作者：王新年
出版社：电子工业出版社
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机械工程材料试读：
内容简介
本书依据高职高专机械制造类专业“机械工程材料”课程的教学目标并结合课程改革的经验而编写。本书主要内容包括：工程材料的性能，金属的晶体结构与结晶，金属的塑性变形与再结晶，铁碳合金相图与非合金钢，钢的热处理，合金钢、铸铁、有色金属材料及其合金，非金属材料与新型材料，工程材料的选用。
本书可作为高职高专院校机械类专业的教材，也可供相关工程技术人员参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据机械工程材料 / 王新年主编. —北京：电子工业出版社，2012.7高职高专制造类专业基础课规划教材ISBN 978-7-121-17585-5Ⅰ.①机… Ⅱ.①王… Ⅲ.①机械制造材料－高等职业教育－教材 Ⅳ.①TH14中国版本图书馆CIP数据核字（2012）第155019号策划编辑：朱怀永责任编辑：朱怀永 特约编辑：王 纲出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路173信箱 邮编 100036开 本：787×1 092 1/16 印张：15.25 字数：390千字印 次：2012年7月第1次印刷印 数：3 000册 定价：28.50元
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服务热线：（010）88258888。前 言
在科学技术日益发展的今天，材料已经成为人类社会发展和文明进步的重要标志，特别是新材料、新工艺不断涌现，应用范围也越来越广。国家“十二五”发展规划中提出要把包括新材料在内的战略性新兴产业培养发展成为先导性、支柱性产业，对于促进传统产业转型升级、保障国家重大工程建设具有重要的战略意义。“机械工程材料”是一门研究机械制造的各种材料、热处理及加工工艺路线的综合性课程，是机械类各专业开设的一门必修专业技术基础课。本教材力求充分体现高职高专教育的特点，突出理论和实践的紧密结合，强调学生解决实际问题能力和可持续发展能力的培养，既适应产业对人才知识的需求，又体现以能力为本位的高职高专的特色。
本书主要有以下特点：
1．注重突出“应用”特色，基础理论以够用为度，强调知识的实际应用和实践训练。
2．基本操作环节讲述具体详细，可操作性强，强调学生解决实际问题能力的培养。
3．内容紧随新技术发展，将新技术、新工艺、新材料引进教材，力争在内容上体现先进性、实用性。
4．力求做到理论深入浅出，内容重点突出、图文并茂，文字通俗易懂。
根据各高职高专院校机械类专业对本课程教学内容要求和学时数安排的不同，在选用本书作为教材时，可根据具体情况对各章节的内容加以取舍和调整。
参加本书编写的人员有黑龙江农业工程职业学院王新年（前言、绪论、第一章、第二章、第三章及附录）、王宝刚（第四章、第六章、第七章）、宋奇慧（第五章、第八章）、张敬（第九章、第十章）。全书由王新年担任主编，王宝刚、宋奇慧、张敬担任副主编，黑龙江农业工程职业学院鞠加彬教授担任本书主审。
在本书的编写过程中，得到了有关专家、学者的支持和帮助，电子工业出版社给予了热情的帮助和指导，在此一并表示诚挚的谢意。同时，书中参考并引用了有关的文献资料、插图等，编者在此对上述作者表示感谢。
由于编者水平有限，书中难免存在疏漏和不足之处，恳请读者批评指正。编者2012年1月绪 论
一、材料的发展
材料是人类生产和生活的物质基础，是人类社会发展和文明进步的重要标志。纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一次重要新材料的发现和应用都会引起生产技术的革命，并大大加速社会文明发展的进程。在人类发展的历史长河中就有石器时代、青铜器时代、铁器时代等以材料命名的时代。也正是由于材料的发展和使用，才使得人类社会不断发展到科学技术高度发达的今天。
在远古时代，人类的祖先是以石器为主要工具的。他们在不断改进石器和寻找石料的过程中发现了天然铜块和铜矿石，并在用火烧制陶器的生产过程中发现了冶铜术，后来又发现把锡矿石加到红铜里一起熔炼，制成的物品更加坚韧、耐磨，这就是青铜。公元前5000年，人类进入青铜器时代。公元前1200年左右，人类进入铁器时代，开始使用铸铁，后来制钢工业迅速发展，成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。所以，也有人将18~19世纪称为“钢铁时代”。进入20世纪后半叶，随着科学技术的迅猛发展，新材料研制日新月异，高分子材料、半导体材料、先进陶瓷材料、复合材料、人工合成材料、纳米材料等新材料层出不穷，人类又进入了崭新的现代工业文明时代，新材料的发展和应用又成为现代科学技术和现代文明发展的重要基础和强劲动力。
