机械工程材料-1章 工程材料的性能及使用性能要求

下面零件的材料具有哪些性能才能满足使用要求呢？发动机缸体齿轮消防带汽车传动轴零部件对材料性能的要求工程材料的性能分类工艺性能适应某种成形加工的能力。铸造性能锻造性能切削加工性能热处理性能焊接性能力学性能物理性能化学性能使用性能材料在工作条件下同，为保证安全可靠地工作，必须具备的性能。1.1工程材料的性能

工程材料在外力作用下所表现出来的在变形和破坏方面的特性，称为力学性能。所有材料在力的作用下，都会发生由变形到破坏的过程。强度反映材料在受到多大的力的情况下会破坏；塑性反映材料能承受多大的变形程度。满足强度和塑性条件是零件正常使用的必备要求。1.1.1工程材料的力学性能

1）静态拉伸试验在室温环境中，将标准拉伸试样安装在拉伸试验机上,沿两端缓慢施力,进行轴向拉伸,直至拉断的一种试验方法。标准试样形状-圆形/板形圆形试样分长试样：Lo=10d短试样：Lo=5d1拉伸试验及拉伸曲线

拉伸试验机实验过程中，随着载荷不断增加，试样长度也逐渐增加，产生了变形。连续测量拉力和相应的伸长量,画在以变形量△L为横坐标，荷载F为纵坐标的图上，便得到载荷F－变形量△L关系曲线，称为拉伸曲线。试样直径、长度不同，怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小?将力－位移曲线转化后，得应力-应变曲线（σ-ε曲线，能消除试样尺寸对曲线的影响，使同一材料得到唯一的曲线。拉伸曲线低碳钢拉伸曲线拉伸曲线图分析oe--弹性变形阶段

外力去除后试样完全恢复原状其中op—比例阶段，Rp为比例极限pe—非比例阶段，Re为弹性极限es--屈服阶段外力不增加，试样明显伸长sb--强化阶段外力增加，试样明显伸长bk--缩颈阶段试样截面出现急剧缩小，抵抗外力能力下降，出现断裂材料受外力作用时产生变形，当外力去除时，变形随之消失，材料恢复到原来形状尺寸的性能称为弹性。这种随外力去除而消失的变形称为弹性变形。弹性极限Re：产生纯弹性变形的极限应力。弹性模量E：材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值。在拉伸曲线中，E即是线段op的斜率。E表示材料抵抗弹性变形的能力，表征材料的刚度，单位为GPa。弹性模量越大，发生单位应变所需要的力就越大，材料越不容易产生弹性变形。2）弹性与刚度3）常用强度指标强度是材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低应力值称为屈服强度（也称屈服极限）。屈服强度是进行零件设计和选材的重要依据。屈服强度Rel抗拉强度Rm材料在拉断前所能承受的最大应力称抗拉强度。抗拉强度是设计零件和选材的依据。几种塑性材料的拉伸曲线条件屈服强度R0.2屈服极限是少数材料（低、中碳钢）特有的强度指标，大多数金属材料都没有明显的屈服现象，不好测量。按国标规定，把试样产生△L/Lo=0.2%的塑性变形时所对应的应力值作为条件屈服强度R0.2。在横坐标上取应变ε=0.2%;过此点作弹性变形阶段曲线的平行线，与拉伸图曲线交于一点;过交点作水平线，与纵坐标的交点即为R0.2。条件屈服强度断后伸长率A式中：A－断后伸长率（％）；Ｌ0－试样初始标距，mm；Ｌu－试样拉断后标距，mm试样拉断后,标距的伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率,用A表示。4）常用塑性指标塑性是材料在静载荷作用下，断裂前发生永久变形的能力。试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称断面收缩率。式中：Z－断面收缩率（％）；S0－试样原始横截面积，mm2；Su－试样拉断处的最小横截面积，mm2。断面收缩率Z

A、Z↑,塑性↑。因此是选材的重要性能指标。

A＞5%为塑性材料

A＜5%为脆性材料塑性材料（低碳钢）脆性材料（铸铁）5）材料的压缩塑性材料的抗拉和抗压性能能基本一致；脆性材料压缩时的强度极限远大于拉伸时的强度极限。用一个φ10的淬火钢球，用相同的力、相同的方向施加给厚度相同的铜板和铁板，结果如何？谁的压痕深？硬度是衡量材料软硬程度的指标，反映了材料表面抵抗局部塑性变形的能力。例如刀具、量具等要求高的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。因此，硬度是检验工具刃具及机械零件质量的一项重要的性能指标，在热处理后常以工件的硬度值来检验产品的质量。2硬度

