2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-1
工程材料与材料成型基础
(一 )
沙洲工学院机电工程系
徐向红
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-2
本课程的主要内容
? 绪论
? 第一章 工程材料的性能
? 第二章 材料的结构与凝固
? 第三章 材料的强化与处理
? 第四章 金属材料
课程达到的最终目的,选材、选工艺方法、安排工艺路线
学习主线,材料成分 — 工艺 — 组织结构 — 性能 — 应用
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-3
学习要求
1 本课程的重要性：是机械类专业的技术基础课
2 本课程特点：
a 新概念多，逻辑性不强，对过去基础的要求不高
b 需花一定时间记忆，初学时感觉有点凌乱
c 讲课有取舍，不完全照本宣科 —— 记好笔记
d 讲课 32学时，实验 8学时
3 学习要求
a 平时成绩占 25%（课堂纪律，作业，实验）
b 期末考试占 70%（没有最后的总复习和复习题）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-4
第 1 章 绪论
人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：
石器时代 → 陶器 → 青铜器 → 铁器 → 钢铁（资本主义大工业时期）
→ 合成材料（ 20世纪） → 复合材料（ 20世纪 40年代）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-5
材料是一切事物的物质基础
材料、生物、
能源、信息技术
是现代文明的四
大支柱
一种新技术的
实现，往往需要新
材料的支持
过日子离不开材料，使用任何一种技术更离不开材料。
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-6
工程材料的分类
按组成特点分,金属材料 有机高分子材料
无机非金属材料复合材料
按使用性能分,结构材料 功能材料
按使用领域分,信息材料 能源材料
机械工程材料建筑材料
生物材料
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-7
材料技术的发展趋势
第一，从均质材料向复合材料发展 。以前人们只使用金属材料、高分
子材料等均质材料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结
合在一起的复合材料。
第二，由结构材料为方向往功能材料、多功能材料并重的方向发展 。
以前讲材料，实际止都 是指结构材料。但是随着高技术的发展，其他高技术要
求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也不断满足这一要求。
所以现在各种功能材料越来越多。
第三，材料结构的尺度向越来越小的方向发展 。以前组成材料的颗粒，
尺寸都在微米 (100 万分之一米 )方向发展的材料。由于颗粒极度细化，使有些
性能发生了截然不同的变化。如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制
造发动机零件。
第四，由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展 。 过去的材
料不会对外界环境的作用 作出反应，完全是被动的。新的智能材料能够感知
外界条件变化、进行判断并主动作出反应。
第五，通过仿生途径来发展新材料 。 生物通过千百万年的进化，在严
峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。
通过仿生学揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条
广阔的途径。
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-8
第 2 章 工程材料的性能
工程材料的性能可分为：
1,使用性能 —— 在正常工作条件下，材料应具备的性能
力学性能，物理性能，化学性能
2,工艺性能 —— 材料在加工制造中表现出的性能，显示
了加工制造的难易程度
铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性
3,经济性
原材料价格，加工费用，采购与管理费用
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-9
材料的力学性能
—— 材料在外力作用下表现出的性能，显示了材料抵
抗外力的能力。
（材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来
确定合适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的