由此可见，材料科学对人类社会文明和经济发展起着不可估量的巨大作用，世界各国对此都非常重视。作为以能源、信息、新材料和生物工程为代表的现代技术的四大支柱之一，新材料技术更是现代技术发展的一个关键领域，起着先导和基础的作用，被很多国家确定为重点发展的学科之一，我国也把新材料的研究与开发放在了优先发展的地位。
二、工程材料的分类
材料的种类很多，其中用于机械制造的各种材料，称为机械工程材料。机械工程材料按其成分特点，一般分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。按其性能特点，又可分为结构材料和功能材料两种。结构材料以力学性能为主，而功能材料则以其特殊的物理、化学性能为主，如超导、激光、半导体、形状记忆材料等。机械工程材料主要研究和应用的是结构材料。
金属材料包括钢铁材料和非铁材料。钢铁材料也称为黑色金属，是指铁和以铁为基的合金，如铸铁、钢；非铁材料又称为有色金属，是除钢铁材料以外的所有金属及其合金的统称，如铜、铝、钛及其合金等。钢铁材料具有力学性能优异、加工性能良好、原料来源广、生产成本低等突出的优点，目前机械工程材料仍以钢铁材料的应用最为广泛，占整个机械制造业用材的90%左右。
非金属材料主要包括高分子材料和陶瓷材料。随着研究和应用的不断深入，非金属材料以其特有的性能，得到越来越广泛的应用，其中高分子材料发展迅速，目前，其产量按体积计算已经超过了钢铁。复合材料保留了各组成材料的优点，具有单一材料所没有的优异性能，虽然目前成本较高，一定程度上限制了其应用范围，但随着成本的降低，其应用领域将日益广泛。
金属材料、非金属材料和复合材料之间不是独立应用或可以替代的关系，而是相互补充、相互结合，已经形成一个完整的材料科学体系。
三、课程的性质、内容和基本要求“机械工程材料”是高职高专机械类专业必修的技术基础课。随着材料科学的飞速发展，新材料、新工艺不断涌现，机械工程材料的种类越来越多，应用范围越来越广，在产品的设计与制造过程中，与材料和热处理有关的问题也日益增多。因此，具备与专业相关的材料知识，在机械设计过程中能够合理地选择工程材料和强化方法，正确地制订加工工艺路线，从而充分发挥材料本身的性能潜力，获得理想的使用性能，节约材料，降低成本，是从事机械设计与制造工作的工程技术人员必须具备的能力。
本课程的内容主要包括工程材料的力学性能、金属学基础知识、钢的热处理、金属材料和非金属材料及常用机械工程材料的选用等。本课程的重点内容可归纳为“一条线，两张图，三种材料，四把火。“一条线”是指材料的化学成分→组织→性能→与使用之间的相互关系及其变化规律，是贯穿本课程的纲；“两张图”是指Fe-Fe3C相图和过冷奥氏体等温转变曲线图；“三种材料”是指金属材料、非金属材料和复合材料；“四把火”是指退火、正火、淬火和回火，这是最常见的四种热处理方法，是其他处理方法的基础，是强化和改变材料性能的重要手段。
通过本课程的学习，可以了解常用机械工程材料化学成分、组织结构、力学性能与热加工工艺之间的关系及变化规律，熟悉常用金属材料的牌号、成分、力学性能及用途，了解零件失效分析的方法，初步具备合理选择材料、正确制订热处理工艺及合理安排加工工艺路线的能力。
本课程是一门实践性和应用性都很强的课程，在学习中应注意理论与生产实际相结合，知识的掌握与应用并重，提高分析问题和解决问题的能力。第一章 工程材料的性能【导读】
在日常生产生活中工程材料的使用极为广泛，小至螺钉、螺母，大到飞机、轮船、各种机械设备、桥梁建筑，材料无处不在。材料在使用过程中表现出各不相同的性能，选用的材料必须符合机件的使用条件，才能发挥机件及机械的性能及特性。所以，了解工程材料的性能，不仅是选材、验收、鉴定的需要，也是正确制订加工工艺路线、合理进行产品加工的需要。
在机械行业中，工程材料的性能主要指它的力学性能和工艺性能。【本章的学习任务】
◆ 掌握工程材料的力学性能及其衡量指标；
◆ 掌握工程材料的工艺性能。第一节 工程材料的力学性能
材料是在不同的外界条件下使用的，如在载荷、温度、介质、电场等作用下将表现出不同的行为，即材料的使用性能。使用性能主要包括力学性能、物理性能和化学性能。
