第一章 金属材料机械性能

1、材料是什么？材料是宇宙万物中的一部分，但更具体地说，材材料是宇宙万物中的一部分，但更具体地说，材料指的是那样一些物质，这些物质的性能使其能料指的是那样一些物质，这些物质的性能使其能用于结构、机器、器件或其它产品。用于结构、机器、器件或其它产品。例如，金属、陶瓷、半导体、超导体、聚合物（塑例如，金属、陶瓷、半导体、超导体、聚合物（塑料）、玻璃、介电材料、纤维、木材、沙子、石料）、玻璃、介电材料、纤维、木材、沙子、石块、复合材料等都属于材料的范畴。块、复合材料等都属于材料的范畴。人类社会的发展史表明，生产中使用的材人类社会的发展史表明，生产中使用的材料的性质直接反映人类社会文明的水平。料的性质直接

2、反映人类社会文明的水平。根据制造生产工具的材料，将人类生活的根据制造生产工具的材料，将人类生活的时代划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。时代。石器时代石器时代石器陶器瓷器青铜器时代剑司母戊鼎中国古代金属冶铸技术发明时中国古代金属冶铸技术发明时间较早，且技术精湛。已发现间较早，且技术精湛。已发现的中国最早的青铜器，如甘肃的中国最早的青铜器，如甘肃东乡马家窑出土的铜刀，距今东乡马家窑出土的铜刀，距今已有已有4800年左右的历史。年左右的历史。铁器时代黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)铁人材料的分类材料的分类按经济部门按经济部门可分为：可分为：土建工程材料土建工程

3、材料机械工程材料机械工程材料电工材料电工材料电子材料电子材料按物质结构按物质结构可分为：可分为：金属材料金属材料有机高分子材料有机高分子材料陶瓷材料陶瓷材料按材料功按材料功用可分为：用可分为：结构材料结构材料功能材料功能材料机械工程材料主要用于制造结构件、机械零件和工具的材料。概念：分类：按化学成分分四类：金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料机械工程材料的应用钢铁材料 55非铁金属17工程塑料 20其它非金属 8 金属材料金属材料 镁铝合金手机壳镁铝合金叶轮随着科学技术的进步，非金属材料也得到了迅速随着科学技术的进步，非金属材料也得到了迅速的发展。非金属材料在工业中的应用日益广泛。的发展。非金属

4、材料在工业中的应用日益广泛。非金属材料具有一些金属所不具备的许多性能和非金属材料具有一些金属所不具备的许多性能和特点，如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型特点，如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生产率高、成本低等。容易、生产率高、成本低等。高分子材料常常取代金属材料用作化工管道、盐高分子材料常常取代金属材料用作化工管道、盐业泵零件、汽车结构件等。业泵零件、汽车结构件等。而古老的陶瓷材料也突破了传统的应用范围，成而古老的陶瓷材料也突破了传统的应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。从六十年代到七十年代，有机合成材料每年以从六十年代到七十

5、年代，有机合成材料每年以14的速度增长，而金属材料的年增长率仅为的速度增长，而金属材料的年增长率仅为4。到七十年代中期，全世界的有机合成材料和钢的到七十年代中期，全世界的有机合成材料和钢的体积产量已经相等；除了用作为结构材料代替钢体积产量已经相等；除了用作为结构材料代替钢铁外，目前正在研究和开发具有良好导电性能和铁外，目前正在研究和开发具有良好导电性能和耐高温的耐高温的有机合成材料有机合成材料。高分子材料制品涤纶安全带尼龙齿轮陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料的发展同样十陶瓷材料的发展同样十分引人注目，它除了具分引人注目，它除了具有许多特殊性能作为重有许多特殊性能作为重要的功能材料要的功能材料(例如可例

6、如可作光导纤维、激光晶体作光导纤维、激光晶体等等)以外，其脆性和抗以外，其脆性和抗热震性正在逐步获得改热震性正在逐步获得改善，是最有前途的高温善，是最有前途的高温结构材料。机器零件和结构材料。机器零件和工程结构已不再只使用工程结构已不再只使用金属材料制造了。金属材料制造了。 光缆绝缘陶瓷耐磨陶瓷莫来石复相陶瓷随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越来越高、越来越多的要求。传统的单一材料已不来越高、越来越多的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求。复合材料的研究和应用引

