工程材料性能

工程材料性能第1页，课件共56页，创作于2023年2月第三节

金属材料的性能

金属材料的性能：工艺性能使用性能。

工艺性能

制造工艺过程中材料适应加工的性能。

铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能

使用性能

材料在使用条件下表现出来的性能。

力学性能、物理性能、化学性能第2页，课件共56页，创作于2023年2月一、力学性能

金属材料的力学性能，即是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能。

强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度

载荷的形式

第3页，课件共56页，创作于2023年2月

作用在机件上的外力——载荷FFF=F’

（MPa）外力－内力－应力F’F静载荷动载荷σ=F’

/S外力作用第4页，课件共56页，创作于2023年2月（1）弹性变形：

材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。1.两种基本变形FFF第5页，课件共56页，创作于2023年2月

（2）塑性变形:

材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。FFF第6页，课件共56页，创作于2023年2月1、拉伸实验

拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线拉伸试验机指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。第7页，课件共56页，创作于2023年2月第8页，课件共56页，创作于2023年2月σε0钢材拉伸过程的σ-ε图OB—弹性阶段BC—屈服阶段CD—强化阶段DE—颈缩阶段A0BCB0DCEDFEC上上屈服点C下下屈服点以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。拉伸试验过程第9页，课件共56页，创作于2023年2月钢材拉伸弹性阶段示意图σp—比例极限，MPa。σe—弹性极限，MPa。注：由于A、B两点相距较近，一般认为σp=σe。σε0AB0弹性阶段σpσe第10页，课件共56页，创作于2023年2月σε0

钢材拉伸屈服阶段示意图AB0C下C上CBC下C上C屈服阶段放大后第11页，课件共56页，创作于2023年2月σε0

钢材拉伸强化阶段示意图AB0C下C上CDDDDD强化阶段σbσb——抗拉强度或强度极限。DC第12页，课件共56页，创作于2023年2月σε0E钢材拉伸颈缩阶段示意图AB0C下C上CDDE——颈缩阶段第13页，课件共56页，创作于2023年2月拉伸过程的参数强度指标屈服强度：抗拉强度：塑性指标伸长率：断面收缩率:第14页，课件共56页，创作于2023年2月退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢5.不同材料的拉伸曲线第15页，课件共56页，创作于2023年2月（1）．弹性与刚度（E）1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。弹性变形:随载荷撤除而消失的变形。比例极限：σp=Pp/Fo

应力――应变保持线性关系的极限应力值弹性极限：σe=Pe/Fo

不产永久变形的最大抗力。工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01σε0AB弹性阶段σpσe第16页，课件共56页，创作于2023年2月（2）．刚度（E）2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：

弹性模量杨氏模量材料的E越大，刚度越大；材料抵抗弹性变形的能力越大。

E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。EIE=σ/ε

第17页，课件共56页，创作于2023年2月当材料单位面积上所受的应力σe<σ<σs时，只产生微量的塑性变形。当σ>σs时，材料将产生明显的塑性变形。1）屈服强度（σS）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。σS=Fs/S0

（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度—

是塑性材料选材和评定的依据。（2）、强度

金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。

kbFes第18页，课件共56页，创作于2023年2月kbFes100%0.2%b条件屈服强度:σ0.2=F0.2/S0

（MPa）第19页，课件共56页，创作于2023年2月

σb=Fb/S0

（MPa）2）抗拉强度（σb）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。

它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度—是脆性材料选材的依据。第20页，课件共56页，创作于2023年2月小结1.弹性极限σe

材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大应力。2.屈服极限（屈服强度）σs

金属开始发生明显塑性变形的抗力。条件屈服极限σ0.2铸铁等材料没有明显的屈服现象,用产生0.2%残余应变时的应力值表示。3.强度极限(抗拉强度σb)

金属受拉时所能承受的最大应力。

第21页，课件共56页，创作于2023年2月(3).塑性常用δ和ψ作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:FFL良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。第22页，课件共56页，创作于2023年2月

2、硬度

硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度。即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度的测量可分为压入法、刻划法、回跳法和摆动法。在机械工业中广泛采用压入法来测量硬度，本实验就是采用压入法，与其它机械性能相比，硬度实验简单易行，又无损于零件，因此在工业中被广泛应用。第23页，课件共56页，创作于2023年2月

（1）.布氏硬度（HB)

一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作用下压入试样表面。测量压痕直径,计算硬度值。布氏硬度计

第24页，课件共56页，创作于2023年2月布氏硬度计的使用将压头为淬火钢球测出的硬度值标以符号HBS，适用HB<450而将压头为硬质合金球测出的硬度值标以HBW，适用HB450～650150HBS10/1000/30表示用直径10mm钢球在9.8kN（1000kgf）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为150第25页，课件共56页，创作于2023年2月

布氏硬度试验的优缺点：

优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。

缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验。

一般在零件图或工艺文件上标注材料要求的布氏硬度时，不规定试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，如210～230HBS。第26页，课件共56页，创作于2023年2月

由于测试过硬的材料可导致钢球的变形，因此布氏硬度通常用于HB值较小的材料，如灰铸铁、非铁合金及较软的钢材。

新型布氏硬度计设计有硬质合金球压头，从而可用于测试淬火钢等较硬金属的硬度，使布氏硬度法的适用范围扩大。第27页，课件共56页，创作于2023年2月洛氏硬度与布氏硬度试验一样，也是一种压痕实验法，但洛氏硬度不是测量压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。

