材料的性能(《工程材料》机械专业)

1、第第1 1章章 材料的性能材料的性能材材料料的的性性能能使使 用用 性性 能能材料制成零件或构件材料制成零件或构件后，为保证其正常工后，为保证其正常工作和一定的工作寿命作和一定的工作寿命所必须具备的性能。所必须具备的性能。工工 艺艺 性性 能能材料在冷、热加工过材料在冷、热加工过程中，为保证加工过程中，为保证加工过程的顺利进行材料所程的顺利进行材料所必须具备的性能。必须具备的性能。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铸造性能锻造性能锻造性能焊接性能焊接性能热处理性能热处理性能切削加工性能切削加工性能1.1 力学性能：指材料：指材料抵抗各种外加载荷抵抗各种外加载荷的能力，其中

2、包括的能力，其中包括等。等。拉伸试验机拉伸试验机拉伸试样拉伸试样(GBT228-2002)1.1 力学性能低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线pesbk：单位面积上试样承受单位面积上试样承受的载荷，的载荷，=F/Ao (MPa)；：单位长度的伸长量，：单位长度的伸长量，=l/l0o：金属材料受外力作用时产生变形金属材料受外力作用时产生变形,当外当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能；力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能；：随载荷撤除而消失的变形；随载荷撤除而消失的变形；e：e=Fe/Ao：材料在外力作用下，产生永材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的性能；久变形而不破坏的性能；：不随外力去除而消失

3、不随外力去除而消失的变形；的变形；：外力不增加而试样继续发生外力不增加而试样继续发生变形的现象；变形的现象；： b=Fb/Aosb：s=Fs/Ao比例弹性变形比例弹性变形非比例弹非比例弹性变形性变形颈颈缩缩1.1 力学性能低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线材料在弹性范围材料在弹性范围内，应力与应变的比值，内，应力与应变的比值，E=/，E标志材料抵抗弹性变形的能力，用标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度；以表示材料的刚度；o0.2%ab0.2试样拉断后的标距伸试样拉断后的标距伸长量长量l与原始标距与原始标距l0之比；之比；是指试样拉断是指试样拉断处横截面积的收缩量处横截面积的收缩量A与原始横

4、与原始横截面积截面积A0之比。之比。1.1 力学性能低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线新、旧国家标准性能名称和符号对照表：新、旧国家标准性能名称和符号对照表：性能名称性能名称新标准新标准旧标准旧标准单位单位屈服强度屈服强度sN/mm2上屈服强度上屈服强度ReHsUN/mm2下屈服强度下屈服强度ReLsLN/mm2规定非比例延伸强度规定非比例延伸强度（条件屈服强度）（条件屈服强度）Rp0.2p0.2N/mm2抗拉强度抗拉强度RmbN/mm2断后伸长率断后伸长率AA11.3510%断面收缩率断面收缩率Z%1.1 力学性能低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线是指材料对局部塑性变形的抗力；是指材料对局部塑性变形的抗

5、力；常用的硬度测量方法是常用的硬度测量方法是；1.1 力学性能硬度布氏硬度布氏硬度HB，Brinell hardness洛氏硬度洛氏硬度HR，Rockwell hardness维氏硬度维氏硬度HV，Vickers hardness1.1 力学性能硬度布氏硬度值是外力除以压痕球冠表布氏硬度值是外力除以压痕球冠表面积；面积；在实际操作中，不需计算，用刻度在实际操作中，不需计算，用刻度放大镜测出压坑直径放大镜测出压坑直径d，然后查表。，然后查表。1.1 力学性能硬度布氏硬度用以测定硬度用以测定硬度的金属材料，硬度值用的金属材料，硬度值用表表示；示；用以测定硬用以测定硬度在度在之间的材料，其硬之间的材

