第1章 工程材料的主要性能

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使用性能：使用性能：材料在使用过程中所表现的性能，材料在使用过程中所表现的性能，包括包括机械性机械性能（或力学性能）、物理性能能（或力学性能）、物理性能和和化学性能化学性能，是选择和研制是选择和研制材料的主要依据。材料的主要依据。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。材料在加工过程中所表现的性能。包括包括铸造、铸造、锻压、焊接、热处理锻压、焊接、热处理和和切削性能切削性能等等。l环境性能环境性能：零部件在使用的环境条件下，零部件的工作参零部件在使用的环境条件

2、下，零部件的工作参数和所用材料的性能参数随环境条件以一定的关系发生变数和所用材料的性能参数随环境条件以一定的关系发生变化。化。l机械性能：机械性能：零件在外力作用下，材料所表现出来的力学行为，零件在外力作用下，材料所表现出来的力学行为，可分为四大类：可分为四大类：强度类强度类（如屈服强度、康来强度、疲劳强度（如屈服强度、康来强度、疲劳强度等）、等）、塑韧性类塑韧性类（如塑性、冲击韧性）、（如塑性、冲击韧性）、硬度硬度（布氏硬度、（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）、洛氏硬度、维氏硬度）、其它其它（如磨损、应力松弛）。（如磨损、应力松弛）。l变形：变形：材料在外力的作用下发生形状和尺寸变化的现象，分

3、材料在外力的作用下发生形状和尺寸变化的现象，分为为弹性变形弹性变形和和塑性变形塑性变形。l弹性变形：弹性变形：外力去除后能够恢复的变形。外力去除后能够恢复的变形。l塑性变形：塑性变形：外力去除后不能恢复的变形。外力去除后不能恢复的变形。应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l0拉伸试验机拉伸试验机低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸前拉伸前断裂后断裂后拉伸试样拉伸试样阶段阶段: 线弹性阶段线弹性阶段 拉伸初期，应力拉伸初期，应力应变曲线为一直线。应变曲线为一直线。阶段阶段: 屈服阶段屈服阶段 当应力增加至一定值时，应力当应力增加至一定值时，应力应变曲应变曲线出现微小波

4、动的屈服平台，在此阶段内，线出现微小波动的屈服平台，在此阶段内，应力几乎不变，而变形却急剧增长，材料失应力几乎不变，而变形却急剧增长，材料失去抵抗变形的能力，这种现象称屈服。去抵抗变形的能力，这种现象称屈服。阶段阶段: 强化阶段强化阶段 过屈服后，材料又增强了抵抗变形的能过屈服后，材料又增强了抵抗变形的能力。力。阶段阶段: 颈缩阶段颈缩阶段 应力增至最大值，试件的某一局部显著应力增至最大值，试件的某一局部显著收缩，最后在缩颈处断裂。收缩，最后在缩颈处断裂。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：材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时的应力。的应力。l指标：指标：弹性极限弹

5、性极限 e e。l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。l指标：指标：弹性模量弹性模量E E： ）（MPatgE 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、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，可以通过合金化等对弹性模量的影响很小，可以通过增加横截面积增加横截面积或或改变截面形状来提高零件的刚度。改变截面形状来提高零件的刚度。 l强度：强度：l 材料在外力作用下抵抗变形和破坏材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力的

6、能力。l屈服强度屈服强度 s：l 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 0.2：l 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：l 材料断裂前所承受的最大应力值。材料断裂前所承受的最大应力值。0.2%100010 FFF 断面收缩率断面收缩率 ：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 ：拉伸前拉伸前断裂后断裂后l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。l 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/

7、d0 为常数时，塑性值才为常数时，塑性值才有可比性。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 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征无颈缩试样无颈缩试样有颈缩试样有颈缩试样 冲击韧性：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。冲击韧性：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。l指标：冲击韧性值指标：冲击韧性值ak（通过冲击实验测得）。通过冲击实验测得）。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。l在某一温度

8、范围内冲击韧性值急剧下降的现象称在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转韧脆转变变. .l发生韧脆转变的温度范围称发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温度温度。l材料的使用温度应高于韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。l体心立方金属具有韧脆转变温度，体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金而大多数面心立方金属没有。属没有。建造中的建造中的TitanicTitanic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应力称材料在规定次数应力循环后仍不发

9、生断裂时的最大应力称为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。l通过通过改善材料形状结构改善材料形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面光洁度提高表面光洁度，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。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l材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。1 1、布氏硬度、布氏硬度HB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计布氏硬度测试原理布氏硬度测试原理布氏硬度压痕布氏硬度压痕u压头为

10、钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。u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，适用于布氏硬度在表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。u符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，之后的数字按顺序分之前的数字表示硬度值，之后的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。u120HBS10/1000/30：直径为：直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf(9.807kN)载载荷作用下保持荷作用下保持30s测得的布氏硬度

11、值为测得的布氏硬度值为120。u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。u缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。u适于测量适于测量退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。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=k-(h1-h0)/0.002l根据压头类型和主载荷不同根据压头类型和主载荷不同, 分为九个标尺分为九个标尺, 常用的标常用的标尺为尺为A、B、C。 洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图l符号符号HR前面

12、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维氏硬度计维氏硬度计维

13、氏硬度原理维氏硬度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，符号前的数字为硬度值，后面的数表示，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。字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。l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 维氏硬度试验维氏硬度试验 、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。l维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。工艺性能：工艺性能：l1.1.铸造性能：铸造性能： 指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能。指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能。l2.2.焊接性能：焊接性能： 指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口处是否能满足使用目的的指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口处是否能满足使用目的的特性。特性。 l3.3.锻造性能：锻造性能： 金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。l4.4.热处