力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力。衡量工程材料的力学性能指标有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等，这些性能是机械零件的设计、材料选择和产品质量控制的重要参数。一、强度与塑性
1．强度
材料的强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。在外力作用下引起材料尺寸和形状的改变，称为变形。由变形的趋势可将载荷分为拉伸、压缩、剪切和弯曲等载荷形式，因此，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形式。通常以抗拉强度作为基本的强度指标，可以通过拉伸试验获得。塑性变形是指材料在外力作用下，发生不能恢复原状的变形，也称永久变形。（1）拉伸试验
试验前，将金属材料制成一定形状和尺寸的标准拉伸试样，如图1-1所示。图中，d为试样的原始直径（mm），L为试样的原始标距00长度（mm）。按照国家标准的规定，对圆形拉伸试样，可分长试样（L=10 d）和短试样（L=5 d）两种。0000（2）拉伸曲线
拉伸试验时，将试样两端装入拉伸试验机夹头内夹紧，随后缓慢加载。随着载荷的不断增加，试样随之伸长，直至拉断为止。在拉伸过程中，拉伸试验机上的自动绘图装置绘制出载荷（拉伸力）和伸长量之间的关系曲线，即拉伸曲线，也称力-伸长曲线。图1-2所示为退火低碳钢的拉伸曲线。图1-1 光滑圆柱形标准拉伸试样图1-2 退火低碳钢拉伸曲线
由图1-2可见，退火低碳钢在拉伸过程中，载荷F与伸长量ΔL的关系有以下几个阶段：
弹性变形阶段（O-E）：当载荷由零逐渐增加到F时，试样处于e弹性变形状态，卸除载荷后试样可恢复到原来的形状和尺寸。其中OP阶段，载荷与伸长量呈正比关系（F=kΔL），即符合虎克定律。
屈服阶段（E-S）：当载荷超过F后，试样开始产生塑性变形，e即卸除载荷时，伸长的试样只能部分地恢复，而保留一部分的残余变形。当载荷增加到F时，拉伸曲线上出现平台或锯齿状，这种在载荷s不增加的情况下，试样还继续伸长的现象称为屈服。
强化阶段（S-B）：当载荷超过F后，由于塑性变形而产生形变s强化（加工硬化），必须增大载荷才能使伸长量继续增加。此时变形与强化交替进行，直至载荷达到F时，试样的伸长量也达到最大值。b
局部塑性变形阶段（B-K）：当载荷达到 F后，试样的某一部位b横截面急剧缩小，出现“缩颈”。此时施加的载荷逐渐减小，而变形继续增加，直到K点时试样断裂。
2．强度的主要指标
材料在承受拉力时，抵抗变形和断裂的能力主要用屈服点σ 和s抗拉强度σ两个指标来衡量。b（1）弹性极限
弹性极限是指材料保持弹性变形所能承受的最大应力，用符号σ（MPa）表示。e式中：F——试样发生屈服时的载荷（N）；e2
A——试样原始横截面积（mm）。0（2）屈服点
屈服点是指材料开始产生屈服现象的最小应力，它反映的是工程材料抵抗塑性变形的能力，用符号σ（MPa）表示。s式中：F——试样发生屈服时的最小载荷（N）。s
对于铸铁、高碳钢等没有明显屈服现象的金属材料，按国家标准GB1063—1989的规定，可测定其规定残余伸长应力值（如图1-3所示），用符号δ（MPa）表示。σ表示材料在卸除载荷后，试样标距rr部分残余伸长率达到规定数值时的应力。表示此应力的符号，应辅以下角标说明其规定的残余伸长率，例如，σ表示规定残余伸长率为r0.20.2%时的应力。式中：F——残余伸长率为0.2%时的载荷（N）。r0.2
原国家标准将规定残余伸长应力σ以σ表示，目前有许多技术r0.20.2资料仍沿用这一表示方法。图1-3 规定残余伸长应力示意图
零件在工作中如发生少量塑性变形，会导致零件精度降低或影响与其他零件的配合。为保证零件正常工作，材料的屈服点应高于零件的工作应力。因此，材料的屈服点是机械零件设计时的主要依据，也是评定金属材料性能的重要指标之一。（3）抗拉强度（强度极限）
抗拉强度是指材料在拉断前所承受的最大应力，它反映了材料抵抗断裂的能力，用符号σ（MPa）表示。b式中： F ——试样拉断前承受的最大载荷（N）。b
零件在工作中所承受的应力，不允许超过抗拉强度，否则就会产生断裂。它也是机械设计和评定金属材料质量的主要依据。
3．塑性
材料的塑性是指材料在外力作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。
常用的塑性指标有断后伸长率δ和断面收缩率ψ，可在静拉伸实验中，把试样拉断后将其对接起来进行测量而得到。（1）断后伸长率
