工程材料 第1章 材料的性能

1、 材型专业主干专业课程一、材料的力学性能一、材料的力学性能二、材料的物理和化学性能二、材料的物理和化学性能三、材料的工艺性能三、材料的工艺性能使用性能：使用性能：材料在使用过程中所材料在使用过程中所表现的性能。表现的性能。包括力学性能、物理包括力学性能、物理性能、化学性能和生物性能。性能、化学性能和生物性能。工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所材料在加工过程中所表现的性能。表现的性能。包括铸造、锻压、焊包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。接、热处理和切削性能等。神舟一号飞船1-1 1-1 力学性能力学性能 ( ( 机械性能机械性能 ) )材料在载荷材料在载荷 ( (外力或能量外力或能量

2、) ) 以及环境因素作用下表现出以及环境因素作用下表现出 的变形和破断的的变形和破断的特性。特性。材料受外力作用时，将会产生变形和破坏。其过程一般是：材料受外力作用时，将会产生变形和破坏。其过程一般是：弹性变形弹性变形塑性变塑性变形形断裂。断裂。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形变形。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。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低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线拉伸试样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机

3、应力应力 = = P P/ /F F0 0 MN/m2 ( MPa MN/m2 ( MPa ）应变应变 = (= (l l- -l l0 0)/ )/l l0 0应力应力- -应变应变 曲线曲线（分为四阶段）：（分为四阶段）： 弹性变形弹性变形 屈服变形屈服变形 均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段 局部集中塑性变形局部集中塑性变形 - - 颈缩颈缩 A AB BC CD DE E p p e e s s b b k k弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即即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。刚度：刚度：材料抵抗弹性变形的材料抵抗弹性变形的能力。能力。弹性模

4、量弹性模量E E。 ）（MPatgE e 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而弹性模量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、合逐渐降低外，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或改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。变截面形状来提高零件的刚度。 强度：强度：材料在外力作用下抵抗塑性材料在外力作用下抵抗塑性变形和破断的能力。变形和破断的能力。屈服强度屈服强度 s s：材料发生微量塑性变材料发生微量塑性变形时的应力值。形时的应力值。是设计

5、是设计 和选材的主和选材的主要依据之一。要依据之一。条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的应力值。时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b b：材料断裂前所承受的材料断裂前所承受的最大应力值。是零件设计的重要最大应力值。是零件设计的重要 依据依据, ,也是也是 评定金属材料质量的重评定金属材料质量的重要指标。要指标。 铸铁、陶瓷、复合材料等脆性材料铸铁、陶瓷、复合材料等脆性材料 b b = = s s 中、高碳钢等无明显屈服现象中、高碳钢等无明显屈服现象 0.2飞机起落架 伸长率：伸长率：%100001 lll %100010 FFF 断面收缩率：断面收缩

6、率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象说明：说明： 用断面收缩率表示塑性比伸长率更接用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。近真实变形。 直径直径d d0 0 相同时，相同时，l l0 0 ， 。只有当。只有当l l0 0/d/d0 0 为常数时，塑性值才有可比性。为常数时，塑性值才有可比性。当当l l0 0=10d=10d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；当当l l0 0=5d=5d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 5 5 表示。显然表示。显然 5 5 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 塑性直接

7、影响到零件的成形及使用。塑性好的材料，塑性直接影响到零件的成形及使用。塑性好的材料，不仅能顺利地进行轧制、锻压等成形工艺，而且在使不仅能顺利地进行轧制、锻压等成形工艺，而且在使用中万一超载，由于变形而能避免突然断裂。所以大用中万一超载，由于变形而能避免突然断裂。所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须有一多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须有一定的塑性。一般情况下，伸长率达定的塑性。一般情况下，伸长率达5 5或断面收缩率达或断面收缩率达1010的材料，即可满足大多数零件的使用要求。的材料，即可满足大多数零件的使用要求。 2 5% 10% 10% 属塑性材料属塑性材料是指材料抵抗冲

