第二章 材料主要性能

1、 挑战者号爆炸事故挑战者号爆炸事故 55亿亿 1986年1月28日，“挑战者”号航天飞机在升空后73秒之后发生爆炸坠毁，起因只是由于一个小密封圈出现故障，造成液态氢泄漏，最终引发大爆炸 该航天飞机的造价为45亿美元，在用于事故调查、错误纠正、损失装置更换的费用也花费了10亿美元使用性能： 材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能： 材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。第第2 2章章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 当外力去除后能够恢复原来形状的性能称为弹性，外力去除后能

2、够恢复的变形为弹性变形。 在外力作用下，产生永久变形而不至引起断裂的性能，称为塑性，在外力去除后保留下来的这部分不能恢复的变形，称为塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机2.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 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)/l01、拉伸试验与应力应变曲线拉伸试验与应力应变曲线2.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 2 2、弹性、刚度与强度、弹性、刚度与强度（1）弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。 在应力应变曲线中，在应力应变曲线中，OA段为弹性变形阶段，段为弹性变形阶

3、段，A点所对应的点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力，称为弹性极限，用应力为材料承受最大弹性变形时的应力，称为弹性极限，用 e表示。其中，表示。其中，OA部分为斜直线，应力应变成比例关系，部分为斜直线，应力应变成比例关系，A点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限，用极限，用 p表示。对大多数材料来讲，表示。对大多数材料来讲，A、A几乎重合，故一几乎重合，故一般不做区分。般不做区分。2.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，同一种材弹性模量的大小主要取决于材料的本性，

4、同一种材料的弹性模量料的弹性模量E E基本一样，但相同材料的两个不同零基本一样，但相同材料的两个不同零件，其刚度不同，可以通过增加横截面积或改变截面件，其刚度不同，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。形状来提高零件的刚度。 （2）刚度：材料受材料受力时抵抗弹性变形力时抵抗弹性变形的能力。的能力。指标为弹指标为弹性模量性模量E。2.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 （3）强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。（a）屈服强度sBC段，发生塑性变形而应力不增加，这种现象叫做屈服。B点对应的应力称为屈服强度，用s表示。有的材料的屈服强度不明显，规定使用条件屈服

5、强度0.2（残余变形量为0.2%时的应力值）来标定。0.2 屈服强度反映材料抵抗永久变形的能屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力，是最重要的零件设计指标。力，是最重要的零件设计指标。2.1.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 （b）抗拉强度b ：材料断裂前所承受的最大应力值。 CD段为均匀塑性变形阶段，应力随着应变增加而增加，产生应变强化。超过D点后，试样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩，随应变增加应力明显下降，并在E点迅速断裂。D点所对应的应力为抗拉强度b。l抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计的材料评价的重要指标。件设计

6、的材料评价的重要指标。2.1.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为： 伸长率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象3、塑性、塑性2.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 说明：说明： 用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5 时，无颈缩，为脆性材料表征， 时，有颈缩，为塑性材料表征。2.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力

7、学性能 4、硬度、硬度 材料抵抗更硬物体压入其表面（产生局部塑性变形）的能力，是衡量材料软硬程度的指标。（1 1）布氏硬度）布氏硬度HBHB布氏硬度计布氏硬度计2.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 （载荷除以压痕表面积的值）（1） HBS（HB）：）：压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值在450以下的材料。（2） HBW：压头为硬质合金球，适用于布氏硬度在650以下的材料。 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值, 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。 例如：例如： 120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN

8、）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕布氏硬度的表示方法与测试范围：布氏硬度的表示方法与测试范围：2.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适应于：测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。 材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁： b(MPa)1HB 或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁2.1 静载下金属材料的力学性

9、能静载下金属材料的力学性能 布氏硬度的特点与应用：布氏硬度的特点与应用：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（2 2）洛氏硬度）洛氏硬度 洛氏硬度符号HR表示，测量：顶角120金刚石圆锥压头，使一定压力，压入被测材料，据压痕深度度量材料软硬，压痕越深，硬度越低。范围20-67，每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。 根据压头类型和主载荷不同，分为用九个标尺，常用的标尺为A、B、C。 2.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量