断后伸长率是指试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比，用符号δ表示。式中：L——试样拉断后的标距（mm）；1
L——试样原始标距（mm）。0（2）断面收缩率
断面收缩率是指试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，用符号ψ表示。2式中：S——试样原始横截面积（mm）；02
S——试样拉断后缩颈处最小横截面积（mm）。1
断面收缩率的大小与试件尺寸无关。它不是一个表征材料固有性能的指标，但它对材料的组织变化比较敏感，尤其对钢的韧性以及材料的缺口比较敏感。断后伸长率和断面收缩率值越大，材料的塑性越好。良好的塑形性能可使设备在使用中产生塑形变形而避免发生突然的断裂。塑性指标在机械设计中具有重要意义，材料具有良好的塑性才能进行成型加工，如弯曲和冲压等。二、硬度
硬度是指材料抵抗局部变形，特别是表面局部塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是材料的重要指标，试验操作简单、迅速，不一定要用专门的试样，且不破坏零件，根据测得的硬度值，还能估计金属材料的抗拉强度值，因而被广泛使用。硬度还影响到材料的耐磨性，一般情况下，金属的硬度越高，耐磨性也越好。目前，生产中普遍采用的硬度试验方法主要有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。
1．布氏硬度
布氏硬度的试验原理如图1-4所示。以一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径，计算硬度值。布氏硬度值用压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，计算公式如下：式中：F——试验载荷（N）；
D——压头直径（mm）；
d——压痕平均直径（mm）。图1-4 布氏硬度试验原理
从上式可以看出，当试验力F和D一定时，压痕直径d越小，则布氏硬度值越大，也就是硬度越高。在实际应用中，布氏硬度值一般不用计算方法求得，而是先测出压痕直径d，然后从专门的硬度表中查得相应的布氏硬度值。
根据材料的情况，压头选择如下：（1）当用淬火钢球作为压头时，用符号HBS表示，适用于测量硬度值小于450HBS的材料。（2）当用硬质合金球作为压头时，用符号HBW表示，适用于测量硬度值在450～650HBW的材料。
符号HBS或HBW之前用数字表示硬度值，符号之后依次用数字注明压头直径D、试验载荷F和载荷保持时间 t（10～15s不标注） 。例如， 120HBS/10/1000/30，即表示用直径10mm的淬火钢球作为压头，在1000kgf（9807 N）的实验载荷作用下，保持30s，测得的布氏硬度值为120。
布氏硬度实验压痕面积较大，受测量不均匀度影响较小，故测量结果较准确，主要适用于测定各种铸铁，退火、正火、调质处理的钢，以及非铁合金等质地相对较软的材料。而且由于布氏硬度与σ存在一b定的经验关系，因此得到了广泛的应用。
2．洛氏硬度
洛氏硬度试验原理，是在初始试验力F和总试验力（F+F）的001先后作用下，将顶角为120°金钢石圆锥体或直径为1.588mm（1／16 in）的淬火钢球压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除主试验力F，用测量的残余压痕深度增量来计算洛氏硬度值，如图1-5所示。1
图1-5中，0-0为压头未与试样接触时的位置；1-1为压头受到初始试验力F后压入试样的位置；2-2为压头受到总试验力（F+F）后001压入试样的位置，经规定的保持时间后，卸除主试验力F，仍保留初1试验力F，试样弹性变形的恢复使压头上升到3-3的位置。此时，压0头受主试验力作用压入的深度为h，即1-1至3-3的位置。h值越小，则金属硬度越高。为适应人们习惯上数值越大硬度越高的观念，故人为地规定用一常数K减去压痕深度h作为洛氏硬度指标，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，则洛氏硬度值为图1-5 洛氏硬度测量原理图
由此可见，洛氏硬度值是一个无量纲的材料性能指标，硬度值在试验时直接从硬度计的表盘上读出。式中K为一常数，使用金刚石压头时， K= 0.2；使用淬火钢球压头时，K=0.26。
