Ch材料的性能及应用意义实用实用教案

1、1.1 材料性能材料性能(xngnng)依据依据 材料的性能材料的性能(xngnng)是用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为。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(xngnng)。此时的。此时的“结构结构”包含四个层次：包含四个层次： 1. 原子结构原子结构 2. 结合键结合键 3. 原子排列方式原子排列方式 4. 组织组织注意：（注意：（1）结构不敏感性能）结构不敏感性能(xngnng)：E、Tm等。等。 （2）结构

2、敏感性能）结构敏感性能(xngnng)：强度、塑性、韧性等。：强度、塑性、韧性等。第1页/共51页第一页，共52页。1.2 材料材料(cilio)的使的使用性能用性能一、力学性能一、力学性能二、物理性能二、物理性能三、化学三、化学(huxu)性能性能第2页/共51页第二页，共52页。一、力学性能一、力学性能（一）强度（一）强度 （二）刚度（二）刚度 （三）弹性（三）弹性 （四）塑性（四）塑性（五）硬度（五）硬度 （六）韧性（六）韧性(rn xn)（七）疲劳性能（七）疲劳性能 （八）耐磨性（八）耐磨性 1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第3页/共51页第三页，共52页。一、力学性

3、能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能 （a）拉伸）拉伸 （b）压缩）压缩(y su) （c）弯曲）弯曲 （d）剪切）剪切 （e）扭转）扭转第4页/共51页第四页，共52页。（一）强度（一）强度 - 材料在外力作用下对变形材料在外力作用下对变形(bin xng)与断裂的抵抗能力。与断裂的抵抗能力。1. 比例极限比例极限(jxin) p2. 弹性极限弹性极限(jxin) e 3. 屈服强度屈服强度 s 4. 抗拉强度抗拉强度 b（新国标中（新国标中用用Rm表示）表示）一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能低碳钢拉伸低碳钢拉伸flash

4、演示演示1低碳钢拉伸低碳钢拉伸flash演示演示2拉伸实验视频拉伸实验视频 屈强比（屈强比（ s /b ），其值一般在），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，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。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。 第5页/共51页第五页，共52页。比强度比强度材料材料(cilio)的强度与密度之比。的强度与密度之比。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能名称名称密度密度（g/cm3）强度强度（MPa）

5、比强度比强度纯铝纯铝2.7801003037纯铁纯铁7.871802802336纯钛纯钛4.540550090111第6页/共51页第六页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能拉伸拉伸(l shn)试样的颈缩现象试样的颈缩现象第7页/共51页第七页，共52页。（二）刚度（二）刚度(n d)材料对弹性变形的抵抗能力。材料对弹性变形的抵抗能力。E = /一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能 如果说强度保证如果说强度保证(bozhng)了材料不发生过量塑性变形甚至断裂的话，了材料不发生过量塑性变形甚至断裂的话，刚度

6、则保刚度则保证了材料不发生过量弹性变形。证了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，即实际工件的刚度首先取决于其材料的弹性模量，即E注意：注意：1.对于金属材料而言，其弹性模量对于金属材料而言，其弹性模量E主要取决于基体金属的性质。当基体金属确定时主要取决于基体金属的性质。当基体金属确定时, 难以通过合金化、热处理、冷加工等方法使之改变，即难以通过合金化、热处理、冷加工等方法使之改变，即 E 是结构不敏感性参数是结构不敏感性参数。2.陶瓷材料、陶瓷材料、 高分子材料、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，复合材料的弹性模量对其成分和组织结构是敏

7、感的， 可以通过不同的方法使其改变。可以通过不同的方法使其改变。第8页/共51页第八页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第9页/共51页第九页，共52页。（三）弹性（三）弹性在外力作用下材料在外力作用下材料(cilio)发生弹性行为的综合性能发生弹性行为的综合性能指标。指标。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能 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即恢复(huf)。 对于易受振动且要求消振的零件，如机床床身和

8、汽轮机叶片，要求材料具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，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。选材时应予注意。第10页/共51页第十页，共52页。（四）塑性（四）塑性在外力作用下材料产生塑性变形而不破坏在外力作用下材料产生塑性变形而不破坏(phui)的能力，的能力， 即材料断裂前即材料断裂前的塑性变形能力。的塑性变形能