8、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a ak k( (通通过冲击实验过冲击实验测得测得) )。 a ak k = A = Ak k / F ( J/cm / F ( J/cm2 2 或或 MJ/mMJ/m2 2 ) ) A Ak k- -冲击破坏所消耗的功变形功及断裂功；冲击破坏所消耗的功变形功及断裂功； F-F-试样断口试样断口截面积。截面积。 影响因素影响因素 ：材料、：材料、T T、试样大小、缺口形状等。、试样大小、缺口形状等。 应用：汽车紧急制动；蒸汽锤；冲床等动载荷。应用：汽车紧急制动；蒸汽锤；冲床等动载荷。 脆性材料脆

9、性材料：断裂前无明显变形，断口呈结晶状，有金属：断裂前无明显变形，断口呈结晶状，有金属光泽。光泽。 韧性材料韧性材料： 断裂前明显塑变，断口呈灰色纤维状，无断裂前明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。光泽。 材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。度下降而下降。在某在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧发生韧脆转变的温度范围称脆转变的温度范围称韧脆转变温度韧脆转变温度。材料材料的使用温度应高于韧的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立变温度，而大多数面

10、心立方金属没有。方金属没有。建造中的建造中的Titanic Titanic 号号TITANICTITANIC的沉没与的沉没与船体材料的质量直船体材料的质量直接有关接有关TitanicTitanic近代船用钢板近代船用钢板材料在低于材料在低于 s s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应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力称为疲劳极限疲劳极限。用。用 -1 -1表示。表示。钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为10107 7，有色金属合金为，有色金属合金为10108 8。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲

11、劳曲线示意图疲劳曲线示意图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）钢材的钢材的疲劳强度疲劳强度与与抗拉强度抗拉强度之间的关系之间的关系: : -1 -1 = (0.45= (0.450.55)0.55) b b疲劳占失效零件的疲劳占失效零件的70%70%以上，以上，80%80%的断裂由疲劳造成。的断裂由疲劳造成。疲劳原因：疲劳原因：划痕、内应力集中引起微裂纹展划痕、内应力集中引起微裂纹展 影响因素影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、：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。夹杂物、表面状态、残余应力等。 陶瓷、高分子材料的疲

12、劳抗力很低；金属材料，纤维陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低；金属材料，纤维增强复合材料疲劳强度较高。增强复合材料疲劳强度较高。通过通过改善材料的形状结构改善材料的形状结构，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。 19871987年年1010月月8 8日，进口的一架黑鹰直升机发生机毁日，进口的一架黑鹰直升机发生机毁人亡事故，中美双方专家联合进行失效分析，但人亡事故，中美双方专家联合进行失效分析，但对事故原因僵持不下。后来，我方专家组在直升对事故原因僵持不下。后来，我方专家组在直升机尾桨轴上发现一道难以察觉

13、的金属刀痕，经电机尾桨轴上发现一道难以察觉的金属刀痕，经电子显微镜及光谱分析后，证实是这道出厂时未检子显微镜及光谱分析后，证实是这道出厂时未检测出来的刀痕令金属疲劳及断裂导致机毁人亡，测出来的刀痕令金属疲劳及断裂导致机毁人亡，美方向中方赔偿美方向中方赔偿300300万美元，这也是中国进口军用万美元，这也是中国进口军用飞机以来，首次成功向外商索偿，而且维护了我飞机以来，首次成功向外商索偿，而且维护了我们国家的威望。们国家的威望。就是这里。硬度是指材料抵抗表面局部塑性变形的能力。硬度是指材料抵抗表面局部塑性变形的能力。硬度是衡量材料软硬的指标，是一个综合的物理量。硬度是衡量材料软硬的指标，是一个综

