01第一章材料的性能学习课程

1、性能工艺性能：铸造性能、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺性等使用性能力学性能：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等化学性能：抗氧化性和耐腐蚀性物理性能：密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等第1页/共37页第一页，编辑于星期四：十九点 四十四分。l使用性能：使用性能：材料在使用过材料在使用过程中所表现的性能。程中所表现的性能。包括包括力学性能、物理性能力学性能、物理性能和和化化学性能。学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过材料在加工过程中所表现的性能。程中所表现的性能。包包括括铸造铸造、锻压、焊接、热锻压、焊接、热处理处理和和切削性能等切削性能等。神舟一号飞船第2页/共37页第二

2、页，编辑于星期四：十九点 四十四分。 力学性能：在外力作用下反映出来的性能； 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形变形。 外力去处后能够恢复的变形称为外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 五万吨水压机第3页/共37页第三页，编辑于星期四：十九点 四十四分。应力应力 = P/F0应变应变 = (l-l0)/l0拉伸试验机低碳钢的应力- -应变曲线拉伸前断裂后拉伸试样第4页/共37页第四页，编辑于星期四：十九点 四十四分。一、弹性和刚度一、弹性和刚度 弹性：

3、弹性：即即材料承受最大弹材料承受最大弹性变形时的应力。性变形时的应力。指标指标为为弹性极限弹性极限 e e。 刚度：刚度：材料受力时抵抗弹材料受力时抵抗弹性变形的能力。性变形的能力。指标为指标为弹弹性模量性模量E E： ）（MPatgE 弹性模量弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度

4、。 第5页/共37页第五页，编辑于星期四：十九点 四十四分。二、强度与塑性二、强度与塑性 强度：强度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s：材料发生微材料发生微量塑性变形时的应力值。量塑性变形时的应力值。l条件屈服强度条件屈服强度 0.2：残余变形量为残余变形量为0.2%时时的应力值。的应力值。l抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受的最大材料断裂前所承受的最大应力值。应力值。0.2第6页/共37页第六页，编辑于星期四：十九点 四十四分。塑性：塑性：材料受力破坏前可承受材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。最大塑性变形的能力。指标

5、为：指标为： %100010 FFF 断面收缩率断面收缩率 ：拉伸试样的颈缩现象%100001 lll 伸长率伸长率 ：拉伸前断裂后第7页/共37页第七页，编辑于星期四：十九点 四十四分。 说明：说明： 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为常数时，为常数时，塑性值才有可比性。塑性值才有可比性。 当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示； 当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示，显然表示，显然 5 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征

6、时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征无颈缩试样有颈缩试样第8页/共37页第八页，编辑于星期四：十九点 四十四分。三、冲击韧性三、冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷作是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。用而不破坏的能力。l指标为冲击韧指标为冲击韧性值性值ak(通过通过冲击实验测冲击实验测得得)。第9页/共37页第九页，编辑于星期四：十九点 四十四分。 韧脆转变温度：韧脆转变温度：材料的冲击韧性随材料的冲击韧性随温度下降而下降。温度下降而下降。在某一温度范围内在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转韧脆转变变. .发生韧脆转变的温度范围称发生韧脆转

7、变的温度范围称韧脆转韧脆转变变温度温度。材料的使用温度应高于韧脆转材料的使用温度应高于韧脆转变温度。变温度。体心立方金体心立方金属具有韧脆属具有韧脆转变温度，转变温度，而大多数面而大多数面心立方金属心立方金属没有没有.解理断口韧窝断口第10页/共37页第十页，编辑于星期四：十九点 四十四分。TITANIC建造中的建造中的Titanic TITANIC 的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关第11页/共37页第十一页，编辑于星期四：十九点 四十四分。Titanic 号钢板号钢板（左图）（左图）和和近代船用钢板近代船用钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果Titan

8、ic近代船用钢板近代船用钢板第12页/共37页第十二页，编辑于星期四：十九点 四十四分。四、疲劳四、疲劳 材料在低于材料在低于 s重复交变应力作用下发生断裂的现象重复交变应力作用下发生断裂的现象. 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为大应力称为疲劳极限疲劳极限。用。用 -1表示。表示。 钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图第13页/共37页第十三页，编辑于星期四：十九点 四十四分。疲劳断口疲劳断口通过通过改善材料形状结构改善材料形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，

9、提高表面光洁提高表面光洁度度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力等方法可提高材料疲劳抗力.轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）第14页/共37页第十四页，编辑于星期四：十九点 四十四分。五、硬度五、硬度 材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形的能力。的能力。1 1、布氏硬度、布氏硬度HB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计布氏硬度测试原理第15页/共37页第十五页，编辑于星期四：十九点 四十四分。 压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号HBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。 压头为硬质

