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第一章 材料的性能及应用意义 1.1 材料性能依据 1.2 材料的使用性能 1.3 材料的工艺性能 材料是人类社会经济地制造有用器件的物质。 1. 所谓有用 使用性能：力学性能、物理性能、化学性能 2. 所谓制造（原材料变成产品）工艺性能 （1）铸造性能（热加工） （2）焊接性能（热加工） （3）热处理性能（热加工） （4）塑性加工性能（热、冷加工） （5）切削加工性能（冷加工） 引言 4. 环保性能：与人类友好。 3. 经济性能：实用、够用、耐用。 1.1 材料性能依据 材料的性能是用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为。 材料的化学成分和内部结构是其内部依据，材料成分和结构确定后就表 现出一定的性能。此时的“结构”包含四个层次： （1）原子结构；（2）结合键；（3）原子排列方式； （4）组织。 注意：（1）结构不敏感性能：E、Tm等。 （2）结构敏感性能：强度、塑性、韧性等。 1.2 材料的使用性能 二、物理性能 三、化学性能 一、力学力学性能 （1）强度 （2）刚度 （3）弹性 （4）塑性 （5）硬度 （6）韧性 （7）疲劳性能（8）耐磨性 一、力学性能 1.2 材料的使用性能 （a）拉伸 （b）压缩 （c）弯曲 （d）剪切 （e）扭转 （一）强度 - 材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力。 1. 比例极限 p 2. 弹性极限 e 3. 屈服强度 s 4. 抗拉强度 b（新国标 中用Rm表示） 一、力学性能 1.2 材料的使用性能 低碳钢拉伸flash 屈强比（ s /b ），其值一般在0.650.75之间。屈强比愈小， 工程构件的可靠性越高，万一超载也不会马上断裂；屈强比愈大， 材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。 比强度材料的强度与密度之比。 一、力学性能1.2 材料的使用性能 名称 密度 （g/cm3） 强度（ MPa） 比强度 纯铝2.7801003037 纯铁7.871802802336 纯钛4.540550090111 （二）刚度材料对弹性变形的抵抗能力。 一、力学性能 1.2 材料的使用性能 强度保证材料不发生过量塑性变形、断裂。 刚度保证材料不发生过量弹性变形。 实际工件的刚度首先取决于其材料的弹性模量，即 E = /。 （1）对于金属材料，其弹性模量E主要取决于基体金属的性质,难以通过 合金化、热处理、 冷加工等方法使之改变，即 E 是结构不敏感性参数。 （2）陶瓷材料、 高分子材料、 复合材料的弹性模量对其成分和组织结构 是敏感的，可以通过不同的方法使其改变。 一、力学性能1.2 材料的使用性能 （三）弹性外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标。 一、力学性能1.2 材料的使用性能 滞弹性（弹性滞后）：加载时应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不 立即恢复。 对于易受振动且要求消振的零件，如机床床身和汽轮机叶片，要求材料 具有良好的消振性。机床床身可用灰铸铁制造，汽轮机叶片则采用Cr13型钢 制造。 对于仪表上的传感元件和音响上的音叉、簧片等，则不希望有滞弹性出 现，选材时应予注意。 （四）塑性在外力作用下材料产生塑性变形而不破坏的能力， 即材料断裂前的塑性变形能力。 1. 伸长率，以表示 一、力学性能 1.2 材料的使用性能 2. 断面收缩率，以表示 （新国标中用Z表示） （五）硬度材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能力。 一、力学性能1.2 材料的使用性能 硬度试验的优点： 1. 硬度试验设备简单，操作迅速方便。 2. 一般不破坏成品零件，无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材 料和各种尺寸的零件。 3. 硬度与强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，可按硬度估算强度而免做复 杂的拉伸实验。 4. 硬度与工艺性能之间有联系，可作为评定材料工艺性能的参考。 5. 硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和 控制冷热加工质量。 一、力学性能 硬度测试方法： 1. 布氏硬度 GB231-1984 2. 洛氏硬度 GB230-1991 3. 维氏硬度 GB4342-1984 1.2 材料的使用性能 硬度测试三要素： （ 1）载荷大小；（2）压头尺寸；（3）加载及保压时间。 1. 布氏硬度（HB） GB231-1984 HB = F/S HBS 淬火钢球 （450HB) （新国标中HBS已取消） HBW 硬质合金球（650HB) 1）误差小，重复性好。 2）压痕面积大，不适合成品检验。 3）与强度b之间存在近似的换算： b 0.36HB 一、力学性能 1.2 材料的使用性能 一、力学性能 1.2 材料的使用性能 一、力学性能1.2 材料的使用性能 布氏硬度计 一、力学性能1.2 材料的使用性能 2. 洛氏硬度（HR） GB230 -1991 一、力学性能1.2 材料的使用性能 HR = (0.2 - h) / 0.002 (mm)， 其中 h = h1 - h0 一、力学性能1.2 材料的使用性能 洛氏硬度的种类及应用： （1）HRA（金刚石圆锥） 高硬度表面、硬质合金 （2）HRB（淬火钢球） 未淬火钢、灰铸铁、有色金属 （3）HRC（金刚石圆锥） 淬硬钢、调质钢 洛氏硬度共15种标尺，每一种标尺硬度适用范围不同。 一、力学性能1.2 材料的使用性能 洛氏硬度计 一、力学性能1.2 材料的使用性能 洛氏硬度计 3. 维氏硬度（HV） GB4342 -1984 （1）金刚石正四棱锥压头，精确 操作复杂，适用于科学研究。 （2）压力可选5120Kg间的特定 值，适用各种硬度值的测量。 （3）压痕小，可测表面硬化层。 一、力学性能1.2 材料的使用性能 4. 锉刀法 一组硬度差为5HRC的锉刀，如：10HRC、 15HRC、 20HRC等。 1. T8钢退火后: 170200HBW 2. T8钢正火后: 25 35HRC T8钢淬火后: 50 55HRC T12钢淬火后: 60 65HRC W18Cr4V钢淬火后: 5862HRC 3. YG8（钨钴类硬质合金）: 8891HRA 4. 20钢经渗碳、淬火+低温回火后: 表面5864HRC，心部1015HRC 20CrMnTi钢经渗碳、淬火+低温回火后: 表面5864HRC，心部3545HRC 45钢经调质、表面淬火+低温回火后:表面50HRC，心部220250HBW 5. 38CrMoAlA氮化后:表面1000 1100HV 硬度硬度举例 1.2 材料的使用性能 （六）韧性材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力， 它是材料强度和塑性的综合表现。 一、力学性能1.2 材料的使用性能 韧性分2种： （1）冲击韧度； （2）断裂韧度。 韧性不足可用脆性来表达。 螺栓韧性断裂与脆性断裂的比较 韧性高低决定断裂类型，断裂类 型有2种： （1）韧性断裂； （2）脆性断裂。 1. 冲击韧度 Ak 材料抵抗冲击载荷的能力 三种不同冷脆倾向的材料 1面心立方晶格的金属 2中、低强度体心立方晶格的金属 3高强度材料 1 2 3 温度T TK 冲击吸收功AK 一、力学性能1.2 材料的使用性能 一、力学性能1.2 材料的使用性能 K 冲击能量A 冲击破断次数 lgN 1 2 A A“ N N“ 交点K以左：在较高冲击能量A下，多冲抗力取决于韧性。 交点K以右：在较低冲击能量A”下，多冲抗力取决于强度（即小能量多冲）。 （1）小能量多冲时：以强度为主，塑性、韧性为辅，强韧性配合处于最佳状态时， 多冲抗力最高。 （2）在低中强度范围：冲击韧度的提高对多冲抗力影响不大（因其韧性已足够）。 （3）在高强度范围时（如b1300MPa）：改善韧性有利于提高多冲抗力。 不同材料的冲击抗力: 1高强度低韧性材料；2低强度高韧性材料。 2. 断裂韧度 KIC材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 一、力学性能1.2 材料的使用性能 传统设计思想： 0.2 / n，n为安全系数， 依此思想反而导致经常的低应力脆断（ s）， 此时偏低而尺寸、重量偏高。 n 加大尺寸 依此思想反而导致经常的低应力脆断 。 一、力学性能1.2 材料的使用性能 KI = Ya1/2 KI KIC KIC ：金属材料的最高， 复合材料次之， 高分子材料、陶瓷材料最低。 先进的设计思想：材料中存在着既存或后生的微小的宏观裂纹，可能是冶金 缺陷，也可能是加工裂纹（如热处理、焊接等）或是使用中发生裂纹（如疲 劳、应力腐蚀）。 2. 断裂韧度 KIC材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 （七）疲劳性能材料在交变应力作用下，在远小于强度极限， 甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂的最大应力值。 用-1（新国标D）表示。 疲劳曲线示意图 a. 一般钢铁材料 b . 有色金属、高强度钢等 一、力学性能1.2 材料的使用性能 一、力学性能1.2 材料的使用性能 一、力学性能1.2 材料的使用性能 一、力学性能1.2 材料的使用性能 碳钢-10.43b 合金钢-10.35b+12 MPa （八）耐磨性 一、力学性能1.2 材料的使用性能 1. 磨损的主要类型 （1）粘着磨损：是指摩擦副接触面局部发生金属粘着，而这些粘着的强 度往往大于金属本身强度，在随后的相对运动时发生的破坏将出现在强度 较低的地方，有金属磨屑从表面被拉下来或零件表面被擦伤的磨损。 （2）磨粒磨损：是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区内存在硬质磨粒， 使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程，以致磨面材料 逐步磨耗。 一、力学性能1.2 材料的使用性能 2. 提高材料耐磨性的途径 1）粘着磨损 减小表面摩擦系数或提高材料表面硬度； 减小接触压力； 合理选配摩擦材料； 减小表面粗糙度值以增大实际接触面积； 改善润滑状况。 2）磨粒磨损 提高材料硬度 ； 设计时合理采用减小接触压力的措施， 工作时改进润滑油过滤装置以及时清除磨损。 二、物理性能 （一）密度 （二）热学性能：熔点、热容、热膨胀、热传导等。 （三）电学性能：电阻率、电阻温度系数、介电性。 （四）磁学性能：磁导率、饱和磁化强度和磁矫顽力。 1.2 材料的使用性能 三、化学性能 （一）化学腐蚀（二）电化学腐蚀 1.2 材料的使用性能 1.3 材料的工艺性能 金属材料零件的一般加工过程 1.3 材料的工艺性能 零件的毛坯：（1）铸造毛坯 熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获 得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。 1.3 材料的工艺性能 锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、 形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工 方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力加工的范畴。 1.3 材料的工艺性能 零件的毛坯：（2）锻造毛坯 焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用， 在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的 扩散作用形成一个整体