9、力。1 . 伸 长 率 ， 以伸 长 率 ， 以 表 示表 示(biosh)一、力学性能一、力学性能%lll100001%100010AAA1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能2. 断面收缩率，以断面收缩率，以表示表示（新国标中用（新国标中用Z表示）表示）第11页/共51页第十一页，共52页。（五）硬度（五）硬度材料材料(cilio)表面局部区域内抵抗变形或破裂表面局部区域内抵抗变形或破裂的能力。的能力。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能硬度试验的优点：硬度试验的优点：1. 硬度试验设备简单，操作迅速方便。硬度试验设备简单，操作迅速方便。2

10、. 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。零件。3. 硬度与强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，可按硬度估算硬度与强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，可按硬度估算( sun)强度而免做复杂的强度而免做复杂的拉伸实验。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。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

11、检验原材料和控制冷热加工质量。量。第12页/共51页第十二页，共52页。一、力学性能一、力学性能1. 布氏硬度布氏硬度 GB231-19842. 洛氏硬度洛氏硬度 GB230-19913. 维氏硬度维氏硬度 GB4342-19841.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能硬度硬度(yngd)测试测试方法：方法：1.载荷大小载荷大小2.压头尺寸压头尺寸(ch cun)3.加载及保压时间加载及保压时间 硬度测试三要素：硬度测试三要素：第13页/共51页第十三页，共52页。1. 布氏硬度（布氏硬度（HB） GB231-1984 HB = F/S HBS 淬火淬火(cu hu)钢球钢球 （45

12、0HB)（新国标中（新国标中HBS已取消）已取消） HBW 硬质合金球（硬质合金球（650HB)1）误差小，重复性好。）误差小，重复性好。2）压痕面积大，不适合成品）压痕面积大，不适合成品(chngpn)检检验。验。3）与强度）与强度b之间存在近似的换算：之间存在近似的换算： b 0.36HB一、力学性能一、力学性能布氏硬度计布氏硬度计1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第14页/共51页第十四页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第15页/共51页第十五页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性

13、能的使用性能第16页/共51页第十六页，共52页。2. 洛氏硬度（洛氏硬度（HR） GB230 -1991一、力学性能一、力学性能洛氏硬度计洛氏硬度计1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能HR = (0.2 - h) / 0.002 (mm)， 其中其中(qzhng) h = h1 - h0第17页/共51页第十七页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第18页/共51页第十八页，共52页。洛氏硬度的种类及应用洛氏硬度的种类及应用(yngyng)：（1）HRA（金刚石圆锥）（金刚石圆锥） 高硬度表面、硬质合金高硬度表面、硬质合金（2）

14、HRB（淬火钢球）（淬火钢球） 未淬火钢、灰铸铁、有色金属未淬火钢、灰铸铁、有色金属（3）HRC（金刚石圆锥）（金刚石圆锥） 淬硬钢、调质钢淬硬钢、调质钢 洛氏硬度共洛氏硬度共15种标尺，每一种标尺硬度适用范围不同。种标尺，每一种标尺硬度适用范围不同。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第19页/共51页第十九页，共52页。洛氏硬度计洛氏硬度计一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第20页/共51页第二十页，共52页。3. 维氏硬度（维氏硬度（HV） GB4342 -1984（1）金刚石正四棱锥压头，精确操作）金刚石正四

15、棱锥压头，精确操作复杂，适用于科学研究。复杂，适用于科学研究。（2）压力）压力(yl)可选可选5120Kg间的特间的特定值，适用各种硬度值的测量。定值，适用各种硬度值的测量。（3）压痕小，可测表面硬化层。）压痕小，可测表面硬化层。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第21页/共51页第二十一页，共52页。4. 锉刀锉刀(cudo)法法一组硬度一组硬度(yngd)差为差为5HRC的锉刀。例如：的锉刀。例如：10HRC、 15HRC、 20HRC等。等。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第22页/共51页第二十二页，共5

