第2章工程材料的性能1

第2章工程材料的性能（2学时）【学习目标】1、重点了解工程材料的常用力学性能；2、了解工程材料的物理、化学及工艺性能，并建立材料性能的技术经济概念。材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，材料在特定的加工条件下表现出来的性能。材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力，如铸造、焊接、锻造、热处理、切削加工等性能。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。2.1材料的力学性能

金属材料的力学性能是指金属材料在不同的环境因素下（温度、介质），承受外加载荷作用时所表现的性能，这种性能通常表现为变形和断裂。因此，金属材料的力学性能可以理解为金属材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力，也称为金属材料的机械性能。金属材料的机械性能是零件设计和选材时的主要依据。2.1.1强度和塑性材料的强度与塑性是极为重要的力学性能指标。评价材料力学性能的指标是通过拉伸试验测定的。将材料按GB/T228-2002要求制成标准拉伸试样（见图2.1.1）。在拉伸试验机上，将拉伸过程中试样所受的拉伸力称为应力，试样伸长量称为应变，得到应力—应变曲线。

（视频，金属材料拉伸试验）图2.1.11—退火低碳钢的应力-应变曲线2—拉伸试样3—拉断后的试样金属材料的强度与塑性指标一般是在材料试验机上通过拉伸试验测得液压式万能材料试验机1)弹性变形阶段曲线的Oe段近乎一条直线，表示受力不大时试样处于弹性变形阶段，即在应力不超过Re时，应力与应变呈正比关系，若卸除试验力，试样能完全恢复到原来的形状和尺寸。这种变形叫弹性变形。2)屈服变形阶段当拉伸力继续增加超过Re后，试样将产生不能恢复的永久变形，即塑性变形，并且在H点后曲线上出现锯齿状线段，这时应力不增加而试样却继续拉长，称为材料的屈服。屈服后试样产生均匀的塑性变形。3)冷变形强化阶段应力继续增加，曲线又呈上升态势，表示试样恢复了抵抗拉伸力的能力。m点表示试样抵抗拉伸力的最大能力，试样产生不均匀的塑性变形，某处截面积开始减小，形成颈缩。4)缩颈与断裂阶段试样承受拉伸力的能力迅速减小，到K点时，试样在颈缩处断裂。图2.1.1

试件从拉伸到断裂经过的4个阶段拉伸试样的颈缩现象1、强度强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系，使用中一般以屈服强度、抗拉强度作为最基本的强度指标。

（1）弹性极限即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线e点对应的应力Re为弹性极限：

Re=Fe/S0

式中

Re——弹性极限（MPa）；

Fe——试样产生完全弹性变形时的最大载荷（N）；S0——试样原始横截面积（mm2）。在弹性阶段中，应力与应变成正比，呈线性关系，这种关系称胡克定理。弹性模量E=R/ε，单位为MPa。弹性模量E标致材料抵抗变形的能力，即材料的刚度。弹性模量主要取决于材料本性，一些处理方法对它影响很小。材料刚度不等于零件刚度，零件刚度与其形状和尺寸有关。（2）屈服强度在拉伸过程中力不增加（保持恒定），试样仍能继续拉长时的应力称为材料的屈服强度。上屈服强度ReH是试样产生屈服力首次下降前的最大应力；下屈服强度ReL是指屈服期间的最小应力。屈服强度是工程上最重要的力学性能指标之一，绝大多数零件在工作时都不准产生明显的塑性变形，否则将直接影响机器的使用性能。对没有明显的屈服现象的材料，国家标准规定用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以R0.2表示，称条件屈服强度。`屈服强度计算：

ReH=FeH/S0

ReL=FeL/S0式中ReH——屈服强度（MPa）；FeH——试样开始产生屈服现象时的最大载荷（N）；FeL——试样开始产生屈服现象时的最小载荷（N）；S0——试样原始横截面积，（mm2）。条件屈服强度计算：

高碳钢、铸铁等脆性材料在拉伸图中没有明显的水平阶段（即屈服现象），也不产生颈缩，而直接被拉断。为了衡量这些材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度，用符号R0.2表示。

