第一篇 工程材料
材料是人类生产和生活的物质基础，是人类社会发展水平的一个重要标志，人类社会经历了石器时代、青铜器时代，进入当今社会。我们的祖先曾为人类社会的发展，特别是在材料学科的研究和实践方面做出过卓越的贡献。21世纪以来，随着现代科学技术的进步和生产的发展，对材料又提出了更高的要求，材料已成为现代经济发展的三大支柱之一。
材料科学经历了由天然材料、加工材料、高分子材料到复合材料的革命性进展，发展异常迅速。金属材料、非金属材料、复合材料等都得到飞速发展，形成了一个种类繁多的现代工程材料体系。随着人类科技水平的提高和对宏观、微观世界研究的深入，必将发现和研制出更多性能优异的新型工程材料。
工程材料是制造系统的加工对象，也是材料流程的主体。正确认识各种材料的性能及其在加工过程中的变化，是合理选用材料、确定毛坯成型工艺方法、合理编制工艺过程、保证产品质量和提高企业技术经济效益的重要前提。
图Ⅰ-1 工程材料分类
工程材料分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类，如图Ⅰ-1所示。其中，金属材料仍是当前应用最广和用量最大的工程材料，因此本篇将着重讨论金属材料中的钢、铸铁、常用有色金属及其合金。同时，对日益发展并用于机械制造的非金属材料及复合材料也作简要介绍。
第一章 金属材料的性能
根据机械零件的工作条件（主要包括受力条件、工作温度和工作环境三个方面）和失效形式（主要有腐蚀、磨损和断裂三种形式），对制造机械零件的材料提出相应的性能要求，也就是说，用于制造机械零件的材料应满足工作条件所提出的各种性能要求，以保证机械零件在一定的工作条件下能够正常工作而不会失效，而且能保证一定的使用寿命。
金属材料的性能分为使用性能和工艺性能两大类。所谓使用性能是指材料在工作中为发挥正常工效和能够达到预定的使用寿命所具有的性能，包括机械性能、物理性能和化学性能。材料的工艺性能是指材料对某种加工工艺的适应能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。
本章仅对金属材料的使用性能进行简单阐述，而工艺性能将在以后各章中分别讨论。
第一节 金属材料的机械性能
金属材料的机械性能又称为力学性能，表示材料承受外力作用的能力。为满足机械零件的受力条件要求，应对制造零件的材料做各种相应的机械性能实验来测定材料的各种机械性能指标。所测得的实际机械性能指标应满足设计中对零件材料提出的机械性能指标要求。
金属材料的机械性能实验有：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、硬度、疲劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，其中最常见的是拉伸实验、硬度实验和冲击实验。
机械性能指标包括四大项：强度、硬度、塑性和韧性。
一、强度
金属抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。由于零件材料大多是在受拉时产生变形或破坏的，所以通常用受拉时的强度来代表材料的强度指标。
（一）拉伸实验
在做材料的拉伸实验前，须从欲测材料中取出一部分，并按标准规定制成标准试样。拉伸试样又分圆试样与扁试样两种。图1-1为标准圆截面拉伸试样示意图。图中d0和L0分别为试样在拉伸前的计算直径和计算长度，d和L分别为试样在拉断后的断口直径和计算长度。
测试时将试样夹持在拉伸实验机的上下夹头间，随着加于试样的拉力P不断增大，试样不断被拉长，直至被拉断。加于试样的拉力P与变形量（即伸长量）△L之间的关系可以用图1-2所示的P—△L拉伸曲线表示，这就是拉伸实验所获得的原始曲线。
图1-1 标准拉伸试样示意图
若将图1-2中纵坐标拉力P变换为试样单位横截面积上的力，即应力σ=P/F0(F0=π d02/4)，横坐标△L变换成试样单位长度上的变形量，即应变ε=△L/L0，则P—
△L拉伸曲线就变换成形状与之相似的σ—ε曲线（如图1-3所示）。这样就能消除试样尺寸的影响，能较真实地反映材料的力学性能。
图1-2 低碳钢拉伸的P—△L曲线
图1-3 低碳钢拉伸的σ—ε曲线
根据试样在拉伸过程中应力与应变之间的关系，可将变形过程分为弹性变形、屈服、均匀变形和颈缩断裂四个阶段。
（二）金属拉伸时的强度指标
1. 常温强度
在常温（即室温20℃左右）下做以上实验所测得的强度指标称为常温强度。
⑴ 弹性极限 如图1-3所示，实验最初
阶段的应变ε与应力σ成正比，此阶段的变形随外力的施加而产生，又随外力的消失而消失，这种变形称为弹性变形。产生最大弹性应变时的应力值σe称为该材料的弹性极限,是对于弹簧设计最有意义的一个强度指标。
σe=Pe/F0 (Mpa=N/㎜2)
在弹性范围内，应力与应变的比值称为材料的弹性模数E，它相当于产生单位弹性应变所需要的应力值。
E=σe/εe (Mpa)
弹性模数E用来衡量材料的刚性，材料的刚性是指材料抵抗产生弹性变形的能力。E值愈大，材料的刚性愈大，说明材料越不容易产生弹性变形。
图1-4 某些材料的条件屈服强度
