工程材料-材料的性能-R

1、金属材料的性能 材料的性能材料的性能 使用性能 力学 性能 物理 性能 化学 性能 工艺性能 铸造锻造焊接 热处 理 切削 加工 n使用性能：材料制成零件和构件后在保证正常工作及一定使使用性能：材料制成零件和构件后在保证正常工作及一定使 用寿命应具备的能力。包括力学性能、物理性能和化学性能。用寿命应具备的能力。包括力学性能、物理性能和化学性能。 n工艺性能：材料工艺性能：材料在加工成零件或构件过程中材料适应加工的在加工成零件或构件过程中材料适应加工的 能力。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。能力。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。 什么是材料的性能？什么是材料的性能？ 性能是材

2、料与工程联系的纽带性能是材料与工程联系的纽带 定义定义：指材料在外载作用下所表现出的性能，也叫机械性能。指材料在外载作用下所表现出的性能，也叫机械性能。 l 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称 为变形。 l 外力卸载后能够恢复的变形称为弹性变形。 l 外力卸载后不能恢复的变形称为塑性变形。 材料的力学性能材料的力学性能变形变形 低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线 拉伸试样拉伸试样 拉伸试验机拉伸试验机 应力应力 = P/S0 应变应变 = (l1-l0)/l0 一一 、材料、材料的力学性能（机械性能）的力学性能（机械性能） 2 . 0 s 屈服强度屈服强度 抗拉强度抗拉强度

3、 断裂点断裂点 0 S Fb b 0 S Fs s 屈服极限（屈服强度、屈服应力） 材料抵抗外力作用开始产生 明显塑性变形的最低应力 强度极限、抗拉强度 材料抵抗外力作用不致断裂的最大应力 1 1、强度、强度材料在载荷作用下抵抗变形或断裂的能力 条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：残余变形量为0.2%时的 应力值。0.2 材料的力学性能材料的力学性能 弹性和刚度弹性和刚度 弹性：指标为弹性极限，即材 料承受最大弹性变形时的应力。 刚度：材料受力时抵抗弹性变 形的能力。指标为弹性模量E。 EtgMPa （） %100 0 01 l ll %100 0 10 S SS 断面收缩率断面收缩率 延

4、伸率延伸率 材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力 2 2、塑性、塑性 5%脆性材料脆性材料 5%塑性材料塑性材料 韧性脆性 S A a K k 材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力 () k AM Hh g冲击功：冲击功：冲击韧性：冲击韧性：（单位面积冲击功） 3 3、韧性韧性 （1 1）冲击韧性）冲击韧性 H 摆锤试验机 1)1)摆锤式一次冲击实验。摆锤式一次冲击实验。 冲击韧性 1)1)摆锤式一次冲击实验摆锤式一次冲击实验 使用不同类型的试样使用不同类型的试样(U(U形缺口或形缺口或 V V形缺口形缺口) )，其冲击吸收功分别为，其冲击吸收功分别为 A AKU KU或 或A AKV

5、 KV，冲击韧度则分别为 ，冲击韧度则分别为 a aKU KU 或 或a aKV KV。 。 带有双冲点的锤头以一定的频率冲带有双冲点的锤头以一定的频率冲 击式样，直至冲断。击式样，直至冲断。 指标：某种冲击吸收功作用下开始指标：某种冲击吸收功作用下开始 出现裂纹和最后断裂的冲击次数。出现裂纹和最后断裂的冲击次数。 落锤试验 冲击功对于检查金属材料在不冲击功对于检查金属材料在不 同温度下的脆性转化最为敏感。同温度下的脆性转化最为敏感。 实际服役条件下的灾难性破断实际服役条件下的灾难性破断 事故，往往与材料的冲击功及事故，往往与材料的冲击功及 服役温度有关。服役温度有关。 冲击韧性 Titani

6、c 近代船用钢板近代船用钢板 （2 2）断裂韧性）断裂韧性低应力脆断低应力脆断 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂 北极星导弹北极星导弹 裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式 油轮断裂和北极星导弹发油轮断裂和北极星导弹发 动机壳体爆炸与材料中存动机壳体爆炸与材料中存 在缺陷有关在缺陷有关 应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。 aYKI ICCC KYa 断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。 C C为断裂应力，为断裂应力，a aC C为临界裂纹半长，为临界裂纹半长， 单位为单