为了能用一种硬度计测定从软到硬的不同材料的硬度，采用不同的压头和载荷，组成几种不同的洛氏硬度标尺。常用有HRA、HRB、HRC三种。洛氏硬度的标注方法如下：硬度符号HR前面的数字表示硬度值，后面的符号表示不同洛氏硬度的标度，如50HRC、80HRA等。常用洛氏硬度的实验条件和应用范围见表1-1。表1-1 常用洛氏硬度的试验条件和应用范围
洛氏硬度试验方法简单直观，操作方便，测试硬度范围大，可以测量从很软到很硬的金属材料，测量时几乎不损坏零件，因而成为目前生产中应用最广的试验方法。但由于压痕较小，当材料内部组织不均匀时，会使测量值不够精确，因此在实际操作时，一般至少选取三个不同部位进行测量，取其算术平均值作为被测材料的硬度值。
3．维氏硬度
布氏硬度试验不能测定硬度较高的金属材料，洛氏硬度试验虽可用来测定由极软到极硬金属材料的硬度，但不同标尺的硬度间没有简单的换算关系，使用上很不方便。为了能在同一种硬度标尺上，测定从极软到极硬金属材料的硬度值，因而特制订了维氏硬度试验法。
维氏硬度的试验原理与布氏硬度基本相似，如图1-6所示。将一个相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，以选定的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测量压痕对角线长度。维氏硬度值为单位压痕表面积所承受试验力的大小，用符号HV表2示，单位为N／mm。维氏硬度计算公式如下：式中：F——试验力（N）；
d——压痕两对角线长度算术平均值（mm）。图1-6 维氏硬度测量原理图
在实际应用时，维氏硬度值与布氏硬度值一样，不用通过计算，而是根据压痕角线长度直接查表获得。与布氏硬度一样，在硬度符号HV之前的数字为硬度值，HV后面的数值依次表示载荷和载荷保持的时间（保持时间为10～15s时不标注）。如：640HV30/20表示在30kgf载荷作用下，保持20s测得的维氏硬度值为640。
维氏硬度适用范围宽，从极软到极硬的材料都可以测量。尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，其结果精确可靠。但测取维氏硬度值时需要测量对角线长度，然后查表或计算，而且对试样表面的质量要求高，所以，测量效率较低，没有洛氏硬度方便，不适用于成批生产的常规检测。三、冲击韧性
金属材料的强度、塑性和硬度等力学性能是在静载荷作用下所测得的。但实际上许多机械零件和工具在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模、锻模等。材料在冲击载荷的作用下，抵抗破坏的能力称为冲击韧性或韧度。为了评定金属材料的冲击韧性，在工程上常用一次摆锤冲击试验来测定。
1．冲击试验及其指标
试验前首先将金属材料制作成标准冲击试样，如图1-7所示。图1-7 标准冲击试样
试验时，将试样安放在冲击试验机的支座上，试样的缺口背向摆锤的冲击方向，如图1-8 （a）所示。将重力为G的摆锤抬到高度H，使其具有一定的势能GH，如图1-8（b）所示。然后，让摆锤由此高度落下，将试样冲断，摆锤继续向前升高到h高度，此时摆锤的剩余势能为Gh。由此可计算出试样的冲击吸收功A（J），其值为K图1-8 冲击试验示意图式中：G——摆锤产生的重力（N）；
H——冲击前摆锤抬起的高度（m）；
h——冲断试样后，摆锤上升的高度（m）。
用试样缺口处的横截面积S除以冲击吸收功A，即得到冲击韧性，0K2用符号a（J／cm）表示。其计算公式为K
用U型缺口和V型缺口试样测定的结果，冲击吸收功分别用符号A和A来表示，冲击韧性分别用符号a和a来表示。KUKVKUKV
一般来说，材料的冲击吸收功越大，冲击韧性越大，表明材料的韧性越好。但由于测出的冲击吸收功A的组成比较复杂，所以有时K测得的A值及计算出来的a值不能真正反映材料的韧脆性质。KK
温度对一些材料的韧脆程度有很大的影响。在不同温度下进行的一系列冲击试验表明，随温度的降低，A值呈下降趋势。当温度降K至某一范围时，A值急剧下降，钢材由韧性断裂变为脆性断裂，这K种现象称为冷脆转变，此时的温度称为韧脆转变温度。韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆倾向的指标。材料的韧脆转变温度越低，材料的低温冲击韧度越好。对于在较寒冷地区使用的车辆、桥梁、输送管道等碳素结构钢构件，在选择金属材料时，应考虑其周围环境的最低温度必须高于材料的韧脆转变温度。
2．小能量多次冲击试验