14、合的物理量。工业上质量检验、工艺设计最常用的性能指标。材料工业上质量检验、工艺设计最常用的性能指标。材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。料耐磨性的重要指标之一。硬度的应用：硬度的应用： 检验产品质量检验产品质量 衡量刀具、轴承等软硬程度和耐磨性衡量刀具、轴承等软硬程度和耐磨性 可换算为强度极限可换算为强度极限 布氏硬度布氏硬度HBHB用用直径为直径为D D的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力的淬火钢球或硬质合金球，以相应的试验力P P压入试样表面，压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压

15、痕，如下图所保持规定的时间后卸除试验力，在试样表面留下球形压痕，如下图所示。示。)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计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HBSHBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBWHBW表示，适用于布表示，适用于布氏硬度在氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。l符号符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表示之前的数字表示硬度值硬度值, , 符号后面的数字按顺序分符号后面的数字按顺序分别表示球体直径别表示球体直径、载荷及

16、载荷保载荷及载荷保持时间。持时间。如如 620HBW10/1000/30 620HBW10/1000/30 表表 示直径为示直径为10mm10mm的硬质合金球在的硬质合金球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）载荷作用下保持载荷作用下保持30s30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为620620。布氏硬度压痕布氏硬度压痕布氏硬度的优点：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。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。还硬的材料。适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢, , 铸铁

17、及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。材料的材料的 b b与与HBHB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: : b b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或 b b(MPa)(MPa) 0.6(HB-40)0.6(HB-40)洛氏硬度是以顶角为洛氏硬度是以顶角为120120的金刚石圆锥体或的金刚石圆锥体或直径为直径为1.5881.588的淬火钢球作压头，以规定的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面。试验时，先加的试验力使其

18、压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力。压入试样表面初试验力，然后加主试验力。压入试样表面之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况之后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属下，根据试样表面压痕深度，确定被测金属材料的洛氏硬度值。材料的洛氏硬度值。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，常用的标尺为常用的标尺为A A、B B、C C。 HRBHRB（钢球压头，（钢球压头，100kg100kg载荷）载荷） HRCHRC（圆锥压头，（圆锥压头，150kg150kg载荷）载荷） HRAHRA（圆锥压头，（圆锥压头，60

19、kg60kg载荷）载荷） lHRAHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, , 如如硬质合金、表淬层和渗碳层等硬质合金、表淬层和渗碳层等。lHRBHRB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。lHRCHRC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

20、硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕金刚石正四棱锥压头，精确，但操作复杂，用于科学试验。金刚石正四棱锥压头，精确，但操作复杂，用于科学试验。 压力可选压力可选5 5120kg120kg间的特定值；适于各种硬度值的测量；压痕小，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、薄片零件。可测表面硬化层、薄片零件。硬度之间互换的关系硬度之间互换的关系： 200 600HBS200 600HBS时时： 10HRC HBS硬度小于硬度小于450HBS450HBS时时： HBS HV 维氏硬度维氏硬度HVHV符号前的数字为硬度值，后面的数字按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

21、载荷保持时间。顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。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维氏硬度试验度试验 、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点。 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 19431943年美国年美国T-2T-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低应力脆

22、断低应力脆断 应力远小于屈服强度时应力远小于屈服强度时发生突然脆性断裂发生突然脆性断裂 。机理机理 微裂纹、缺陷、应力集中微裂纹、缺陷、应力集中 裂纹扩展裂纹扩展 失稳扩展失稳扩展 。断裂韧性断裂韧性 裂纹失稳扩展抗力。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。成分、热处理、加工工艺。七、高温下的机械性能七、高温下的机械性能温度升高温度升高 硬度、强度、弹性模量下降；塑性、韧性硬度、强度、弹性模量下降；塑性、韧性 增加。增加。蠕变蠕变 高温下工作的材料，随时间的延长，应变量缓高温下工作的材料，随时间的延长，应变量缓慢增加，甚至发生断裂慢增加，甚至发生断裂。力力学学性性能能指指标标的的应应用用刚度刚度：在设计中，考虑构件在受力时发在设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量，需要用刚度。主要力学生的弹性变形量，