力学行为特征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标
是材料设计、材料选用、工艺评定以及材料检验的重要依
据。）
常用的力学性能有,强度，塑性，硬度，韧性,
疲劳强度和断裂韧度,弹性，刚度
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-10
拉伸曲线
弹性变形 —— 外力去除后能完全消失的变形
塑性变形 —— 外力去除后不能消失的变形
变形过程：
oe为纯弹性变形阶段
外力去除后试样完全恢
复原状
e以上为弹塑性变形阶段
es为屈服阶段
外力不增加，试样明显
伸长
sb为大量塑性变形阶段
外力增加不多，试样明
显伸长
bk为缩颈阶段
试样出现集中变形，抵
抗外力能力下降
ob为均匀变形
F(N)
Fb
Fs
Fe
o
L %
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-11
应力 -应变曲线 （ σ -ε 曲线 ）
变换：
F/S0 = σ (MPa)
S0 为试样原始截面积 (mm2)
L/ L0 = ε （ %）
L0 为试样标距长度
转化：
纵坐标：以应力 σ 表示，
横坐标：以应变 ε 表示，
怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？
p
e
s
b
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-12
强度
—— 材料抵抗变形和破坏的能力
比例极限,外力与变形成正比时的最大应力
σ p = Fp/So （ 测力计弹簧、枪炮弹簧）
弹性极限,保持纯弹性变形的最大应力
σ e = Fe/So （ 比 σ p稍大，弹性零件，一般不提此要求）
屈服强度,产生屈服时的应力（屈服点）
σ s = Fs/So 用于有明显屈服现象的材料
规定残余伸长应力,产生 0.2%残余伸长率时的应力 σ r0.2
过去叫 条件屈服强度,σ 0.2
抗拉强度,断裂前最大载荷时的应力（强度极限）
σ b = Fb/So
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-13
塑性
—— 产生塑性变形而不断裂的能力
断后伸长率 （延伸率）
δ = [( L1 - L0 )/ L0 ]╳100%
断面收缩率
ψ = [( S0 - Sk )/S0 ] ╳100%
δ 和 ψ 越大，材料的塑性越好
塑性对材料的意义：
1,提高安全性
2,便于压力加工成型 （板金件加工成型）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-14
韧性
—— 材料抵抗冲击载荷的能力
冲击韧度 α k = Ak/SN （ J/cm2）
Ak —— 冲击吸收功 （ J）
（摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功）
SN —— 试样缺口处截面
冲击吸收功对材料的意义：
1,Ak 对材料内部缺陷很敏感，
可用来鉴定材料的冶金质
量、热加工质量
2,Ak 随温度降低而下降,可
用来评定材料的冷脆现象
（寒冷地区的机械）
α k
韧脆转变温度 ℃
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-15
疲劳强度
交变应力,大小、方向随时间
周期性变化的应力
疲劳现象, 材料在交变载荷长期
作用下，无明显塑性变形就断裂
t
σ
t
σ
疲劳试验 疲劳曲线
疲劳强度 （疲劳极限） ——
材料经无限多次应力循环而
不断裂的最大应力。它表 示
材料抵抗疲劳断裂的能力。
纯弯曲疲劳极限用 σ-1表示
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-16
应力场强度因子 KI=Yσ(a)1/2
Y 是裂纹形状系数
σ是外加拉应力
a 是裂纹半长度
当 KI较小时，裂纹稳定扩展
当 KI>KIC （临界值）时，裂纹加速扩展 → 断裂
KIC =Yσc (ac)1/2
断裂韧度 KIC, 材料抵抗裂纹失稳扩展 断裂的能力
断裂韧度
影响材料疲劳极限的因素：
1,工作条件 （温度、环境、频率,…… ）
2,零件外形 （尺寸变化、粗糙度、缺口,…… ）
3,材质 （组织、缺陷、夹杂,…… ）
2a
σ
σ
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-17
布氏硬度试验
原理,HBS（ HBW） =
F/S = 2F/πD[D - (D2-d2)1/2]
不写单位, kgf/mm2
? 采用淬火钢球时，记为 HBS
? 采用硬质合金钢球时，记为 HBW
? 当 F的单位取 N时，加系数 0.102
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-18
布氏硬度特点
不同的测试结果怎样才能有可比性？
只要保证 F/D2恒定，就可以保证压痕的几何形状相似，