计算公式:F0.2S0R0.2=

抗拉强度应用：制作机械零件和工程构件时的选材和设计的主要依据。（3）抗拉强度（强度极限）材料在断裂前所承受的最大应力Fm值称为抗拉强度，用Rm

表示，单位MPa

。计算公式:Rm=Fm/So式中Fm——试样在拉伸过程中所能承受的最大拉力（N）；

S0——试样原始横截面积，（mm2）。MPa与Pa的换算我国法定压力单位为帕斯卡（简称帕），符号为Pa。由于Pa太小，工程上常用其倍数单位MPa（兆帕）来表示。

1兆帕(MPa)＝1000000帕(Pa)。Mpa,也是压强单位，读作兆帕，也就是百万（M）帕斯卡（Pa）。1MPa=1000000Pa=1N／mm2=（1／9.8=0.102）Kgf/mm2。2、塑性

即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力，称塑性。塑性是金属材料的主要力学性能指标。衡量塑性的依据是伸长率和断面收缩率。伸长率断面收缩率压缩率塑性（1）伸长率

即试样拉断后标距与原始标距的百分比。

A=(LU-L0)/L0×100%式中A——伸长率（%）；

LU——试样拉断后标距（mm)；

L0

——试样原始标距（mm)。（2）断面收缩率

即试样拉断后，缩颈处最小横截面积与原始横截面积的百分比。

Z=（S0-SU）/S0×100%式中

Z——断面收缩率（%）；

SO——试样的原始截面积（mm2）SU——试样拉断后缩颈处的最小横截面积（mm2)材料的塑性指标对机械零件的加工和使用具有重要意义。金属材料的延伸率和断面收缩率数值越大，表示材料的塑性越好。

2.1.2硬度（Hardnss、代号H）

硬度是材料抵抗硬的物体压入其内的能力,是材料性能的一个综合物理量。表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。在产品设计图样的技术条件中，硬度是一顶主要技术指标。金属材料的硬度指标可用硬度仪来测试，常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

1.布氏硬度（HB）布氏硬度标准,1905年由瑞典科学家布林南尔首先提出，用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测量压痕直径,然后按公式求出硬度值，单位是公斤力/平方毫米。目前，布氏硬度主要用于铸铁、非金属以及经退火、正火、和调质处理的钢材等硬度的测定。布氏硬度（HB）=载荷与压痕面积之比。单位为Kgf/mm2（N/mm2),1kgf/9.806N=0.102.

HB=F/S(N/mm2)F—载荷，N(kgf)S-压痕面积.标注时，单位一般不写。布氏硬度试验原理图布氏硬度试验的F/D2值的选择（截荷与压头直径面积的比值）GB/231—2002中规定了30、15、10、5、2.5、2、1共七种比值，以满足不同硬度的材料测试需要。材料布氏硬度0.102F/D2备注钢及铸铁＜140≥1401030条件允许时，应尽量选用10mm压头和无括号的F/D2值。F单位：ND单位：mm铜及其合金＜3535～130＞13051030轻金属及其合金＜3535～80＞80251010铅、锡

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布氏硬度试验规范计算公式：

压头是直径为D的钢球或硬质合金球。

HBS——压头为钢球，用于测量<450HBSHBW——压头为硬质合金,用于测量>450HBW（<650HBW）布氏硬度标注

符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，除了采用钢球直径D为10mm,试验力为3000kgf,保持时间为10s试验条件外，在其它试验条件下，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:150HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为150。一般在工程文件上可标出布氏硬度值的大小和符号，如230HBS或230HB。2、洛氏硬度（Rockwellhardness）：

洛氏硬度试验法是由美国科学家洛克威尔（S.P.Rockwell）在1921年提出来的。使用洛氏硬度计所测定的金属材料的硬度值没有单位，只用代号“HR”表示。洛氏硬度试验是用一个锥角为120°的金刚石锥体或直径为1.588mm（1/16″）的淬火钢球，在规定的载荷作用下压入被测金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。洛氏硬度试验简便、迅速，广泛应用于生产制造、科学研究的各个领域。洛氏硬度计00112332F0F1F2h1-1初载10kgF02-2总载150kgF13-3卸载140kgF2最后测得：残余压痕深度增量eHR=k-e/0.002e=h2-h0

试验方法洛氏硬度试验是用标准型压头,先后两次对被试材料表面施加试验力（初试验力F0与总试验力F0+F1），在试验力的作用下压头压入试样表面。在总试验力保持一定时间后，卸除主试验力F1，保留初始试验力F0的情况下测量压入深度，以总试验力下压入深度与在初试验力下的压入深度之差h（即所谓的残余压入深度）来表示硬度的高低，残余压入深度值越大，硬度值越低，反之亦然。洛氏硬度试验时，硬度值可以从硬度计上的刻度盘直接读出。洛氏硬度计算例题洛氏硬度：HR=k-h/s（0.002）式中K——为给定标尺的硬度常数，用金刚锥体压头时，k=0.2mm,用钢球压头时，k=0.26mm；S——为给定标尺的单位，通常以0.002为一个硬度单位；h——残余压痕深度增量。例：一淬火零件，测得残余压痕深度增量h为0.08mm，采用C标尺测验，求HRC硬度值。解：代入公式