⑵ 屈服极限 当拉伸实验应力σ超过S点后，试样除有弹性变形外，还产生塑性变形，在SSˊ段出现一个平台，表现出应力几乎不增加而应变却继续增加的特点，显示了试样的屈服，这一现象称为屈服现象，低碳钢在拉伸时就有明显的屈服现象。试样屈服时承受的最小应力称为屈服强度或屈服极限，以σS表示。屈服强度反映了材料对明显塑性变形的抗力。
σS=PS/F0 (MPa)
有些材料如铸铁、铝合金等在拉伸时没有明显的屈服现象，为此工程上规定，把试样产生的塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值定为该材料的条件屈服强度，用σ0.2来表示（如图1-4）。紧固螺栓等一些工件在使用时是不允许发生塑性变形的，材料所受到最大应力如果超过其屈服强度则发生塑性变形而导致工件失效，因此屈服强度是工程设计与选材的重要依据之一。
⑶ 强度极限 屈服阶段结束后，试件的变形又随外力的增大而增大，直至外力达到最大值。这个阶段的变形在试样的计算长度上是均匀的，因此称为均匀变形阶段。这个阶段的变形既有弹性变形又有塑性变形，所以又称为弹塑性变形阶段。把试样在拉伸过程中所能承受的最大应力值称为材料的强度极限，又称为抗拉强度，以σb表示。
σb=Pb/F0 (Mpa)
在机械制造中常用σb作为评价材料强度的主要强度指标，当材料所承受的实际应力大于其强度极限时，就会发生破坏。
2. 高温强度
一般情况下，随着工作温度升高材料的强度值减小，所以不能用常温强度来代表其高温强度。当零件在较高温度下工作时应做工作温度下的拉伸实验，测定其高温强度。高温强度指标包括高温瞬时强度、高温持久强度和高温蠕变强度。
例如，火箭发动机、飞机发动机涡轮叶片、工业锅炉内的一些零件在高温下工作，应考虑其高温强度。
3. 低温强度
一般来说，钢棒在室温下难以敲断，而将钢棒放进液氮中降温后取出，就很容易敲断，这是由于材料在室温与低温下的性能有差异，在低温下材料的脆性高。一些在低温下工作的工件还应考虑其低温性能，如我国南极科考队所用的机械设备。
（三）疲劳强度
机械产品中的许多零件如曲轴、连杆、齿轮、弹簧等都是在交变载荷下工作的，除了要考虑材料的以上一般强度之外，还要考虑材料的疲劳强度。这些零件长期经受即使小于其屈服强度的交变载荷作用也会突然断裂而破坏。破坏前没有明显的塑性变形预兆，属于低应力脆断。这种破坏的危害性很大，有相当多的零件的破坏属于疲劳破坏，应引起高度重视。
图1-5 金属的疲劳曲线
如图1-5所示，随着应力循环次数N不断增大，材料所能承受的最大交变应力σmax不断减小。当交变应力循环
次数N达到无限次（碳素钢N=107，高强度钢N=108）时，材料仍不发生疲劳破坏所能承受的最大交变应力值作为该材料的疲劳强度。
金属材料的疲劳强度用σr来表示，下标r表示交变应力循环系数（r=最小应力/最大应力），若为对称应力循环则r=-1，疲劳强度相应用σ-1表示。
材料内部不可避免地存在一些缺陷，如裂纹、气孔、缩松、夹渣等，这些缺陷可以充当裂纹源，在交变载荷的作用下进行扩展，达到一定程度后，工件上剩余截面积不足以抵抗外力作用时，发生突然的断裂。因此，可采用如下措施以防止疲劳破坏：降低工件表面粗糙度；减少工件内部缺陷；提高工件表面强度；减少和避免应力集中。
二、塑性
断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。许多零件或毛坯是通过塑性变形而形成的，要求材料具有较高的塑性。同时为防止零件在工作时发生脆性破坏，也要求有一定程度的塑性，因此塑性也是材料的主要机械性能指标之一。
通过如前所述的拉伸实验，不仅可以测得材料的强度指标，而且可以测得其塑性指标。塑性指标用延伸率δ和断面收缩率ψ来表示。
式中：L0、L分别为试样原计算长度和拉断后的长度；
F0、F分别为试样原横截面积和拉断后断口处的横截面积。
当试样的长径比不同时所测得的值不同，L0/ d0=5时的延伸率用δ5表示，L0/ d0=10时的延伸率用δ10表示。
很显然，δ和ψ值越大，材料的塑性就越好。一般把δ≥5%的材料称为塑性材料，而把δ<5%的材料称为脆性材料，如铸铁是典型的脆性材料。
三、硬度
硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量金属软硬的判据。
通常用布氏硬度、洛氏硬度、李氏硬度、肖氏硬度、维氏硬度等来表示材料的硬度。这里对应用最广泛的布氏硬度、洛氏硬度简单介绍如下。
（一） 布氏硬度
图1-6为布氏硬度测试原理图。它是用一定直径的淬火钢球或硬质合金球，在一定的载荷作用下垂直压入材料表面，并保持一定的时间，然后卸去载荷，在被测试材料表面留下一个压痕。通过读数放大镜测出压痕直径d，这样就可以根据压头直径D、载荷P以及压痕直径d计算出单位压痕面积上的载荷值，这个值就是材料的布氏硬度值HB。
HBS(HBW)=0.102
式中：P和F分别是载荷和压痕面积。
