工程材料-第一章_材料的性能

1、主要内容：主要内容：l材料的力学性能l材料的物理和化学性能l材料的工艺性能材料的性能材料的性能力学性能（机械性能）力学性能（机械性能）物理性能物理性能化学性能化学性能工艺性能工艺性能使用性能使用性能铸造性能铸造性能焊接性能焊接性能可锻性能可锻性能切削加工性能切削加工性能第一章 材料的性能第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能第一节力学性能第一节力学性能材料的力学性能材料的力学性能（Mechanical Property），又称为机械性能，是材，又称为机械性能，是材料在受外力作用时表现出的性能。料在受外力作用时表现出的性能。拉伸试样（拉伸前和拉伸后）拉伸试样（拉伸前和拉伸后）第一章

2、材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能拉伸试验拉伸试验机机拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象AABCDE p e s b E低碳钢的低碳钢的 曲线曲线 p比例极限比例极限 e弹性极限弹性极限 s屈服强度屈服强度 b抗拉强度抗拉强度 E E刚度刚度第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能一、弹性和刚度一、弹性和刚度1.1.弹性弹性（Elasticity）材料在外力作用下不产生永久变形的能力。材料在外力作用下不产生永久变形的能力。l 弹性极限弹性极限（Elastic limit） 其中，其中， F Fe e为弹性极限载荷，为弹性极限载荷，NN；A A0 0为试样原始横截面积，为试样

3、原始横截面积，mmmm2 2。2.2.刚度刚度（Stiffness） 材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。 根据根据HookesHookes law law： E 其中，其中，E E为弹性模量，为弹性模量，MPaMPa，表征刚度。，表征刚度。0eeAF（MPa）（MPa）第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能二、强度和硬度二、强度和硬度1.1.强度强度（Strength）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。l 屈服强度屈服强度（Yield Strength）材料抵抗塑性变形的能力。材料抵抗塑性变形的能力。其

4、中，其中， F Fs s为试样屈服时的载荷，为试样屈服时的载荷，NN。没有明显塑性变形的塑性材料，以产生没有明显塑性变形的塑性材料，以产生0.2%永久变形时的应力值作永久变形时的应力值作为其屈服强度，称为其屈服强度，称条件屈服强度条件屈服强度（Offset Yield Strength） 。其中，其中， F F0.20.2为试样产生为试样产生0.2%0.2%残余塑性变形时的载荷，残余塑性变形时的载荷，NN。0ssAF02 . 02 . 0AF（MPa）（MPa）第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能l 抗拉强度抗拉强度（Tensile Strength）材料在拉伸力作用下抵抗被拉断

5、的能力，为材料断裂前所能承受的材料在拉伸力作用下抵抗被拉断的能力，为材料断裂前所能承受的最大应力。最大应力。其中，其中， F Fb b为试样断裂前的最大载荷，为试样断裂前的最大载荷，NN。 其他强度指标：其他强度指标：抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度。抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度。0bbAF（MPa）第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能布氏硬度布氏硬度HBHB洛氏硬度洛氏硬度HRHR维氏硬度维氏硬度HVHV肖氏硬度肖氏硬度HSHS锉刀法锉刀法硬度的测量方法：硬度的测量方法：第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能2.2.硬度硬度（Hardness）材料抵

6、抗局部变形的能力，即抵抗其他硬物体压入其表面的能力。材料抵抗局部变形的能力，即抵抗其他硬物体压入其表面的能力。通常材料的强度越高，硬度也越高。通常材料的强度越高，硬度也越高。 l 布氏硬度布氏硬度 HB（Brinell-hardness）用一定载荷用一定载荷F F，将直径为，将直径为D D 的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表面，的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积确定硬度值。保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积确定硬度值。F压头压头被测材料被测材料布氏硬度测试示意图布氏硬度测试示意图 布氏硬度计布氏硬度计 第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能

7、力学性能l 洛氏硬度洛氏硬度 HR（Rockwll hardness）将锥度为将锥度为120120的金刚石或钢制的金刚石或钢制标准压头用规定压力压入被测材料表面，标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度确定硬度值。根据压痕深度确定硬度值。第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能压头压头被测材料被测材料洛氏硬度测试方法洛氏硬度测试方法 洛氏硬度计洛氏硬度计 l 维氏硬度维氏硬度 HV（Diamond Penetrator Hardness ）用一种顶角为用一种顶角为136136的金钢石角锥压头，在载荷的金钢石角锥压头，在载荷F F（kgfkgf）作用下，材料表）作用下，材料表面

