工程材料 零部件对材料性能的要求

1、01 01 零部件对材料性能的要求零部件对材料性能的要求 机械工程材料的类型及主要特征机械工程材料的类型及主要特征 零部件所受的各种负荷零部件所受的各种负荷 工程设计与加工处理所需的材料性能工程设计与加工处理所需的材料性能 1.1 1.1 零部件所受的各种负荷零部件所受的各种负荷 力学负荷力学负荷 l 静载荷：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲静载荷：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲 动载荷：交变载荷、冲击载荷动载荷：交变载荷、冲击载荷 l 引起零件的变形（弹性、塑性）甚至断裂。引起零件的变形（弹性、塑性）甚至断裂。 热负荷热负荷 尺寸精度下降；材料强度降低（持久强度）；高温蠕变；尺寸精度下降；材料强度

2、降低（持久强度）；高温蠕变； 氧化；热应力；热疲劳氧化；热应力；热疲劳 环境介质的作用环境介质的作用 l 腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀 l 摩擦磨损：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损摩擦磨损：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损 l 老化：高分子材料由于受环境因素作用而导致性能下降。老化：高分子材料由于受环境因素作用而导致性能下降。 2.2 2.2 工程设计与加工处理所需材料性能工程设计与加工处理所需材料性能 整机性能、零部件性能与材料性能的关系整机性能、零部件性能与材料性能的关系 l整机性能：机器构造（架构）、制造加工、零部件性能整机性能：

3、机器构造（架构）、制造加工、零部件性能 l零部件性能：结构、加工处理、材料性能、使用因素零部件性能：结构、加工处理、材料性能、使用因素 l机械设计时，主要根据零部件失效方式来正确选材及确机械设计时，主要根据零部件失效方式来正确选材及确 定零件形状尺寸。定零件形状尺寸。 2.2 2.2 材料性能材料性能 材材 料料 性性 能能 使用性能使用性能 力学性能力学性能：强度、塑性、刚度、弹性、强度、塑性、刚度、弹性、 硬度、冲击韧度、断裂韧度、疲劳极限、硬度、冲击韧度、断裂韧度、疲劳极限、 摩擦磨损、高温蠕变摩擦磨损、高温蠕变 工艺性能工艺性能：铸造、锻压、焊接、热处理、切削加工：铸造、锻压、焊接、热

4、处理、切削加工 理化性能理化性能：密度、熔点、热膨胀性、导密度、熔点、热膨胀性、导 电性、导热性、磁学性能、光学性能电性、导热性、磁学性能、光学性能 耐酸性、耐碱性、耐蚀性、抗氧化性耐酸性、耐碱性、耐蚀性、抗氧化性 材料工艺性能材料工艺性能 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称 为为变形变形。 l外力去除后能够恢复的变形称为外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。 l外力去除后不能恢复的变形称为外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 五万吨水五万吨水 压机压机 材料的力学性能材料的力学性能 低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变

5、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/F0 应变应变 = (l-l0)/l0 拉伸实验和应力应变曲线拉伸实验和应力应变曲线 拉伸实验和应力应变曲线拉伸实验和应力应变曲线 弹性和刚度弹性和刚度 弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即，即材材 料承受最大弹性变形时的应力料承受最大弹性变形时的应力。 刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性变形材料受力时抵抗弹性变形 的能力的能力。指标为弹性模量。指标为弹性模量E E。 e 弹性模量弹性模量的大小主要取决于材料的本性（的大小主要取决于材料的本性（成分成分），除随温度），除随温度 升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处

6、理、冷热加升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加 工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面 积或改变截面形状来提高零件的刚度。积或改变截面形状来提高零件的刚度。 MPaE tan 强度强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 l屈服强度屈服强度 s s：材料发生微量塑性变形时的应力值。材料发生微量塑性变形时的应力值。 l条件屈服强度条件屈服强度 p0.2 p0.2： ：残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的应力值。时的应力值。 l抗拉强度抗拉强度 b b：材料断裂前所承

7、受的最大应力值。材料断裂前所承受的最大应力值。 s 0.2 强度强度 1010 塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 伸长率：伸长率：%100 0 01 l ll 断面收缩率：断面收缩率： 断裂后断裂后 拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 塑性塑性 %100 0 10 F FF l 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真 实变形。实变形。 l 直径直径d d0 0 相同时， 相同时，l l0 0 ， 。只有当。只有当l l0 0/d/d0 0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。 当当l