在测试布氏硬度时，实际上并不需要进行上述计算。根据已知的钢球直径D、载荷P以及测得的压痕直径d可以直接从有关表格中查出相应的布氏硬度。布氏硬度的符号规定为：压头为淬火钢球时用HBS表示，适用于硬度较低的材料（HB<450）。压头为硬质合金球时用HBW表示，适用于硬度较高的材料（450≤HB≤650）。
图1-6 布氏硬度试验原理图
硬度值的标注方法如下：
硬度值 硬度代号 压头直径D/载荷P/保荷时间T
如：150HBS10/3000/30 表示用直径10mm的淬火钢球压头，在3000kg载荷作用下保荷时间为30秒所测得的布氏硬度值为150。
硬度没有单位，硬度值越大材料硬度越高，耐磨性越好。
若保荷时间为10～15秒，允许不标注保荷时间。
(二) 洛氏硬度
图1-7 洛氏硬度测试原理图
图1-7为洛氏硬度测试原理图，它是在一定载荷（初载荷P0和主载荷P1）作用下，将压头压入材料表面，测出卸去主载荷后，在初载荷作用下压痕深度的残余增量e（e=h3-h1）。显然，e值越大材料的硬度越低,。数值越大硬度越高，将测试结果作如下处理：
HR=K-e
式中：HR为洛氏硬度代号；K为常数，当采用金刚石圆锥压头时K=100，用淬火钢球压头时K=130。
如表1-1所示，根据测试压头和载荷不同，洛氏硬度又分为HRA、HRB、HRC三种，它们的测量范围和应用范围也不相同。
表1-1 洛氏硬度实验载荷与应用范围
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符号
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测量范围
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压 头 类 型
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总载荷P (kg)
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应 用 范 围
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HRA
HRC
HRB
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60-85HRA
20-67HRC
25-100HRB
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120°金刚石圆锥
120°金刚石圆锥
1.588mm直径钢球
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60
150
100
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测量硬质合金、表面淬硬层或渗碳层
测量调质钢、淬火钢等
测量有色金属或退火、正火钢
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注：初载荷P0为10kg，总载荷P= P0+P1。
洛氏硬度采用如下方法标注：
硬度值 硬度代号
如60HRC表示用金刚石圆锥压头，载荷为150 kg所测得的硬度值为60，洛氏硬度值也没有单位，硬度值越大材料硬度越高，材料的耐磨性越好。
（三）布氏硬度与洛氏硬度的比较与选用
布氏硬度优点是数据准确、稳定，缺点是压痕深且面积大，易损坏零件表面，不适合于测量厚度太小和成品零件的硬度，而且测量效率低，因此主要用于原材料、毛坯和半成品的硬度的单件、小批测量。
洛氏硬度优点是压痕小且测量效率高，缺点是数据准确性、稳定性不如布氏硬度，所以不仅可以用于测量原材料、毛坯和半成品的硬度，也可以用于测量成品的硬度，不仅可以用于单件、小批测量，也可以用于大批量测量。
四、冲击韧度
图1-8 冲击弯曲试验用试样及试验结果 1-机架 2-试样 3-刻度盘 4-指针 5-摆锤
机械产品中有许多零件是在冲击载荷作用下工作的，如汽车换挡齿轮、起重机吊钩、锻锤锤杆、飞机起落架等。冲击载荷比静载荷引起的应力和变形大的多，为防止零件在冲击载荷作用下突然破坏，必须考虑材料的韧性。冲击韧度可以通过相应的冲击实验来测定，冲击实验又分为冲击拉伸、冲击弯曲、冲击压缩、冲击扭转等，其中最常见的是冲击弯曲实验。冲击弯曲实验又分为两种：一种是大能量一次冲击，适用于飞机起落架等；一种是小能量多次冲击，适用于锻锤锤杆等。
冲击吸收功：规定形状和尺寸的试样在冲击实验力一次作用下折断时所吸收的功。
冲击韧度：冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功。
大能量一次冲击弯曲实验用试样及实验装置如图1-8所示。
冲击韧度表示材料抵抗冲击载荷作用的能力，并以冲断试样每单位面积所消耗的功来表示。冲击韧度值αk愈大，材料韧性愈好，抵抗冲击载荷作用的能力愈强。
αk=Ak/F=G(H-h)/F (J/m2)
式中：αk——冲击韧度值；
Ak——冲击吸收功；
G——实验机摆锤质量；
H——摆锤原始高度；
h——冲断试样后摆锤的终止摆动高度；
F——试样断口处的横截面积。
