第一章工程材料的性能

1、1第第1 1章章 工程材料的性能工程材料的性能 1.1 工程材料的力学性能工程材料的力学性能1.2 工程材料的物理和化学性能工程材料的物理和化学性能1.3 工程材料的工艺性能工程材料的工艺性能2前提：材料的分类前提：材料的分类金属金属高分子高分子陶瓷陶瓷材料材料有机材料有机材料无机材料无机材料 复复 合合 材料材料Way?分类：组成成分：组成成分：金属材料、无机非金属材料（二氧化硅气凝胶、水泥、 玻璃、 陶瓷）、有机高分子材料（塑料、橡胶、纤维）、陶瓷材料、复合材料（碳纤维）等；使用功能：使用功能：结构材料和功能材料4工程材料分类工程材料分类5各类材料的特点各类材料的特点金属材料金属材料 主要

2、为金属键金属键。热和电的良导体；具有良好的强度与延展性以及金属光泽。陶瓷材料陶瓷材料 通常为离子键离子键或共价键共价键。绝缘体，而且比较耐热。高分子材料高分子材料 通常为共价键、分子键 和氢键，以共价键共价键为主。分子结构都非常大；通常密度较低，在高温下不稳定。复合材料复合材料 性能的复合。 工程材料包括工程材料包括结构材料、功能材料结构材料、功能材料 结构材料结构材料以强度、韧性、塑性等机械性能为主要要求。以强度、韧性、塑性等机械性能为主要要求。 功能材料功能材料以特殊物理性能与化学性能为主要要求。以特殊物理性能与化学性能为主要要求。“性能性能”7铸造性铸造性 可锻性可锻性可焊性可焊性切削加

3、工性切削加工性热处理性热处理性 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 1.1 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 表征材料在给定外界条件下的行为。什么是材料的性能？什么是材料的性能？8材料在外加载荷（外力或能量）作用下或材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。合作用下表现出来的行为。 主要是指材料在力的作用下抵抗变形和主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。开裂的性能。力学性能力学性能9 机械设计中应首先考

4、虑材料的力学性能。机械设计中应首先考虑材料的力学性能。 通俗地讲通俗地讲, ,力学性能反应在多大和怎样形式的载荷力学性能反应在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。力学性能指标力学性能指标: 弹性、刚度、弹性、刚度、 塑性、韧性、塑性、韧性、 强度、硬度、强度、硬度、 疲劳强度等。疲劳强度等。工程材料的机械性能工程材料的机械性能 材料在受力时的性质。材料在受力时的性质。（也称力学性能）。（也称力学性能）。10力学性能试验：静载单向静拉伸应力力学性能试验：静载单向静拉伸应力应变曲线应变曲线 拉伸机上，低拉伸机上，低碳钢缓慢加载

5、单向碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线静拉伸曲线 拉伸试验机拉伸试验机11曲线分为四阶段：曲线分为四阶段：1阶段阶段I（oab段）段）弹性弹性变形阶段变形阶段pa: Pp pb: Pe （不产生永久变形的（不产生永久变形的最大抗力）最大抗力）poa段：段：L P 直线阶段直线阶段pab段：极微量塑性变形段：极微量塑性变形（0.001-0.005%)2阶段阶段II（bcd段）段）屈服屈服变形变形pc: 屈服点屈服点 Ps屈服现象：屈服现象：金属材料开始产生明显塑性变形的标志。金属材料开始产生明显塑性变形的标志。 拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静载拉伸曲线载拉伸曲线 123阶段

6、阶段III（dB段）段）均匀均匀塑性变形阶段塑性变形阶段pB: Pb 材料所能承受的材料所能承受的最大载荷最大载荷4阶段阶段IV (BK段段) 局部局部集中塑性变形集中塑性变形1. 低钢、正火、退火调质中钢，低、中低钢、正火、退火调质中钢，低、中C合金钢、某些合金钢、某些Al合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。2. 铸铁、陶瓷：只有第铸铁、陶瓷：只有第I 阶段阶段3. 中、高碳钢：没有第中、高碳钢：没有第II 阶段阶段颈缩颈缩 拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静载拉伸曲线静载拉伸曲线 131.1. 低钢、正火、退火调质中钢，低、中