8、 l0 0=10d=10d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示； 当当l l0 0=5d=5d0 0 时，伸长率用 时，伸长率用 5 5 表示。显然表示。显然 5 5 l 时，无颈缩，为时，无颈缩，为脆性材料脆性材料表征表征 时，有颈缩，为时，有颈缩，为塑性材料塑性材料表征表征 塑性塑性 材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形 的能力。的能力。 布氏硬度布氏硬度HBHB )( 2 102. 0 22 dDDD P HB 布氏硬度计布氏硬度计 硬度硬度 压头为钢球时，布氏硬度用符号压头为钢球时，布氏硬度用符号HBSHBS表示，适用于表示，适用于 布氏硬度值在布氏硬度值在4504

9、50以下的材料。以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号HBWHBW表示，适用于布表示，适用于布 氏硬度在氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。 l符号符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表示硬之前的数字表示硬 度值度值, , 符号后面的数字按顺序分符号后面的数字按顺序分 别表示球体直径、载荷及载荷保别表示球体直径、载荷及载荷保 持时间。持时间。 如如120HBS10/1000/30120HBS10/1000/30示直径为示直径为10mm10mm的钢球在的钢球在1000kgf1000kgf （9.807kN9.807kN）载荷作用下保持）载荷作用下保持30

10、s30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120120。 布氏硬度压痕布氏硬度压痕 硬度（布氏硬度）硬度（布氏硬度） 布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定测量误差小，数据稳定。 缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还 硬的材料。硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢适于测量退火、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。 材料的材料的 b b与与HBHB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: : b b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b b(MPa

11、)(MPa)3.4HB3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或 b b(MPa)(MPa) 0.6(HB-40) 0.6(HB-40) HB b(MPa) 钢钢 黄铜黄铜 球墨铸铁球墨铸铁 硬度（布氏硬度）硬度（布氏硬度） h1-h0 洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计洛氏硬度计 洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HRHR表示，表示，HR=HR=k k-(-(h h1 1- -h h0 0)/0.002)/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺， 常用的标尺为常用的标尺为A A、B B、C C。 硬

12、度（洛氏硬度）硬度（洛氏硬度） 符号符号HRHR前面的数字为前面的数字为硬度值硬度值，后面为使用的，后面为使用的标尺标尺。 lHRAHRA用于测量用于测量高硬度材料高硬度材料, , 如硬质如硬质 合金、表淬层和渗碳层。合金、表淬层和渗碳层。 lHRBHRB用于测量用于测量低硬度材料低硬度材料, , 如有色如有色 金属和退火、正火钢等。金属和退火、正火钢等。 lHRCHRC用于测量用于测量中等硬度材料中等硬度材料，如调，如调 质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。 l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕操作简便，压痕 小，适用范围广。小，适用范围广。 l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果

13、分散度大。 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 硬度（洛氏硬度）硬度（洛氏硬度） 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 硬度（维式硬度）硬度（维式硬度） 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示，符号前的数字为硬度值，后面的表示，符号前的数字为硬度值，后面的 数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试维氏硬度试 验验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 维氏

14、硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度小负荷维氏硬度 计计 显微维氏硬度计显微维氏硬度计 硬度（维式硬度）硬度（维式硬度） 是指材料抵抗冲击载荷是指材料抵抗冲击载荷 作用而不破坏的能力。作用而不破坏的能力。 l 指标为冲击韧性指标为冲击韧性 值值a ak k( (通过冲击通过冲击 实验测得实验测得) )。 冲击韧性冲击韧性 2020 韧脆转变温度韧脆转变温度(BDTT) 材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围 内冲击韧性值急剧下降的现象称内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变韧脆转变。发

15、生韧脆。发生韧脆 转变的温度范围称转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度温度。材料的使用温度应。材料的使用温度应 高于韧脆转变温度。高于韧脆转变温度。 韧 体心立方金属具有体心立方金属具有 韧脆转变温度，而韧脆转变温度，而 大多数面心立方金大多数面心立方金 属没有。属没有。 冲击韧性冲击韧性 TITANICTITANIC的沉没与的沉没与 船体材料的质量直船体材料的质量直 接有关接有关 冲击韧性冲击韧性 Titanic Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果 疲劳现象疲劳现象 24 疲劳的特点 （1）断裂应力b b，甚至

16、s s； （2）出现脆性断裂； （3）对材料的缺陷（缺口、裂纹和组织缺陷） 十分敏感； （4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展， 断裂； （5）存在破坏的临界应力ac； （6）破坏数据的分散性很大。 疲劳特点疲劳特点 通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面 光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。 轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片） 疲劳断口疲劳断口 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力 称

17、为称为疲劳极限疲劳极限。用。用 -1 -1表示。 表示。 钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为10107 7，有色金属合金为，有色金属合金为10108 8。 疲劳应力示意图疲劳应力示意图 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 疲劳极限疲劳极限 油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导 弹发动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与 材料中存在缺陷有关材料中存在缺陷有关 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂 北极星导北极星导 弹弹 裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式 断裂韧性断裂韧性 断裂韧性断裂韧性 l 应力强度因子应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的：描述裂纹尖端附近应力场强度的 指标。指标

