机械工程材料第一章材料性能

1、机机 械械 工工 程程 材材 料料 教教 师：于玉城师：于玉城 电电 话：话-mail：材料科学与工程学院材料科学与工程学院2第一章第一章 材料的性能材料的性能包括两方面包括两方面材料使用性能材料使用性能材料工艺性能材料工艺性能力学性能力学性能（强度、塑性韧性等）（强度、塑性韧性等）物理性能物理性能（光、热、电、磁等）（光、热、电、磁等）化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等）生物性能（生物性能（相容性、自恢复性等）相容性、自恢复性等）切削加工性能切削加工性能（可切削性）（可切削性）锻造性能锻造性能（适合锻造与否）（适合锻造与否）铸造性能铸造性能（适合铸造与否

2、）（适合铸造与否）焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否）热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化）3第一节第一节 材料的力学性能材料的力学性能 材料受外力作用时所表现的性能称为材料受外力作用时所表现的性能称为力学力学性能性能，又称机械性能。，又称机械性能。 材料在外力作用下将发生形状和尺寸变化材料在外力作用下将发生形状和尺寸变化称为称为变形变形;外力去除后能够恢复的变形称为外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形;不能恢复的变形称为不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。4一、低碳钢一、低碳钢拉伸变形四阶段拉伸变形四阶段低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线弹性变形（弹

3、性变形（OA）屈服变形（屈服变形（BC）均匀变形（均匀变形（CD）集中变形（集中变形（DE）低碳钢的集中变形（缩颈）低碳钢的集中变形（缩颈）51、弹性、弹性定义：定义： 金属材料受金属材料受外力作用时产生变形外力作用时产生变形, ,当外力去掉后能恢复当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的到原来形状及尺寸的性能。性能。指标：弹性极限指标：弹性极限 e e 比例极限比例极限 p p62、刚度刚度定义：材料受力时定义：材料受力时抵抗弹性变形的能抵抗弹性变形的能力。力。指标：弹性模量指标：弹性模量E E。特点：非常稳定。特点：非常稳定。E = tg=MPa（）EtgMPa （）7二、强度与塑性二、强度与

4、塑性1、强度、强度 材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服屈服强度强度 s s：材料发生塑：材料发生塑性变形而力不增加时的性变形而力不增加时的应力值。应力值。 条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：残余：残余变形量为变形量为0.2%0.2%时的应力。时的应力。 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂：材料断裂前所承受的最大应力值。前所承受的最大应力值。82、塑性、塑性 材料受力破坏前可承受最大塑性变形材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。的能力。伸长率伸长率 ：断面收缩率断面收缩率 100100%lll010100%FFF拉伸前拉伸前断裂后断裂后9 知识

5、提高知识提高当当L L0 0=10=10d d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示； 当当L L0 0=5=5d d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 5 5 表示。表示。当材料出现缩颈时，由于大量的塑形变形当材料出现缩颈时，由于大量的塑形变形集中在局部，集中在局部，因此有因此有 5 5 。由于伸长率与试样的由于伸长率与试样的尺寸有关，因此用收缩率尺寸有关，因此用收缩率表示塑性更接近真实变形。表示塑性更接近真实变形。10 知识提高知识提高脆性材料与韧性材料脆性材料与韧性材料 10% 塑性材料塑性材料 时，无颈缩，脆性材料时，无颈缩，脆性材料 时，有颈缩，塑性材料时，有颈缩，塑性材料无颈缩

6、试样无颈缩试样有颈缩试样有颈缩试样11三、硬度三、硬度 指材料对局部塑性变形的抗力，常指材料对局部塑性变形的抗力，常用压入法测量。用压入法测量。1、布氏硬度（布氏硬度（HB）（1）测试原理：以单位压痕面）测试原理：以单位压痕面积载荷大小衡量硬度高低。积载荷大小衡量硬度高低。)(2102. 022dDDDPHB 加载规范：压头直径、载荷大小、加载时间加载规范：压头直径、载荷大小、加载时间12（2）表示方法）表示方法 压头为钢球时，布氏硬度用符号压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，表示，适用于布氏硬度值在适用于布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金

7、球时，用符号HBW表示，适表示，适用于布氏硬度在用于布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。13表示方法具体举例表示方法具体举例150HBS10/3000/10 采用直径采用直径10mm的淬火钢球压头，载荷的淬火钢球压头，载荷3000kg，加载时间，加载时间10s的规范下测得的布氏的规范下测得的布氏硬度为硬度为150。&思考：思考：550HBW10/1000/30的含义。的含义。150HB硬质合金压头硬质合金压头14（3）布氏硬度的特点）布氏硬度的特点 压痕大，数据稳定、重复性好；压痕大，数据稳定、重复性好； 压痕大，有时不能在成品上直接检验；压痕大，有时不能在成品上直接检验； 不同材