7、位为 Y 裂纹形状系数裂纹形状系数, a 裂纹半长裂纹半长 K1c 抵抗裂纹失稳扩展能力的指标。抵抗裂纹失稳扩展能力的指标。 2/32/1 /,mMNmMPa 5 5、疲劳强度、疲劳强度 疲劳寿命疲劳寿命 材料发生疲劳破坏时的应力循环次材料发生疲劳破坏时的应力循环次 数，或从开始受载到发生断裂所经数，或从开始受载到发生断裂所经 过的时间称为该材料的疲劳寿命。过的时间称为该材料的疲劳寿命。 疲劳疲劳 材料在交变载荷作用下，经过较材料在交变载荷作用下，经过较 长时间工作而发生断裂的现象长时间工作而发生断裂的现象 （80%80%的断裂由疲劳造成）的断裂由疲劳造成） l 疲劳破坏特征 突然性，破坏前没

8、有明显的宏观塑性变形，属于脆 性断裂 断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹 源、裂纹扩展区和断裂区 对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感 旋转弯曲疲劳试验旋转弯曲疲劳试验 轴向拉压疲劳试验机轴向拉压疲劳试验机 l疲劳试验疲劳试验 (1)(1)疲劳曲线和疲劳强度疲劳曲线和疲劳强度 材料在规定次数应力循环材料在规定次数应力循环后仍后仍不发生断不发生断 裂时的最大应裂时的最大应 力力称为疲劳强度。用称为疲劳强度。用 -1 -1 表示。表示。 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。 (2) (2) 提高零件抗疲劳的方法提高零件抗疲劳的方法 可通过合理的选材，细化晶粒、减少材料

9、和零件的缺陷可通过合理的选材，细化晶粒、减少材料和零件的缺陷； 改善零件改善零件的结构设计，避免应力集中，减少零件的表面粗糙度的结构设计，避免应力集中，减少零件的表面粗糙度； 对零件对零件表面进行强化处理。表面进行强化处理。 4 4、疲劳强度疲劳强度 p 弹性与刚度弹性与刚度: 抗变形能力 刚性大的物体在大载荷下变形小 柔性大的物体在小载荷下变形大 p 强度与塑性强度与塑性: 抗失效的能力 强度大的物体能承受巨大的载荷不失效 强度小的物体在很小的载荷下会失效 p 韧性韧性: 耗散能 韧性大的物体在失效前可以吸收大量的能量 脆性物体失效前只能吸收很少的能量 三个关键的材料力学性能变量三个关键的材

10、料力学性能变量 材料的力学性能材料的力学性能 HB3000布氏硬度计 材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力。 或：抵抗硬物体压入其表面的能力、抵抗局部 变形的能力 5、硬度硬度 布氏硬度试验原理图 布氏硬度值试验力/压痕球冠表面积。 布氏硬度记法：200HBS10/1000/30:表示直径为10mm的钢球在1000kgf （9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为200。 布氏硬度的优点：被测面积大，测量布氏硬度的优点：被测面积大，测量 误差小，数据稳定。不适于太薄、太误差小，数据稳定。不适于太薄、太 硬物体。与强度存在一定的经验关系。硬物体。与强度存在一定的经验关系。 缺点：压

11、痕大，不能用于太薄件、成缺点：压痕大，不能用于太薄件、成 品件；不能测高硬度材料。品件；不能测高硬度材料。 l 压头为钢球时，压头为钢球时，布氏硬度用符号布氏硬度用符号HBSHBS表示，适用于布氏硬表示，适用于布氏硬 度值在度值在450450以下的材料。以下的材料。 l压头为硬质合金球时，压头为硬质合金球时，用符号用符号HBWHBW表示，适用于布氏硬度表示，适用于布氏硬度 在在650650以下的材料。以下的材料。 布氏硬度压痕布氏硬度压痕 适测量适测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢, ,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。 洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示。根据压头类型和主载

