知识要求：

1．了解工程材料的分类；

2．了解工程材料的应用。

技能要求：

1．能说出力学性能指标的含义；

2．能够根据材料判断零件的力学性能。

某钢厂生产一批钢材，主要性能指标见表5－1，请分析表中各指标的含义。

表5－1　主要力学性能指标

要完成此任务，需要了解工程材料的分类、力学性能指标等知识。

人类生活、生产的过程是使用材料及将材料加工成成品的过程。材料使用的能力与水平标志着人类的文明和进步程度。人类发展按人类对材料的使用分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等。在当今社会，能源、信息和材料已成为现代化技术的3大支柱，而能源和信息的发展又依托于材料。

在机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料统称为工程材料。通常按材料的化学成分、结合键的特点将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料等几大类。

1．金属材料

金属材料是以过渡族金属为基础的纯金属及其含有金属、半金属或非金属的合金。由于金属材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，能采用比较简便和经济的加工方法制成零件，因此金属材料是目前应用最广泛的材料。工业上通常把金属材料分为两大类：一类是黑色金属，包括铁、锰、铬及其合金，其中以铁为基的合金钢和铸铁应用最广，占整个结构和工具材料的80％以上；另一类是有色金属，它是指黑色金属以外的所有金属及其合金。

这两类材料还可进一步细分为如图5－1所示的系列。

图5－1　金属材料的分类

2．高分子材料

高分子材料是指分子量很大的化合物，它们的分子量可达几千甚至几百万以上。高分子材料包括塑料、橡胶等。因其具有原料丰富、成本低、加工方便等优点，发展极其迅速，目前在工业上得到了广泛应用，并将越来越多地被采用，这类材料大体可细分为图5－2所示系列。

图5－2　高分子材料的分类

3．陶瓷材料

所谓陶瓷是指以天然硅酸盐（黏土、石英、长石等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物等）为原料，经粉碎、配制、成形和高温烧结而成的无机非金属材料。

按原料来源不同，陶瓷材料可分为普通陶瓷和特种陶瓷，其中普通陶瓷又称为传统陶瓷，主要用于日用品、建筑、卫生以及工业上的低压和高压、耐酸和过滤制品等。特种陶瓷又称现代陶瓷，这种陶瓷一般具有各种独特的物理、化学性能或力学性能，主要用于化工、冶金、机械、电子、能源和某些新技术领域中。

4．复合材料

采用两种或多种物理和化学性能不同的材料而制成的多相固体材料，称为复合材料。复合材料是由基体材料（树脂、金属、陶瓷）和增强剂（颗粒、纤维、晶须）复合而成的。它既保持了所组成材料的各自特性，又具有组成后的新特性，且其力学性能和功能可以根据使用需要进行设计、制造，所以自1940年玻璃钢问世以来，复合材料的应用领域在迅速扩大，品种、数量和质量有了飞速发展。目前已经能够应用的复合材料有纤维增强材料、树脂基复合材料、碳硅复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和夹层结构复合材料等。

材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现出的抵抗能力。由于载荷的形式不同，故材料可表现出不同的力学性能，如强度、硬度、塑性、韧度、疲劳强度等。材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。

1．强度与塑性

（1）强度

材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度（R）。根据外力的作用方式，材料的强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。在使用中一般多以抗拉强度作为基本的强度指标，强度单位为MPa（MN／m2）。

材料的强度、塑性是依据国家标准（GB／T228.1—2010）通过静拉伸试验测定的。将标准试样装夹在拉力试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止，记录拉伸过程中的载荷（F）和试样伸长量（ΔL）等数据，并绘制F－ΔL曲线，如图5－3所示，根据记录数据计算强度和塑性指标。

