硬度值不能比較。第一章工程材料基礎知識是生產中應用最廣泛的硬度試驗方法?？捎糜诔善窓z驗和薄件表面硬度檢驗。不適于測量組織不均勻材料。應用：第一章工程材料基礎知識(三)維氏硬度HV

(diamondpenetratorhardness)維氏硬度計第一章工程材料基礎知識1.壓頭：錐面夾角為136o的金剛石正四棱錐體第一章工程材料基礎知識2.試驗原理：

與布氏硬度試驗原理基本相同。只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。第一章工程材料基礎知識

以一定的試驗力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時間卸載后，在試樣表面留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值。2.試驗原理：第一章工程材料基礎知識用壓痕兩對角線的平均長度來計算。HV=F/Saad第一章工程材料基礎知識3.標注：

與布氏硬度基本相同，在后面要標注試驗條件—試驗力和保持時間（10~15S不標）。

例：580HV30表示用30kgf(294.2N)試驗力保持10~15S測定的維氏硬度值為580。第一章工程材料基礎知識4.特點：優(yōu)點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高，可比性強；能測較薄工件。缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。應用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗。不適于大批生產和測量組織不均勻材料。第一章工程材料基礎知識韌性(toughness):材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。1.定義：第一章工程材料基礎知識沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖2.金屬的夏比沖擊試驗:第一章工程材料基礎知識試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:

Ak=mgH–mgh(J)g第一章工程材料基礎知識

沖擊韌度ak

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊吸收功。

AK

ak=(J/cm2)S0第一章工程材料基礎知識斷裂韌度1、低應力脆斷有些零件在工作應力遠遠低于屈服點時就會發(fā)生脆性斷裂。這種現象稱為低應力脆斷。反應材料有裂紋存在時，極易產生低應力脆斷現象。材料抗脆性斷裂的能力用斷裂韌度K1C表示。第一章工程材料基礎知識當應力強度因子K1達到臨界值K1C時，零件內裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展而出現低應力脆性斷裂，而K1＜K1C時，零件安全可靠。2、斷裂韌度K1CK1c可通過試驗來測定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關。為安全設計提供了一個重要的力學性能指標。第一章工程材料基礎知識常見工程材料的斷裂韌度K1C值（MN·m-3/2）

第一章工程材料基礎知識1、疲勞現象

零件在循環(huán)應力的作用，即使工作時承受的應力低于材料的屈服點或規(guī)定殘余伸長應力，在經受一定的應力循環(huán)后也會發(fā)生突然斷裂，這種現象稱為疲勞。疲勞（fatigue）第一章工程材料基礎知識1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂第一章工程材料基礎知識2、疲勞極限σ-1:

表示金屬材料在無數次交變載荷作