工程材料学-第1章-材料的性能

1、l一、弹性和刚度一、弹性和刚度l二、强度与塑性二、强度与塑性l三、冲击韧性三、冲击韧性l四、疲劳四、疲劳l五、硬度五、硬度l六、断裂韧性六、断裂韧性l七、材料物理性能、化学性能及工艺性能七、材料物理性能、化学性能及工艺性能l使用性能：使用性能：材料在使用材料在使用过程中所表现的性能。过程中所表现的性能。包括包括力学性能、物理性力学性能、物理性能能和和化学性能。化学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工材料在加工过程中所表现的性能。过程中所表现的性能。包括包括铸造、锻压、焊接、铸造、锻压、焊接、热处理热处理和和切削性能等切削性能等。神舟一号飞船l材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称材料在外

2、力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为为变形变形。l外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。l外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l0拉伸试样拉伸试样拉伸试验拉伸试验机机低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线l弹性：弹性：材料承受最大弹性材料承受最大弹性变形时的应力。变形时的应力。指标为指标为弹弹性极限性极限 e e。l刚度：刚度：材料受力时抵抗弹材料受力时抵抗弹性变形的能力。性变形的能力。指标为指标为弹弹性模量性模量E E, , ）（MPa

3、tgE 弹性模量弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、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积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。或改变截面形状来提高零件的刚度。 el各类工程材料室温弹性模量El强度：强度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。l屈服强度屈服强度 s：材料发生微材料发生微量塑性变形时的应力值。量塑性变形时的应力值。l条件屈服强度条件

4、屈服强度 0.2：残余变形量为残余变形量为0.2%时的应力值。时的应力值。l抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受的材料断裂前所承受的最大应力值。最大应力值。s0.2退火低碳钢淬火钢及铸铁低、中回火钢中碳调质钢不同材料的拉伸曲线不同材料的拉伸曲线钛基复合材料铝合金l条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形量为残余变形量为0.2%时的应力值。时的应力值。工程屈服强度工程屈服强度0.2%100010 FFF 断面收缩率：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%100001 lll 伸长率：伸长率：l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实

5、变形。实变形。l 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。l当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示，显然表示，显然 5 l 、 很小时，无颈缩为脆性材料表征很小时，无颈缩为脆性材料表征 、 大时，有颈缩为塑性材料表征大时，有颈缩为塑性材料表征l拉力试样的原标距长度为拉力试样的原标距长度为50mm，直径为，直径为10mm，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，经拉力试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为若最后的标距长度为

6、71mm，颈缩区的最小直径，颈缩区的最小直径为为4.9mm，试求该材料的伸长率和断面收缩率的，试求该材料的伸长率和断面收缩率的值？值？l解：l=（71-50）/50 x100%=42%lS0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2)lS1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2)l=(S0-S1)/S0 x100%=24%l某工厂买回一批材料（要求：某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短试样）做短试样（0=50；0=10mm）拉伸试验，结果如下：）拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm;

7、问买回的材料合格吗？问买回的材料合格吗？l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指标为冲击指标为冲击韧性值韧性值ak(通通过冲击实验过冲击实验测得测得)。l材料的冲击韧性随温度下降而下降。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变韧脆转变。发生。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度温度。材料的使用材料的使用温度应高于韧脆转变温度。温度应高于韧脆转变温度。体心立方金属体心立方金属具有韧脆转变具有韧脆转变温度，而大多温度，而大多数面心立方金数面心

8、立方金属没有属没有.建造中的建造中的Titanic TITANIC 的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关Titanic近代船用钢板近代船用钢板l材料在低于材料在低于 s重复交变应力作用下发生断裂的现象重复交变应力作用下发生断裂的现象.l材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大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应力称为疲劳极限疲劳极限。用。用 -1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图疲劳应力示意图疲劳应力示意图交变应力重复应力通过通过改善材料形状结构改善材料形状结

9、构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面提高表面光洁度光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力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）l材料抵抗表面局部塑性材料抵抗表面局部塑性变形的能力。变形的能力。l布氏硬度布氏硬度HB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计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HBS表表示，适用于布氏硬度值在示，适用于布氏硬度值在450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HBW表示，表示，适用于布氏硬度在适用于布氏硬度在6

10、50以下的材料。以下的材料。l符号符号HBS或或HBW之前的数字表之前的数字表示硬度值，之后的数字按顺序示硬度值，之后的数字按顺序分别表示球体直径分别表示球体直径、载荷及载荷载荷及载荷保持时间保持时间, 如如120HBS10/1000/30 表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf(9.807kN)载荷载荷作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕l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。l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。

11、还硬的材料。l适于测量适于测量退火、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。l材料的材料的 b与与HB之间经验关系：之间经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢对于高碳钢: b(MPa)3.4HB 对于铸铁对于铸铁: b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁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l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=(c-h)/0.002l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

12、的标尺为常用的标尺为A、B、C。 lHRA，c=0.2; HRB, c=0.26; HRC, c=0.2;l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高硬度材料, 如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、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, 如如有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测

13、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l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间示载荷值及载荷保持时间.l根据载荷范围不同，规定根据载荷范围不同，规定小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计 了三种测定方法了三种测定方法 维氏硬度试维氏硬度试验验 、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显显微维氏硬度试验微维氏硬度试验.l维氏硬度

14、保留了布氏硬度和洛维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点氏硬度的优点。l主要用于测量纳米尺度的硬度与弹性模量，可以用于研究或测试薄膜等纳米材料的接触刚度、蠕变、弹性功、塑性功、断裂韧性、应力-应变曲线、疲劳、存储模量及损耗模量等特性。纳米压痕仪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弹北极星导弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。端附近应力场强度的指标。aYKI 2/1)( cca CCICaY

15、K 23/mMNl断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部裂材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。纹失稳扩展的能力。l C为断裂应力，为断裂应力， aC为临界裂为临界裂纹半长，单位为纹半长，单位为 应用应用 断裂韧性是强度和韧性的综合体现。断裂韧性是强度和韧性的综合体现。p（1）已知已知2a、 ，选择一定，选择一定KIC的材料或根据的材料或根据KIC，制定零件工作是否安全制定零件工作是否安全KI KIC ，失稳扩展。，失稳扩展。p（2）已知）已知2a、KIC，计算承受的最大应力，计算承受的最大应力。p（3）已知已知 、KIC，计算不产生脆断所允许的内部宏，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸观裂纹的临界尺寸2a 。物理性能物理性能 密度密度 熔点熔点 热膨胀性热膨胀性 导热性导热性 导电性导电性 磁