工程材料（第一章）工程材料的性能

1、第一章,工程材料的性能,性 能,工艺性能：铸造性能、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺性等,使用性能,力学性能：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等,化学性能：抗氧化性和耐腐蚀性,物理性能：密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和 磁性等,零件失效的形式,起落架横梁断裂,磨损,疲劳断裂,1.1 强度与塑性strength and plasticity,1.1.1 抗拉强度及刚度,力学性能,力学性能,在载荷作用下材料抵抗塑性变形和断裂的能力,测定方法： 拉伸试验,力学性能,一、 强度 Strength,注：（依载荷不一样仍有区分，但一般多指抗拉强度，简称强度。） 强度单位: MPa ( MN/m

2、2,力学性能,拉伸试验设备及标准试样,低碳钢拉伸时的应力-应变 The Stress-strain behavior of low carbon steel,specimen,低碳钢拉伸时的应力-应变The Stress-strain behavior of low carbon steel,OA段: 弹性变形 elastic deformation,ABC段: 屈服 yield,CDE段: 塑性变形 plastic deformation,E: 断裂 fracture,拉伸三个阶段,弹性变形阶段 0-p-e 弹塑性变形阶段 (屈服-强化-颈缩） e-s s-s s-b b-k 断裂 k,o,

3、Fs,拉力,b,k,s,s,p,e,伸长量mm,D l,Fb,拉伸曲线,力学性能,拉伸三个阶段,弹性变形阶段 0-p-e 弹塑性变形阶段 (屈服-强化-颈缩） e-s s-s s-b b-k 断裂 k,力学性能,o,s,MPa,b,k,s,s,p,e,e =D L/Lo,b,应力：试样单位面积上所承受的力 应变：试样单位长度上的伸长量,力学性能,强度的指标,材料所能承受的极限应力 = F / A,强度 Strength,屈服强度yield strength,抗拉强度tensile strength,Stress-strain curve of annealed low carbon steel

4、,1. 屈服强度 Yield Strength （p 表示比例极限； e 表示弹性极限,o,s,MPa,b,k,s,s,p,e,e =D l/Lo,b,屈服强度( s ) 指材料产生屈服时的最小应力,力学性能,2. 抗拉强度 (b ) Tensile Strength 指材料拉伸所能承受的最大应力,p 比例极限 e 弹性极限 s 屈服极限 b 强度极限,o,s,MPa,b,力学性能,应用与判断,W s 不发生塑变 W b 不发生断裂,力学性能,思考,有了强度指标，是否我们就可以成功的完成飞机的设计任务了呢？ 例如：设计飞机机翼时 W s 只弹变不塑变，是否就可以了呢,力学性能,3. 刚度与弹性

5、模量,刚度rigidity是指零件或构件抵抗弹性变形的能力,取决于材质与结构形状；材质方面取决于它的弹性模量,力学性能,弹性模量 modulus of elasticity,是指在比例极限(p )范围内，应力与应变之比。 E=s/e,力学性能,1.1.2 塑性 plasticity 在外力作用下材料产生永久变形而不被破坏的能力,断面收缩率()。即： A0-A1 y = 100 A0,伸长率() L1-L0 = 100 L0,力学性能,截面收缩率 Contraction ratio of area at fracture face,塑性 Plasticity,延伸率 Tensile elonga

6、tion,0,0,100,L L,L,d,注：试样分长短两种，同一材料的 5 10 。与试样的尺寸无关，、值越大，表示金属的塑性越好,力学性能,不直接用于工程设计,良好的塑性可以顺利地完成某些成型工艺，如翼肋、火焰筒的冷冲压及涡轮盘、涡轮轴的锻造等。 良好的塑性还可以在一定程度上保证零件的工作安全，在零件使用时万一超载，塑性变形引起的强化作用使零件不致于突然断裂。 过高地追求塑性，会降低材料的强度,应用,1.2 硬度 Hardness,材料抵抗表面划伤、磨损或局部塑性变形及破坏的能力,常用硬度测定方法: 硬物压入法 布氏硬度: Brinell Hardness (HB) 洛氏硬度:Rockwe

7、ll Hardness (HR,力学性能,1.2.1 布氏硬度(HB,硬物：球形压头(D = 10、5、2.5、2、1mm) 载荷：P ( kgf,P,D,h,d,HBS:普通淬火钢球 硬度值在450以下 HBW:硬质合金球 硬度值在450650 HBS(HBW)=,P,F,力学性能,布氏硬度 HB ( Brinell-hardness,布氏硬度,F载荷 （Force） A面积 （Area,特点： 压坑面积大，受材料不均匀度影响小，故测量误差小，硬度值准确、真实,布氏硬度(HB,1.2.2 洛氏硬度(HR,硬物： 顶角 120金钢石圆锥或直径为1.588mm淬火钢球,力学性能,洛氏硬度 HR