7、低钢、正火、退火调质中钢，低、中C C合金钢某些合金钢某些AlAl合金及某些高合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。分子材料具有类似上述曲线。2.2. 铸铁、陶瓷：只有第铸铁、陶瓷：只有第I I阶段阶段3.3. 中、高碳钢：没有第中、高碳钢：没有第IIII阶段阶段141.1.1 强度强度(strength) 单位： MPa(MN/mm2) 公式：=P/Fo 物理意义物理意义: :材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 抗拉强度、抗拉强度、 抗压强度、抗弯强度抗压强度、抗弯强度 、 抗剪强度抗剪强度 、 抗抗扭强度等。扭强度等。材料所能承受的极限应力材料所能

8、承受的极限应力. 151 1屈服强度屈服强度s s (yield strength) a: s=Ps/Fo Ps s = ( M pa ) F0试样屈服时的载荷( N )试样原始横截面积( mm2)s：代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。16 b: 0.2条件屈服强度条件屈服强度 中高碳钢等无屈服点。国家标准以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。脆性材料：b=s ，如灰口铸铁 P0.2 0.2 = ( M pa ) F0试样产生试样产生0.2%残余塑性变残余塑性变 形时的载荷形时的载荷(N)试样原始横截面积( mm2)172 2抗拉强度抗拉强度( tensi

9、le strength )( tensile strength )b=Pb/Fo 材料被拉断前所承受的最大应力值。材料被拉断前所承受的最大应力值。 Pb b = ( M pa ) F0试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N)试样原始横截面积( mm2)b：代表材料抵抗外力而代表材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值。不致断裂的极限应力值。183 3疲劳强度疲劳强度-1 -1 ( fatigue strength )( fatigue strength ) n 疲劳现象： 承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化。在交变应承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化。在交变应力作用下，往往在远小于强度

10、极限，甚至小于屈服极限的力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。应力下发生断裂。（80%的断裂由疲劳造成）的断裂由疲劳造成）n 影响因素：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。态、残余应力等。1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂19n 疲劳极限疲劳极限-1 -1 ： 材料经无数次应力循环而不发材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。生疲劳断裂的最高应力值。n条件疲劳极限：条件疲劳极限： 经受经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。应力循环而不致断裂的最大

11、应力值。 钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N = 10N = 107 7有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 N = 10N = 108 8钢材的疲劳强度与抗拉强度之间钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系的关系: : -1-1 = (0.45 = (0.450.55)0.55)b b陶瓷、高分子材料疲劳抗力很低；陶瓷、高分子材料疲劳抗力很低；金属材料疲劳强度较高；金属材料疲劳强度较高；纤维增强复合材料较好的抗疲劳性能。纤维增强复合材料较好的抗疲劳性能。201.1.2、塑性、塑性 (plasticity)材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。材料在载荷作用下产生塑性变

12、形而不被破坏的能力。延伸率与试样尺寸有关，延伸率与试样尺寸有关， d5 , d10 (Lo=5do, 10do)。1 1延伸率（延伸率（specific elongationspecific elongation） 10% 属塑性材料属塑性材料 是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量L Lk k与原始标距与原始标距L L0 0之比。之比。Lk: 试样拉断后最终标距长度。试样拉断后最终标距长度。21u =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100%u 越大，塑性愈好u 铸铁（灰口）铸铁（灰口）铸钢（共晶点附近最好）铸钢（共晶点附近最好）2.锻造性能（塑性、变形抗力）锻造性能（塑性、

13、变形抗力） 低碳钢低碳钢中碳钢（低合金钢）中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铸铁不可锻压高碳钢（高合金钢）铸铁不可锻压3.焊接性能（可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度）焊接性能（可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度）低碳钢低碳钢中碳钢（低合金钢）中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）高碳钢（高合金钢）铜、铝合金铜、铝合金4.切削性能（切削难易程度、加工表面质量）切削性能（切削难易程度、加工表面质量）5.热处理工艺性能（热处理难易程度及产生缺陷的倾向）热处理工艺性能（热处理难易程度及产生缺陷的倾向） 淬透性、变形和开裂、过热敏感性、回火脆化和氧化脱碳等淬透性、变形和开裂、过热敏感性、回火脆化和氧化脱碳等指工程材料对各种加工工艺手段所表现出的难易程度。33 CH1 作作 业业1. 什么是机械工程材料什么是机械工程材料?试举几种常见工程材料并简述其应用。试举几种常见工程材料并简述其应用。2. 围绕材料与工程的核心关系是什么？围绕材料与工程的核心关系是什么？3. 名词解释：强度、硬度、塑性、冲击韧性