工程材料 第一章 材料的性能及应用意义

1、第一章第一章 材料的性能及应用意义材料的性能及应用意义 1.1 材料性能依据材料性能依据 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 1.3 材料的工艺性能材料的工艺性能 引言引言 材料是人类社会经济地制造有用器件的物质。材料是人类社会经济地制造有用器件的物质。 1. 所谓有用所谓有用 使用性能使用性能 2. 所谓制造所谓制造工艺性能工艺性能 （原材料变成产品）（原材料变成产品） 它们之间有联系、有区别，有统一、有矛盾，应合理应用。它们之间有联系、有区别，有统一、有矛盾，应合理应用。 力学性能力学性能 物理性能物理性能 化学性能化学性能 铸造性能（热加工）铸造性能（热加工） 焊接性能（热加工）焊接性

2、能（热加工） 热处理性能（热加工）热处理性能（热加工） 塑性加工性能（热、冷加工）塑性加工性能（热、冷加工） 切削加工性能（冷加工）切削加工性能（冷加工） 引言引言 1.1 材料性能依据材料性能依据 材料的材料的性能性能是用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为。是用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为。 材料的化学成分和内部结构是其内部依据，材料成分和结材料的化学成分和内部结构是其内部依据，材料成分和结 构确定后就表现出一定的性能。此时的构确定后就表现出一定的性能。此时的“结构结构”包含包含四个层次四个层次 ： 1. 原子结构原子结构 2. 结合键结合键 3. 原子排列方式原子

3、排列方式 4. 组织组织 注意：注意：（1）结构）结构不不敏感性能：敏感性能：E、Tm等。等。 （2）结构敏感性能：强度、塑性、韧性等。）结构敏感性能：强度、塑性、韧性等。 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力学性能一、力学性能 二、物理性能二、物理性能 三、化学性能三、化学性能 一、力学性能一、力学性能 （一）强度（一）强度 （二）刚度（二）刚度 （三）弹性（三）弹性 （四）塑性（四）塑性 （五）硬度（五）硬度 （六）韧性（六）韧性 （七）疲劳性能（七）疲劳性能 （八）耐磨性（八）耐磨性 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用

4、性能 （a）拉伸）拉伸 （b）压缩）压缩 （c）弯曲）弯曲 （d）剪切）剪切 （e）扭转）扭转 （一）强度（一）强度 - 材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力。材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力。 1. 比例极限比例极限 p 2. 弹性极限弹性极限 e 3. 屈服强度屈服强度 s 4. 抗拉强度抗拉强度 b 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 低碳钢拉伸低碳钢拉伸flash演示演示1 低碳钢拉伸低碳钢拉伸flash演示演示2 拉伸实验视频拉伸实验视频 屈强比（屈强比（ s /b ），其值一般在），其值一般在0.650.75之间。屈强比愈之间。屈强比愈 小，工程

5、构件的可靠性越高，万一超载也不会马上断裂；屈强小，工程构件的可靠性越高，万一超载也不会马上断裂；屈强 比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。 （二）刚度（二）刚度材料对弹性变形的抵抗能力。材料对弹性变形的抵抗能力。 E = / 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 如果说强度保证了材料不发生过量塑性变形甚至断裂的话，刚度则保如果说强度保证了材料不发生过量塑性变形甚至断裂的话，刚度则保 证了材料不发生过量弹性变形。证了材料不发生过量弹性变形。 实际工件的刚度首先取决于其材料的弹性模量，即实际工件的刚度首先取决于其材料的弹

6、性模量，即E 注意：注意： 1.对于金属材料而言，其弹性模量对于金属材料而言，其弹性模量E主要取决于基体金属的性质。当基体金属确定时主要取决于基体金属的性质。当基体金属确定时, 难以通过合金化、热处理、冷加工等方法使之改变，即难以通过合金化、热处理、冷加工等方法使之改变，即 E 是结构不敏感性参数是结构不敏感性参数。 2.陶瓷材料、陶瓷材料、 高分子材料、高分子材料、 复合材料的弹性模量对其成分和组织结构是敏感的，复合材料的弹性模量对其成分和组织结构是敏感的， 可以通过不同的方法使其改变。可以通过不同的方法使其改变。 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 （三）弹性（

7、三）弹性在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标。在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标。 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 滞弹性（弹性滞后）滞弹性（弹性滞后）：加载时应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不：加载时应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不 立即恢复。立即恢复。 对于易受振动且要求消振的零件，如机床床身和汽轮机叶片，要求材料对于易受振动且要求消振的零件，如机床床身和汽轮机叶片，要求材料 具有良好的消振性。机床床身可用灰铸铁制造，汽轮机叶片则采用具有良好的消振性。机床床身可用灰铸铁制造，汽轮机叶片则采用Cr13型钢型钢 制造。制造。 对于仪表上的传感