常用硬度试验方法：布氏硬度洛氏硬度维氏硬度等。以一定的压力F将一规定直径D的淬硬钢球（或硬质合金球）压入材料表面，保持规定时间后卸载，在放大镜下测量试样表面压痕直径d，然后用载荷除以压痕表面积S，所得数值即为布氏硬度，记为HB。布氏硬度试验示意图1）布氏硬度布氏硬度试验实际工作中根据测量出的d及已知的F、D，通过查表求出HB值。布氏硬度实验规范只要保证F/D2恒定（常数），就可以保证压痕的几何形状相似，保证不同测试结果具有可比性；常用：F/D2=30,10,2.5D=10,5,2.5；t=10,30,60HBS：淬火钢球作压头测得的硬度值；不特殊指名，HB皆值HBS；HBW：硬质合金球作压头测得的硬度值。表示方法硬度值+HBS（或HBW）+钢球直径/试验力/力保持时间其中：力保持时间为10～15s时不标注。例子：120HBS10/1000/30;500HBW5/750用于铸铁、非铁金属及退火、正火或调质处理的材料。HBS适宜测量布氏硬度值HBS＜450的材料；HBW适宜测量布氏硬度值450＜HBW＜650的材料。布氏硬度应用布氏硬度特点优点：压痕较大，测量数值稳定、准确缺点：压痕较大，不适于成品、薄形件；操作慢，不适用批量生产。洛氏硬度试验:用锥角为120°的金刚石圆锥体（顶角为R0.2）或d=1.588淬火钢球作压头。2）洛氏硬度首先施加初始力F1（98N）,压痕深度为h1；然后施加主试验力F2，总试验力为F=F1+F2，并保持一定时间，此时压痕深度为h2；卸除主试验力F2，仍保持F1，在弹性变形作用下，压痕深度减小为h。h就是主试验力作用下的压入深度,压入深度

h

反映了主试验力下的塑性变形量。压入深度h越小，材料越硬。此数值可直接从洛氏硬度计上读出。使用金刚石作压头时，K=0.2；使用淬火钢球作压头时，K=0.26。压入深度h数值的大小，反映被压材料的软硬程度。人为规定在标准力作用下，洛氏硬度值为：洛氏硬度试验规范为用一种硬度计测定从软到硬的多种材料，要采用不同的压头和载荷，组合成多种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺在HR后加一字母注明。我国常用的洛氏硬度标尺有HRA、HRB、HRC三种，其各自的试验条件及应用范围如下。注意：HRA、HRB、HRC不能直接比大小，需换算后才能比较试验条件及应用范围如下

洛氏硬度特点优点：测量范围大,操作简便,压痕小；可测量成品、较薄的工件。缺点：不均匀的材料,硬度值波动较大,需要测量多点（常取3个点）,取平均值。HRA：测量硬度较高的硬质合金、渗碳层；HRB：测量硬度较低的非铁金属、退火钢；HRC：测量淬火钢、调质钢。洛氏硬度标注方法硬度值+硬度符号如：调质处理28～32HRC;

淬火56～60HRC3）维氏硬度

用一顶角为136°的金刚石正四棱锥体作为压头，在规定较小载荷F（5、10、20、30、50Kgf）下压入被测试样表面，保持一定时间，形成四方锥形压痕，卸去载荷，测量压痕投影的两对角线的平均长度d，根据d算出压痕的表面积S，以单位压痕表面积上压力（F/S）作为被测金属的维氏硬度值，用HV表示。

维氏硬度载荷小，压痕深度浅，适用于测量化学热处理工件的表面硬化层、金属镀层和薄片金属等的硬度。压痕清晰，在显微镜下测量对角线长度d，是一种较精确的硬度试验方法。要求被测面粗糙度好，测试面的准备麻烦，操作复杂，不宜于大批量检测。4）莫氏硬度莫氏硬度是一种划痕硬度，主要用于陶瓷和矿物材料的硬度测量。材料名称莫氏硬度李德日维耶材料名称莫氏硬度李德日维耶滑石11黄石89石膏22花岗石－10方解石33氧化锆－11萤石44刚玉912磷石灰55碳化硅－13钠长石66碳化硼－14焙炼石英－7金刚石1015结晶石英78

表1-3莫氏硬度分级表3冲击韧性材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击韧性，简称韧性，用ak表示。冲击是普遍的现象，有接触和碰撞时就发生冲击。冲击韧性是衡量材料抵抗冲击能力的性能指标。冲击韧性好，零件抗冲击能力强。冲击试验