8、( Rockwell hardness,HR (Hardness Rockwell,载荷： 初载荷10kg并压入深度h1 主载荷(50kg或90kg 或140kg)使压入深度达h2 ； 卸除主载荷、保留初载荷， 压入深度减小为h3 。 洛氏硬度的计算深度值 h= h3 -h1。 HR =,硬物：顶角120金钢石圆锥(或1.588mm淬火钢球,K-h,0.002,洛氏硬度(HR,特点：测量简便迅速，直接读数，表面压痕小误差稍大，需多点测量取平均值,洛氏硬度(HR,几种常用洛氏硬度标度,1.2.3 维氏硬度(HV,压头：顶角为136的金刚石正四棱锥体 HV = 载荷P：分为六级 (5,10,20,

9、30,50,100Kg,P,F,特点：测量精度高，测量范围宽，应用广。不同载荷下维氏硬度可以相互比较,力学性能,维氏硬度 HV ( Vickers Hardness,硬度的应用: P.6,对于工具、模具和有耐磨性要求的零件的使用性能指标，(例如：高速钢车刀、铣刀、钻头等） 零件强度的估算，如对于低碳钢，也可采用硬度与强度换算表(见手册,力学性能,旧闻报道（I,北京日报消息：2001年 9月，中国民航一架客机起飞后感觉情况异常，随后在密云上空指定区域将所有航空煤油 放掉，然后降落,Why,力学性能,旧闻报道(II,北京电台消息：2002年 8月北京飞往莫斯科的俄罗斯航空公司的一架伊尔86客机，在

10、飞抵中蒙边境后，由于意外原因不得不返回北京，返回后，又由于重量原因，在北京首都机场上空盘旋了1小时 20分钟后，才重新降落北京首都机场,力学性能,力学性能,1.3 冲击韧性 Impact Toughness （力与速度，能量参数,大能量一次冲击试验,力学性能,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图 impact test,Ak=G(H-h) ak = (J/cm2,冲击,h,试样,摆锤,H,备注：P.6 金属材料的ak 不能直接用于零件的设计计算,冲击吸收功（AK）：冲断试样所消耗的功(J)冲击韧性（aK）：冲断试样横截面单位面积上所消耗的功(J/cm2,Ak,S,力学性能,冲击韧性ak,Ak

11、- Impact work ( J ) S - Area of fracture face（cm 2） Ak ak = (J/cm2) S,19世纪瓦特发明了蒸汽机，随后火车得到应用，再随后一段时间，火车轮轴成批断裂 考查结果： W s,历史事件,力学性能,1.4 疲劳断裂和疲劳强度,机械零件在交变载荷作用下，其工作应力远小于抗拉强度，甚至小于屈服强度时，在长时间工作后发生突然断裂的现象称为: 疲劳断裂,力学性能,机理： 缺陷处首先产生疲劳裂纹，并随应力循环不断扩展，直至突然断裂,疲劳断口图,力学性能,疲劳实验,试样,负荷,计数器,电机,轴承支座,力学性能,疲劳曲线是维勒Wohler在1860

12、年为解决火车车轴断裂失效时首先提出的，所以也称维勒曲线,一般钢铁的循环基数N取107 次，有色金属的循环基数N取108 次。材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度用-1 表示。钢材的-1 只有b 的50左右,力学性能,疲劳强度 fatigue strength 是指材料经无限多次应力循环仍不断裂时的最大应力。它表征了材料抵抗疲劳断裂的能力,采取改进设计(避免尖角连接、降低表面粗糙度值等) 采取表面强化工艺(表面淬火、化学热处理、喷丸、滚压等) 加强原材料和零件成品的内部缺陷检查也可减少或避免疲劳断裂,预防措施,1.5 高温力学性能 Thermal Properties,当约比温度T/Tm大于0.

13、5时为高温，反之为低温,蠕变 就是金属材料长时间的在一定温度、一定应力作用下，即使应力小于0.2 或 s ,也会缓慢地发生塑性变形的现象,典型的蠕变曲线分为三个阶段。 蠕变减速阶段。 稳态蠕变阶段。 蠕变加速阶段， 直至断裂,a,a,b,c,d,o,变形,第二阶段,第三阶段,第一 阶段,时间,温度压力恒定,力学性能,1.5.1 蠕变强度,蠕变强度 是指材料在高温长时载荷作用下抵抗塑性变形的能力。 (1)在规定时间内达到规定变形量的蠕变强度， 记为/ t 单位（MPa） 例如 0.2/1000 = 60MPa (2)稳态蠕变速度达到规定值时的蠕变强度，记为 T / v 单位（MPa） 例如 11