8、元件和音响上的音叉、簧片等，则不希望有滞弹性出对于仪表上的传感元件和音响上的音叉、簧片等，则不希望有滞弹性出 现，选材时应予注意。现，选材时应予注意。 （四）塑性（四）塑性在外力作用下材料产生塑性变形而不破坏的能力，在外力作用下材料产生塑性变形而不破坏的能力， 即材料断裂前的塑性变形能力。即材料断裂前的塑性变形能力。 1. 伸长率，以伸长率，以表示表示 一、力学性能一、力学性能 % l ll 100 0 01 %100 0 10 A AA 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 2. 断面收缩率，以断面收缩率，以表示表示 （五）硬度（五）硬度材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能力。材料表面局部区

9、域内抵抗变形或破裂的能力。 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 硬度试验的优点：硬度试验的优点： 1. 硬度试验设备简单，操作迅速方便。硬度试验设备简单，操作迅速方便。 2. 一般不破坏成品零件，无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程一般不破坏成品零件，无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程 材料和各种尺寸的零件。材料和各种尺寸的零件。 3. 硬度与强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，可按硬度估算强度而免做硬度与强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，可按硬度估算强度而免做 复杂的拉伸实验。复杂的拉伸实验。 4. 硬度与工艺性能之间有联系，可作为评定材料工艺性能的参

10、考。硬度与工艺性能之间有联系，可作为评定材料工艺性能的参考。 5. 硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料 和控制冷热加工质量。和控制冷热加工质量。 一、力学性能一、力学性能 1. 布氏硬度布氏硬度 GB231-1984 2. 洛氏硬度洛氏硬度 GB230-1991 3. 维氏硬度维氏硬度 GB4342-1984 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 硬度测试方法：硬度测试方法： 1.载荷大小载荷大小 2.压头尺寸压头尺寸 3.加载及保压时间加载及保压时间 硬度测试三要素：硬度测试三要素： 1. 布氏硬度（布

11、氏硬度（HB） GB231-1984 HB = F/S HBS 淬火钢球淬火钢球 （450HB) HBW 硬质合金球（硬质合金球（650HB) 1）误差小，重复性好。）误差小，重复性好。 2）压痕面积大，不适合成品检验。）压痕面积大，不适合成品检验。 3）与强度）与强度b之间存在近似的换算：之间存在近似的换算： b 0.36HB 一、力学性能一、力学性能 布氏硬度计布氏硬度计 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 布氏硬度计布氏硬度计 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 2. 洛氏硬度（洛氏硬度（HR）

12、 GB230 -1991 一、力学性能一、力学性能 洛氏硬度计洛氏硬度计 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 HR = (0.2 - h) / 0.002 (mm)， 其中其中 h = h1 - h0 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 洛氏硬度的种类及应用：洛氏硬度的种类及应用： （1）HRA（金刚石圆锥）金刚石圆锥） 高硬度表面、硬质合金高硬度表面、硬质合金 （2）HRB（淬火钢球）淬火钢球） 未淬火钢、灰铸铁、有色金属未淬火钢、灰铸铁、有色金属 （3）HRC（金刚石圆锥）金刚石圆锥） 淬硬钢、调质钢淬硬钢、调质钢 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用

13、性能材料的使用性能 洛氏硬度计洛氏硬度计 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 3. 维氏硬度（维氏硬度（HV） GB4342 -1984 （1）金刚石正四棱锥金刚石正四棱锥压头，精确压头，精确 操作复杂，适用于科学研究。操作复杂，适用于科学研究。 （2）压力可选）压力可选5120Kg间的特定间的特定 值，适用各种硬度值的测量。值，适用各种硬度值的测量。 （3）压痕小，可测表面硬化层。）压痕小，可测表面硬化层。 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 （六）韧性（六）韧性材料在塑性

14、变形和断裂的全过程中吸收能量的材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的 能能 力，它是材料强度和塑性的综合表现。力，它是材料强度和塑性的综合表现。 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 韧性不足可用脆性来表达。韧性不足可用脆性来表达。 韧性高低决定是韧性断裂，还是脆性断裂。韧性高低决定是韧性断裂，还是脆性断裂。 1. 冲击韧度冲击韧度 Ak 材料抵抗冲击载荷的能力材料抵抗冲击载荷的能力 三种不同冷脆倾向的材料三种不同冷脆倾向的材料 1面心立方晶格的金属面心立方晶格的金属 2中、低强度体心立方晶格的金属中、低强度体心立方晶格的金属 3高强度材料高强度材料 1 2 3 温

15、度温度T TK 冲击吸收功冲击吸收功AK 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 冲击吸收功的测定冲击吸收功的测定 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 K 冲击能量冲击能量A 冲击破断次数冲击破断次数 lgN 1 2 1高强度低韧性材料高强度低韧性材料 2低强度高韧性材料低强度高韧性材料 A A N N 交点交点K以左：在较高冲击能量以左：在较高冲击能量A下，多冲抗力取决于韧性。下，多冲抗力取决于韧性。 交点交点K以右：在较低冲击能量以右：在较低冲击能量A”下，多冲抗力取决于强度