7、起了能满足使用要求。复合材料的研究和应用引起了人们的重视。人们的重视。复合材料隐形飞机上的特殊材料复合材料复合材料碳纤维碳纤维玻璃纤维树脂复合材料(即玻璃钢)赛车壳体玻璃钢储液罐玻璃纤维树脂复合材料玻璃纤维树脂复合材料(即玻璃钢即玻璃钢)、碳纤维树、碳纤维树脂复合材料已应用于宇航和航空工业中制造脂复合材料已应用于宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身、螺卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身、螺旋桨等、发动机叶轮等；在交通运输工业中旋桨等、发动机叶轮等；在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船、艇等，在石油化工制造汽车车身、轻型船、艇等，在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道

8、工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。等。 钛基复合材料“神舟”五号飞行成功超7隐形战斗机磁浮列车（时速430公里）电动汽车飞船歼7E战斗机人造卫星运载火箭New technique 材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展到迅速发展. 分层实体快速成形减速机箱体原型熔融沉积快速成形叶轮原型金属材料的基础知识一一金属材料的机械性能金属材料的机械性能金属材料的常用性能 金属材料性能的金属材料性能的分类分类材料工艺性能材料工艺性能力学性能力学性能（强度、塑性韧性等）（强度、塑性韧性等）物理性能物理性能（光、热、电、磁等）（光、热、电、磁等）

9、化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等）生物性能（生物性能（相容性、自恢复性等相容性、自恢复性等）加工性能加工性能（切削、锻造等）（切削、锻造等）铸造性能铸造性能（适合铸造与否）（适合铸造与否）焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否）热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化）力学性能，又称力学性能，又称机械性能，机械性能，是作为结构材料是作为结构材料应该具备的最主应该具备的最主要的性能。要的性能。材料的机械性能力学行为：力学行为：材料在外加载荷或环境因素的作用下所表现的行为。材料在外加载荷或环境因素的作用下所表现的行为。现象：现象：弹性变形、塑性变形和断裂弹性变形、塑

10、性变形和断裂五万吨水压机载荷的形式拉伸压缩弯曲剪切扭转静拉伸试验静拉伸试验1、静载时材料的机械性能静载是指静载是指对试样缓对试样缓慢加载慢加载将试样在拉伸试验机上缓慢地进行将试样在拉伸试验机上缓慢地进行拉伸，使试样承受轴向拉力拉伸，使试样承受轴向拉力P，并，并引起试样沿轴向产生伸长，直到试引起试样沿轴向产生伸长，直到试样断裂样断裂拉伸试样及低碳钢的拉伸曲线图拉伸试样及低碳钢的拉伸曲线图应应 力力为纵坐标，应变为纵坐标，应变为横坐标为横坐标 拉应力拉应力=P/F0(拉力除以原始截面积拉力除以原始截面积) 应变应变=L/L0(伸长除以原始长度伸长除以原始长度)F0F1试样拉试样拉断前的断前的最大应

11、最大应力值力值低碳钢的拉伸曲线图低碳钢的拉伸曲线图O静拉伸试验测得的几个性能指标弹性和刚度弹性和刚度强度强度塑性塑性弹性和刚度弹性和刚度外力卸载后，试样能外力卸载后，试样能迅速恢复原状，这种迅速恢复原状，这种不产生永久变形的性不产生永久变形的性能，称为弹性。能，称为弹性。表示材料保持弹性变形表示材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大不产生永久变形的最大应力应力, 是弹性零件的设计是弹性零件的设计依据。依据。弹性模量弹性模量E=e/e =/衡量材料产衡量材料产生弹性变形难易生弹性变形难易程度的指标程度的指标弹性弹性弹性极限弹性极限e弹性模量弹性模量E刚度刚度工程上用刚度表征材工程上用刚度表征材

