第2章section 1工程材料的性能

1、第二章 工程材料的性能及应用基础p 工程材料的力学性能工程材料的力学性能p 材料的晶体结构与结晶过程p 工程材料的分类、编号及用途学习要求与本章难点学习要求与本章难点要求：要求：o 掌握材料的常见力学性能指标与表示方法，学会材料的选择。o 了解材料的基本晶体结构、合金的组织结构。o 了解不同类工程材料的特点与差异。o 学会二元相图的建立、分析与使用。难点：难点：n 二元相图的建立、分析与使用。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 本节重点：本节重点：金属材料的力学性能金属材料的力学性能主要内容：主要内容：金属材料的力学性能金属材料的力学性能, ,包括材料的强包括材料的强 度度 、

2、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳 强度等。强度等。本节难点：本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法各性能指标的物理意义和测定方法力学性能力学性能工程材料性能使用性能工艺性能强度、硬度、刚度塑性、韧性、弹性物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等）热处理性能化学性能（抗氧化性、耐腐蚀性、化学稳定性等）塑性加工性能焊接性能切削加工性铸造性能一、强度一、强度（strength）o 材料抵抗由外力载荷所引起的变形或断裂的能力称为强度。常用的强度性能指标主要是抗拉强度和屈服强度强度的测定强度的测定测定方法：测定方法：拉伸试验拉伸试验OE弹性变形阶段；ES屈服阶段；S

3、B强化阶段；BK缩颈阶段低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线 将材料制成标准试样。在材料试验机上对试件轴向施加静拉力F；在坐标上绘制拉力F（或应力）和变形L（或应变）的关系曲线，得到拉伸曲线图（或应力应变图）。 1）金属材料的抗拉强度）金属材料的抗拉强度bo 当载荷达到Fb时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。由于试样局部截面逐渐缩小，故载荷也逐渐减小，当达到拉伸曲线上k点时，试样发生断裂 。o 材料在断裂前所承受的最大应力值称为抗拉强度或强度极限，用b表示，单位MPa。图中B点所对应的应力值即为b。SB强化阶段；BK缩颈阶段屈服强度屈服强度so 当载荷达到Fs时，曲线出现横向震荡或水平线段

4、，这表示拉力不再增加，但变形仍在进行，此时若卸载，试样的变形不能全部消失，产生微量的塑性变形。 S点称屈服点。o 屈服点的应力称为屈服强度，记为s，单位MPa。ES屈服阶段 对铸铁、高碳钢等脆性材对铸铁、高碳钢等脆性材料料，拉伸曲线无明显屈服现，拉伸曲线无明显屈服现象，国家标准规定用试样标象，国家标准规定用试样标距长度产生距长度产生0.2%塑性变形塑性变形（或残余应变）时的应力值（或残余应变）时的应力值作为该材料的屈服强度，以作为该材料的屈服强度，以0.2表示。表示。 s 、 0.2 、b ：选材主要依据。铸铁拉伸曲线铸铁拉伸曲线o 根据高分子所表现的力学性质和分根据高分子所表现的力学性质和分

5、子热运动特征，可以将其划分为子热运动特征，可以将其划分为玻玻璃态、高弹态和粘流态璃态、高弹态和粘流态，通常称这，通常称这些状态为聚集态些状态为聚集态。o 聚集态的转变主要与温度有关聚集态的转变主要与温度有关。o T Tz z( (脆韧转变温度）脆韧转变温度） T Tg g（玻璃化转变（玻璃化转变温度）温度） Tg)(T=Tg)bybdyabcedE聚合物拉伸时典型的应力聚合物拉伸时典型的应力- -应变图应变图y ：屈服应力：屈服应力b ：抗拉强度：抗拉强度Tg 玻璃态临界温度Tf 粘流态临界温度TgTTf ：高弹态：玻璃态gTT ：粘流态fTT oa段：普弹形变ab段：高弹形变，（b：屈服点）