16、下，多冲抗力取决于强度。 （即小能量多冲（即小能量多冲) 不同材料的冲击抗力不同材料的冲击抗力: 小能量多冲时以强度为主，塑性、韧性为辅，强韧性配合处小能量多冲时以强度为主，塑性、韧性为辅，强韧性配合处 于最佳状态时，多冲抗力最高。于最佳状态时，多冲抗力最高。 在低中强度范围，冲击韧度的提高对多冲抗力影响不大（因在低中强度范围，冲击韧度的提高对多冲抗力影响不大（因 其韧性已足够）。其韧性已足够）。 在高强度范围时（如在高强度范围时（如b1300MPa），改善韧性有利于提），改善韧性有利于提 高多冲抗力。高多冲抗力。 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 2. 断裂韧度

17、断裂韧度 KIC材料抵抗裂纹失稳扩展的能力材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 传统设计思想：传统设计思想： 0.2 / n，n为安全系数，依此思想反而导致经常的为安全系数，依此思想反而导致经常的 低应力脆断低应力脆断（ s），此时），此时偏低而尺寸、重量偏高。偏低而尺寸、重量偏高。 n 加大尺寸加大尺寸 依此思想反而导致经常的依此思想反而导致经常的低应力脆断低应力脆断 。 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 KI KIC KI = Ya1/2 KIC： ：金属材料的最高， 金属材料的最高， 复合材料次之，复合材

18、料次之， 高分子材料、陶瓷材料最低。高分子材料、陶瓷材料最低。 先进的设计思想：材料中存在着既存或后生的微小的宏观裂纹，可能是冶金先进的设计思想：材料中存在着既存或后生的微小的宏观裂纹，可能是冶金 缺陷，也可能是加工裂纹（如热处理、焊接等）或是使用中发生裂纹（如疲缺陷，也可能是加工裂纹（如热处理、焊接等）或是使用中发生裂纹（如疲 劳、应力腐蚀）。劳、应力腐蚀）。 2. 断裂韧度断裂韧度 KIC材料抵抗裂纹失稳扩展的能力材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 总之，总之，AK（K）和）和KIC 首先取决于内因首先取决于内因材料的成分、组织结构，

19、材料的成分、组织结构， 其次是受零件外部因素的影响，如工作温度、环境介质。其次是受零件外部因素的影响，如工作温度、环境介质。 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 螺栓韧性断裂与脆性断裂的比较螺栓韧性断裂与脆性断裂的比较 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 （七）疲劳性能（七）疲劳性能材料在交变应力作用下，在远小于强度极限，材料在交变应力作用下，在远小于强度极限， 甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂的最大应力值。疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂的最大应力值。

20、 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 a 一般钢铁材料一般钢铁材料 b 有色金属、高强度钢等有色金属、高强度钢等 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 碳钢碳钢-10.43b 合金钢合金钢-10.35b+12MPa 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 （八）耐磨性（八）耐磨性 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 1. 磨损的主要类型磨损的主要类型 1）粘着磨损：是指摩擦副接触面局部发生金属粘着

21、，而这些粘着的强）粘着磨损：是指摩擦副接触面局部发生金属粘着，而这些粘着的强 度往往大于金属本身强度，在随后的相对运动时发生的破坏将出现在强度往往大于金属本身强度，在随后的相对运动时发生的破坏将出现在强 度较低的地方，有金属磨屑从表面被拉下来或零件表面被擦伤的磨损。度较低的地方，有金属磨屑从表面被拉下来或零件表面被擦伤的磨损。 2）磨粒磨损：是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区内存在硬质磨粒，）磨粒磨损：是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区内存在硬质磨粒， 使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程，以致磨面材使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程，以致磨面材 料逐步磨耗。料逐步磨

22、耗。 粘着磨损磨痕粘着磨损磨痕 粘着磨损示意图粘着磨损示意图 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 磨粒磨损磨痕磨粒磨损磨痕 磨粒磨损示意图磨粒磨损示意图 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 一、力学性能一、力学性能 1.2 材料的使用性能材料的使用性能 2. 提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径 1）粘着磨损）粘着磨损 减小表面摩擦系数或提高材料表面硬度；减小表面摩擦系数或提高材料表面硬度； 减小接触压力；减小接触压力； 合理选配摩擦材料；合理选配摩擦材料； 减小表面粗糙度值以增大实际接触面积；减小表面粗糙度值以增大实际接触面积； 改善润滑状况。改善润滑状况。 2）磨粒磨损）磨粒磨损 提高材料硬度提高材料硬度 ； 设计时合理采用减小接触压力的措施，工作时改进