8、压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度面压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度d d（mmmm），计算压痕面积），计算压痕面积A A（mmmm2 2），以），以F F/ /A A的数值表示硬度值。的数值表示硬度值。压头压头被测材料被测材料维氏硬度测试方法维氏硬度测试方法 维氏硬度计维氏硬度计 压痕压痕第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能 常用硬度测试方法的应用范围：常用硬度测试方法的应用范围：F布氏硬度布氏硬度 HB通常测试较软的材料。通常测试较软的材料。 如退火、正火、调质钢，铸铁，有色金属等。如退火、正火、调质钢，铸铁，有色金属等。F洛氏硬度洛氏硬度 HR 通常测试较硬的

9、材料。通常测试较硬的材料。 如淬火钢、调质钢等。如淬火钢、调质钢等。 布氏硬度和洛氏硬度的简单换算：布氏硬度和洛氏硬度的简单换算：1HRC 10HBSF维氏硬度维氏硬度HV 适于测试材料极薄层的硬度。适于测试材料极薄层的硬度。 如金属镀层、薄片金属、渗碳或氮化件的表面硬度等。如金属镀层、薄片金属、渗碳或氮化件的表面硬度等。第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能三、塑性和韧性三、塑性和韧性1.1.塑性塑性（Plasticity）材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力。材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力。l 断面收缩率断面收缩率（Percentage Reduc

10、tion in Area） 其中，其中， A A1 1和和A A0 0分别为试样拉断处和试样原始的横截面积，分别为试样拉断处和试样原始的横截面积，mmmm2 2。l 伸长率（延伸率）伸长率（延伸率）（Percentage Elongation） 其中，其中， L L1 1和和L L0 0分别为试样拉断后和试样原始的标距长度，分别为试样拉断后和试样原始的标距长度，mmmm。%100AAA010%100LLL010第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能2.2.韧性韧性（Toughness）材料断裂时所需能量的度量。材料断裂时所需能量的度量。l 冲击韧性冲击韧性（Impact Tough

11、ness）材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。试样冲断时所消耗的冲击功试样冲断时所消耗的冲击功A Ak k: : Ak = mgh1 mgh2 （J）冲击韧性值冲击韧性值ak 是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，用以是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，用以表示材料冲击韧性的大小：表示材料冲击韧性的大小： 通常材料的塑性越好，韧性也越好。通常材料的塑性越好，韧性也越好。0kkAAa（J/cm2）第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能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样和冲击试验示意图第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能

12、力学性能 材料的强度、硬度与塑性、韧性的关系：材料的强度、硬度与塑性、韧性的关系：F通常，材料的强度越高，则硬度越大。通常，材料的强度越高，则硬度越大。F通常，材料的塑性越好，则韧性越好。通常，材料的塑性越好，则韧性越好。F通常，材料的强度和硬度越高，则塑性和韧性越低。通常，材料的强度和硬度越高，则塑性和韧性越低。第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能四、疲劳强度四、疲劳强度l 疲劳疲劳（Fatigue） 材料在交变载荷作用下，在低于其屈服强度的应力下即发生断裂的材料在交变载荷作用下，在低于其屈服强度的应力下即发生断裂的现象。现象。l 疲劳强度疲劳强度（Fatigue Streng

13、th）材料在规定次数的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应力，材料在规定次数的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应力，用用 -1 表示。疲劳强度又称疲劳极限。表示。疲劳强度又称疲劳极限。规定次数：规定次数：钢铁材料：钢铁材料：10107 7有色金属及其合金：有色金属及其合金：10108 8。 钢铁材料的钢铁材料的 -1 -1值约为其值约为其 b b的的1/21/2，非金属材料的，非金属材料的 -1 -1 一般远低于金属。一般远低于金属。 材料的疲劳损坏在工程领域中是较普遍的一种失效形式。因此，提高材料的疲劳损坏在工程领域中是较普遍的一种失效形式。因此，提高 材料及其制品的疲劳寿命非常重要。