12、荷不同，表示。根据压头类型和主载荷不同， 分为九个标尺，常用的标尺为分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。 洛氏硬度计 l洛氏硬度计算公式洛氏硬度计算公式HR=（K-H）/C便可以计算出洛氏硬度。压痕越浅，便可以计算出洛氏硬度。压痕越浅，HR值值 越大，材料硬度越高。越大，材料硬度越高。 lK为常数，金刚石压头时为常数，金刚石压头时K=0.2MM，淬火钢球压头时，淬火钢球压头时K=0.26MM；H为主载菏为主载菏 解除后试件的压痕深度；解除后试件的压痕深度；C也为常数，一般情况下也为常数，一般情况下C=0.002MM。 HRA 试验载荷试验载荷588.4N（60KG-F）使用顶角为）使用顶角为

13、120度度 的金刚石圆锥压头试压；的金刚石圆锥压头试压； HRB 表示试验载荷表示试验载荷980.7N（100KG-F）使用直径）使用直径 1.59MM的淬火钢球试压；的淬火钢球试压； HRC 表示试验载荷表示试验载荷1471.1N（150KG-F）使用顶角为）使用顶角为 120度的金刚石圆锥头试压。度的金刚石圆锥头试压。 lHRC适用范围适用范围HRC 2067，相当于，相当于HB225650。若硬度高于此范围则用洛式硬度。若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺标尺 HRA。 若硬度低于此范围则用洛式硬度若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺标尺HRB。 l通用通用HRC来表示刀锋硬度，比如来表示刀

14、锋硬度，比如HRC60，即代表在试验载荷为，即代表在试验载荷为1471.1N、使用顶角为、使用顶角为120度度 的金刚石圆锥压头时，被试材料的压痕深度为的金刚石圆锥压头时，被试材料的压痕深度为0.08MM。 l硬度越高，抗磨损能力越高，但脆性也越大。硬度最高不超过硬度越高，抗磨损能力越高，但脆性也越大。硬度最高不超过60HRC。 通常一把好刀的刀通常一把好刀的刀 刃硬度应在洛氏硬度刃硬度应在洛氏硬度50HRC以上，以上，60HRC以下。以下。 lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如硬质合如硬质合 金、表淬层和渗碳层金、表淬层和渗碳层。 lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,

15、 如有色金如有色金 属和退火属和退火、正火钢等。正火钢等。 lHRC用于测量中等硬度材料，如调用于测量中等硬度材料，如调 质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。 l洛氏硬度法的洛氏硬度法的优点：优点：操作简便、迅速、操作简便、迅速、 适用范围广（软硬材料均适用）适用范围广（软硬材料均适用） 。 l缺点缺点：测量精度较差，波动较大。测量精度较差，波动较大。 钢球压头与钢球压头与 金刚石压头金刚石压头 洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕 维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示表示 适用范围：适用范围： 表面硬化层表面硬化层 金属镀层金

16、属镀层 薄片金属薄片金属 特点：特点： 压痕浅、适用范围广，标尺压痕浅、适用范围广，标尺统一统一 适用范围： 金相显微组织中相、薄、脆硬件 特点： 载荷小(小于1KG)、压痕极小 各种硬度值各种硬度值之间理论上是之间理论上是不存在换算公式的不存在换算公式的。 有些有些经验性的公式，只是实验试验数据平均值和近似值的换经验性的公式，只是实验试验数据平均值和近似值的换 算公式而已，但有一定的参考价值。算公式而已，但有一定的参考价值。 HB HB和和HVHV关系关系 当当HB400HB400时，时，HBHVHBHV； 当当HB400HB400时，时，HBHVHBHV HB HB和和HRHR关系关系 HVHV和和HRCHRC关系关系 1 1、物理性能、物理性能 材料受环境介质的化学、电化学作用而引起的变质 或破环现象，分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 能够加速化学反应，且在反应前后材料自身不被消耗。 抗氧化性、抗渗入性、高分子材料的老化等 2 2、化学性能、化学性能 金属锈蚀塑料老化断裂 车、钳、铣、刨、磨车、钳、铣、刨、磨材料的切削材料的切削 铸造、拉拔、挤压、锻造、冲压铸造、拉拔、挤压、锻造、冲压材料的材料的成型成型 合金化、热处理合金化、热处理材料的改性材料的改性