10、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。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如有色如有色金属和退火、正火钢等。金属和退火、正火钢等。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2.1 静载下金属材料的力学性能静载下金属材料的力学性能 （3 3）维氏硬度）维氏硬度HV:HV: 采用锥面夹角136金刚石四

11、棱锥体压头,卸载后得一对角线长d的四方锥形压痕,载荷除以压痕表面积的值为维氏硬度,单位MPa。P136d维氏硬度用于测量极软到极硬的薄片金属材料几种硬度之间的相互换算关系：几种硬度之间的相互换算关系：1HBS10HRC, 1HBS1HV维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度计维氏硬度计特别提示 零(构)件服役的环境是多种多样的，对于工程上的零部件绝大多数是承受动载荷的作用，如汽车发动机里的连杆、曲轴等部件就是这种情况。因此。研究材料的动载力学性能才能接近实际情况。以便为解决实际工程问题提供了更适合的评价方法。 1、冲击韧性、冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。是指材料抵抗冲击载

12、荷作用而不破坏的能力。l指标为：冲指标为：冲击韧性值击韧性值ak(通过冲击通过冲击实验测得实验测得)。2.2 动载和高温下金属材料的力学性能动载和高温下金属材料的力学性能 冲击试验测定原理冲击试验测定原理 1、冲击韧性、冲击韧性2.2 动载和高温下金属材料的力学性能动载和高温下金属材料的力学性能 l冲击韧性值冲击韧性值ak=(GH1-GH2)/F9.8（J/cm ）2 即试样缺口处单位面积上所吸收的冲击功。 ak 值与材料、温度、缺口形状、试样大小有关，对组织缺陷很敏感，用来检验冶炼、热加工等的工艺质量的有效方法。 在实际中，零件经过一次冲击即发生断裂的情况极少。许多零件总是在很多次冲击之后才

13、会断裂，且所承受的冲击能量也远小于一次冲断的能量。这种冲击称做多次冲击。 大能量一次冲击时，其冲击抗力主要取决于塑性；而小能量多次冲击时，其多冲抗力则主要取决于强度。 2、疲劳强度、疲劳强度（1 1）疲劳断裂：）疲劳断裂：材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。（2 2）疲劳曲线：）疲劳曲线：材料所承受的交变应力与其断裂前的应力循环次数N的关系图。(3(3）疲劳极限）疲劳极限-1 ：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为疲劳极限。 随材料承受的交变应力值的下降，其断裂时应力循环次数N值增加。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为疲劳极限。对称循环交变的疲劳极

14、限用-1表示。钢铁材料规定次数为10，有色金属合金为10。782.2 动载和高温下金属材料的力学性能动载和高温下金属材料的力学性能 1-疲劳源、2-疲劳裂纹扩展区和3-瞬时断裂区 疲劳断口示意图疲劳断口示意图 金属的疲劳极限受到很多因素的影响，主要有： 工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。 提高零件的疲劳极限的方法： 改善零件的结构形状，避免应力集中，降低零件表面粗糙度值以及采取各种表面强化的方法。2.2 动载和高温下金属材料的力学性能动载和高温下金属材料的力学性能 特别提示零(构)件服役的环境是多种多样的，如有的零件在高温下工作，有的零件在低温下工作，那么在室温下测定的性能指标就不能代表

15、它在高温或低温下的性能。屈服强度与抗拉强度与温度有很大关系，一般温度升高，材料弹性模量E、强度（ s ）降低，塑性提高，并会产生蠕变。2.2 动载和高温下金属材料的力学性能动载和高温下金属材料的力学性能 3、蠕变、蠕变 蠕变蠕变是指材料在长时间的恒温（高温）、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。 由于蠕变变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂蠕变断裂 。2.3 金属材料的物理、化学和工艺性能金属材料的物理、化学和工艺性能1、物理性能：主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。 飞机零件常选密度小的铝、镁、钛合金来制造。设计电器考虑金属材料导电性。设计日用品-材料热成型性。2、化学性能:指其在常温或高温时，抵抗抵抗各种活性介质活性介质侵蚀侵蚀的能力。如耐酸、耐碱性、抗氧化性等。 如化工设备、医疗用具可用不锈钢；内燃机排气阀和电站设备的零件可