6、料，其硬度值用度值用表示；表示；布氏硬度压痕布氏硬度压痕120HBS表示用淬火钢球测得的布氏硬度值为表示用淬火钢球测得的布氏硬度值为120；较高的测量精度，反映材料的平均性能，较高的测量精度，反映材料的平均性能，与与0.2有存在一定的经验关系；不能测定高硬度材料。有存在一定的经验关系；不能测定高硬度材料。 1.1 力学性能硬度布氏硬度以顶角为以顶角为120120的金刚石圆锥压入试样表面；的金刚石圆锥压入试样表面；先加初载荷，然后加主载荷；先加初载荷，然后加主载荷；压入试样表面之后，去除主载荷；压入试样表面之后，去除主载荷；保留初载荷的情况下，根据试样保留初载荷的情况下，根据试样表面压痕深度表面

7、压痕深度(h=h3-h1)确定被测确定被测材料的洛氏硬度。材料的洛氏硬度。1.1 力学性能硬度洛氏硬度HRC；120金刚金刚石圆锥体；石圆锥体；一般淬火钢件。一般淬火钢件。洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕操作迅速、简便，可由表盘上操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值，可测较薄工件；直接读出硬度值，可测较薄工件；精度较差，硬度值波动较大。精度较差，硬度值波动较大。1.1 力学性能硬度洛氏硬度与布氏法相似；与布氏法相似；金刚石四棱锥体；金刚石四棱锥体；正方形压痕；正方形压痕；根据对角线平均长度查表，获得硬度值。根据对角线平均长度查表，获得硬度值。可用同一标尺测定从极软到极硬的材可用同一标尺测定从极软到

8、极硬的材料，可测较薄材料和各种表面渗层，且准确料，可测较薄材料和各种表面渗层，且准确度高；度高；需测量压痕对角线长度，测试手续相需测量压痕对角线长度，测试手续相对较繁。对较繁。1.1 力学性能硬度维氏硬度材材料抵抗冲击载料抵抗冲击载荷而不破坏的荷而不破坏的能力。能力。国家标准测试方法：国家标准测试方法：GB/T 229-1994 金属夏金属夏比缺口冲击试验方法；比缺口冲击试验方法；冲断时，在试样横截面的冲断时，在试样横截面的单位面积上所消耗的功称为冲击韧性值，单位面积上所消耗的功称为冲击韧性值， 由于冲击试验采用的是标准试样，目前一般由于冲击试验采用的是标准试样，目前一般用用冲击功冲击功AK表

9、示冲击韧性值表示冲击韧性值。1.1 力学性能韧性TITANICTITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关的沉没与船体材料的质量直接有关建造中的建造中的Titanic 号号Titanic近代船用钢板近代船用钢板1.1 力学性能韧性18421842年年5 5月月1010日，法国国王在凡尔赛宫举日，法国国王在凡尔赛宫举行庆典，人们乘火车回城途中，机车车行庆典，人们乘火车回城途中，机车车轴断裂，数十人丧生；轴断裂，数十人丧生；疲劳疲劳“晶化理论晶化理论”；2020世纪世纪5050年代世界上第一批喷气客机年代世界上第一批喷气客机“彗星号彗星号”连续失事；连续失事；19541954年年1 1月月1010

10、日，英国海外航空公司日，英国海外航空公司“彗彗星星”1 1号客机机身突然在空中破碎，坠入号客机机身突然在空中破碎，坠入地中海；地中海；不到不到1 1年的时间里，有年的时间里，有3 3架以完全相同的架以完全相同的方式在空中解体；方式在空中解体；彗星客机总共生产彗星客机总共生产114114架，有架，有1313架发生事架发生事故而损坏。故而损坏。彗星号彗星号1.1 力学性能疲劳在交变应力在交变应力( (随时随时间做周期性变化的应力间做周期性变化的应力) )作用下，作用下，零件所承受的应力虽然低于屈零件所承受的应力虽然低于屈服强度，但经过较长时间的工服强度，但经过较长时间的工作会产生裂纹或突然断裂；作

