第一章工程材料的性能

1、第一章 工程材料的性能 表征材料在给定外界条件下的行为材料的性能 1. 使用性能 力学性能 材料在受力时的性质。 物理性能 相对密度；熔点；热膨胀性；磁性；导热性；导电性；相对介电常数。 化学性能 耐腐蚀性；高温抗氧化性（氧化膜）。 2. 工艺性能 铸造、锻、焊、切削等学习要点 重点掌握 各种机械性能指标（强度, 塑性；冲击韧性；硬度HB，HRC，HV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。 一般要求 材料的工艺性能及物理化学性能本章内容 1-1 静载时材料的机械性能 1-2 动载时材料的机械性能 1-3 高温下的机械性能 1-4 断裂韧性 1.5 工程材料的其它性能 “材料的力学性能材料的

2、力学性能” 练习题练习题1-1 静载时材料的机械性能静载时材料的机械性能 一、静拉伸试验 二、刚度和弹性 三、材料的强度 四、塑性 五、硬度一、静拉伸试验 应力：单位面积上的内力=F/S0 单位MPa 应变：单位长度的伸长量=L/L01.应力应力-应变应变 曲线（分为四阶段）曲线（分为四阶段） 弹性变形 屈服变形 均匀塑性变形阶段 局部集中塑性变形 颈缩 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 中、高碳钢：没有第II阶段二、刚度和弹性1刚度 （材料在受力时，抵抗弹性变形的能力） E=/ 杨氏弹性模量 GPa, MPa 本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。2弹性：材料不产生塑性变形的

3、情况下，所能承受的最大应力。 比例极限：p=Fp/S0 应力应变保持线性关系的极限应力值 弹性极限：e=Fe/S0 不产永久变形的最大抗力。 工程上，p、e视为同一值，通常也可用0.01三、材料的强度 =P/Fo 表示材料抵抗变形和断裂的能力单位: MPa 1抗拉强度 b=Fb/So 材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。 2屈服强度s和条件屈服强度0.2 a: s=Ps/Fo （s代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。） b: 0.2条件屈服强度 （中高碳钢、无屈服点，国家标准，以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。） 脆性材

4、料：b=s 灰口铸铁 3.屈强比： s/ b四、塑性 1延伸率 Lk:试样拉断后最终标距长度 延伸率与试样尺寸有关， 5 , 10 (Lo=5do, 10do)2断面收缩率 =S/So=(So-Sk)/So x 100% , 越大，塑性愈好 5%, 脆性材料五、硬度 抵抗外物压入的能力，称为硬度综合性能指标。 1布氏硬度 适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金 HB = P/F（ MPa 或 kgf/mm2 ） ， F 压头表面积 特点： 平均、重复性好； 压痕面积大，不适合于成品检验； HBS - 钢球压头（450）； HBW - 硬质合金钢球压头（450）。 1布氏硬度布洛

5、维硬度计 读数显微镜 2洛氏硬度HR 定义：每0.002mm相当于洛氏1度 操作简便、可直读；压痕小；适于各种硬度值的测量；但重复率低。 洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 HRB（钢球压头，980N载荷） 测量未淬火钢，有色金属。 HRC（圆锥压头，1470N载荷） 测量调质钢、淬硬钢制品。 HRA（圆锥压头，588N载荷） 测量硬、薄试件、硬质合金。 洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度计算公式： 式中: h1：为预加载荷压入试样的深度（mm）。 h3：为卸除主载荷后压入试样的深度（mm)。 k：为常数（1200金刚石圆锥k=0.2；钢球时HRB k=0.26） 3维氏硬度HV 金刚石正四棱锥压头，

6、精确，但操作复杂，用于科学试验。 压力可选5120kg间的特定值；适于各种硬度值的测量；压痕小，可测表面硬化层4显微硬度（显微硬度（HM） 测组成相的硬度。1-2 动载时材料的机械性能动载时材料的机械性能一、冲击韧性 二、疲劳强度一、冲击韧性 韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力-韧度 冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F (J/cm2) ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。 ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。 应用应用 汽车紧急制动；蒸汽锤；冲床等动载荷。 冲击原理图 冲击机T8钢