实践证明，承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭到破坏，很多情况下是在一次冲击不足以使零件破坏的小能量多次冲击作用下而破坏的。在这种情况下，它的破断过程是由多次冲击造成的损伤积累，引起裂纹的产生和扩展所造成，如凿岩机风镐上的活塞、大功率柴油机曲轴等零件都是在一定能量下的多次冲击而破坏的。这与大能量一次冲击的破断过程并不一样，不能用一次冲击试验所测得的a 值来衡量零件材料对这些冲击载荷的抗力。K
小能量多次冲击试验机为凸轮落锤式结构，如图1-9所示。试验时将试样放在连续冲击试验机上，冲锤以一定的能量对试样多次冲击，测定试样出现裂纹和最后断裂的冲击次数N，以此作为多次冲击抗力指标。
大量试验证明，多次冲击抗力与材料的强度和塑性有关。当冲击能量高时，材料的多冲抗力主要取决于塑性；在冲击能量低时，则主要取决于强度。图1-9 小能量多冲试验示意图四、断裂韧度
在实际工程应用中，一些用高强度钢制造的零件或大型焊接构件，如桥梁、船舶等，有时会在工作应力远低于材料屈服点，甚至低于许用应力的条件下，突然发生脆性断裂，这样的断裂称为低应力脆断。
前面讨论的力学性能，都是假定材料内部是完整的、均匀的、连续的。但实际上，材料或构件本身不可避免地会存在各种冶金或加工缺陷，如夹杂、气孔等，这些缺陷可以看做是材料中的裂纹。根据近代断裂力学的观点，在外力的作用下，这些裂纹的尖端前沿将产生应力集中，形成一个裂纹尖端应力场，其强弱可用应力强度因子K来描I1/2述，单位为MPa·m。式中：Y ——与试样尺寸、加载方式及裂纹形状有关的无量纲系数；
σ ——外加应力（MPa）；
a ——裂纹的半长（m）。
对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的。当外力逐渐增大，或裂纹逐渐扩展时，应力强度因子K也随之增大。当IK增大到某一值时，就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材I料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，直至发生脆断。这个应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧度，用符号K表示。IC
断裂韧度表明了材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。当K＜K时，IIC裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断；当K＞K时，裂纹失稳扩展，IIC会发生脆性断裂。断裂韧度可通过实验测得，它与裂纹本身大小、形状、外加应力等无关，主要取决于材料本身的成分、内部组织和结构。
在工程上，如果用无损探访的方法测出零件中的最大裂纹长度，就可以根据材料的断裂韧度，计算出使裂纹失稳扩展的临界载荷，即零件的最大承载能力；或者，根据零件的工作应力和测得的断裂韧度，也可以估算出材料中允许存在的最大裂纹长度。断裂韧度为零件设计和无损探伤提供了定量的依据，对于评估材料的使用寿命和机件工作的可靠性具有重要的指导意义。五、疲劳强度
许多机械零件，如轴、弹簧、齿轮、轴承、叶片等都是在循环应力（交变应力）长期作用下工作的，尽管工作应力不太高，按照静强度的观点设计应该是安全的，但是在工作过程中仍然发生了破坏，而且往往是在工作应力低于其屈服点甚至是弹性极限的情况下发生断裂，这种断裂称为疲劳断裂。据统计，约有80%以上的零部件失效是由疲劳断裂引起的。疲劳断裂往往是在没有任何先兆的情况下突然发生的，因而极易造成严重的后果。
疲劳断裂时没有明显的宏观塑性变形，疲劳断口一般可分为三个部分，即发源区（疲劳源）、扩展区（光亮区）和最后断裂区（粗糙区），如图1-10所示。
产生疲劳的原因，一般是由于材料表面或内部的缺陷（如刀痕、夹杂等）易引起应力集中，在交变载荷的作用下产生微裂纹，并随着载荷循环周次的增加，裂纹不断扩展，使零件实际承载面积不断减少，直至最后达到某一临界尺寸时，实际应力超过了材料的强度极限，零件发生突然断裂。
材料的疲劳强度通常是在旋转弯曲疲劳试验机上测定的。通过疲劳试验可以测得材料承受的交变应力值σ和断裂前的循环次数N之间的关系曲线，即如图1-11所示的疲劳曲线。从图中可以看出，应力值σ越低，断裂前的循环次数就越多。当应力值降低到某一定值后，曲线与横坐标平行。这表示当应力值低于此值时，材料可经受无数次应力循环而不断裂，此应力值称为材料的疲劳强度或疲劳极限。对称循环时，疲劳强度用符号σ表示，单位为MPa。-1