则不同测试结果不变；
常用 F/D2=30,10,2.5 D=10,5,2.5 t=10,30,60
布氏硬度测量的 优点,测量数值稳定，准确
缺点,操作慢，不适用批量生产和薄形件
布氏硬度 适用于,铸铁，有色金属
退火、正火、调质处理钢
原材料，毛坯
当 HBS<450 时有效（ HBW450-650)
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-19
洛氏硬度试验
原理,HR = (k-h) / 0.002
不写单位
? 对金刚石圆锥压头 k = 0.2
mm
? 对钢球压头 k = 0.26 mm
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-20
洛氏硬度特点
洛氏硬度测量的 优点,操作简便，压痕小
可用于成品和薄形件
缺点,测量数值分散
HRC洛氏硬度 适用于,淬火钢，调质钢
批生产零件
当 HRC20-70 时有效
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-21
磁性
? 是设计、工艺上应考虑的
重要性能
能磁化材料
不能磁化材料
材料的物理性能
密度 ρ, 单位体积的质量
? 密度影响产品的重量、性能
? 比强度 σb /ρ
硬磁性材料,外加磁场去除后，
材料磁性保留
软磁性材料,外加磁场去除后，
材料磁性消失熔点
? 是热加工的重要工艺参数
? 是设计选材的重要依据
热膨胀性 （线膨胀系数 α）
? 是设计、工艺上应考虑的
重要性能
导热性 （导热系数 λ）
? 是传热设备应考虑的重要性能
? 防止材料内外温差过大
? 金属越纯 → 导热性越好
导电性 （电阻率）
? 是设计导电、绝缘零件的
重要性能
? 金属越纯 → 导电性越好
? 温度越高 → 导电性越差
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-22
材料的化学性能
材料的化学性能主要有：
耐腐蚀性
高温抗氧化性 化学稳定性
金属腐蚀的分类：
化学腐蚀：由纯化学反应引起
氧化膜疏松 → 氧化深入 → 向内部腐蚀
致密 → 腐蚀被抑制 → 保护内部金属
电化学腐蚀：由电化学反应引起
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-23
防止腐蚀的办法
1 改变金属成分（合金化）
? 提高基体电极电位
? 形成致密氧化膜
? 获得单相组织
2 表面保护（覆盖法）
? 发蓝，磷化，阳极化
? 电镀
? 喷漆，搪瓷
3 改善环境
? 干燥气体覆盖法
4 电化学保护法
→ 阴极保护
利用电极电位更低的金属保
护零件，形成原电池，
成为阳极
被腐蚀
工程材料与材料成型基础
(一 )
沙洲工学院机电工程系
徐向红
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-2
本课程的主要内容
? 绪论
? 第一章 工程材料的性能
? 第二章 材料的结构与凝固
? 第三章 材料的强化与处理
? 第四章 金属材料
课程达到的最终目的,选材、选工艺方法、安排工艺路线
学习主线,材料成分 — 工艺 — 组织结构 — 性能 — 应用
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-3
学习要求
1 本课程的重要性：是机械类专业的技术基础课
2 本课程特点：
a 新概念多，逻辑性不强，对过去基础的要求不高
b 需花一定时间记忆，初学时感觉有点凌乱
c 讲课有取舍，不完全照本宣科 —— 记好笔记
d 讲课 32学时，实验 8学时
3 学习要求
a 平时成绩占 25%（课堂纪律，作业，实验）
b 期末考试占 70%（没有最后的总复习和复习题）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-4
第 1 章 绪论
人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：
石器时代 → 陶器 → 青铜器 → 铁器 → 钢铁（资本主义大工业时期）
→ 合成材料（ 20世纪） → 复合材料（ 20世纪 40年代）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-5
材料是一切事物的物质基础
材料、生物、
能源、信息技术
是现代文明的四
大支柱
一种新技术的
实现，往往需要新
材料的支持
过日子离不开材料，使用任何一种技术更离不开材料。
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-6
工程材料的分类
按组成特点分,金属材料 有机高分子材料
无机非金属材料复合材料
按使用性能分,结构材料 功能材料
按使用领域分,信息材料 能源材料
机械工程材料建筑材料
生物材料
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-7
材料技术的发展趋势