18、。 aYK I l断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内材料抵抗内 部裂纹失稳扩展的能力。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 为临界 裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为 CCIC aYK 2/3 mMN 2/1 mMPa或或 高温力学性能高温力学性能 高温力学性能特点高温力学性能特点 金属材料：随着金属材料：随着 温度温度 T 的升高的升高- 强度降低。强度降低。 不同温度静拉伸试验发现，不同温度静拉伸试验发现，随试验温度升高，屈服平台随试验温度升高，屈服平台 消失消失，而且，而且材料所能承受的最大载荷也降低材料所能承受的最大载荷也降低。 塑性增大塑性增大 高

19、温蠕变高温蠕变/ /蠕变极限蠕变极限 蠕变（蠕变（Creep） 材料在材料在长时间长时间的的恒温恒温、恒载荷恒载荷作用下作用下缓慢缓慢 地产生地产生塑性变形塑性变形的现象。的现象。 蠕变极限：蠕变极限：反映长期载荷反映长期载荷 作用下的材料对高温蠕作用下的材料对高温蠕 变变形的抗力变变形的抗力 导电性导电性 材料的理化性能材料的理化性能 熔点熔点 热膨胀性热膨胀性 密度密度 汽车仪表板前部件汽车仪表板前部件 镁合金，减重镁合金，减重68% 导热性导热性 磁学性能磁学性能 光学性能光学性能 材料的理化性能材料的理化性能 海水腐蚀海水腐蚀 氧化破坏氧化破坏 Ti-Al多孔材料多孔材料 熔蚀熔蚀-磨

20、损磨损 材料的工艺性能材料的工艺性能( (铸造性铸造性) ) 材料在铸造成形过程中获得材料在铸造成形过程中获得形状准确、内部健全铸件形状准确、内部健全铸件的能的能 力称为材料的力称为材料的铸造性能铸造性能。 金属的铸造性能主要用金属的铸造性能主要用流动性流动性、收缩性收缩性、吸气性吸气性、偏析倾偏析倾 向向等来衡量。灰铸铁和青铜具有较好的铸造性能。等来衡量。灰铸铁和青铜具有较好的铸造性能。 用于测试合金流动性的一些方式用于测试合金流动性的一些方式 材料的工艺性能材料的工艺性能( (可锻性可锻性) ) 金属材料的金属材料的锻压性能（可锻性）锻压性能（可锻性）是指金属是指金属经受塑性变形而经受塑性

21、变形而 不开裂的能力不开裂的能力。 锻压性能的优劣常用金属材料的锻压性能的优劣常用金属材料的塑性塑性和和变形抗力变形抗力来综合衡来综合衡 量。量。塑性越好，变形抗力越小，则可锻性越好。塑性越好，变形抗力越小，则可锻性越好。 影响因素：影响因素：内在因素（成分、组织）、加工条件（速度、内在因素（成分、组织）、加工条件（速度、 温度）、应力状态（压应力状态）。温度）、应力状态（压应力状态）。 3030 材料的工艺性能材料的工艺性能( (焊接性焊接性) ) 焊接性是指材料可以在限定的施工条件下焊接性是指材料可以在限定的施工条件下焊接成焊接成 满足设计要求的构件满足设计要求的构件，并，并达到预定工作要

22、求达到预定工作要求的能的能 力。力。 常见焊接缺陷常见焊接缺陷 未焊透未焊透 材料的工艺性能材料的工艺性能( (切削加工性切削加工性) ) 切削加工性是指材料被刀具切削加工性是指材料被刀具切削加工而成为合格切削加工而成为合格 工件的难易程度工件的难易程度。 通过适当的热处理，可以改善切削加工性。通过适当的热处理，可以改善切削加工性。 材料的工艺性能材料的工艺性能( (热处理工艺性热处理工艺性) ) 热处理工艺性是指材料热处理工艺性是指材料接受热处理的难易程度和接受热处理的难易程度和 产生热处理缺陷的倾向产生热处理缺陷的倾向。 常用评价指标包括：常用评价指标包括：淬透性、淬硬性、回火脆性、淬透性、淬硬性、回火脆性、 氧化脱碳倾向、变形开裂倾向氧化脱碳倾向、变形开裂倾向。 M量和硬度随深度的变化量和硬度随深度的变化 2.3 2.3 机械工程材料的类型及主要特征机械工程材料的类型及主要特征 机机 械械 工工 程程 材材 料料 金属材料金属材料 高分子材料高分子材料 陶瓷材料陶瓷材料 复合材料复合材料 钢铁金属：铸铁、碳钢、合金钢钢铁金