12、料弹性变形抗力的大料弹性变形抗力的大小。小。可以通过增加横可以通过增加横截面积或改变截面形截面积或改变截面形状来提高。状来提高。主要取决于材料的本身，主要取决于材料的本身，其他强化材料的手段如热处理、冷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热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。但响很小。但强度强度根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。、抗弯强度、抗剪强度等。当材料承受拉力时，强度特性指标主要是屈服强度当材料承受拉力时，强度特性指标主要是屈服强度s和抗和抗拉强度拉强度b屈服强度屈服强度s表示材料在

13、外力表示材料在外力作用下开始产生作用下开始产生塑性变形的最低塑性变形的最低应力，也表示材应力，也表示材料抵抗微量塑性料抵抗微量塑性变形的能力。变形的能力。O屈服强度屈服强度0.2有些材料比如铸有些材料比如铸铁，没有明显的铁，没有明显的屈服点屈服点S，规定试，规定试样产生样产生0.2%残余残余应变时的应力值应变时的应力值为该材料的屈服为该材料的屈服强度。强度。屈服强度的工程意义：屈服强度的工程意义： 零件（构件）在工作中一般不允许发生塑零件（构件）在工作中一般不允许发生塑性变形。所以屈服强度性变形。所以屈服强度s是设计时的主要参数是设计时的主要参数，也是评定金属材料承载能力的重要机械性，也是评定

14、金属材料承载能力的重要机械性能指标。能指标。抗拉强度抗拉强度b表示金属被表示金属被拉断前所能拉断前所能承受的最大承受的最大应力应力屈强比屈强比屈强比屈强比S/b越小，工程构件的可越小，工程构件的可靠性越高，靠性越高，说明即使外载或某些说明即使外载或某些意外因素使金属变形，也不至于意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。立即断裂。但屈强比过小，则材但屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。料强度的有效利用率太低。屈服强度屈服强度与抗拉强与抗拉强度的比值度的比值S/b称为称为屈强比。屈强比。塑性伸长率（伸长率（） 在拉伸试验中在拉伸试验中, 试样拉试样拉断后断后, 试样的伸长与原始长度的百分比试样的

15、伸长与原始长度的百分比称为伸长率。称为伸长率。产生塑性变形而不断产生塑性变形而不断裂的性能称为裂的性能称为塑性塑性, 用伸长率用伸长率和断面收和断面收缩率缩率来表示。来表示。塑性断面收缩率（断面收缩率（） 试样拉断后试样拉断后, 缩颈缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。积的百分比称为断面收缩率。 拉伸试样的缩颈现象塑性的工程意义：塑性的工程意义：此外，工件的偶然过载，可因塑性变形而防止突此外，工件的偶然过载，可因塑性变形而防止突然断裂；然断裂；工件的应力集中处，也可因塑性变形使应力松弛，工件的应力集中处，也可因塑性变形使应力松弛，从而使工件

16、不至于过早断裂。从而使工件不至于过早断裂。硬度通常材料的强度越高，硬度也越高。通常材料的强度越高，硬度也越高。硬度测试应用得最广的是压入法硬度测试应用得最广的是压入法工程上常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度工程上常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度。即在一定载荷作用下，用比工件更即在一定载荷作用下，用比工件更硬的压头缓慢压入被测工件表面，硬的压头缓慢压入被测工件表面，使材料局部塑性变形而形成压痕，使材料局部塑性变形而形成压痕，然后根据然后根据压痕面积大小压痕面积大小或或压痕深度压痕深度来来确定硬度值。确定硬度值。)(2102. 022dDDDPHB 1.布氏硬度（布氏硬度（HB) 布氏硬度试验压

17、痕大，布氏硬度试验压痕大，不能用于太薄、太硬不能用于太薄、太硬（450HB）的材料）的材料通常以通常以3000kgf的压力的压力P，将直，将直径为径为D的淬火钢的淬火钢球压入金属材料球压入金属材料的表层，经过规的表层，经过规定的保持载荷定的保持载荷时时间后，卸除载荷，间后，卸除载荷，载荷除以压痕表载荷除以压痕表面面积。积。2.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)洛氏硬度压痕在一特定的压头上加上在一特定的压头上加上一定的压力压人被测材一定的压力压人被测材料，根据压痕的深度来料，根据压痕的深度来度量材料的软硬。度量材料的软硬。洛氏硬度的压头、负荷和适用范围（见书洛氏硬度的压头、负荷和适用范围（见书p