图5－3　低碳钢的拉伸曲线

将试样被拉断前所能承受的最大应力称为该材料的抗拉强度，用符号Rm表示，即

式中：Fm——试样断裂前所能承受的最大载荷（N）；

S0——试样的原始截面积（mm2）。

低碳钢及低碳合金钢在拉伸过程中会出现屈服现象⁽¹⁾，并将试样开始出现屈服现象时的最低应力值称为屈服强度，用符号ReL表示，即

式中：ReL——试样的屈服强度（MPa）；

FeL——试样发生屈服时的载荷（N）；

S0——试样的原始截面积（mm2）。

（2）塑性

材料在外力作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能，称为塑性。许多零件和毛坯是通过塑性变形而成形的，要求材料有较高的塑性；并且为了防止零件工作时脆断，也要求材料有一定的塑性。塑性指标一般用断后伸长率（A）和断面收缩率（Z）表示。

1）断后伸长率A。

断后伸长率是试样拉断后标距的伸长量与原始标距之比的百分率，即

式中：L0——试棒原始标距长度（mm）；

Lu——试棒拉断后的标距长度（mm）。

2）断面收缩率Z

断面收缩率是断后试样的最大收缩量与原始横截面积之比的百分率，即

式中：S0——试样原始横截面积（mm2）；(www.daowen.com)

Su——试样拉断后缩颈处的最小截面积（mm2）。

一般把A＞5％的材料称为塑性材料，A＜5％的材料称为脆性材料。铸铁是典型的脆性材料，而低碳钢是黑色金属中塑性最好的材料。

2．硬度

材料抵抗物体压入的能力称为硬度。常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度等。通常材料的硬度越高耐磨性越好。

（1）布氏硬度

在载荷F的作用下迫使淬火钢球或硬质合金球压向被测试金属的表面，保持一定时间后卸除载荷，并形成凹痕。布氏硬度值按式（5－5）计算：

采用不同材料的压头测试的布氏硬度值，用不同的符号加以表示，当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料；当压头为硬质合金球时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度值为450～650的金属材料。

布氏硬度试验适用于测量退火钢、正火钢及常见的铸铁和有色金属等较软材料。布氏硬度试验的压痕面积较大，测试结果的重复性较好，但操作较烦琐。

（2）洛氏硬度

洛氏硬度也是以规定的载荷，将坚硬的压头垂直压向被测金属来测定硬度的。它由压痕深度计算硬度。实际测试时，直接从刻度盘上读值。为了适应不同材料的硬度测试，采用不同的压头与载荷组合成几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号后注明，如HRA、HRB、HRC等。几种常用洛氏硬度级别试验规范及应用范围见表5－2。

表5－2　常用洛氏硬度的级别及应用范围

3．冲击韧性

以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，许多机器零件和工具在工作过程中往往受到冲击载荷的作用，如蒸汽锤的锤杆、冲床上的一些部件、柴油机曲轴、飞机的起落架等。瞬时冲击的破坏作用远远大于静载荷的破坏作用，所以在设计受冲击载荷件时还要考虑抗冲击性能。材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力称为冲击韧度αK，常采用一次冲击试验来测量。

αK的值越大，材料的冲击韧度越好。冲击韧度是对材料进行一次冲击破坏测得的。在实际应用中，许多受冲击件往往是受到较小冲击能量的多次冲击而破坏的，它受很多因素的影响。由于冲击韧度的影响因素较多，故αK值仅作设计时的选材参考。

4．疲劳破坏

许多机械零件是在交变应力下工作的，如机床主轴、连杆、齿轮、弹簧、各种滚动轴承等。所谓交变应力是指大小和方向随时间作周期性变化的应力。例如，受力发生弯曲的轴，在转动时材料要反复受到拉应力和压应力，属于对称交变应力循环。当零件受到的交变应力值远低于材料的屈服强度时，经长时间运行后也会发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏往往突然发生，无论是塑性材料还是脆性材料，断裂时都不产生明显的塑性变形，具有很大的危险性，常常造成事故。材料能够承受无数次应力循环的最大应力称为疲劳强度，用Rmax表示。材料抵抗疲劳破坏的能力由疲劳实验获得。