实际上，疲劳试验不可能进行无限次的交变载荷试验，因此工程上的疲劳强度是指在规定的循环次数不发生断裂的最大应力，一般规78定钢的循环次数为10次，有色金属和某些超高强度钢为10次。
金属的疲劳极限与其内部质量、表面状态及应力状态等因素有关。实践表明，对零件结构形状进行合理设计以避免产生应力集中，降低表面粗糙度，对表面进行各种强化处理，使表面产生残余压应力等，都能有效地提高零件的疲劳强度。图1-10 疲劳断口示意图图1-11 疲劳曲线第二节 工程材料的工艺性能
工艺性能是指材料承受各种加工、处理的能力。它主要包括铸造性、可锻性、焊接性、冷弯性、切削加工性、热处理工艺性等。
大部分机械工程零件都是由金属材料制成的，一般加工工艺过程如图1-12所示。图1-12 机械工程零件一般加工工艺过程
1．铸造性
铸造性是指金属材料能用铸造的方法获得优良铸件的能力，包括液体金属的流动性，凝固过程中的收缩、偏析等方面。
2．可锻性
可锻性是指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的能力。它包括在热态或冷态下能够进行锤锻、轧制、拉伸、挤压等加工的能力。可锻性的好坏主要与金属材料的塑性有关。塑性越好，可锻性越好。
3．焊接性
焊接性是指金属材料对焊接加工的适应能力。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的含碳量是影响焊接性好坏的主要因素。
4．冷弯性
冷弯性是指钢材在冷加工产生塑性变形时，对产生裂纹的抵抗能力。
5．切削加工性
切削加工性是指金属材料经切削加工成为合格工件的难易程度。切削加工性的好坏常用加工后工件的表面粗糙度、允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。
6．热处理工艺性
热处理工艺性是指金属材料承受热处理工艺并获得良好性能的能力，本书第五章将做详细介绍。习 题 一
1．什么是工程材料的力学性能。主要有哪些性能指标？
2．画出低碳钢拉伸时的曲线图，并说明拉伸变形时的几个阶段。
3．什么是强度。强度的主要指标有哪几种？写出它们的符号和单位。
4．什么是塑性。材料的塑性指标有哪几种？写出它们的符号。
5．有一钢试样，其直径为10mm，标距长度为50mm，当载荷达到18840N时，试样出现屈服现象；载荷加至36110N时，试样发生缩颈现象，然后被拉断。拉断后标距长度为73mm，断裂处直径为6.7mm。求试样的σ、σ、δ和ψ。sb
6．什么是硬度。硬度试验方法主要有哪几种。说明它们的应用范围。
7．什么是冲击韧性。写出冲击韧性的符号及单位。
8．金属材料在受到大能量冲击载荷和小能量多次冲击条件下，冲击抗力主要取决于什么指标。
9．什么是疲劳现象。产生疲劳破坏的主要原因是什么。如何提高零件的疲劳强度？
10．什么是工程材料的工艺性能。工艺性能包括哪些内容？第二章 金属的晶体结构与结晶【导读】
不同的金属材料具有不同的性能，工程材料的性能决定其用途，而性能又主要取决于化学成分和内部结构。材料的成分相同，其性能不同；同一成分的材料，内部结构和组织状态不同，性能也不同。本章将带我们走进材料的微观世界，了解一下材料的成分、组织结构与性能之间的关系。【本章的学习任务】
◆ 了解材料的组织结构；
◆ 掌握组织结构对金属性能的影响；
◆ 掌握二元合金相图及典型合金的结晶过程。第一节 金属的晶体结构一、晶体与非晶体
众所周知，物质是由原子组成的。固体物质按其内部原子排列方式的不同，可分为晶体和非晶体两大类。
晶体是指材料内部的原子按一定规律规则排列的物质，如金刚石、水晶、氯化钠等。固态金属与合金通常都是晶体。非晶体是指材料内部的原子无规则地堆积在一起的物质，如沥青、松香、玻璃等。晶体具有固定的熔点或凝固点，例如，铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。晶体具有各向异性，即不同方向上具有不同的性能。非晶体没有固定的熔点或凝固点，加热时材料逐渐变软，直至变为液体，冷却时则液体逐渐变稠，直至完全凝固。非晶体表现出各向同性，即在各个方向上性能是相同的。二、金属的晶体结构
1．晶体结构（1）晶格
将理想晶体中周围环境相同的原子、原子群或分子抽象为几何点，这些几何点在空间排列构成的阵列称为空间点阵，简称点阵，几何点称为点阵的结点。为便于理解和描述晶体中原子的情况，可以用一些假想的几何线条将晶体中各原子几何结点连接起来，形成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的各个结点上，这种抽象的、用来描述原子在晶体中排布规律的空间格架，称为晶格，如图2-1所示。（2）晶胞