11、会产生裂纹或突然断裂；当应力低于当应力低于一定值时，试样可经受无限个一定值时，试样可经受无限个周期循环而不破坏，此应力值周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度；称为材料的疲劳强度；N1N2N3N4N2314黑色金属：黑色金属： 10 107 7周次；周次；有色金属、不锈钢：有色金属、不锈钢： 10 108 8周次。周次。1.1 力学性能疲劳1.2 物理和化学性能物理性能单位体积的物质的质量；单位体积的物质的质量；比强度：强度比强度：强度b与密度与密度之比；之比；材料的熔化温度；材料的熔化温度；陶瓷陶瓷金属、合金；高分子材料没有固定的熔点；金属、合金；高分子材料没有固定的熔点；低熔点合金低

12、熔点合金耐高温难熔材料耐高温难熔材料材料传导热量的性能；材料传导热量的性能；金属及合金的导热系数远高于非金属材料；金属及合金的导热系数远高于非金属材料；阿基米德法：阿基米德法： =Wa flWa Wfl 材料传导电流的能力；材料传导电流的能力；IACS=International Annealed Copper Standard 国际退火铜标准；国际退火铜标准；金属及其合金具有良好的导电性：银金属及其合金具有良好的导电性：银铜铜铝铝铁；铁；高分子材料大多是绝缘体，高分子复合材料也有良好的导电性；高分子材料大多是绝缘体，高分子复合材料也有良好的导电性；陶瓷材料是绝缘体、半导体；陶瓷材料是绝缘体、

13、半导体；材料随着温度变化而膨胀收缩的特性；材料随着温度变化而膨胀收缩的特性；陶瓷陶瓷金属金属金属材料金属材料材料在加热时抵抗氧化作用的能力；材料在加热时抵抗氧化作用的能力；是材料耐腐蚀性和抗氧化性的总称；是材料耐腐蚀性和抗氧化性的总称；金属及合金的抗氧化机理：氧化膜金属及合金的抗氧化机理：氧化膜热稳定性：高温下的化学稳定性。热稳定性：高温下的化学稳定性。1.2 物理和化学性能化学性能1.3 工艺性能铸造性能金属材料的金属材料的液态成型工艺。将熔液态成型工艺。将熔融金属浇注、压射或融金属浇注、压射或吸入铸型型腔，凝固吸入铸型型腔，凝固后使之成为具有一定后使之成为具有一定形状和性能的铸件；形状和性

14、能的铸件；流动性、流动性、收缩性、收缩性、偏析。偏析。是否易于进行压力加工；是否易于进行压力加工；取决于材料的塑性和变形抗力；取决于材料的塑性和变形抗力；纯铜、碳钢、铸铁。纯铜、碳钢、铸铁。1.3 工艺性能锻造性能两块材料在局部加热至熔融两块材料在局部加热至熔融状态下能牢固地焊接在一起的能力；状态下能牢固地焊接在一起的能力；具有良好的焊接性，而具有良好的焊接性，而、的焊接性不好。的焊接性不好。1.3 工艺性能焊接性能就是通过加热、保温、冷却的方法使就是通过加热、保温、冷却的方法使材料在固态下的组织结构发生改变，从而获得材料在固态下的组织结构发生改变，从而获得所要求的性能的一种加工工艺；所要求的

15、性能的一种加工工艺；淬火、淬火、回火、回火、退火、退火、正火、正火、表面热处理。表面热处理。1.3 工艺性能热处理性能将钢或合金加热，将钢或合金加热，以获得相应的高温相，然后快速冷却，以获得相应的高温相，然后快速冷却，获得低温亚稳相的热处理工艺；获得低温亚稳相的热处理工艺；淬硬钢加热到临界淬硬钢加热到临界点点A A1 1以下预定的温度的热处理。通过松弛以下预定的温度的热处理。通过松弛淬火应力和使组织向稳定状态过度，改淬火应力和使组织向稳定状态过度，改善材料延性和韧性，使钢获得一定的力善材料延性和韧性，使钢获得一定的力学性能和稳定的几何尺寸；学性能和稳定的几何尺寸；1.3 工艺性能热处理性能软化材料的热处理，软化材料的热处理，将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却度，保温一定时间，然后缓慢冷却( (随炉随炉冷却冷却) )，以获得接近平衡状态组织的热处，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺；理工艺；工件奥氏体化后，工件奥氏体化后，保温一定时间然后在空气中或保护气