为了防止或减少零件的疲劳破坏，除应合理设计结构防止应力集中外，还要尽量减小零件表面粗糙度值，采取表面硬化处理等措施来提高材料的抗疲劳能力。

工艺性能是指金属材料加工制造的难易程度，工艺性能直接影响零件制造的工艺质量及成本，是选材和制定零件工艺路线时必须考虑的重要因素。

1．铸造性

将液体金属浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，冷却凝固以后获得毛坯、铸件或原材料的工艺方法称为铸造。铸造性主要取决于金属的流动性、收缩性和偏析等。

（1）流动性

熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属，充型能力强，能获得轮廓清晰、尺寸精确、外形完整的铸件。影响流动性的因素主要是化学成分和浇注的工艺条件。

受化学成分的影响，通常各元素比例能达到同时结晶成分（共晶成分）的合金流动性最好。常用铸造合金中，灰铸铁、青铜的流动性最好，铸钢最差。

（2）收缩性

铸造合金由液态凝固冷却至室温的过程中，体积和尺寸减小的现象称为收缩性。铸造合金收缩性过大会影响尺寸精度，还会在铸件内部产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。铁碳合金中，灰铸铁收缩率小，铸钢收缩率大。

（3）偏析

金属凝固后，内部化学成分和组织不均匀的现象称为偏析。偏析严重时，可使铸件各部分的力学性能产生很大的差异，降低铸件质量，尤其是对大型铸件危害更大。

2．压力加工性

用压力加工成形方法获得优良零件的难易程度称为压力加工性。压力加工一般分为热加工和冷加工。锻压、热轧等属于热加工，冷拔、冲压等属于冷加工。

压力加工常用塑性与变形抗力两个指标来衡量。塑性越好，变形抗力越小，则金属的压力加工性越好。化学成分会影响金属的压力加工性，纯金属的压力加工性优于一般合金。铁碳合金中，含碳量越低，压力加工性越好；合金钢中，合金元素的种类和含量越多，压力加工性越差，钢中的硫会增加材料的脆性，易使材料开裂，降低材料的压力加工性。

3．焊接性

焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的条件下获得优质焊接接头的难易程度。焊接性好的钢，易于用一般的焊接方法与工艺施焊；焊接性差的钢，则需要用特定的焊接方法和工艺才能保证焊件的质量。影响焊接性的因素很多，其中影响最大的是钢的化学成分和焊接的热循环。焊接时的热循环实际上是一个快速炼钢和快速冷却的特殊热处理过程。对于一般钢板来说，已知其化学成分、板厚，大致可判断其焊接性。

4．切削加工性

金属切削的难易程度称为切削加工性能，一般用切削速度、加工表面粗糙度和刀具使用寿命来衡量。影响切削加工性能的因素有工件的化学成分、组织、硬度、热导率和形变硬化程度等。一般认为材料具有适当硬度（170～230HBW）和足够的脆性时较易切削。所以灰铸铁比钢的切削加工性能好，碳钢比高合金钢切削加工性能好。改变钢的化学成分和进行适当的热处理可改善钢的切削加工性。

5．热处理性能

热处理是改善钢切削加工性能的重要途径，也是改善材料力学性能的主要途径。热处理性能包括淬透性、淬硬性、过热敏感性、变形开裂倾向、氧化脱碳倾向等。碳钢热处理变形的程度与其含碳量有关。一般情况下，含碳量越高，变形与开裂倾向越大，而碳钢又比合金钢的变形开裂倾向严重。钢的淬硬性也主要取决于含碳量，含碳量越高，材料的淬硬性越好。

表5－1中列出了7个指标，Rm、ReL、A、Z、HBW、αK、Rmax，分别为抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、硬度、冲击功以及疲劳强度。

1．工程材料是如何分类的？主要差异表现在哪里？

2．什么是材料的力学性能？力学性能主要包括哪些指标？

3．什么是强度？什么是塑性？衡量这两种性能的指标有哪些？各用什么符号表示？

4．什么是硬度？HBS、HBW、HRA、HRB、HRC各代表用什么方法测出的硬度？各种硬度测试方法的特点有何不同？

5．什么是冲击韧度？

6．什么是疲劳现象？什么是疲劳强度？