第1章 工程材料的主要性能 分类：工程材料种类繁多，常见分类方法按成分分类金属材料复合材料陶瓷材料高分子材料通过本章的学习，掌握材料常用的力学性能指标及力学性能指标在选材中的应用1.常用的力学性能指标2.力学性能指标在选材中的意义思考： o 材料的性能有哪些？o 材料的性能是由什么决定的？ o 如何衡量这些性能？o 不同服役条件下应具备哪些性能？第1节 材料的性能 使用性能材料 的性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性 可锻性 可焊性 切削加工性 热处理性材料的性能有哪些？材料的性能包含使用性能和工艺性能。使用性能：是指材料在服役条件下，为保证安全可靠地工作，材料所必须具备的性能。如：力学性能、物理性能、化学性能。工程材料使用性能的好坏，决定了它的使用寿命和应用范围。工艺性能：是指制造工艺过程中材料适应某种成形加工的性能。如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性。工程材料工艺性能好坏，直接影响零件或构件的制造方法和制造成本。1.1.1 材料的力学性能o 力学性能：是指金属材料在外力作用时表现出来的性能 。o 外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。o 载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。一、低碳钢常温静载拉伸实验 p 标准拉伸试样：长试样L0=10d0短试样L0=5d0 p 应力 ()：单位 横截面积的内力1.拉伸曲线分析 n oe弹性变形阶段n csd屈服阶段n db强化阶段n bk缩颈阶段n k试样断裂1.拉伸曲线分析 o 弹性变形阶段e点以前产生的变形是可以恢复的弹性变形，e 点对应了弹性变形阶段的 极限值，称为弹性极限，以e表示（单位为Mpa）。 oe段近似为一直线，直线的斜率代表弹性模量E，弹性模量E是衡 量材料产生弹性变形难易程度的指标。E愈大，使其产生一定量弹性变形的应力也应愈大。弹性模量的大小主要取决于金属的本性（晶格类型和原子结构），而与金属的显微组织无关。工程上称为材料的刚度，表示材料弹性 变形抗力的大小。1.拉伸曲线分析 o 屈服阶段图形上出现平台，即载荷无明显增加，试样继续伸长 ，材料丧失了抵抗变形的能力 ，这种现象叫屈服。 当应力超过e时，试样开 始出现塑性变形。 s为屈服阶段的最小应力，称为屈服强度（屈服点）。 式中 Fs屈服时的最小载荷（N）；S0试样原始截面积（mm2）其含义是：当=s时，认为 材料开始产生塑性变形；当 =b时， 材料将会断裂，当b时 ，材料不会断裂。 1.拉伸曲线分析 o 缩颈阶段当应力达到b时，试样就在 某个薄弱部位形成缩颈。由于 试样局部截面的逐渐减小，故 应力也逐渐降低，当达到曲线 上的k点时，试样发生断裂。 2.强度指标 o 强度是指材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断 裂的能力。 其中抵抗塑性变形的能力，用屈服强度s表示，无明显屈服阶 段，可用规定残余伸长应力0.2表示；抵抗断裂的能力，用抗拉强度 b表示。s与b的比值叫做屈强比，屈强比愈小，工程构件的可靠性愈 高，屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低，一般取值在0.65 0.75。断面收缩率 o 塑性是指材料断裂前发生最大变形的能力。 3.塑性指标 断后伸长率 式中 L0，L1分别为试样原始标距和被拉断后的标距（mm） 。 式中 S0，S1分别为试样原始截面积和断裂后缩颈处的最小截 面积（mm2）。 塑性对材料的意义a.提高安全性：塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性 变形而不突然断裂，因此比较安全。b.便于压力加工成型：塑性好的材料可以发生大量塑性变形而 不破坏，易于通过塑性变形加工成形状复杂的零件。 o 加工硬化：材料经过加工产生塑性变形后，强度 、硬度上升，而韧性、塑性下降的现象。4.加工硬化 二、硬度实验 o 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。 o 硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。o 硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其他机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。o 硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。1.布氏硬度o 实验过程一定直径的球体(钢球或硬质合 金球)在一定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。布氏硬度 值用球面压痕单位表面积上所承受的 平均压力来表示。用符号HBS(当用钢 球压头时)或HBW(当用硬质合金球时) 来表示。 HBS（HBW） = F/A = 2F/DD - (D2-d2)1/2 1.布氏硬度o 布氏硬度表示方法标注：如120HBS10/1000/10，即表示用直径D=10mm的淬火钢球压头 在1000kgf(9.8KN)的试验载荷作用下，保持10秒所测得布氏硬度值为 120。HBS只可用来测定硬度值小于450的金属材料。500HBW5/750表示用直径D=5mm 的硬质合金球压头在 750kgf(7.35KN)的试验载荷作用下，保持10-15秒(不标注)所测得布氏 硬度值为500 。HBW可用来测定硬度值450-650的金属材料。1.