16、2页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第23页/共51页第二十三页，共52页。（六）韧性（六）韧性材料在塑性变形和断裂材料在塑性变形和断裂(dun li)的全过程中吸收能量的能的全过程中吸收能量的能 力，它是材料强度和塑力，它是材料强度和塑性的综合表现。性的综合表现。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能 韧性不足可用脆性来表达。韧性不足可用脆性来表达。 韧性高低决定是韧性断裂韧性高低决定是韧性断裂(dun li)，还是脆性断裂，还是脆性断裂(dun li)。第24页/共51页第二十四页，共52页。1. 冲击韧度冲击

17、韧度 Ak 材料材料(cilio)抵抗冲击载荷的能抵抗冲击载荷的能力力 三种不同冷脆倾向的材料三种不同冷脆倾向的材料 1面心立方面心立方(lfng)晶格的金属晶格的金属 2中、低强度体心立方中、低强度体心立方(lfng)晶格的金属晶格的金属 3高强度材料高强度材料123 温度温度(wnd)T TK 冲击吸收功冲击吸收功AK一、力学性能一、力学性能1.2 材料的使用性能材料的使用性能第25页/共51页第二十五页，共52页。冲击吸收冲击吸收(xshu)(xshu)功的测定功的测定一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第26页/共51页第二十六页，共52页。一、力

18、学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能K冲击冲击(chngj)能量能量A冲击冲击(chngj)破断次破断次数数 lgN121高强度低韧性材料高强度低韧性材料 2低强度高韧性材料低强度高韧性材料AANN交点交点K以左：在较高冲击能量以左：在较高冲击能量A下，多冲抗力取决于韧性。下，多冲抗力取决于韧性。交点交点K以右：在较低冲击能量以右：在较低冲击能量A”下，多冲抗力取决于强度下，多冲抗力取决于强度。 （即小能量多冲（即小能量多冲)不同材料的冲击抗力不同材料的冲击抗力:第27页/共51页第二十七页，共52页。 小能量多冲时以强度为主，塑性、韧性为辅，强韧性配合小能量多

19、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。处于最佳状态时，多冲抗力最高。 在低中强度范围在低中强度范围(fnwi)，冲击韧度的提高对多冲抗力影，冲击韧度的提高对多冲抗力影响不大（因其韧性已足够）。响不大（因其韧性已足够）。 在高强度范围在高强度范围(fnwi)时（如时（如b1300MPa），改善韧），改善韧性有利于提高多冲抗力。性有利于提高多冲抗力。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第28页/共51页第二十八页，共52页。2. 断裂韧度断裂韧度 KIC材料抵抗材料抵抗(dkng)裂纹失稳扩展的能力裂纹失稳扩展的能力一、力学性

20、能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能传统设计思想：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为安全系数，依此思想反而导致经常的低应力(yngl)脆断（脆断（ s），此时），此时偏低而尺寸、重量偏高。偏低而尺寸、重量偏高。 n 加大尺寸加大尺寸 依此思想反而导致经常的依此思想反而导致经常的低应力脆断低应力脆断 。第29页/共51页第二十九页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能KI KICKI = Ya1/2KIC：金属材料的最高，：金属材料的最高， 复合材料复合材料(f h ci lio

21、)次之，次之， 高分子材料、陶瓷材料最低。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先进的设计思想：材料中存在着既存或后生的微小的宏观(hnggun)裂纹，可能裂纹，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）。劳、应力腐蚀）。2. 断裂韧度断裂韧度 KIC材料抵抗裂纹失稳扩展的能力材料抵抗裂纹失稳扩展的能力第30页/共51页第三十页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能总之，总之，AK（K）和）

22、和KIC首先首先(shuxin)取决于内因取决于内因材料的成分、组织结构，材料的成分、组织结构，其次是受零件外部因素的影响，如工作温度、环境介质。其次是受零件外部因素的影响，如工作温度、环境介质。第31页/共51页第三十一页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能螺栓韧性螺栓韧性(rn xn)断裂与脆性断裂的比较断裂与脆性断裂的比较第32页/共51页第三十二页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第33页/共51页第三十三页，共52页。（七）疲劳性能（七）疲劳性能材料在交变应力作用下，在远小于强度极限

