工程材料及热处理(132014.9)第一章性能及应用

第一章材料的性能及应用意义1材料性能依据2材料的使用性能34材料的工艺性能材料的环境性能材料的性能(Performance/Property)：指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。化学成分和内部结构材料的性能必须量化表示通常是依照标准规定通过不同的试验来测定实际工件的性能首先取决于材料的性能，但须考虑到工件的形状尺寸、加工工艺过程和使用条件对其的影响。第一节材料性能指标内部依据外部表现性能使用性能：指材料制成零件和产品后在使用过程中能适应或抵抗外界对它的作用而必须具备的能力工艺性能：指制造过程中材料适应加工的能力第二节材料的使用性能一、力学性能（机械性能）定义：材料在外力作用下表现出的行为。主要指标：刚度、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳极限等。1.载荷零件和工具在使用过程中所受的力称为载荷。（1）静载荷力的大小不变或变化缓慢的载荷，如静拉力、静压力等。（2）动载荷力的大小和方向随时间而发生改变，如冲击载荷、交变载荷等。加载方式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等2.应力

物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用力称为内力，单位面积上的内力，称为应力。

应力的计算公式为3.变形

金属在外力的作用下尺寸和形状的变化称为变形。（1）弹性变形去除外力后，物体的变形能完全恢复。（2）塑性变形

去除外力后，物体的变形不能完全恢复，而产生永久变形。式中σ——应力（MPa）；

F——内力（N）；

A——截面积（mm2）。电脑伺服控制材料实验机

圆形拉伸试样刚度、强度和塑性根据静拉伸试验进行测定。ⅠⅡⅢⅣⅡⅤ低碳钢拉伸曲线Ⅰ—oe：弹性变形σeⅡ—es：屈服σsⅢ—sb：塑性变形（强化）Ⅳ—bk：缩颈σbⅤ—k：断裂一、刚度（Rigidity）

材料受力时抵抗弹性变形的能力。

指标为弹性模量E和切变模量G。应力

=F/A0应变

=(l-l0)/l0要求刚度大的零件钢铁材料要求刚度小的零件软弹簧材料二、强度(strength):

材料在力的作用下抵抗永久变形和断裂的能力。（1）屈服强度（σs）材料发生明显塑性变形时的最低应力值。

主要指标为——屈服强度和抗拉强度。（2）抗拉强度（σb）最大拉伸力时的应力。

工程上把屈服点与抗拉强度的比值（σs/σb）称为屈强比，一般材料的屈强比以0.75为宜。1.断后伸长率（δ）三、塑性（Plasticity）材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。2.断面收缩率（ψ）

断后伸长率δ和断面收缩率ψ的数值越大，表明材料的塑性越好。材料的塑性是决定其能否进行塑性加工的必要条件，塑性良好的金属可进行各种塑性加工，同时使用安全性也较好。指标为：四、硬度（Hardness）

压入法测量硬度常用的方法有：压入法弹性回跳法划痕法材料的软硬程度，表征抵抗局部变形或破坏的能力。肖氏莫氏布氏、洛氏、维氏布氏硬度计1.布氏硬度(HBS/HBW)数值一般不需计算，而用带有刻度盘的放大镜测量出压痕的直径，直接由表查得硬度值大小，一般只标大小而不标单位。HBSHBW

表示用淬火钢球压头测量的布氏硬度值，用于测量硬度值小于450HBS的材料。

表示用硬质合金压头测量的布氏硬度值，用于测量硬度值为450～650HBW的材料。布氏硬度常用于测定铸铁、非铁合金及退火、正火和调质钢的硬度。优点：测量误差小，数据稳定，与强度有较好的对应关系。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件，硬度范围有限。

2.洛氏硬度(HR)金刚石圆锥体压头(锥角120°)直径为1.588mm的淬火钢球洛氏硬度计H钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕压痕深度h

HRA用于测量表面层或高硬度材料，如硬质合金；

HRB适用于硬度较低的材料,如有色金属，退火、正火钢等；

HRC主要用于测量中等硬度材料，如淬火钢、调质钢等。洛氏硬度有3种规范：具体实验条件及应用范围参见表1-2优点：操作简便，直接读数，压痕小，应用范围最广。缺点：需在试样不同部位测定，取平均值。维氏硬度计3.维氏硬度(HV)顶角为136°的金刚石正四棱锥压头压痕两条对角线的平均长度d优点：压痕浅，轮廓清晰，数值准确，硬度范围广，广泛应用于测量金属镀层、薄片材料、化学热处理后的表面硬度和显微硬度。缺点：不适合成批生产的检验，测量效率低于洛氏硬度。维氏硬度值不需要计算，一般是根据d查表得出。