14、材料及其制品的疲劳寿命非常重要。 第一章 材料的性能1.1 1.1 力学性能力学性能第二节物理和化学性能第二节物理和化学性能一、物理性能一、物理性能（Physical Property）材料的物理性能是物质的化学组成不改变而某种性质发生变化时所材料的物理性能是物质的化学组成不改变而某种性质发生变化时所表现出来的性能。表现出来的性能。1.1.密度密度（Density）材料单位体积的质量。材料单位体积的质量。 与密度有关的重要指标：与密度有关的重要指标：l 比强度比强度 抗拉强度与密度的比值，抗拉强度与密度的比值， b/ 。 飞机、宇宙飞船上使用的结构材料要求有高的比强度。飞机、宇宙飞船上使用的结

15、构材料要求有高的比强度。 TiTi、AlAl及其合金具有高的比强度。及其合金具有高的比强度。l 比弹性模量比弹性模量 弹性模量与密度的比值，弹性模量与密度的比值， E/ 。第一章 材料的性能1.2 1.2 物理和化学性能物理和化学性能2.2.熔点熔点（Melting Point）材料的熔化温度。材料的熔化温度。 晶体材料具有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点。晶体材料具有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点。 3.3.热容热容（Heat Capacity） 材料在没有体积变化时，温度变化材料在没有体积变化时，温度变化1时热量的变化。时热量的变化。材料从一种状态转变为另一种状态，其内部的原子或

16、分子结构通常要材料从一种状态转变为另一种状态，其内部的原子或分子结构通常要发生变化，这使材料的热容也发生变化。如材料在熔化或气化时，需发生变化，这使材料的热容也发生变化。如材料在熔化或气化时，需要外界输入热量，表现为材料的热容发生了变化。要外界输入热量，表现为材料的热容发生了变化。 4.4.热膨胀性热膨胀性（Expansibility）l 线膨胀系数线膨胀系数材料每变化材料每变化1时引起的长度相对膨胀量的大小。时引起的长度相对膨胀量的大小。 一般来说，陶瓷的线膨胀系数最小，金属次之，高分子材料最大。一般来说，陶瓷的线膨胀系数最小，金属次之，高分子材料最大。第一章 材料的性能1.2 1.2 物理

17、和化学性能物理和化学性能 5. 5.导热性导热性（Heat Conductivity）材料传导热量的性能。材料传导热量的性能。通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料。通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料。 6.6.导电性导电性（Electric Conductivity）材料传导电荷的性能，用电导率或电阻率表示。材料传导电荷的性能，用电导率或电阻率表示。 金属及其合金一般具有良好的导电性，陶瓷材料和高分子材料一般是金属及其合金一般具有良好的导电性，陶瓷材料和高分子材料一般是绝缘体。绝缘体。 7.7.磁性磁性（Magnetism）材料在磁场中导磁的性能。材料在磁场中导磁的性能。物质的磁性主

18、要有抗磁性、顺磁性、铁磁性等。物质的磁性主要有抗磁性、顺磁性、铁磁性等。 8.8.介电常数介电常数（Dielectric Constant）材料在电场中被极化的性能。材料在电场中被极化的性能。第一章 材料的性能1.2 1.2 物理和化学性能物理和化学性能二、化学性能二、化学性能（Chemical Property）材料的化学性能是物质通过发生化学反应而改变某种性质时所表现材料的化学性能是物质通过发生化学反应而改变某种性质时所表现出来的性能。出来的性能。1.1.耐腐蚀性耐腐蚀性（Corrosion Resistance）材料抵抗介质侵蚀的能力。材料抵抗介质侵蚀的能力。陶瓷材料和高分子材料的耐腐蚀

19、性通常比金属材料高得多。陶瓷材料和高分子材料的耐腐蚀性通常比金属材料高得多。 2.2.高温抗氧化性高温抗氧化性（Oxidation Resistance at High Temperature) 材料在高温下迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结材料在高温下迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结 合牢靠的膜从而阻止进一步氧化的能力。合牢靠的膜从而阻止进一步氧化的能力。 3.3.抗老化性能抗老化性能（Ageing Resistance） 高分子材料抵抗老化的能力。高分子材料抵抗老化的能力。 4.4.降解性降解性（Degradability） 塑料在自然环境下能否迅速分解的能力。塑料在自然环境下能否迅速分解的能力。第一章 材料的性能1.2 1.2 物理和化学性能物理和化学性能第三节工艺性能第三节工艺性能（Technological Property）材料的工艺性能是材料在实际生产加工过程中适应工艺要求所表现材料的工艺性能是材料在实际生产加工过程中适应工艺要求所表现出来的性能，又称为加工性能。出来的性能，又称为加工性能。一、铸造性一、铸造性（Casting Characteristics）浇注铸件时，液态材料能充满铸