将标准冲击试样安放在试验机支座上，使试样缺口一侧背向摆锤冲击方向；

将具有一定重量G的摆锤举至一定高度H1；放下摆锤，使其冲击试样；

试样冲断后，摆锤经过支承点顺势升至高度H2。冲断试样所消耗的能量为冲击功，用Ak表示。为消除试样尺寸影响，用Ak除以试样缺口处截面积S，可得单位面积上消耗的功，这就是材料的冲击韧度。随着温度的下降，金属材料的韧性在某一温度范围内急剧下降，该温度范围称为韧脆转变温度（DBTT）。材料在DBTT之上冲击破坏时，发生韧性断裂；在DBTT之下冲击破坏时，发生脆性断裂。从应用的角度来看，材料的使用温度应高于DBTT。4疲劳强度

零件在大小、方向随时间作周期性变化的交变应力下工作，在最大工作应力小于Rm，甚至小于Rel情况下，时常会突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂发生在承受周期性动载荷的零件，如旋转的零件、振动的零件、间歇运动的零件、多次使用的零件等工况。疲劳断裂与静载荷断裂区别疲劳断裂：受载荷小，没有前兆（塑性变形），具有突发性，危害更大。静载荷断裂：载荷超过Rm时发生，有前兆塑性变形，缓慢发生。交变应力疲劳断裂是零件在交变应力下损伤累积的结果。从疲劳断口上能够看到疲劳源、裂纹扩展区和最后断裂区三个区域。齿轮的疲劳断裂有色金属疲劳曲线没有水平直线。有色金属则规定循环次数N=108次对应的应力作为条件疲劳强度。对于具体零件，如汽车发动机曲轴取N=12×107次，气轮机叶片取N=25×1010次。金属材料在无限次重复交变载荷作用下而不破坏的最大应力，称疲劳强度极限，用R-1表示。疲劳强度测定试验在旋转弯曲疲劳试验机上进行。通过试验，可测得材料所受交变应力R与断裂前应力循环次数N的关系曲线σ－N曲线，称为疲劳曲线。黑色金属材料的循环应力σ降到某数值R-1时，σ－N曲线趋于水平。表明在σ

<R-1时，经无数次应力循环材料也不断裂。当零件循环应力σ

>R-1时，零件就只能承受有限次的应力循环，设为N1，在设计零件使用寿命时，必须使其承受应力次数小于N1次。5断裂韧性在工程应用中一些高强度材料的零件，或是中低强度的大尺寸零件，在工作应力远远低于屈服强度的情况下，也发生了脆性断裂。此现象称为低应力脆性断裂。裂纹扩展形式1943年美国T-2油轮断裂北极星导弹油轮和导弹发动机壳体，发生低应力脆断Y--裂纹形状系数,无量纲，一般Y＝1～2；σ--外加拉应力（MPa）；α--裂纹长度的一半（m）。低应力脆断与材料缺陷和应力集中有关。根据断裂力学对裂纹尖端应力场的分析，裂纹前端附近应力场的强弱主要取决于一个力学参数---应力场强度因子ＫI，单位为MN

ｍ-3/2。断裂韧性是反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标，即抵抗脆性断裂能力的指标。当ＫI<ＫIC时，裂纹扩展很慢或不扩展；当ＫI≥ＫIC时，裂纹失稳，快速扩展，使零件发生脆断。应力σ越大，或裂纹长度2α增大，应力场强度因子ＫI随之增大，裂纹前端的应力场越强。当ＫI增大至某一临界值时，裂纹突然地失稳扩展，导致脆性断裂。这个应力场强度因子的临界值，用符号ＫIC表示，称为材料的断裂韧性，它由仅材料性质决定。温度对材料力学性能的影响很大。一般认为t＜200℃为常温考虑，200℃≤t≤400℃为中温考虑，温度再高为高温。低于0℃则为低温。以钢材为例，在常温、中温条件下，抗拉强度在250～300℃前随温度增加而逐渐升高，以后逐渐下降；屈服强度随温度升高而下降；延伸率和断面收缩率在300℃前略有下降，随后提高。钢材随温度升高力学性能变化的总趋势是：强度下降、塑性提高、韧性变化不大。6金属材料的高温力学性能材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使所受到的应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。由于蠕变变形而导致材料的断裂称为蠕变断裂。持久强度反映材料长期在高温应力作用下抵抗断裂的能力。持久强度用在一定温度下达到规定的使用时间而不断裂的最大应力来表示。高温韧性是判定材料高温脆化倾向的重要指标。材料的高温韧性用高温冲击试验测定，即将试样加热，在高温下进行冲击试验。密度

