第1章 材料的力学性能

1、工程材料的分类工程材料的分类按组成特点分：按组成特点分：金属材料金属材料高分子材料高分子材料非金属材料非金属材料复合材料复合材料陶瓷材料陶瓷材料材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。 工程材料的性能工程材料的性能 使用性能使用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工艺性能工艺性能n基本内容和要求基本内容和要求掌握金属主要机械性能：强度、塑性、韧性、硬度的概念和应用 方法：概念较多、实践性强，要联系实际加深理解和记忆是指材料在外力作用下所表现出的特性。是指材料在外力作用下所表现出的特性。外力外力弹性变形失效失效 作用在机件上的外力载荷静载荷

2、动载荷常见的失效形式常见的失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损腐蚀力学性能力学性能bs强度塑性刚度硬度韧性疲劳强度失效形式与力学性能的关系失效形式与力学性能的关系失效形式失效形式断裂塑性变形过量弹变磨损1.1.1 拉伸试验拉伸试验拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象拉伸试验拉伸试验机机kbb 极限载荷点0lkl0dFee 弹性极限点sS 屈服点K 断裂点拉伸曲线FFLkdl应力应变曲线0SF0ll缩颈sFeFbFo弹性变形弹性变形随外力消失而消失的变形随外力消失而消失的变形FFF刚度刚度材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。塑性变形塑性变形产生永久的不可恢复的变形

3、产生永久的不可恢复的变形FFF当材料单位面积上所受的应力 e es s时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度: 0.2=F 0.2/S0 （MPa）1.强度强度 材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1 1） 屈服强度屈服强度（S 0.2 ）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。 S S=Fs/S=Fs/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。是塑性材料选材和评定的依据。对于塑性差的材料，用0.2来代替 s skbFesl0l

4、l0SF2 . 0s100%0.2%2 . 0Fb b =Fb/S0 （MPa）（2 2）抗拉强度）抗拉强度（b ）抗拉强度是材料在拉断前抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。承受最大载荷时的应力。 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度抗拉强度 是脆性材料选材的依据。是脆性材料选材的依据。屈强比 s/b小，则工程构件可靠性高 bse退火低碳钢退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲线不同材料的拉伸曲线2.2.塑性塑性常用常用 和和 作为衡量塑性的指标。作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。材料在外力作用下，产生永

5、久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:%10000lllk%10000sssk0lkl0dFFLkd、 塑性越好塑性越好 n 10% 属塑性材料属塑性材料任何零件都需要一定塑性。任何零件都需要一定塑性。塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。防止过载断裂；增加可靠性防止过载断裂；增加可靠性 。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。1.1.4 硬度硬度( hardness )抵抗更硬的物体压入其内的能力。抵抗更硬的物体压入其内的能力。抵抗局部塑性变形的能力抵抗局部塑性变形的能力1 1. .布氏硬度布氏硬度H

6、B HB (Brinell-hardness) DdDF根据根据压痕面积压痕面积大小确定硬度值。大小确定硬度值。 测量HBS450的较软金属采用淬火钢球测量HBW450-650的材料采用硬质合金钢球exp:120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢球的钢球 在在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度试验布氏硬度试验布氏硬度计布氏硬度计 ）压痕的表面积（）压入载荷（mmNHB )11 (2102. 022DdDF布氏硬度特点布氏硬度特点布氏硬度测量的布氏硬度测量的优点优点：测量数值稳定，准确：

7、测量数值稳定，准确 缺点缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件：操作慢，不适用批量生产和薄形件布氏硬度布氏硬度适用于适用于：铸铁，有色金属：铸铁，有色金属 退火、正火、调质处理钢退火、正火、调质处理钢（未经淬火的钢） 原材料，毛坯原材料，毛坯 当当HBS450HB450FFF1200h10HRCHBS洛氏硬度试验洛氏硬度试验原理：原理： HR = (k-h) / 0.002 对金刚石圆锥压头对金刚石圆锥压头 k = 0.2 mm对钢球压头对钢球压头 k = 0.26 mm洛氏硬度特点洛氏硬度特点洛氏硬度测量的洛氏硬度测量的优点优点：操作简便，压痕小：操作简便，压痕小 可用于成品和薄形件可用于成品

8、和薄形件 缺点缺点：测量数值分散：测量数值分散HRC洛氏硬度洛氏硬度适用于适用于：淬火钢，调质钢：淬火钢，调质钢 批量生产的零件批量生产的零件 当当HRC20-70 时有效时有效3.维氏硬度维氏硬度 HV( diamond penetrator hardness )适用范围适用范围: 测量薄板类测量薄板类 HVHBS1冲击韧度冲击韧度 ( impact toughness )AK = G（H1 H2）（J） ak = AK /S （J/m2） 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。 1H2Hn许多机械零件和工具在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，许多机