第一，从均质材料向复合材料发展 。以前人们只使用金属材料、高分
子材料等均质材料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结
合在一起的复合材料。
第二，由结构材料为方向往功能材料、多功能材料并重的方向发展 。
以前讲材料，实际止都 是指结构材料。但是随着高技术的发展，其他高技术要
求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也不断满足这一要求。
所以现在各种功能材料越来越多。
第三，材料结构的尺度向越来越小的方向发展 。以前组成材料的颗粒，
尺寸都在微米 (100 万分之一米 )方向发展的材料。由于颗粒极度细化，使有些
性能发生了截然不同的变化。如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制
造发动机零件。
第四，由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展 。 过去的材
料不会对外界环境的作用 作出反应，完全是被动的。新的智能材料能够感知
外界条件变化、进行判断并主动作出反应。
第五，通过仿生途径来发展新材料 。 生物通过千百万年的进化，在严
峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。
通过仿生学揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条
广阔的途径。
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-8
第 2 章 工程材料的性能
工程材料的性能可分为：
1,使用性能 —— 在正常工作条件下，材料应具备的性能
力学性能，物理性能，化学性能
2,工艺性能 —— 材料在加工制造中表现出的性能，显示
了加工制造的难易程度
铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性
3,经济性
原材料价格，加工费用，采购与管理费用
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-9
材料的力学性能
—— 材料在外力作用下表现出的性能，显示了材料抵
抗外力的能力。
（材料的力学性能通常是在试验室内模拟生产条件来
确定合适的试验方法。利用不同的试验方法来确定材料的
力学行为特征及评定材料力学性能的指标。这些性能指标
是材料设计、材料选用、工艺评定以及材料检验的重要依
据。）
常用的力学性能有,强度，塑性，硬度，韧性,
疲劳强度和断裂韧度,弹性，刚度
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-10
拉伸曲线
弹性变形 —— 外力去除后能完全消失的变形
塑性变形 —— 外力去除后不能消失的变形
变形过程：
oe为纯弹性变形阶段
外力去除后试样完全恢
复原状
e以上为弹塑性变形阶段
es为屈服阶段
外力不增加，试样明显
伸长
sb为大量塑性变形阶段
外力增加不多，试样明
显伸长
bk为缩颈阶段
试样出现集中变形，抵
抗外力能力下降
ob为均匀变形
F(N)
Fb
Fs
Fe
o
L %
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-11
应力 -应变曲线 （ σ -ε 曲线 ）
变换：
F/S0 = σ (MPa)
S0 为试样原始截面积 (mm2)
L/ L0 = ε （ %）
L0 为试样标距长度
转化：
纵坐标：以应力 σ 表示，
横坐标：以应变 ε 表示，
怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？
p
e
s
b
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-12
强度
—— 材料抵抗变形和破坏的能力
比例极限,外力与变形成正比时的最大应力
σ p = Fp/So （ 测力计弹簧、枪炮弹簧）
弹性极限,保持纯弹性变形的最大应力
σ e = Fe/So （ 比 σ p稍大，弹性零件，一般不提此要求）
屈服强度,产生屈服时的应力（屈服点）
σ s = Fs/So 用于有明显屈服现象的材料
规定残余伸长应力,产生 0.2%残余伸长率时的应力 σ r0.2
过去叫 条件屈服强度,σ 0.2
抗拉强度,断裂前最大载荷时的应力（强度极限）
σ b = Fb/So
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-13
塑性
—— 产生塑性变形而不断裂的能力
断后伸长率 （延伸率）
δ = [( L1 - L0 )/ L0 ]╳100%
断面收缩率
ψ = [( S0 - Sk )/S0 ] ╳100%
δ 和 ψ 越大，材料的塑性越好
塑性对材料的意义：
1,提高安全性
2,便于压力加工成型 （板金件加工成型）