单位体积材料的质量。轻金属：ρ＜5×103kg/m3重金属：ρ≥5×103kg/m3

1.1.2工程材料的物理化学性能用途：计算材料重量，确定材料成本；鉴定材料方法之一；选材时考虑的因素之一。重量轻、飞行速度快、有一定强度要求的零件：选用轻合金（铝合金、钛合金、镁合金），如航空上飞行器。1物理性能中国第1颗人造卫星熔点根据熔点不同，金属分为难熔金属和易熔金属。难熔金属：熔点高的金属。如，W：3410℃、Mo：2617

℃。应用于火箭、导弹、燃气轮机等方面的高温零件、灯丝、线切割丝等；易熔金属：熔点低的金属，如，Sn：232℃、Pb：327.4℃。应用：制造保险丝、焊锡、防火安全阀等零件。指材料的熔化温度。热膨胀性体膨胀系数β：温升1℃引起的体积增长量与0℃时体积的比值。

β=（Vt-V0）/V0t

其中：V0-0℃时体积,Vt-t℃时体积线膨胀系数α：温升1℃引起的长度增长量与0℃时长度的比值。

α=（Lt-L0）/L0t

其中：L0-0℃时长度,Lt-t℃时长度材料随温度升高而体积膨胀的性能。精密仪器或精密机械零件等高精度配合零件，选用热膨胀系数相近或线膨胀系数小的材料；量具选用线膨胀系数小的材料。双金属片温控器活塞运动导热性材料传导热量的能力称作导热性，用导热系数λ表示。金属导热性好：银、铜最好，其次是Al。非金属材料导热性差。在所有固体中，金属是最好的导热体。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。碳钢导热性好，合金钢的导热性比碳钢低，钢中合金元素越多，导热性就越差。应用于散热器：选用铜合金保温材料：石棉、陶瓷材料导电性材料传导电流的能力称为导电性。用电阻率表示，电阻率↓，导电性↑。

金属导电性好导电性最高金属：银（1.58X10-6Ω.cm）铜（1.682X10-6Ω.cm）金（2.21X10-6Ω.cm）铝（2.665X10-6Ω.cm）导电性较差金属：Cr：12.9X10-6Ω.cmFe：9.7X10-6Ω.cmNi：6.84X10-6Ω.cm纯金属导电性优于合金非金属材料：绝缘，不导电导电：银、铜、铝。电阻元件：镍铬合金绝缘体：陶瓷材料、塑料磁性材料被外界磁场磁化或吸引的能力。根据金属在磁场中到磁化程度的不同，可分为：铁磁性材料：在外磁场中能强烈被磁化，有较高磁性，如：铁、钴、镍；顺磁性材料：在外磁场中只能微弱被磁化，如：Mn、Cr；抗磁性材料：抵抗外部磁场对材料本身的磁化作用，如：Cu、Al、Zn、塑料等）。导磁性零件：选铁磁性材料（Fe、Co、Ni），如指南针、吸铁石、变压器、电机铁芯。避免磁性干扰零件：选抗磁性材料（铝合金、塑料），如仪器仪表外壳。1）耐腐蚀性

金属材料抵抗水蒸气、酸、碱等介质的腐蚀能力称为耐腐蚀性。常见的钢铁生锈、铜生铜绿等都是腐蚀现象。金属材料的耐蚀性是一个很重要的性能，特别是在腐蚀性介质中工作的金属材料需要重点考虑。如石油化工设备接触腐蚀介质，就要考虑材料的耐腐蚀性。2）抗氧化性

金属材料在高温下抵抗氧化介质氧化的能力称为抗氧化性。加热时，由于高温促使表面强烈氧化而产生氧化皮，可能造成氧化、脱碳等缺陷。在高温下工作零件，要求材料具有一定的抗氧化性。2化学性能1.2材料的使用条件和性能要求

由于零件使用工况并不稳定，多个零件的材料性能有所波动，以及偶然的因素等情况，为保证工作安全性，一般将材料性能除以一个大于1的系数n，来规定材料的许用性能。这里的性能指：力学性能(抗拉强度、抗压强度、屈服强度、硬度、冲击韧度等)、耐热性能、耐腐蚀性能、抗磨性能等之一。对材料多方面性能的要求，就是每个单方面性能要求的集合。1.2.1工程材料的使用条件1.2.2工程材料的使用性能要求1力学性能要求零件工作条件常见失效形式主要力学性能要求应力种类载荷其他普通紧固螺栓拉应力切应力静载荷

过量变形、断裂屈服强度、抗剪强度传动轴弯应力扭应力循环冲击轴颈处摩擦，振动疲劳破坏、过量变形、轴颈处磨损综合力学性能传动齿轮压应力弯应力循环冲击强烈摩擦，振动磨损、麻点剥落、齿折断表面：硬度及弯曲疲劳强