23、材料在交变应力作用下，在远小于强度极限(jxin)， 甚至小于屈服极限甚至小于屈服极限(jxin)的应力下的应力下发生断裂。发生断裂。疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂(dun li)的最大应力值。的最大应力值。用用-1（新国标（新国标D）表示。）表示。疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图a 一般一般(ybn)钢铁材料钢铁材料 b 有色金属、高强度钢等有色金属、高强度钢等一、力学性能一、力学性能1.2 材料的使用性能材料的使用性能碳钢碳钢-10.43b 合金钢合金钢-10.35b+12MPa 第34页/共51页第三十四页，共52页。一、力学性能一、力学性能

24、1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第35页/共51页第三十五页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第36页/共51页第三十六页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第37页/共51页第三十七页，共52页。（八）耐磨性（八）耐磨性一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能 1. 磨损的主要类型磨损的主要类型 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）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

25、，在随后的相对运动时发生的破坏将出现在强度较低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。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磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程(guchng)，以致，以致磨面材料逐步磨耗。磨面材料逐步磨耗。第38页/共51页第三十八页，共52页。 粘着磨损磨痕粘着磨损磨痕粘着粘着(zhn zh

26、e)磨损磨损示意图示意图一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第39页/共51页第三十九页，共52页。磨粒磨损磨痕磨粒磨损磨痕磨粒磨损磨粒磨损(m sn)(m sn)示意图示意图一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能第40页/共51页第四十页，共52页。一、力学性能一、力学性能1.2 材料材料(cilio)的使用性能的使用性能2. 提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径 1）粘着磨损）粘着磨损 减小表面摩擦系数或提高材料表面硬度；减小表面摩擦系数或提高材料表面硬度； 减小接触压力；减小接触压力； 合理选配摩擦材料；合理选

27、配摩擦材料； 减小表面粗糙度值以增大减小表面粗糙度值以增大(zn d)实际接触面积；实际接触面积； 改善润滑状况。改善润滑状况。 2）磨粒磨损）磨粒磨损 提高材料硬度提高材料硬度 ； 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。过滤装置以及时清除磨损。第41页/共51页第四十一页，共52页。二、物理性能二、物理性能（一）密度（一）密度(md)（二）热学性能：熔点（二）热学性能：熔点(rngdin)、热容、热膨胀、热传导等。、热容、热膨胀、热传导等。（三）电学性能（三）电学性能(xngnng)：电阻率、电阻温度系数

28、、介电性。：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。（四）磁学性能：磁导率、饱和磁化强度和磁矫顽力。1.2 材料的使用性能材料的使用性能第42页/共51页第四十二页，共52页。三、化学三、化学(huxu)性能性能（一）化学（一）化学(huxu)腐蚀腐蚀（二）电化学腐蚀（二）电化学腐蚀(fsh)1.2 材料的使用性能材料的使用性能第43页/共51页第四十三页，共52页。1.3 材料材料(cilio)的工的工艺性能艺性能金属材料零件金属材料零件(ln jin)的一般加工过程的一般加工过程第44页/共51页第四十四页，共52页。1.3 材料材料(cilio)的工

29、的工艺性能艺性能第45页/共51页第四十五页，共52页。机械零件一般加工机械零件一般加工(ji gng)工艺工艺毛坯毛坯材料材料 热处理热处理切削加工切削加工零件零件 铸造铸造 焊接焊接 锻压锻压 型材型材粉末冶金粉末冶金（交叉交叉进行）进行）第46页/共51页第四十六页，共52页。零件零件(ln jin)的毛坯：（的毛坯：（1）铸）铸造毛坯造毛坯 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性能铸件的成形(chn xn)方法，称为铸造。方法，称为铸造。1.3 材料材料(cilio)的工艺性能的工艺性能第47页/共51页第四十七页，共52页。 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，属于压力冲压的总称，属于压力(yl)加工的范畴。加工的范畴。1.3 材料材料(cilio)的工艺性能的工艺性能零件零件(