7、钢：脆性材料断口呈平直；有金 属光泽；呈结晶状。 A3钢钢：塑性材料断口呈灰色纤维状，无金属光泽 韧性与温度有关脆性转变温度 二、疲劳强度 疲劳疲劳：材料在交变应力作用下，在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 疲劳占失效零件的70%以上，80%的断裂由疲劳造成。 疲劳极限疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂的最大应力值。 条件疲劳极限条件疲劳极限：经受107（钢，有色金属、超高强度钢108）应力循环而不致断裂的最大应力值。 疲劳原因疲劳原因 划痕、内应力集中引起微裂纹扩展 影响因素影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。 陶瓷、高分子材料

8、的疲劳抗力很低； 金属材料，纤维增强复合材料疲劳强度较高疲劳曲线 循环次数N应力107-11-3 高温下的机械性能高温下的机械性能 温度升高 硬度、强度、弹性模量下降；塑性、韧性增加。 高温蠕变蠕变 高温下工作的金属材料，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，随时间的延长，应变量缓慢也会增加，甚至发生断裂。 持久强度： tT 蠕变极限蠕变极限: T/ t 热硬性（红硬性） 1-4 断裂韧性断裂韧性 KIC 低应力脆断低应力脆断 应力远小于屈服强度时发生突然脆性断裂 机理 微裂纹、缺陷、应力集中 裂纹扩展 失稳扩展 断裂韧性断裂韧性 裂纹失稳扩展抗力 影响因素影响因素 成分、热处理、加工工艺。断裂

9、韧性的应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。 （1）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工作是否安全KIKIC ，失稳扩展。 （2）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。 （3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。Titanic沉没原因 1.5 工程材料的其它性能工程材料的其它性能 一、热学性能 材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。 1热膨胀原子（或分子）受热后平均振幅增加 （1）体积膨胀系数 （2）线膨胀系数 结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则膨胀系数越小。 2热传导自由电子的运动和晶格振动。 导热系数：单位温度梯度下

10、，单位时间内通过单位垂直面积的热量： 3热容： 材料在温度升高10C时所吸收的热量叫做热容。 一克物质的热容也叫比热。二、电学性能 1导电性 RLS 电阻率： 电导率：1/ 超导体：0 导体：=10-8-10-5 半导体：=10-5-107 绝缘体：=107-1022三、磁性 1物质接磁性分类： 抗磁性物质 顺磁性物质 铁磁性物质 2磁化率 磁化强度MXH X：磁化率（或磁化系数） 3导磁率 BH （：介质导磁率） 4磁弹回线和矫顽力 四、比重和熔点 1比重 2熔点 五、耐磨性能 六、抗蚀性能“材料的力学性能材料的力学性能” 练习题练习题1. 下列情况分别是因为哪一个力学性能指标达不到要求？（

11、1）紧固螺栓使用后发生塑性变形。（2）齿轮正常负荷条件下工作中发生断裂。（3）汽车紧急刹车时，发动机曲轴发生断裂。（4）不锈钢圆板冲压加工成圆柱杯的过程中发生裂纹。（5）齿轮工作在寿命期内发生严重磨损。2. 下列现象与哪一个力学性能有关？（1）铜比低碳钢容易被锯割。（2）锯条易被折断，而铁丝不易折断。3. 零件设计时，选取s （或0.2 ）还是选取b 、应以什么情况为依据？ “材料的力学性能材料的力学性能” 参考答案11. 下列情况分别是因为哪一个力学性能指标达不到要求？（1）紧固螺栓使用后发生塑性变形。 屈服强度（2）齿轮正常负荷条件下工作中发生断裂。 疲劳强度（3）汽车紧急刹车时，发动机曲轴发生断裂。 冲击韧性（4）不锈钢圆板冲压加工成圆柱杯的过程中发生裂纹。 塑性（5）齿轮工作在寿命期内发生严重磨损。 硬度2. 下列现象与哪一个力学性能有关？（1）铜比低碳钢容易被锯割。 硬度（2）锯条易被折断，而铁丝不易折断。 塑性“材料的力学性能