10、合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBW表示，适用于表示，适用于布氏硬度在布氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符号符号HBS或或HBW之前的数字表示之前的数字表示硬度值，之后的数字按顺序分别表硬度值，之后的数字按顺序分别表示球体直径示球体直径、载荷及载荷保持时载荷及载荷保持时间间, 如如120HBS10/1000/30 表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf(9.807kN)载荷作载荷作用下保持用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕第16页/共37页第十六页，编辑于星期四：十九点 四十四分。 布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量

11、误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。 缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。头还硬的材料。 适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。 材料的材料的 b与与HB之间经验关系：之间经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢对于高碳钢: b(MPa)3.4HB 对于铸铁对于铸铁: b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁第17页/共37页第十七页，编辑于星期四：十九点 四十四分。2、洛氏硬度、洛氏硬度洛

12、氏硬度计 洛 氏 硬 度 用 符 号洛 氏 硬 度 用 符 号H R表 示 ，表 示 ，H R = k- (h1-h0)/0.002 根据压头类型和主载荷不同根据压头类型和主载荷不同, 分为九个标尺分为九个标尺, 常常用的标尺为用的标尺为A、B、C。 洛氏硬度测试示意图第18页/共37页第十八页，编辑于星期四：十九点 四十四分。 符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如硬如硬质合金、表淬层和渗碳层质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如有如有色金属和退火色金属和退火

13、、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压操作简便，压痕小，适用范围广。痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕第19页/共37页第十九页，编辑于星期四：十九点 四十四分。维氏硬度计维氏硬度原理维氏硬度压痕3、维氏硬度维氏硬度第20页/共37页第二十页，编辑于星期四：十九点 四十四分。 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表后面的

14、数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。示载荷值及载荷保持时间。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计l根据载荷范围不同，规定了三种测根据载荷范围不同，规定了三种测定方法定方法 维氏硬度试验维氏硬度试验 、小负荷小负荷维氏硬度试验维氏硬度试验、显微维氏硬度试显微维氏硬度试验验。l维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点硬度的优点。第21页/共37页第二十一页，编辑于星期四：十九点 四十四分。六、断裂韧性六、断裂韧性油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关材料中存在缺陷有关 北极星导弹裂纹扩展的基本形式1943年美国T-2油轮发

15、生断裂第22页/共37页第二十二页，编辑于星期四：十九点 四十四分。l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。端附近应力场强度的指标。aYKI 2/1)( cca CCICaYK 23/mMNl断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部裂材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。纹失稳扩展的能力。l C为断裂应力，为断裂应力， aC为临界裂为临界裂纹半长，单位为纹半长，单位为 第23页/共37页第二十三页，编辑于星期四：十九点 四十四分。1.6 材料的物理及化学性能材料的物理性能第24页/共37页第二十四页，编辑于星期四：十九点 四十四分。轻金属： 密度小于5103kgm3的金属，

16、如铝、镁、钛及它们的合金。重金属：密度大于5103kgm3的金属，如铁、铅、钨等。1. 金属的物理性能（1）密度 单位体积物质的质量称为该物质的密度：=m/V第25页/共37页第二十五页，编辑于星期四：十九点 四十四分。(2) (2) 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。 难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。 易熔金属，如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。第26页/共37页第二十六页，编辑于星期四：十九点 四十四分。(3) 导热性 导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是，单位是WmK

17、。 热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。 在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。第27页/共37页第二十七页，编辑于星期四：十九点 四十四分。 (4) 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。合金的导电性比纯金属差。 电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬)适于做电热元件。第28页/共37页第二十八页，编辑于星期四：十九点 四十四分。(5) 热膨胀性 热膨胀性用线膨胀系数aL和

18、体胀系数av来表示。aL = L2-L1 L1tav 3aL 由膨胀系数大的材料制造的零件，在温度变化时，尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响，以减少工件的变形和开裂。第29页/共37页第二十九页，编辑于星期四：十九点 四十四分。(6) 磁性铁磁性材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等；顺磁性材料：在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等；抗磁性材料：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用如铜、锌等。 铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770。第30页/共37页第三十页，编辑于星期四：十九点 四十四分。材料抵抗环境介质腐蚀的能力叫做材料的抗蚀性。材料的化学性能分为：化学腐蚀 电化学腐蚀。(1) (1) 耐腐蚀性第31页/共37页第三十一页，编辑于星期四：十九点 四十四分。1