6、bc段：缩颈形变cd段：应变软化de段：应力硬化二、二、 弹性和刚度弹性和刚度弹性和弹性变形？弹性和弹性变形？材料受外力作用时产生变材料受外力作用时产生变形。当外力去掉后变形随形。当外力去掉后变形随之消失，材料恢复其原来之消失，材料恢复其原来形状的性能称为形状的性能称为弹性弹性。随外力消除而消失的变形，随外力消除而消失的变形，称为称为弹性变形弹性变形 。OE弹性变形阶段刚度？刚度？o 材料抵抗弹性变形的能力，称为材料抵抗弹性变形的能力，称为刚度刚度。o 材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=/称为称为弹性模量弹性模量。 （碳钢E 200GPa,

7、铜E108GPa,聚四氟乙烯E1.4GPa）o 弹性模量弹性模量E的大小，标志着材料抵抗弹性变形的能力，的大小，标志着材料抵抗弹性变形的能力，即材料即材料刚度刚度的大小。的大小。o E值的大小主要取决于材料的本性，一些处理方法（如值的大小主要取决于材料的本性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。o 需要注意的是，材料的刚度不等于机件的刚度，需要注意的是，材料的刚度不等于机件的刚度，机件的刚度除与材料的刚度有关外，还与机件的机件的刚度除与材料的刚度有关外，还与机件的结构有关。结构有关。o 提高零件刚度的方法有：提高零件刚度的方法有：

8、 增加横截面面积 改变截面形状 选用弹性模量较大的材料三、三、 塑性塑性o 材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力，称为塑性。o 工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标 。1) 延伸率延伸率o 试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号号表示，即表示，即o 式中：式中：L L0 0试样原始标距长度；试样原始标距长度； L L1 1试样拉断后的标距长度。试样拉断后的标距长度。%100001LLL2) 断面收缩率断面收缩率o 试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号收缩率，用符号表示，即

9、表示，即o 式中：式中： A A0 0试样原始的横截面积；试样原始的横截面积； A A1 1试样拉断处的横截面积试样拉断处的横截面积 %100010AAAo 材料的和值越大，塑性越好。o 用表示塑性更接近材料的真实应变。 四、四、 硬度硬度o 硬度是固体材料抵抗局部塑性变形、压入或压痕的硬度是固体材料抵抗局部塑性变形、压入或压痕的能力。能力。o 一般情况下，材料的强度越高，硬度也越高。一般情况下，材料的强度越高，硬度也越高。)(2102.022dDDDPHB布氏硬度计布氏硬度计球冠面积，不好算，可直接查表（由d直接查HB值）式中：P试验力(N) D压头的直径(mm) 钢球直径为钢球直径为10m

10、m10mm，作，作用载荷用载荷1000kgf1000kgf，保持，保持30s30s，测得的布氏硬度值。，测得的布氏硬度值。布氏硬度压痕布氏硬度压痕洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图h1-h0洛氏硬度计洛氏硬度计 为能测试从软到硬各种材料的硬度标尺压头总载荷（N）适用测试材料有效值HRA120金刚石圆锥体600硬质合金、表面淬火钢7085HRB1.588mm淬火钢球1000退火钢25100HRC120金刚石圆锥体1500一般淬火钢件2067lHRAHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, , 如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。lHRBHRB用于测量低硬度材料用

11、于测量低硬度材料, , 如有色金属和退火、正火钢等。如有色金属和退火、正火钢等。lHRCHRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验维氏硬度试验原理原理维氏硬度维氏硬度压痕压痕 维氏硬度的测量原理维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点与布氏硬度相同，不同点是压头为一相对面夹角为是压头为一相对面夹角为136136金刚石正四方棱锥体，金刚石正四方棱锥体，所加负荷为所加负荷为5-120kgf5-120kgf（49.03-1176.80N49.03-1176.80N）。）。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

12、维氏硬度计136四棱锥形，载荷小，压痕浅o 右图为维氏硬度测试示意图。右图为维氏硬度测试示意图。 在用规定的压力在用规定的压力P P将金刚石压头压入被测试件表将金刚石压头压入被测试件表面并保持一定时间后卸去载荷，测量压痕投影面并保持一定时间后卸去载荷，测量压痕投影的两对角线的平均长度的两对角线的平均长度d d，据此计算出压痕的表，据此计算出压痕的表面积面积S S，最后求出压痕表面积上平均压力，最后求出压痕表面积上平均压力（P P/ /S S），以此作为被测材料的维氏硬度值。），以此作为被测材料的维氏硬度值。228544. 168sin2dPdPSPHVo 计算公式如下：计算公式如下：o 优点：