布氏硬度o 布氏硬度特点布氏硬度试验的压痕较大，测量数值稳定，准确，能很好的反应材 料的硬度；但操作时间较长，对不同材料需要不同的压头和试验力，压 痕直径测量费时，因此不适用批量生产、成品及薄件；在进行高硬度材 料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确，因此，用淬火钢 球压头测量时，材料硬度值必须小于450；用硬质合金球压头时，材料 硬度值必须小于650。 o 布氏硬度应用布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、正火状态的钢 ；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地轻软的轴承合金等原材料。 2.洛氏硬度o 实验过程将金刚石压头(或钢球压头), 在 先后施加两个载荷(预载荷F0和主载 荷F1)的作用下压入金属表面。总载 荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸 去主载荷F1后, 测量其残余压入深度 h, 用h与h0之差h来计算洛氏硬度 值。 预加载荷的目的是使压头与试样表 面接触良好, 以保证测量结果准确。硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出。o 布氏硬度表示方法2.洛氏硬度标注：如40-45HRCo 常见洛氏硬度标尺的实验条件及应用硬度 符号压头总载荷 （kgf）表盘上刻 度颜色常用硬度值 范围使用范围HRA金钢石圆锥60黑 色2085碳化物、硬质合金 、表面淬火层等HRB1.5875mm 钢球100红 色25100有色金属、退火及 正火钢等HRC金钢石圆锥150黑 色2067调质钢、淬火钢等2.洛氏硬度o 洛氏硬度特点操作简便迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕小，可以测定 成品及较薄零件；测试的硬度值范围大，从很软到很硬的金属材料均可 测量。缺点是：压痕小，测量数值代表性差，通常需要在不同部位测试 数次，取平均值。 3.维氏硬度o 实验过程是用一种顶角为136的正四棱锥体金钢 压头，在载荷F(kgf)作用下，试样表面压出 一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度 d(mm)供以计算试样的硬度值。 根据d值 查表即可得到硬度值。为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度，因而制定了维氏硬度试验 法。3.维氏硬度o 维氏硬度表示方法维氏硬度用符号HV表示，HV前面为硬度值，HV后面的数字按试验 载荷、试验载荷保持时间(1015s不标注)的顺序表示试验条件。例如 ：640HV30表示用294.2N(30kgf)的试验载荷，保持1015s(不标出) 测定的维氏硬度值为640；640HV30/20表示用294.2N(30kgf)的试验载荷，保持20s测定的维 氏硬度值为640。o 维氏硬度应用维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理( 如氮化、渗碳等)后的表面硬度。三、夏比冲击实验材料断裂前吸收变形能量的能力。o 韧性o 冲击韧性冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。三、夏比冲击实验o 实验过程Ak=mg(h1-h2) 单位为焦耳o 冲击吸收功Ako 冲击韧度akak=冲击破坏所消耗的功Ak/ 标准试样断口截面积F,单位为焦 耳/厘米（J/cm） 三、夏比冲击实验ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形；ak值高，明显塑 变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。o 韧脆转变温度冲击吸收功急剧 变化或断口韧性急剧转变的温度区域。四、疲劳强度o 机械零件的断裂80%由疲劳造成。o 承受周期性循环应力或交变应力作用。o 应力往往远小于强度极限甚至屈服极限。o 突然断裂。o 疲劳断裂过程：疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、断裂三个阶段。四、疲劳强度o 疲劳强度o 影响因素循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残 余应力等。材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。循环基数：钢铁材料107；非铁金属108；腐蚀介质作用下106。陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高， 纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。1.1.2 材料的物理、化学性能 p 材料的物理性能 密度 熔点 导热性 导电性 热膨胀性 磁性1.1.2 材料的物理、化学性能o 材料的化学性能金属材料与周围介质接触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。(1)耐腐蚀性指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。(2)抗氧化性指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮的能力。耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等等。如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等。1.2 材料的工艺性能 p 工艺性能是指材料适应加工工艺要求的能力 。 铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能 热处理工艺性能