9、械零件和工具在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，n如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，n材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击性能。材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击性能。2多冲击力多冲击力( impacts resistance )n试样受小能量多次冲击下，试样断裂前的冲击次数。n 材料的多冲击抗力在冲击能量高时，主要取决于塑性，而抵抗小能量多次冲击的能力主要取决于强度。 在冲击载荷下工作的零件，很少是受大能量一次冲击而破坏的；往往是受小能量多次重复冲击而破坏的。KN冲断周次3 3疲劳强度疲劳强度( fatigue strength )1n材料在无数次重复或交变载荷作用下

10、不引起破坏的最大应力。材料在无数次重复或交变载荷作用下不引起破坏的最大应力。 循环基数钢： 受交变载荷作用的零件，在其所受应力远远低于该材料的屈服强度时，会发生突然的断裂。而且是脆性断裂。据统计，约据统计，约80%80%的机件失效为疲劳破坏。的机件失效为疲劳破坏。0n0n7010n8010n有色金属：钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.45 (0.450.55)0.55) b 桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。究其原因是构件或零件内部存在着裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可

11、失稳而扩展，导致机件破断。裂纹尖端附近各点应力大小取决于其应力强度因子K1。 当增大到某一值时，使裂纹扩展引起脆断，此临界值称为断裂韧性 K1c ，用来表示材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力，K1c可通过试验测定。 cKMPamK1211)(a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 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北极星导弹北极星导弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式MPa886001000/ 1 . 0MPa186800100 材料的蠕变是指材料在较高的温度下，外力低于其屈服极限时，产生的随时间的延长而产生

12、塑性变形乃至断裂的现象。金属材料及陶瓷一般在约为0.3-0.5熔点，就会发生蠕变。 常用的蠕变性能指标： 蠕变极限是以给定温度下和规定时间内，使试样产生一定蠕变伸长量的应力作为蠕变极限； 持久强度是表征材料在高温载荷长期作用下抵抗断裂的能力，是试样在给定温度经规定时间发生断裂的应力。 1.高温力学性能高温力学性能 低温冷脆是指材料在较低温度下，会发生脆性增大的现象，显然发生冷脆的温度越低，材料的低温性能就越好。 2.低温力学性能低温力学性能建造中的建造中的Titanic 号号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 牌牌 号号力力 学学 性性 能能 应应 用用

13、 HBSHRCQ235-A40023526工程结构45钢6101622955*轴、杆ZG310-570570310153铸钢件ZAlSi2143450活塞HT250250气缸体QT700-27004202270曲轴bsk注：*为淬火后硬度值。几种常用材料的力学性能三、工程材料的工艺性能n工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能 ，即指其铸造性能、，即指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。磁性磁性 是设计、工艺上应考虑的是设计、工艺上应考虑的 重要性能重要性能 能磁化材料能磁化材料

14、 不能磁化材料不能磁化材料补充：补充： 金属材料的其它性能金属材料的其它性能物理性能密度密度 ：单位体积的质量单位体积的质量 密度影响产品的重量、性能密度影响产品的重量、性能 比强度比强度b /硬磁性材料：硬磁性材料：外加磁场去除后，外加磁场去除后， 材料磁性保留材料磁性保留软磁性材料：软磁性材料：外加磁场去除后，外加磁场去除后， 材料磁性消失材料磁性消失熔点熔点 是热加工的重要工艺参数是热加工的重要工艺参数 是设计选材的重要依据是设计选材的重要依据热膨胀性热膨胀性（线膨胀系数（线膨胀系数） 是设计、工艺上应考虑的是设计、工艺上应考虑的 重要性能重要性能导热性导热性 （导热系数（导热系数） 是

15、传热设备应考虑的重要性能是传热设备应考虑的重要性能 防止材料内外温差过大防止材料内外温差过大 金属越纯金属越纯导热性越好导热性越好导电性导电性 （电阻率）（电阻率） 是设计导电、绝缘零件的是设计导电、绝缘零件的 重要性能重要性能 金属越纯金属越纯导电性越好导电性越好 温度越高温度越高导电性越差导电性越差化学性能材料的化学性能主要：材料的化学性能主要： 耐腐蚀性耐腐蚀性 高温抗氧化性高温抗氧化性 化学稳定性化学稳定性金属腐蚀的分类：金属腐蚀的分类：化学腐蚀：由纯化学反应引起化学腐蚀：由纯化学反应引起 氧化膜疏松氧化膜疏松 氧化深入氧化深入 向内部腐蚀向内部腐蚀 致密致密 腐蚀被抑制腐蚀被抑制 保护内部金属保护内部金属电化学腐蚀：由电化学反应引起电化学腐蚀：由电化学反应引起防止腐蚀的办法防止腐蚀的办法1 改变金属成分（合金化）改变金属成分（合金化） 提高基体电极电位提高基体电极电位 形成致密氧化膜形成致密氧化膜 获得单相组织获得单相组织2 表面保护（覆盖法）表面保护（覆盖法） 发蓝，磷化，阳极化发蓝，磷化，阳极化 电镀电镀 喷漆