显微维氏硬度计五、韧性（Ductility）

零部件在服役过程中不仅受到静载荷或交变载荷作用，还受到不同程度的冲击载荷作用。故设计零件时，不仅要满足在静载荷作用下的强度、刚度、塑性等指标，还需考虑材料的韧性。

主要指标为冲击韧度

试样在一次冲击试验力作用下，断裂时所吸收的功称为冲击吸收功，用AK表示，单位为J。摆锤式冲击试验

冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功，用aK表示，单位为J/cm2。一般金属材料的韧性随温度的下降而降低，即在高温下表现出较好的韧性，而在低温下则显得较脆。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。冲击韧度akTitanic号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果比较Titanic近代船用钢板六、疲劳极限1.疲劳现象

材料在交变载荷作用下，尽管零件所受的应力低于屈服点,但经过较长时间的工作后,在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂，这种现象称为疲劳。2.疲劳极限σ-1材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用

-1表示。

疲劳极限σ-1与材料的抗拉强度σb存在一定的经验关系，随抗拉强度的升高而升高，为了减少试验，σ-1可用σb近似计算。钢铁材料的疲劳曲线示意图3.提高疲劳强度途径通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，进行表面强化和形变热处理等方法可提高零件的疲劳强度。第三节材料的工艺性能车、钳、铣、刨、磨材料的切削铸造、拉、拔、挤、压、锻材料的成型合金化、热处理材料的改性焊接、粘接材料的联接材料加工

工程材料的工艺性能主要有铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能。金属材料的物理性能与化学性能一、金属材料的物理性能

物理性能是指材料固有的属性，包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。1.密度指在同一温度下单位体积物质的质量，其表达式为式中ρ——物质的密度（g/cm3

或t/m3

）；

m——物质的质量（g或t）；

V——物质的体积（cm3或m3）。根据相对密度（与水密度之比）大小，可将金属分为轻金属（相对密度≤4.5）和重金属（相对密度＞4.5）。材料的密度，直接关系到由它所制成的设备的自重与效能。铝合金在汽车零部件中的应用比例越来越大；钛及钛合金在航空工业中得到广泛应用。2.熔点

熔点是材料从固态转变为液态的温度。

金属等晶体材料一般具有固定的熔点，而高分子材料等非晶体材料一般没有固定的熔点。工业上一般把熔点低于700℃的金属或合金称为易熔金属，把熔点高于700℃的金属或合金称为难熔金属。钨、钼等金属具有高的熔点3.导电性

描述材料电性能的物理量有电阻率ρ和电导率γ。材料的电阻率ρ越小，导电性能越好。银的导电性最好，铜、铝次之

材料传导电流的能力。输电导体——纯铜、纯铝加热元件——导电性差的材料（Fe-Cr、碳硅棒）1.2金属材料的力学性能4.导热性（1）热导率用热导率λ表示金属导热性能，含义是在单位厚度金属、温差为1℃时，每秒钟从单位截面通过的热量。金属越纯，导热性越好。（2）热膨胀性材料随温度的改变而出现体积变化的现象。用线膨胀系数α来表示热膨胀性，含义是温度上升1℃时，单位长度的伸长量。5.磁性

磁性能可分为非铁磁性物质和铁磁性物质。目前应用的磁性材料有两类：金属和陶瓷银、铜的导热性最好，铝次之Al、CuFe、Ni、Co

材料传导热量的能力。温差较大场合必须考虑

材料在磁场中能被磁化或导磁的能力。1.2金属材料的力学性能二、金属材料的化学性能

材料抵抗其周围各种化学介质侵蚀的能力，包括耐腐蚀性和高温抗氧化性。1.耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗化学物质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。包括化学腐蚀和电化学腐蚀。

金属的腐蚀现象随处可见，如铁生红锈、铜生绿锈、铝生白点等。2.高温抗氧化性高温下使用的工件，要求材料具有高温抗氧化的能力。在高温条件下工作的设备，如锅炉、加热设备、喷气发动机上