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-14
韧性
—— 材料抵抗冲击载荷的能力
冲击韧度 α k = Ak/SN （ J/cm2）
Ak —— 冲击吸收功 （ J）
（摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功）
SN —— 试样缺口处截面
冲击吸收功对材料的意义：
1,Ak 对材料内部缺陷很敏感，
可用来鉴定材料的冶金质
量、热加工质量
2,Ak 随温度降低而下降,可
用来评定材料的冷脆现象
（寒冷地区的机械）
α k
韧脆转变温度 ℃
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-15
疲劳强度
交变应力,大小、方向随时间
周期性变化的应力
疲劳现象, 材料在交变载荷长期
作用下，无明显塑性变形就断裂
t
σ
t
σ
疲劳试验 疲劳曲线
疲劳强度 （疲劳极限） ——
材料经无限多次应力循环而
不断裂的最大应力。它表 示
材料抵抗疲劳断裂的能力。
纯弯曲疲劳极限用 σ-1表示
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-16
应力场强度因子 KI=Yσ(a)1/2
Y 是裂纹形状系数
σ是外加拉应力
a 是裂纹半长度
当 KI较小时，裂纹稳定扩展
当 KI>KIC （临界值）时，裂纹加速扩展 → 断裂
KIC =Yσc (ac)1/2
断裂韧度 KIC, 材料抵抗裂纹失稳扩展 断裂的能力
断裂韧度
影响材料疲劳极限的因素：
1,工作条件 （温度、环境、频率,…… ）
2,零件外形 （尺寸变化、粗糙度、缺口,…… ）
3,材质 （组织、缺陷、夹杂,…… ）
2a
σ
σ
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-17
布氏硬度试验
原理,HBS（ HBW） =
F/S = 2F/πD[D - (D2-d2)1/2]
不写单位, kgf/mm2
? 采用淬火钢球时，记为 HBS
? 采用硬质合金钢球时，记为 HBW
? 当 F的单位取 N时，加系数 0.102
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-18
布氏硬度特点
不同的测试结果怎样才能有可比性？
只要保证 F/D2恒定，就可以保证压痕的几何形状相似，
则不同测试结果不变；
常用 F/D2=30,10,2.5 D=10,5,2.5 t=10,30,60
布氏硬度测量的 优点,测量数值稳定，准确
缺点,操作慢，不适用批量生产和薄形件
布氏硬度 适用于,铸铁，有色金属
退火、正火、调质处理钢
原材料，毛坯
当 HBS<450 时有效（ HBW450-650)
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-19
洛氏硬度试验
原理,HR = (k-h) / 0.002
不写单位
? 对金刚石圆锥压头 k = 0.2
mm
? 对钢球压头 k = 0.26 mm
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-20
洛氏硬度特点
洛氏硬度测量的 优点,操作简便，压痕小
可用于成品和薄形件
缺点,测量数值分散
HRC洛氏硬度 适用于,淬火钢，调质钢
批生产零件
当 HRC20-70 时有效
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-21
磁性
? 是设计、工艺上应考虑的
重要性能
能磁化材料
不能磁化材料
材料的物理性能
密度 ρ, 单位体积的质量
? 密度影响产品的重量、性能
? 比强度 σb /ρ
硬磁性材料,外加磁场去除后，
材料磁性保留
软磁性材料,外加磁场去除后，
材料磁性消失熔点
? 是热加工的重要工艺参数
? 是设计选材的重要依据
热膨胀性 （线膨胀系数 α）
? 是设计、工艺上应考虑的
重要性能
导热性 （导热系数 λ）
? 是传热设备应考虑的重要性能
? 防止材料内外温差过大
? 金属越纯 → 导热性越好
导电性 （电阻率）
? 是设计导电、绝缘零件的
重要性能
? 金属越纯 → 导电性越好
? 温度越高 → 导电性越差
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-22
材料的化学性能
材料的化学性能主要有：
耐腐蚀性
高温抗氧化性 化学稳定性
金属腐蚀的分类：
化学腐蚀：由纯化学反应引起
氧化膜疏松 → 氧化深入 → 向内部腐蚀
致密 → 腐蚀被抑制 → 保护内部金属
电化学腐蚀：由电化学反应引起
2011-3-30 工程材料与材料成型基础 11-23
防止腐蚀的办法
1 改变金属成分（合金化）
? 提高基体电极电位
? 形成致密氧化膜
? 获得单相组织
2 表面保护（覆盖法）
? 发蓝，磷化，阳极化
? 电镀
? 喷漆，搪瓷
3 改善环境
? 干燥气体覆盖法
4 电化学保护法
→ 阴极保护
利用电极电位更低的金属保
护零件，形成原电池，
成为阳极
被腐蚀
