材料性能的认识课件

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材料性能的认识*1.使用性能：在使用条件下所表现的性能力学性能(强度、硬度、塑性、韧性等)；物理性能（光、电、磁等）；化学性能(抗氧化性、抗腐蚀性等)；其它性能(耐磨性、热硬性、消振性等)；2、工艺性能：材料制备、加工过程中所表现的性能铸造性能（流动性、收缩、偏析等)；压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等；切削加工性；焊接性；热处理性能；等等材料性能包含使用性能与工艺性能两方面：*一、强度与塑性1.强度—材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，材料的强度用拉伸试验测定。§1.1材料的力学性能

图1-2低碳钢的应力应变曲线*强度指标：金属材料的强度是用应力来表示的，单位面积上的内力称为应力，用σ表示。常用的强度指标有：弹性极限

σe：是指材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力。单位为MPa(N/mm2)

。屈服强度σs：材料在产生屈服现象的最小应力。对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料(脆性材料—铸铁)，此时将屈服强度定义为产生0.2%残余伸长时的应力(即变形量为试样长度的0.2%，如图1-3所示)，记s0.2。抗拉强度σb：材料在断裂前所承受的最大工程应力。图1-3铸铁应力应变曲线*2.塑性—指金属材料在静载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常是伸长率和断面收缩率。伸长率δ：试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比;

δ=(L1-L0)/L0×100%断面收缩率ψ：试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比。

ψ=(A0-A1)/A0×100%

金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用有十分重要的意义。例如，低碳钢的塑性较好，故可以进行压力加工，普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只能进行铸造。同时由于材料具有一定的塑性，故能够保证材料不致因稍有超载就突然破断，这就增加了材料使用的安全可靠性。*二、硬度材料抵抗另一硬物压入其内的能力，即金属表面上局部体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。是衡量材料软硬程度的指标。1.布氏硬度(HB)—较软材料：有色金属、灰口铸铁等。

测定原理：一定直径的淬火钢球或硬质合金球在一定的载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径，计算硬度值。用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用HBS(淬火钢球)或HBW(硬质合金钢球)表示。图1-4布氏硬度试验原理示意图*布氏硬度试验的优缺点：优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，测得的硬度值也较准确。缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件的硬度。

在进行布氏硬度试验时，钢球直径D、施加的试验力F和试验力保持时间应根据被测试金属的种类和试样厚度，按布氏硬度试验规范正确选择(见教材表1-1)。在试验条件允许时，应尽量选用直径为10mm的球体作压头。选用的F/D2比值不同时布氏硬度值不能直接比较。*2.洛氏硬度(HR)—硬度中等：钢铁材料测定原理：以顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为φ1.588mm的淬火钢球作压头，在先施加初始试验力F1(98N),再加上主试验力F2的作用下压入金属表面。卸去F2后，仍保留初试验力F1，测量其残余压入深度h3，用h3和h1只差h来计算洛氏硬度值。适合测量的材料：HRA：硬质合金；HRC:

淬火钢(应用最多)HRB:

低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁图1-5洛氏硬度实验原理示意图*洛氏硬度试验的优缺点：优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上可读出硬度值；压痕小，故可直接测量成品或较薄工件的硬度；可测量高硬度薄层和深层材料。缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值。*3.维氏硬度(HV)——较硬材测定原理：与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石正棱角锥。所测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度。F↓维氏硬度试验的优缺点：优点：与布氏、洛氏试验比较，维氏硬度试验不存在试验力于压头直径有一定比例关系的约束；不存在压头变形问题；测量数据精确可靠，误差较小。缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。图1-6维氏硬度实验原理图*三、冲击韧性1.冲击吸收功

当加载速度极快时，不能用静载荷下的σs、σb作失效判据。必须考虑所用材料的冲击韧性。冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。冲击载荷：指加载速度很快而作用时间很短的突发性载荷。冲击功：指试样在冲击力一次作用下折断时所吸收的功，用Ak表示。冲击韧度：指试样缺口处单位横截面面积A上的冲击功，用αk表示。即αk＝Ak/A

冲击功Ak越大，材料的韧性越好，把冲击功低的材料称为脆性材料，高的称为韧性材料。*图1-7一次摆锤冲击试验原理示意图(a)试样放在试验机上；(b)摆锤由h1升高到h2高度目前最常用的冲击试验方法是摆锤式一次冲击试验。*2.小能量多次冲击试验图1-8小能量多次冲击测试的原理图1-冲头;2-试样;3-支承架;4-橡胶传动轴

实践证明，金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于冲击韧度的大小，而在小能量多次冲击条件下，其冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。*四、疲劳强度

1.疲劳现象轴、齿轮、轴承、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，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(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完全断裂的过程称为疲劳断裂。*

2.疲劳强度材料承受的交变应力σ与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越少。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极限(疲劳强度)，即不至引起断裂的最大应力称为疲劳极限，用σ-1表示。一般规定钢铁材料循环次数取107次，有色金属及其合金循环次数取108次。图1-9疲劳曲线示意图*§1.2材料的其他性能一、材料的物理化学性能1.材料的物理性能密度：单位体积物质的质量称为该物质的密度；熔点：金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点；导热性：导热性通常用热导率来衡量!热导率的符号是λ，单位是W/m·K，热导率越大，导热性越好。导电性：传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电阻率的单位是Ω•m，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；热膨胀性：金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性，热膨胀性用线胀系数αL或体胀系数αV来表示。磁性：金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料、和抗磁性材料三类。*2.材料的化学性能

金属材料的化学性能是指材料抵抗其周围介质侵蚀的能力，主要包括耐蚀性和抗氧化性等。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性；在高温下的化学稳定性称为热稳定性。*二、金属的工艺性能

工艺性能是指金属材料制备、加工过程中所表现的性能，是反应材料对不同加工工艺方法的适应能力。主要包括铸造性能、压力加工性能、切削加工性、焊接性和热处理性能等。1.铸造性能

金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能，衡量铸造性能的主要指标有流动性，收缩性和偏析倾向等。流动性—熔融金属的流动能力称为流动性；收缩性—铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩性；偏析倾向—金属凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。*2.压力加工性能

从理论上讲，压力加工性能是指金属材料在冷热状态下塑性变形的能力"即热锻和冷冲压时变形的能力；从加工方法上可用压力加工时获得优良压制件的难易程度来衡量压力加工性能；压力加工性能包括充填模具所需要的固体流动性，对模壁的摩擦阻力对氧化起皮的抗力，热裂趋势，冷变形时的硬化趋势，不均匀变形，产生折皱的趋势等。3.焊接性能

焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应性，主要包括焊接性、熔接合金成分的改变、吸气性及氧化性、内应力及冷热开裂倾向等。*4.切削加工性能

切削加工