8、料要更换加载规范，测量时麻烦。不同材料要更换加载规范，测量时麻烦。（4）布氏硬度应用）布氏硬度应用 适于测量退火、正火、调质钢，铸铁及有色金属的硬度。152、洛氏硬度（、洛氏硬度（HR）（2）测试规范）测试规范根据压头类型和主载荷根据压头类型和主载荷不同不同, 常用的标尺为常用的标尺为A、B、C，分别用，分别用HRA、HRB、HRC表示。表示。 洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图（1）测试原理：以压痕深度）测试原理：以压痕深度(h1-h0)衡量硬度大小。衡量硬度大小。0.002khHR16（3）应用及特点）应用及特点HRA：金刚石圆锥压头，金刚石圆锥压头，50kgf主载荷主载荷，用用于测量高

9、硬度材料于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和如硬质合金、表淬层和渗碳层。渗碳层。HRB：淬火钢球，淬火钢球，90kgf主载荷，主载荷，用于测量用于测量低硬度材料低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。如有色金属和退火、正火钢等。HRC，金刚石圆锥压头，金刚石圆锥压头，140kgf主载荷，主载荷，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。钢等。17洛氏硬度特点洛氏硬度特点操作快捷，适用范围广，操作快捷，适用范围广，可用于成品检验；可用于成品检验；测量结果分散度大，不测量结果分散度大，不同标尺不可直接比较。同标尺不可直接比较。183 3、维氏硬度、维氏硬度

10、（1 1）测试原理）测试原理 压头为对面压头为对面夹角夹角136136四棱锥，四棱锥，测试原理同布测试原理同布氏硬度相同。氏硬度相同。维氏硬度原理维氏硬度原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕19（2）维氏硬度特点）维氏硬度特点显微维氏硬度计显微维氏硬度计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，可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能相互可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能相互比较。比较。显微维氏硬度压痕显微维氏硬度压痕极小，可以测量金极小，可以测量金属铂、极薄的表层属铂、极薄的表层以及金属中各种组以及金属中各种组成相的硬度。成相的硬度。20四、冲击韧性四、冲击韧性1

11、 1、冲击试验、冲击试验试样尺试样尺 寸：寸：101055mm；试样缺试样缺 口：口：U型、型、V型或无型或无2120(J/cm )kkAS试样缺口处单位截试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。面积上所消耗的冲击功。 2 2、冲击韧性：、冲击韧性：K K。223、韧脆转变、韧脆转变 材料的冲击韧性随温度下降而下降，在材料的冲击韧性随温度下降而下降，在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。称韧脆转变。 对应温度范围为对应温度范围为韧脆转温度韧脆转温度tk23泰坦尼克号（泰坦尼克号（1912年大西洋）年大西洋）Titanic近代船用钢板近代船用钢板

12、24五、疲劳强度五、疲劳强度1 1、疲劳、疲劳 材料在低于材料在低于 s s重复交变应重复交变应力作用下发生断裂的现象。力作用下发生断裂的现象。2 2、疲劳强度、疲劳强度 材料在规定次数应力循环材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力后仍不发生断裂时的最大应力称为称为疲劳极限疲劳极限。用。用 -1-1表示。表示。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意疲劳曲线示意图图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10825疲劳断口疲劳断口通过改善材料形状结构，减少表面缺陷，提高通过改善材料形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲

13、劳表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗。抗。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）262 2、断裂韧性：材料抵抗内部裂、断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。纹失稳扩展的能力。3、 C为断裂应力，为断裂应力， aC为临界为临界裂纹半长，单位为裂纹半长，单位为 六、断裂韧性六、断裂韧性1 1、应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度、应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。的指标。aYKI CCICaYK 23/mMN27小结小结本节中本节中所讲的所讲的材料的材料的力学性力学性能指标能指标及应用及应用屈服强度和塑性屈服强度和塑性：一般零件的

14、抗断裂设一般零件的抗断裂设计。计。刚度刚度：刚度设计中，考虑构件在受力时发刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件弹性模量。如精密机床主轴等零构件弹性指标弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等和各类弹簧等硬度硬度：在耐磨零件中必须考虑的性能指在耐磨零件中必须考虑的性能指标，如滚珠轴承等标，如滚珠轴承等.断裂韧度断裂韧度：高强钢和重要构件的抗断裂高强钢和重要构件的抗断裂设计。如轮船、飞机、火箭等。设计。如轮船、飞机、火箭等。28第二节第二节 材料其它性能材料其它性能一、物理化学性能一、物理化学性能物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热、物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热、 导电性、磁性。导电性、磁性。化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性29二、材料的工艺性能二、材料的工艺性能1、铸造性、铸造性 浇注时液体充满型腔并获得优质铸件的能力。浇注时液体充满型腔并获得优质铸件的能力。2、可锻性、可锻性 金属易于锻压成型的能力金属易于锻压成型的能力3、可焊性、可焊性 材料容易焊接到一起并获得优质焊缝的能力。材料容易焊接到一起并获得优质焊缝的能力。4