18、214）。）。硬度和强度之间有一定的关系，可以近似地换算。硬度和强度之间有一定的关系，可以近似地换算。2、动载时材料的机械性能、动载时材料的机械性能动载的两种形式：动载的两种形式： 冲击载荷冲击载荷许多机械零件和工具在工作中许多机械零件和工具在工作中, 往往要受到冲击载荷（以较往往要受到冲击载荷（以较高的速度施加到零件上）的作用高的速度施加到零件上）的作用, 如活塞销、锤杆、冲模如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。和锻模等。 交变载荷交变载荷轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的载荷随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的载荷随

19、时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变载荷应力称为交变载荷(也称循环应力也称循环应力)。 冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性ku，常用，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。用冲击吸收功除以试一次摆锤冲击弯曲试验来测定。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积。样缺口处截面积。 冲击韧性冲击韧性 FGhGHFAkkk冲击韧度（冲击韧度（J/cm2 ） ；kA冲击吸收功（冲击吸收功（J）；）；G摆锤重量（摆锤重量（N）；）；H摆锤抬升高度（摆锤抬升高度（m）；）；h摆锤冲击后的高度（摆锤冲击后的高度（m）；）；F试样缺口底部处横截面积（试样缺

20、口底部处横截面积（cm2 ）。）。式中式中疲劳强度疲劳强度在交变载荷作用下，虽然零件所承受的应力在交变载荷作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。金属的疲劳。 N01-1 金属承受的交变应力越大金属承受的交变应力越大, 则则断裂时应力循环次数断裂时应力循环次数N越少。越少。当应力低于一定值时当应力低于一定值时, 试样可试样可以经受无限周期循环而不破以经受无限周期循环而不破坏坏, 此应力值称为材料的此应力值称为材料的疲劳疲劳极限极限(亦叫疲劳强度

21、亦叫疲劳强度)，用，用-1 表示。表示。二、金属材料的物理和化学性能二、金属材料的物理和化学性能1、金属材料的物理性能、金属材料的物理性能 物理性能物理性能指不发生化学反应就能表现出来的性能，指不发生化学反应就能表现出来的性能，如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。性等。2、金属材料的化学性能、金属材料的化学性能化学性能化学性能是材料在化学介质的作用下所表现出来的是材料在化学介质的作用下所表现出来的性能。如材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学性能。如材料的耐腐蚀性能、抗氧化性能和化学稳定性能等。稳定性能等。三、金属材料的工艺性能三、金属材料的工

22、艺性能金属材料的工艺性能是指金属材料适应加工工艺金属材料的工艺性能是指金属材料适应加工工艺要求的能力要求的能力金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求的金属材料的工艺性能指金属材料适应加工工艺要求的能力。按工艺方法的不同，可分为能力。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、锻造性铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。1 1）铸造性能。）铸造性能。 指利用金属的可熔性将其熔化后，指利用金属的可熔性将其熔化后，注入铸型制成铸件的难易程度，包括金属液体的注入铸型制成铸件的难易程度，包括金属液体的流动性和收缩性。流动性和收缩性。 2 2）锻造性能

23、。）锻造性能。 指金属材料在锻造过程中具有的指金属材料在锻造过程中具有的塑性变形能力。塑性变形能力。 3 3）焊接性。）焊接性。 指材料被焊接的难易性质。指材料被焊接的难易性质。 4 4）切削加工性。）切削加工性。表示对材料进行切削的难易程度，表示对材料进行切削的难易程度，可用切削抗力的大小、加工表面质量、排屑的难可用切削抗力的大小、加工表面质量、排屑的难易程度和切削刀具的寿命来衡量。易程度和切削刀具的寿命来衡量。 5 5）热处理工艺性。）热处理工艺性。 指标有淬硬性、淬透性、淬指标有淬硬性、淬透性、淬火变形与淬裂、表面氧化与脱碳、过热与过烧、火变形与淬裂、表面氧化与脱碳、过热与过烧、回火稳定性与脆性。回火稳定性与脆性。 小结材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。描述材料