由于晶体中原子排列有规律，且具有周期性，我们就可以从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这种最小的几何单元称为晶胞，如图2-1（c）所示。晶胞在三维空间作周期性重复排列即构成晶格。图2-1 晶体结构示意图（3）晶格常数图2-2 晶格常数
晶胞的大小和形状可用晶胞的三条棱边长度a、b、c和三条棱边夹角α、β、γ六个参数来描述，如图2-2所示，其中，a、b、c称为晶格常数。当晶格常数a=b=c，且棱边夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞，具有简单立方晶胞的晶-10格称为简单立方晶格。金属的晶格常数一般为（1～7）×10m。
各种晶体由于其晶格类型与晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。
2．常见的金属晶格类型（1）体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞为一立方体，如图2-3所示。其晶格常数a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°，所以通常只用一个晶格常数a表述即可。晶胞中，立方体的八个顶角和中心各有一个原子，原子在立方体对角线上紧密排列。顶角上的原子为相邻八个晶胞所共有，中心的原子为该晶胞所独有，因此，一个体心立方晶胞所含的原子数为个。
属于体心立方晶格的金属有α-Fe、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）等。图2-3 体心立方晶胞（2）面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞也为一立方体，如图2-4所示。其晶格常数a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°，所以也可用一个晶格常数a表述即可。晶胞中，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，原子在每个面对角线上紧密排列。顶角上的原子为相邻八个晶胞所共有，每个面中心的原子为相邻两个晶胞所共有，因此，一个面心立方晶胞所含的原子数为个。
属于面心立方晶格的金属有γ-Fe、铝（Al）、铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）等。图2-4 面心立方晶胞（3）密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，如图2-5所示。其晶格常数用正六边形的边长a和柱体的高c来表示，且c/a=1.633，两相邻侧面之间的夹角为120° ，侧面与底面之间的夹角为90° 。晶胞中，六方柱体的十二个顶角和上下两个底面的中心各有一个原子，上下底面中间还均匀分布着三个原子。顶角上的原子为相邻六个晶胞所共有，上下底面上的原子为相邻两个晶胞所共有，上下底面中间的原子为该晶胞所独有，因此一个密排六方晶胞所含的原子数为个。图2-5 密排六方晶胞
属于密排六方晶格的金属有镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）等。
晶格类型不同，其致密度（即晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比）也不同。体心立方晶格的致密度为68%，而面心立方晶格和密排六方晶格的致密度均为74%。致密度越大，原子排列越紧密。晶格类型发生变化，将引起金属体积和性能的变化。三、金属的实际晶体结构
实际使用的金属材料，即使体积较小的材料，其内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向都基本一致，每个小晶体的外形呈不规则的颗粒，我们称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体就称为多晶体，一般金属材料都是晶体，如图2-6所示。由于实际金属中各晶粒的位向是任意的，其性能是位向不同晶粒的平均值，在各个方向基本上是一致的，表现出各向同性的特点。
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