HR=k-h/s（0.002）=0.2-0.08/0.002=60HRC

此零件硬度为60HRC。硬度标尺洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们共有9种组合，对应于洛氏硬度的9个标尺：HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH和HRK。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。最常用标尺是HRC、HRB和HRF，其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。洛氏硬度的分类及应用标尺压头总载荷/N（kgf）应用范围适用材料HRA120º金刚石圆锥588.4（60）70~80硬质合金、表面淬火的钢HRBΦ1.588mm钢球（1/16″）980.7（100）20~100软钢、退火钢、铜合金HRC120º金刚石圆锥1471（150）20~70淬火钢、调质钢等洛氏硬度标注与洛氏硬度的特点洛氏硬度值为一无名数，根据国家标准规定，硬度数值写在符号HR的前面，HR后面为使用的标尺，如50HRC，表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。洛氏硬度试验是生产中广泛应用的一种硬度试验。其特点是，硬度试验压痕小，对试件表面损伤小，常用来直接检验成品或半成品的硬度；试验操作迅速简便，可以直接从试验机上读出硬度值。当采用不同标尺时，可测量出从极软到极硬材料的硬度。主要缺点是，由于压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确.3、维氏硬度（HV）由英国科学家维克斯1930年首先提出。以5~120kgf（49.03~1176.80N）的载荷,将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角线长度，计算出压痕面积S，求出单位面积上的平均压力，称维氏硬度，用符号HV表示。它适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。

查三角函数表2sin68°=0.92718×2=1.85436表示方法维氏硬度值用符号“HV”表示。HV前面为硬度值，后面按“试验载荷/载荷保持时间（10～15S不标注）”的顺序用数值表示试验条件。例如：640HV30/20表示用294.21N（30kgf）试验载荷，保持20S，测定的维氏硬度值为640。2.1.3冲击韧度以加速度作用于工件上的载荷，称冲击载荷。许多机械零件和工具在工作时要承受一定的冲击载荷，如冲床的冲模、锻造的锻模、内燃机的活塞销、风动工具等。对这些零件，不仅要满足在静载荷下的强度、塑性、硬度等要求，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。金属材料抵抗冲击载荷的能力，称冲击韧性。为了评定金属材料的冲击韧性，需要进行大能量一次冲击试验。一次冲击试验通常在摆锤式冲击机上进行。摆锤式冲击实验机冲击试样冲击试样有夏比V型缺口试样和夏比U型缺口试样两种:试验时，将试样放在试验机两支座上，把质量为G的摆锤抬到高H，使摆锤自由落下，摆锤落下冲断试样后升至h高度。则摆锤冲断试样推动的位能，就是试样变形和断裂所消耗的功称为冲击吸收功AK，即AK=Gg(H-h)用试样的断口处截面积SN（cm2）去除AK（J）即得到冲击韧度，用ak表示，单位为J（焦耳）/cm2.aK=AK/S式中S—试样缺口处面积，cm2.2.1.4疲劳极限

机械零件在循环应力作用下，经过一定的周期工作，发生突然断裂的现象，称为金属的疲劳现象。疲劳破坏具有很大的危险性，也是机械零件失效的主要原因之一。这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂可用交变应力——循环次数曲线表示，如图2.1.6所示。据统计，机械零件断裂中有80%是由于疲劳引起。

图2.1.6疲劳曲线示意图提问:疲劳断裂是如何产生的？

疲劳断裂是由于零件中存在缺陷，如裂纹、夹杂、刀痕等疲劳源，在循环应力作用下疲劳源处产生疲劳裂纹，这种疲劳裂纹不断扩展，减小了零件的有效承载面积，最后当截面减小到不能承受外力时，零件即发生突然断裂。

疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：107次有色金属：108次材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力点实际生产中提高疲劳强度的方法：1、避免或减少材料在冶炼和加工过程中造成的裂纹、夹杂、疏松、气孔、表面刀痕和碰伤等缺陷；2、零件结构设计时，尽可能避免出现尖角、沟槽、圆角过小和截面突变等，以减少应力集中。3、对零件表面采用喷丸、冷滚压、表面淬火和渗、镀处理等工艺，以强化零件表面。总结力学性能性能判据含义名称符号强度抗拉强度Rm试样拉断前所能承受的最大应力弹性极限Re金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。屈服点ReH(上)ReL(下)拉伸试验产生屈服现象时的应力，试验产生明显塑形变形规定残余伸长应力R0.2规定残余伸长率为0.2%时的应力力学性能性能判据含义名称符号塑性断面收缩率Z试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比断后伸长率A断后标距的残余伸长与原始标距的百分比韧性冲击吸收功Ak试样冲断所吸收的能量疲劳疲劳极限σ-1试样受无数次循环应力作用后仍不破断的最大应力力学性能性能判据含义名称符号硬度布氏硬度HBSHBW球形压痕单位面积上承受的平均压力洛氏硬度HRAHRBHRC用洛氏硬度标尺的满程与压痕深度之差计算的硬度值维氏硬度HV正四棱锥压痕单位面积上承受的平均压力

2.2材料的物理性能材料的物理性能虽然不是结构件设计的主要参数，但在某些特定情况下却是必须加以考虑的因素。工程材料的物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等，各种机械零件由于用途不同，对材料的物理性能要求也有所不同。1.密度材料单位体积所具有的质量称为密度。抗拉强度与密度之比称为比强度。密度是工程材料特性之一，工程上通常用密度来计算零件毛坯的质量。材料的密度直接关系到由它所制成的零件或构件的重量或紧凑程度，这一点对于要求减轻机件自重的航空和宇航工业制件具有特别重要的意义，例如飞机、火箭等。用密度小的铝合金制作同样零件，比钢材制造的零件重量可减轻1/3～1/4。2.熔点材料由固态转变为液态时的熔化温度称为熔点。金属都有固定的熔点，而合金的熔点取决于成分，例如，钢是铁和碳组成的合金，含碳量不同，熔点也不同。根据熔点的不同，金属材料又分为低熔点金属和高熔点金属。熔点高的金属称为难熔金属(如W、Mo、V等)，可用来制造耐高温零件，例如，喷气发动机的燃烧室需用高熔点合金来制造。熔点低的金属(Sn、Pb等)，可用来制造印刷铅字和电路上的熔丝等。对于热加工材料，熔点是制定热加工工艺的重要依据之一，例如，铸铁和铸铝熔点不同，它们的熔炼工艺有较大区别。3.导热性材料传导热量的能力称为导热性。导热性能是工程上选择保温或热交换材料的重要依据之一，也是确定机件热处理保温时间的一个参数。如果热处理件所用材料的导热性差，则在加热或冷却时，表面与心部会产生较大的温差，造成不同程度的膨胀或收缩，导致机件破裂。一般来说，金属材料的导热性远高于非金属材料，而合金的导热性比纯金属差。例如，合金钢的导热性较差，当其进行锻造或热处理时，加热速度应慢一些，否则会形成较大的内应力而产生裂纹。4.热膨胀性材料随温度变化体积发生膨胀或收缩的特性称为热膨胀性。一般材料都具有热胀和冷缩的特点。在工程实际中，许多场合要考虑热膨胀性。例如，相互配合的柴油机活塞和缸套之间间隙很小，既要允许活塞在缸套内往复运动又要保证气密性，这就要求活塞与缸套材料的热膨胀性要相近，才能避免二者卡住或漏气；铺设铁轨时，两根钢轨衔接处应留有一定空隙，让钢轨在长度方向有伸缩的余地；制定热加工工艺时，应考虑材料的热膨胀影响，尽量减小工件的变形和开裂等。5.导电性材料的导电性常用电阻率表示。电阻率表示单位长度、单位面积导体的电阻，其单位为Ω·m。电阻率越低，材料的导电性越好。金属通常具有较好的导电性，其中最好的是银，铜和铝次之。金属具有正的电阻温度系数，即随温度升高，电阻增大。含有杂质或受到冷变形会导致金属的电阻上升。6.磁性材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性或磁性。金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料。铁磁性材料（如铁、钴等）在外磁场中能强烈地被磁化，可用于制造变压器、电动机、测量仪表等；抗磁性材料（如铜、锌等）能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，可用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘等；顺磁性材料（如锰、铬等）在外磁场中只能微弱地被磁化，多用于磁量子放大器和光量子放大器，在工业上应用极少。2.3材料的化学性能

金属