13、优点：所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度；种材料的硬度；o 缺点：缺点：测定过程比较麻烦测定过程比较麻烦。4 4、布氏硬度与、布氏硬度与洛氏硬度洛氏硬度的特点比较的特点比较 o 冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力力 。 衡量衡量指指标标用用akak表示，由试验而得。表示，由试验而得。冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试

14、样和冲击试验示意图ak = AK/A （Jcm-2） o 为了确定材料的冲击韧度为了确定材料的冲击韧度a k值，常采用一次冲击弯曲试验法。值，常采用一次冲击弯曲试验法。o 由于在冲击载荷作用下材料的塑性变形得不到充分发展，为由于在冲击载荷作用下材料的塑性变形得不到充分发展，为了能灵敏地反映出材料的冲击韧性，通常采用带缺口的试样了能灵敏地反映出材料的冲击韧性，通常采用带缺口的试样进行试验。进行试验。o 标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另一种是标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样。夏比形缺口试样。o 同一条件下同一材料制作的两种试样，其形试样的同一条件下同一材

15、料制作的两种试样，其形试样的a k值明值明显大于形试样的显大于形试样的a k，所以这两种试样的值，所以这两种试样的值a k不能相互比不能相互比较。较。关于冲击试验关于冲击试验形缺口试样V形缺口试样o 试验时，将试样放在试验机两支座上，将一定重量试验时，将试样放在试验机两支座上，将一定重量G的摆锤升的摆锤升至一定高度至一定高度H，使它获得位能为，使它获得位能为GH；再将摆锤释放，使其刀；再将摆锤释放，使其刀口冲向试样缺口的背面；冲断试样后摆锤在另一边的高度为口冲向试样缺口的背面；冲断试样后摆锤在另一边的高度为h，相应位能为相应位能为Gh，冲断试样前后的能量差即为摆锤冲断试样所，冲断试样前后的能量

16、差即为摆锤冲断试样所消耗的功，或是试样变形和断裂所吸收的能量，称为冲击吸收消耗的功，或是试样变形和断裂所吸收的能量，称为冲击吸收功功Ak，即，即Ak = GHGh，单位为，单位为J。o 试验时，冲击功的数值可从冲击试验机的刻度标盘上直试验时，冲击功的数值可从冲击试验机的刻度标盘上直接读出。接读出。o 冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积F获得冲击韧获得冲击韧度值度值ak ，即，即a k =Ak/ F，单位为，单位为J/cm2。有些国家。有些国家（如美、英、日等国）直接用冲击吸收功（如美、英、日等国）直接用冲击吸收功 Ak作为冲击作为冲击韧性指标。韧性指标。o

17、 材料的材料的a k 值愈大，韧性就愈好；材料的值愈大，韧性就愈好；材料的a k 值愈小，值愈小，材料的脆性愈大。材料的脆性愈大。o 通常把通常把a k 值小的材料称为脆性材料。值小的材料称为脆性材料。o 研究表明，材料的研究表明，材料的a k 值随温度的降低而降低。当温度值随温度的降低而降低。当温度降至某一数值或范围时，降至某一数值或范围时，a k 值会急剧下降，材料则由值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温

18、冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必须作因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必须作低温（一般为低温（一般为40）冲击弯曲试验，以防止低温脆）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂。性断裂。3、材料冲击韧度的意义、材料冲击韧度的意义 -N 曲线 疲劳辉纹（扫描电镜照片疲劳辉纹（扫描电镜照片）八八、 断裂韧性断裂韧性K KI Io 有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于s的情况下突然发生低应力脆断。产生这种现象的原因与机件内部存在着微裂纹和其它缺陷以及它们的扩展。o 材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产 生应力生应力集中，从而形成裂纹尖端应力场，按断裂力学分集中，从而形成裂纹尖端应力场，按断裂力学分析，应力场的大小可用析，应力场的大小可用K KI I来描述，其单位为来描述，其单位为MPaMPa m m1/21/2。oKI值的大小决定于裂纹尺寸（2a）和外加应力场，它们之间的关系由下式表示： KY 式中：Y为与裂纹形状、加载方式和试样几何尺 寸有关的无量纲系数 为外加应力场，单位为MPa； a为裂