14、0 -5 = 60MPa,800,T,600,力学性能,1.5.2 持久强度,持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力。记为T / t 例如 1000 = 30MPa,700,力学性能,1.6 材料的物理及化学性能 P.9,1.6.1金属的物理Physical、 化学性能Chemical Properties,物理性能,轻金属： 密度小于5103kgm3的金属，如铝、镁、钛及它们的合金。 (多用于航天航空器上)重金属：密度大于5103kgm3的金属，如铁、铅、钨等,1. 金属的物理性能,1）密度单位体积物质的质量称为该物质的密度：=m/V,物理性能,2)熔点金属从固态向液态转变时的温

15、度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。易熔金属，如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等,物理性能,3)导热性导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是，单位是WmK。热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料,物理性能,4)导电性传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电阻率的单位是m。电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金

16、属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬)适于做电热元件,物理性能,5)热膨胀性热膨胀性用线膨胀系数aL和体胀系数 av来表示。由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响，以减少工件的变形和开裂,物理性能,6)磁性铁磁性材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等；顺磁性材料：在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等；抗磁性材料：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用如铜、锌等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电

17、磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770,物理性能,2.金属的抗蚀性,在周围介质的作用下， 使金属逐渐受到破坏的现象,化学性能,腐蚀,化学反应,腐蚀的原因 化学腐蚀 电化学腐蚀,化学性能,材料抵抗环境介质腐蚀的能力叫做 材料的抗蚀性,金属的抗蚀性,化学性能,1）化学腐蚀 金属与周围介质发生纯化学作用产生的腐蚀,金属在干燥气体中的腐蚀。如高温燃气对涡轮喷气式发动机零部件的腐蚀。 金属在非电解液中的腐蚀。 如飞机管路系统受汽油、滑油的腐蚀,特点：腐蚀过程中不产生电流。腐蚀速度慢、危害小,化学性能,条

18、件：必须有两相或两种电极电位不同的金属有电解液三者相互接触,i,2）电化学腐蚀指金属和周围介质发生电化学作用而产生的腐蚀,特点：伴有电流产生，腐蚀速度快，危害大,化学性能,1.6.2 高分子材料的物理、 化学性能 Properties of Polymers,非金属物理化学性能,1.绝缘性高聚物分子的化学键为共价键，不能电离，没有自由电子和可移动的离子，因此是良好的绝缘体，绝缘性能与陶瓷相当。另外，由于高聚物的分子细长、卷曲，在受到热和声的影响之后振动困难，所以对热、声也有良好的绝缘性能。例如，塑料的导热性就只有金属的百分之一以下,非金属物理化学性能,2.耐热性高聚物的耐热性是指它对温度升高时

19、性能明显降低的抵抗能力。塑料的耐热性常采用马丁耐热温度表达。将标准试样(120mm15mm10mm)置于马丁耐热仪中，施加一定的静弯应力(5MPa)，缓慢加热，使试样末端弯曲到指定大小(6mm)时的温度，即为该塑料的马丁耐热温度(,非金属物理化学性能,热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。常用热塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等，长期使用温度一般在100以下；热固性塑料如酚醛塑料的长期使用温度为130150；耐高温塑料如有机硅塑料等，可在200300使用。 同金属比较，高聚物的耐热性是较低的，这是高聚物的一大不足,非金属物理化学性能,3.耐蚀性高聚物的化学稳定性很高。它们耐水和无机试剂、耐酸和碱的

20、腐蚀。尤其是被誉为塑料王的聚四氟乙烯，不仅耐强酸、强碱等强腐蚀剂，甚至在沸腾的王水中也很稳定。耐蚀性好是塑料的优点之一,非金属物理化学性能,4.老化老化是指高聚物在长期使用和存放过程中，由于受各种因素的作用，性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程,非金属物理化学性能,1.6.3陶瓷(ceramics)的物理和化学性能1.热膨胀性能热膨胀是温度升高时物质原子振动振幅增大，原子间距增大所导致的体积长大现象。热膨胀系数的大小与晶体结构和结合键强度密切相关。键强度高的材料热膨胀系数低；结构较紧密的材料的热膨胀系数较大，所以陶瓷的线膨胀系数比高聚物低，比金属更低,非金属物理化学性能,2.导热性导热性为在一定温度梯度作用下热量在固体中的传导速率。陶瓷的热传导主要依靠原子的热振动，由于没有自由电子的传热作用，陶瓷的导热性比金属小。受其组成和结构的影响，一般导热系数A250W(mK)。陶瓷中的气孔对传热不利。所以，陶瓷多为