（2）.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)洛氏硬度试验是在先后两次施加负载（初负荷PO及主负荷P1）的条件下，将标准压头压入试样表面来进行的。标准压头有两种，一种是顶角为1200的金刚石圆锥，另一种是（1/16）（1.588）的淬火钢球。根据材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用。第28页，课件共56页，创作于2023年2月洛氏硬度一般用于HB>450①HRB适用于轻金属，未淬火钢；采用组合：1.588mm淬火钢球，总载荷100kgf②HRC适用于较硬，淬硬钢制品；采用组合：120°金刚石圆锥体，总载荷150kgf③HRA适用于硬、薄试件；采用组合：120°金刚石圆锥体，总载荷60kgf

根据压头的种类和总载荷的大小的不同组合，洛氏硬度常用表示方式有:HRA、HRB、HRC第29页，课件共56页，创作于2023年2月洛氏硬度计的使用重复性差，取三次平均值第30页，课件共56页，创作于2023年2月

洛氏硬度试验的优缺点：

优点是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。

缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。

第31页，课件共56页，创作于2023年2月维氏硬度

维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号HV表示。维氏硬度表示方法：

在符号HV前方标出硬度值，在HV后面按试验力大小和试验力保持时间（10～15s不标出）的顺序用数字表示试验条件。例如：640HV300。

第32页，课件共56页，创作于2023年2月

维氏硬度试验的优缺点：

优点是可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度。

缺点是硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，因此不太适合成批生产的常规检验。第33页，课件共56页，创作于2023年2月肖氏硬度HS莫氏硬度十级十五级老师提示

各种硬度试验法测得的硬度值不能进行直接比较，必须通过硬度换算表换算成一种硬度值后，方能比较硬度高低。第34页，课件共56页，创作于2023年2月3、冲击韧度（ak）

－材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功，用符号Ak表示。

:Ak=mgH–mgh(J)

用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0,得到材料的冲击韧度ak。AKak=(J/cm²)S0第35页，课件共56页，创作于2023年2月冲击吸收功的测定ak值低－脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高－韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。第36页，课件共56页，创作于2023年2月Ak值不仅取决于材料及其状态，与试样的形状，尺寸有很大关系第37页，课件共56页，创作于2023年2月4、断裂韧性

1．问题的提出前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷（夹杂、气孔等），由于缺陷的存在，使材料内部不连续。低应力脆断――断裂力学

桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断。工作应力低于材料的屈服强度。20世纪80年代初，某电站大型汽轮机转子轴断裂第38页，课件共56页，创作于2023年2月原因：构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩展，导致机件破断。断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。第39页，课件共56页，创作于2023年2月裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子表示。KIY：系数σ

：外加应力a：裂纹半长第40页，课件共56页，创作于2023年2月断裂韧性KIC

对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当应力场强度因子KI增大到某一值时:

就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用KIC表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。σy=KI

γ=π/2a断裂韧性——KIC第41页，课件共56页，创作于2023年2月当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KI＝KIC时，裂纹处于临界状态KI<KIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。

KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。断裂韧性——KIC第42页，课件共56页，创作于2023年2月5、疲劳强度

轴、齿轮、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种应力称为交变应力(也称循环应力)。

在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹、或突然发生断裂。这种过程称为金属的疲劳。

第43页，课件共56页，创作于2023年2月

交变应力越小，材料断裂时应力循环次数N越大。

当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度(疲劳极限)，用σ-1

表示。第44页，课件共56页，创作于2023年2月

二、物理化学性能

1）.密度

单位体积物质的质量称为该物质的密度。密度小于5×103kg/m3

的金属称为轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。用于航天航空器上。密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属,如铁、铅、钨等。

2）.熔点

金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称难熔金属，如钨、钼、钒等。制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等零、部件。

熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。3）.热膨胀性

材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。膨胀系数大的材料制造的零件,温度变化时,尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间根据膨胀系数来控制间隙尺寸；在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀影响,减少工件变形和开裂。

4）.导热性

导热性用热导率衡量。热导率越大,导热性越好。银导热性最好,铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，防止材料加热或冷却时形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属材料制造散热器、热交换器与活塞等零件。第45页，课件共56页，创作于2023年2月2.电性能

传导电流的能力称导电性。

用电阻率来衡量。R＝ρL／S电阻率：ρ电导率：1/ρ超导体：ρ——0导体：ρ=10-8－10-5半导体：ρ=10-5－107绝缘体：ρ=107－1022

电阻率越小，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(钨、钼、铁铬铝合金)适于做电热元件。

第46页，课件共56页，创作于2023年2月磁性在外磁场中表现出来的特性。

●铁磁性材料

在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。制造变压器、电动机、测量仪表等。●顺磁性材料

在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。●抗磁性材料

能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。

居里点：当温度升高到一定数值时，铁磁性材料磁畴被破坏，变为顺磁体。转变温度称居里点。铁的居里点是770℃。第47页，课件共56页，创作于2023年2月金属的化学性能

3.耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；铝合金和铜合金的耐腐蚀性较好。钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。

第48页，课件共56页，创作于2023年2月2.抗氧化性

金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。

加入Cr、Si等元素,可提高钢的抗氧化性。

如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板,料盘等。第49页，课件共56页，创作于2023年2月老师提示

金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。

第50页，课件共56页，创作于2023年2月1、铸造性能

金属材料铸造成形获得优良铸件的能力。铸造1）.流动性

熔融金属的流动能力。

完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2）.收缩性

铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象。

铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。